Cuantificion de Cafeína y Ácido Benzoico en Bebidas Energizantes Por Espectroscopía de Ultra Violeta

CUANTIFICION DE CAFEÍNA Y ÁCIDO BENZOICO EN BEBIDAS ENERGIZANTES POR ESPECTROSCOPÍA DE ULTRAVIOLETA - VISIBLE Julian Camilo Velez-Henry Arturo González RESUMEN En esta práctica se cuantificó por espectroscopía de Ultravioleta - Visible la concentración de cafeína y ácido benzoico en una bebida energizante (Peak). Las técnicas espectrofotométricas son confiables y de fácil implementación para la cuantificación y cualificación de sustancias que pueden absorber la luz que las atraviesa. Muchas sustancias que se consumen en la vida cotidiana, son analizadas mediante el empleo de técnicas espectroscópicas. Para la cuantificación se utilizó las curvas de calibración de los patrones, y mediante las absorbancias de las sustancias se obtuvieron los valores de concentración de 57.98 ppm de cafeína y 5.189 ppm de ácido benzoico. OBJETIVOS  Determinar las concentraciones de cafeína y benzoato de sodio (determinado como ácido benzoico), en bebidas energizantes. PALABRAS CLAVES: Espectroscopía UV/Vis; Bebidas energizantes; cafeína; Patrones; Curva de calibración. INTRODUCCIÓN: Para la cuantificación de sustancias que pueden absorber luz que las atraviesa, las técnicas espectrofotométricas son y de fácil manejo. Además, no sólo sirven para calcular la cantidad de soluto presente en una disolución, sino que también pueden ser utilizadas para identificar sustancias de manera cualitativa. En este experimento, se utiliza la absorbancia de la luz ultravioleta, para medir dos compuestos presentes en bebidas energizantes: la cafeína y el ácido benzoico. La cafeína (figura 1) es una sustancia amarga que se encuentra en el café, el té, las bebidas, el chocolate, y ciertos medicamentos. Es un alcaloide que se obtiene de ciertas plantas, pero también puede producirse de manera artificial y agregarse a los productos alimentarios. Esta molécula es un estimulante del sistema nervioso central y también un diurético. El ácido benzoico (figura 1) es un conservante utilizado ampliamente en los alimentos ácidos (pH 2,5 – 4,0). Esto normalmente es adicionado como sal de benzoato de sodio. Aunque el ácido benzoico es un aditivo alimentario sintetizado químicamente, también es producido naturalmente en varias frutas, ls cuales a menudo pueden exceder la cantidad establecida y recomendada por la food drug administration (FDA) para el consumo humano. ɛx2. + ɛnbcn Donde los subíndices se refieren a la absorción de los componentes 1. Si hay interferencia sustancial. n. El problema se hace más simple cuando uno de los compuestos no interfiere con el otro compuesto. + An (Ecuación 1) Atotal = ɛ1bc1 + ɛ2bc2 + …. La ley de Beer se puede aplicar a soluciones que contienen más de un tipo de sustancia absorbente. Para una mezcla de dos componentes (compuesto X e Y) con absorbancias superpuestas. la absorbancia total par un sistema multicomponente está dada por: Atotal = A1 + A2 + …. Estructura del `´acido benzoico y de la cafeína. ɛy2. pueden evaluarse a partir de soluciones estándar individuales de X e Y. todos los componentes de la mezcla se pueden cuantificar sin separación. incluso si hay superposición de espectros. midiendo las absorbancias a dos longitudes de onda diferente λ’ y λ’’. Figura 1.. siempre que no haya interacción entre las distintas especies (reacciones secundarias).… . entonces se deben resolver las ecuaciones simultáneas. para la concentración de cada especie [X] e [Y].2. se puede resolver. . El problema es matemáticamente equivalente a tener dos ecuaciones simultáneas con dos incógnitas. Si se dispone de suficiente información espectrométrica. Esta relación hace posible la determinación cuantitativa de los componentes individuales de una mezcla. ɛx1. o mejor. La ecuación anterior indica que la absorbancia total de una solución a una longitud de onda dada es igual a la suma de absorbancias de los componentes individuales presentes.. de las pendientes de sus gráficos de l ley de Beer. A1 = ɛx1bcx + ɛy1bcy (absorbancia total a λ’) (Ecuación 2) A1 = ɛx2bcx + ɛy2bcy (absorbancia total a λ’’) (Ecuación 3) Las cuatro absortividades molares. ɛy1. Materiales y método Materiales  Balón volumétrico de 5 ml y 100 ml. PREPARCIÓN DE LA SOLUCIÓN MADRE: Los 100 ml de las soluciones madre de benzoato de sodio 10 mg/L y cafeína 200 mg /L fueron preparadas previamente a la práctica. Rectivos  Bebida energizante (Peak). eliminando así el CO2.5mL 200𝑝𝑝𝑚 125𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉4 = = 3. se dejó enfriar a temperatura ambiente y se tomaron 5 ml de la solución dentro de un matráz de 50 ml. 125 y 150 mg /L). 4.01 M y luego se aforó. 100.75 mL 200𝑝𝑝𝑚  Para ácido benzoico se prepararon 5 patrones de diferentes de concentración (2.875mL 200𝑝𝑝𝑚 100𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉3 = = 2.  Áacido clorhídrico (HCL).01 M a un volumen final de 5mL. PREPARACIÓN DE LOS PATRONES DE CALIBRACIÓN:  Para cafeína se prepararon 5 patrones de diferentes de concentración (50. sin dejar ebullir.25 mL 200𝑝𝑝𝑚 75𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉2 = = 1. adicionándole 10 ml de HCL 0. 𝑉1 = (C2 × V2)/C1 50𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉1 = = 1.01 M a un volumen final de 5mL. 8 y 10 mg/L).  Celdas espectrofotométricas de cuarzo  Embudo en V  Papel filtro.  Espectrofotómetro.  Beaker.  Plancha de calentamiento. 𝑉1 = (C2 × V2)/C1 . 6. los cuales se aforaron con HCL 0. PREPARACIÓN MUESTRA PROBLEMA: Se pusieron a calentar 10 ml de la bebida energizante (Peak) en un beaker sobre una plancha de calentamiento durante 5 minutos. 75. los cuales se aforaron con HCL 0.  Cafeína.  Benzoato de sodio.125mL 200𝑝𝑝𝑚 150𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉5 = = 3. 008 TABLA 1.013 -0.449 300 0.014 -0.001 440 -0.11 -0..013 340 -0.035 -0.011 0 460 -0.004 400 -0. se procede a construir las curvas de calibración de cafeína y ácido benzoico por separado. Barrido espectral . Longitud de onda CAFEINA BENZOICO 200 0.009 320 -0. con agua destilada como blanco fotomètrico CONSTRUCCIÓN DE LA CURVA DE CALIBRACIÓN: ABSORBANCIA ABSORBANCIA AC.028 -0.01 0 480 -0.007 380 -0. con los patrones ya preparados.014 280 0. se introdujeron en el espectrofotómetro.011 360 -0.094 0.377 -0.144 220 3 -0. 2𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉1 = = 1 mL 10𝑝𝑝𝑚 4𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉2 = = 2mL 10𝑝𝑝𝑚 6𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉3 = = 3mL 10𝑝𝑝𝑚 8𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉4 = = 4mL 10𝑝𝑝𝑚 10𝑝𝑝𝑚×5𝑚𝐿 𝑉5 = = 5 mL 10𝑝𝑝𝑚  Después de preparar los patrones de cada sustancia. para así determinar las longitudes de onda máxima a la cual las sustancias absorben más radiación.107 240 3 0.009 0 0 500 -0.001 420 -0.037 -0.019 -0.142 260 3 0. y así saber a qué longitud de onda se debe hacer el análisis  Luego sabiendo el valor de las longitudes de onda máximas de las 2 sustancias. con el fin de conocer sus absorbancias y construir las curvas de calibración.111 60 1.844 10.000 0.952 100 2.000 R² = 0. Cuirva de calibración Cafeína Curva de calibración ácido benzoico 3.164 TABLA 2.500 y = 0.361 4.500 0. Datos para construir las curvas de calibración Curva de calibración Cafeina 2.000 0.000 GRÁFICA 2.0.000 0.000 0 20 40 60 80 100 120 GRÁFICA 1.674 6. ACIDO BENZOICO CAFEÍNA ppm A ppm A 2.000 12.611 20 0.  Posteriormente.000 y = 0.000 4.000 1.000 2.881 40 0.000 0.654 80 1.000 6.971 1.2053 2.000 R² = 0.9789 1.1728x + 0.000 0.500 1.1278 2. Curva de calibración ácido benzoico .000 1.000 8.000 1.482 8. se coloca en el espectrofotómetro los patrones preparados a partir de la solución madre de cafeína y ácido benzoico y se leen a 220 nm y 240 nm respectivamente.000 10.0239x . 1728 Concentración ácido benzoico= 5. SUSTANCIAS ABSORBANCIA ACIDO BENZOICO(240 nm) 1.9789 Sabiendo que la absorbancia del ácido benzoico a 240 nm es de 1. Estimación lineal ácido benzoico LOD=Límite mínimo de detección LOQ=Límite mínimo de cuantificación . Obteniendo absorbancias de 1.102.102 y 1.2053 ⁄0.2053) / 0.663 LINEALIDAD 0. es importante resaltar que el equipo falló en el momento de realizar las mediciones y dichas lecturas pueden tener errores de tipo instrumental.258 TABLA 3.0364 Bo Sb1 0.53096 Sx/Sy Intercep LOD 0.  