Determinación de Na en leche comercial mediante Espectroscopia de Emisión Atómica Sodium determination in commercial milk by Atomic Emmision Spectroscopy Determinação de Na em leite comercial por Espectroscopia de Emissão Atômica Adriana Liceth Rodríguez a & Víctor Alfonso Niño Ramírez
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Facultad de Ciencias, Ciencias, Departamento de Química. Universidad Universidad Nacional de Colombia, Colombia. Colombia.
Resumen La determinación de sodio en leche se realizó utilizando la técnica elemental denominada Espectroscopia de Emisión Atómica de llama (FES) fundamentada en la emisión espectral de sodio (Na) a 589 nm. El origen de las muestras evaluadas fueron dos marcas comerciales de leche líquida descremada Carulla y Alquería, las cuales según los resultados experimentales obtenidos tiene una diferencia 331 y 297 ppm respectivamente por encima de la concentración reportada por el fabricante. Por otro lado el efecto como agente supresor de ionización del CsCl al 0.1% solo pudo ser comprobado en las curvas de calibración. Palabras clave: clave: emisión espectral, agente agente supresor de ionización, técnica elemental elemental
Introducción
hacer una medida y control de los minerales que se encuentran en la leche que se consume diariamente y si los productores realmente proporcionan información fidedigna de su concentración en las cartas nutricionales que se proporcionan junto con el producto.La espectrofotometría de emisión atómica por llama (EEA) es una técnica elemental que permite realizar una medida cuantitativa de distintos elementos presentes en una muestra gracias a que los átomos en estado elemental, en presencia de una fuente que les permita alcanzar un estado energético mayor al basal, sus electrones son excitados. (fig. 2). Los átomos regresan nuevamente a su estado basal con rapidez, emitiendo su espectro de líneas característico, el cual es único,
El Sodio (Na) es un elemento esencial de nuestro organismo, el cual, en una medida promedio de composición elemental en cuerpo humano (adulto, 70 kg), es de 100 g, donde la recomendación dietaria para adultos e infantes es de 1200-1300 mg y 120-370 mg respectivamente (1). (1). La razón de su importancia es debido al rol fundamental que cumple en los gradientes de concentración osmótica de electrolitos en las células y en la transmisión de los impulsos nerviosos. Por tal razón, es necesario que se consuma este elemento esencial en la dieta, siendo la leche una buena fuente tanto de iones Ca2+ como de iones Na+. Dado lo anterior es conveniente 1
haciendo las veces de huella dactilar propia del elemento (fig. 3) (2) a)
Fig. 2. Excitación del elemento en la llama (2)
b) Fig. 3. Emisión característica por decaimiento (2)
Fig. 3 Esquema básico de un equipo de Espectroscopia de emisión atómica.
estado basal. El paso para que un electrón pase a orbitales superiores se da gracias a la llama del mechero que proporciona una energía adecuada para que el electrón pase a dicho estado excitado. Cuando decae nuevamente el electrón a su estado basal produce emisión de fotones. Las líneas de 589.0 y 589.6 nm son las más intensas y a ellas se debe al color amarillo que aparece cuando hay presencia de sodio en sales o muestras (3). Por tal motivo debe escogerse la línea espectral más intensa y limpia posible de toda interferencia espectral a fin de lograr la mejor sensibilidad. A fin de ayudar a que se obtenga el átomo en su estado elemental es necesario disminuir el efecto de interferencia por ionización, a fin de que se tenga la señal más intensa posible ya que los iones exhiben propiedades espectroscópicas diferentes a un átomo neutro y no pueden ser determinados por espectroscopia de absorción atómica. (4). Para este fin debe agregarse una sal alcalina que tenga un potencial de ionización menor que el del analito, de tal forma que esta se ionice más fácilmente que el analito de interés, aportando una concentración relativamente alta de electrones a la llama de tal suerte que desplace el equilibrio de ionización hacia la izquierda, permitiendo que el átomo de interés se mantenga en su
Puesto que la intensidad de la señal emitida es proporcional a la concentración del elemento, se puede cuantificar la concentración en una muestra problema mediante curva de calibración de concentración conocida del analito a analizar. Mediante un equipo apropiado, se puede succionar la muestra hasta un dispositivo, conocido como mechero premezcla que permite realizar tres pasos básicos para poder obtener la señal de emisión del elemento: de solvatación, volatilización y atomización del analito. Gracias a que se llega a una temperatura en la que el sodio, que es el analito de interés para la muestra de leche, se encuentra en su estado atómico, alcanza un nivel energético más alto y emite su espectro de líneas característico, el cual será dispersado por el monocromador a fin de escoger una sola línea de emisión espectral y finalmente esta es detectada por un fotomultiplicador (fig. 3) A temperatura ambiente todos los átomos de una muestra están esencialmente en el
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estado elemental. ↔
+
625 veces con agua desionizada y solubilizada en un baño de ultrasonido, como en el apartado anterior las muestras fueron preparadas sin y con 0.1% de CsCl en cada caso por triplicado.
Puesto que es un análisis cuantitativo, a fin de disminuir cualquier tipo de de variación entre las debe trabajarse bajo las mismas condiciones instrumentales e igual composición de reactivos. Esto garantiza menor error y mayor similitud entre las condiciones químicas de la curva y de la muestra a analizar.