Según la gráfica 1.979 TABLA 4. Absorbancia de cafeína y ácido benzoico en la bebida energizante ( Peak)  Con los datos de la gráfica 1 y 2 y las absorbancias de la cafeína y el ácido benzoico de la tabla 3. Por último. la ecuación de la recta en la curva de calibración del ácido benzoico es: 𝑦 = 0. la concentración de este en la bebida energizante es: Concentración= 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 − 0.258 de ácido benzoico y cafeína respectivamente.6425 Sbo r^2 0.2053 Con un 𝑅2 =0.1728 𝑥 + 0.6663 -1. podemos hallar la concentración de estos en la bebida energética (peak).937 SENSIBILIDAD 5. se coloca la muestra de la bebida energizante en el espectrofotómetro y lee a 2 longitudes de onda diferentes con el fin de determinar la absorbancia de la cafeína y el ácido benzoico en la muestra.1728 = (1.189 ppm Estimación lineal ácido benzoico S 5.102 CAFEINA(220 nm) 1.4808 0.102 – 0.979 0.281 LOQ 0.  Con una concentración menor a 0. la sensibilidad del equipo.45838254 ppm.0239𝑥 − 0.6636 6. la concentración de este en la bebida energizante es: Concentración= 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 + 0.937 ppm en adelante.9710 6. el equipo podrá cuantificar la cafeína analizada en la muestra de la bebida energizante (Peak).258.0239 Concentración ácido benzoico= 57.9756 Sbo r^2 0.  Respecto al ácido benzoico. .52794181 ppm en adelante.9710 TABLA 5.  Desde la concentración 0.45838254 LOQ 1.0539 5.52794181 SENSIBILIDAD 40.  Según la gráfica 2.1278) / 0.  Desde la concentración 1.1278 ⁄0.98 ppm Estimacion lineal cafeína S 40. el equipo podrá cuantificar el ácido benzoico analizado en la muestra de la bebida energizante (Peak).1278 𝐶𝑜𝑛 𝑢𝑛 𝑅2 =0.9340 Bo Sb1 4. la ecuación de la recta en la curva de calibración de la cafeína es: 𝑦 = 0.2132 Sx/Sy Intercep LOD 0. Estimación lineal cafeína LOD=Límite mínimo de detección LOQ=Límite mínimo de cuantificación ANALISIS DE RESULTADOS:  Con una concentración menor a 0. la absorbancia aumenta 5.6636 LINEALIDAD 0.258 + 0.0239 = (1. el equipo no podrá determinar y analizar la cafeína en la muestra. a medida que aumenta la concentración 1 ppm.6663 unidades.281 ppm. el equipo no podrá determinar y analizar el ácido benzoico en la muestra.9710 Sabiendo que la absorbancia del ácido benzoico a 220 nm es de 1. 798 ⁄100𝑚𝑙 y según lo registrado por la empresa Postobon. con un intervalo de concentración [20 .  Respecto a la cafeína. se determinó que la concentración del ácido benzoico en la bebida energizante (Peak) fue de 5. a medida que aumenta la concentración 1 ppm. la sensibilidad del equipo. 𝑚𝑔  La cantidad que obtuvimos de cafeína es de 57.  Por medio de la curva de calibración. se determinó que la concentración de la cafeína en la bebida energizante (Peak) fue de 57. con respecto la etiqueta del producto .100] ppm.189 ppm.  Por medio de la curva de calibración. CONCLUSIONES:  Por la curva de calibración que aporta la solución madre demuestra que existe una relación directa entre la absorbancia y la concentración.66 unidades. los patrones par la curva de calibración. cumplimiento la ley de Lambert – Beer. la absorbancia aumenta 40. la bebida energizante (peak) tiene un total de 𝑚𝑔 32 ⁄100𝑚𝑙 lo cual es menor a lo que obtuvimos experimentalmente  La espectroscopia visible para la determinación de cafeína y acido benzoico en este análisis no presenta una gran exactitud  se ha podido producir algún error sistemático que se podría haber producido debido a una mala técnica extractiva o un error en la preparación de la muestra.  No hay similitud de concentración de cafeína de la muestra hallada por el método espectroscópico. o un error en el equipò.  Se cuantificó la concentración de cafeína y ácido benzoico en bebidas energizantes. con un intervalo de concentración [2 – 10] ppm.98𝑝𝑝𝑚 lo que equivale a 5.98 ppm.