Análisis espectrofotométrico. Los estándares y muestras fueron analizados en un espectrofotómetro de absorción atómica AA 300 aanalyst modelo 300 Perkin Elmer, configurado en la señal tipo emisión, la llama fue de Aire/Acetileno a un flujo de 10/3 L/min respectivamente, los análisis fueron evaluados a una longitud de onda analítica de 589.0 nm y un slit de 0.20 nm y un detector fotomultiplicador de amplio rango con ventana de transmisión UV.
Materiales y métodos Elaboración de curva de calibración. La solución estándar fue preparada con NaCl diluido en agua desionizada, con el objetivo de obtener una concentración de 1000 ppm de ion Na, a partir de esta solución stock se realizó una dilución de 100 veces, logrando así, una concentración de 10 ppm y finalmente partiendo de esta solución se realizaron seis puntos de calibración de las siguientes concentraciones 0.1, 0.2, 0.5, 1 y 2 ppm.
Una vez la curva de calibración fue corrida en el equipo, se procedió al análisis de las muestras, tanto con adición de CsCl 0.1% y sin CsCl a fin de determinar el efecto cuando se agrega un supresor de ionización. Los análisis se realizaron en dos tiempos diferentes, en el primero se corrió la curva de calibración sin CsCl y seguido a esto se analizaron las muestras sin CsCl de las dos marcas de leche comercial ya mencionadas, los análisis con CsCl no fue posible correrlos debido a que el acetileno se agotó y se apagó la llama, por lo tanto, solo fue posible evaluar tres puntos de la curva de calibración. Debido a lo anterior fue necesario realizar nuevamente los análisis experimentales en los cuales solo se evaluó la leche comercial “Leche descremada Carulla” en las dos modalidades de análisis con CsCl y sin CsCl. En el segundo momento de análisis sólo fue evaluada la marca comercial “leche descremada Carulla” en las dos modalidades. A fin de aclarar la
En el diseño experimental se tuvo como objetivo evaluar la influencia del CsCl como agente supresor de ionización en la determinación de Na, por lo tanto, se realizaron dos curvas de calibración; una sin CsCl y otra con 0.1% CsCl, en ambos casos se utilizó las concentraciones de patrones ya relacionadas.
Preparación de la muestra. Se analizaron dos marcas comerciales de leche “Leche descremada Carulla” y “Leche sin grasa Alquería” denotadas A y B respectivamente, la muestra fue diluida 3
nomenclatura relacionada en la sección de resultados y discusión (figura 4) se denomina CsCl-1 al análisis realizado en el primer momento, CsCl-2 corresponde al análisis realizado siete días después con las mismas soluciones de calibración y los prefijos sin y con hacen referencia a la ausencia o presencia de CsCl en el análisis.
resultados para el ensayo Sin CsCl. En este punto se mencionará que el coeficiente de correlación lineal para los tratamientos sin datos, por lo tanto, a este método es aplicable la ley de Beer. Por el contrario, el ensayo con CsCl presenta un coeficiente de correlación de 0.97, lo que evidencia una mayor dispersión en los datos y por tanto un mayor error al momento en que el equipo interpola para determinar la concentración de la muestra y en términos analíticos no es representativo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 4 se relaciona los resultados experimentales para las curvas de calibración de Na, en el que se destaca, que en ambos momentos de medida, es decir en la primera medida realizada y la medida realizada siete días después, los ensayos mostraron el efecto que el CsCl al 0.1% tiene en el aumento de la absorbancia, pues en el caso que es incluido dicha sal inorgánica la absorbancia se incrementa en comparación con los ensayos en no es incluido, indicando que el Cs cumple la función de supresor de ionización, manteniendo al Na en su forma elemental para poder llevar a cabo el fenómeno de emisión, energía que será después detectada y representada por la absorbancia que se relaciona directamente con la concentración por medio de la ley de Lambert-Bouguer-Beer.
Por otro lado, al evaluar la sensibilidad de calibración en los ensayos CsCl-1 y CsCl-2 que corresponde a la pendiente de la recta de calibración, indica la variación de la respuesta producida por unidad de variación de concentración del analito. [5] Se puede observar en la tabla 1 que en los ensayos realizados a los siete días CsCl-2 disminuye aproximadamente tres veces la sensibilidad de la curva de calibración. Este comportamiento se puede atribuir al cambio de condiciones instrumentales como altura de la llama, flujos o cambios estabilidad de la matriz y la curva de calibración. Sin embargo, lo anteriormente mencionado debe ser verificado nuevamente en el laboratorio. Fig.4. Curvas de calibración de Na ppm sin y con CsCl 0.1%; en 1 y 2 hace referencia a las repeticiones realizadas, la segunda fue medida siete días después del primer ensayo.
A si mismo en la tabla 1 se encuentran los valores que corresponden a las regresiones lineales de las curvas CsCl fue de 0.99 en ambos casos, coeficiente que evidencia la correlación lineal que se obtuvo entre los de calibración de la figura. 4, en donde el ensayo con CsCl-1 no es reportado, debido a que la corrida de la curva de calibración fue interrumpida como fue mencionado anteriormente y los puntos medidos no son suficientes para generar una curva de calibración que permita comparar con los 4
detectado y que pudo involucrar microorganismos que aportes Na+, un agua desionizada no conforme o un inapropiado análisis y etiquetado en la leche comercial. No obstante, para realizar esta afirmación es necesario confirmarlo con más ensayos de laboratorio siguiendo las directrices de una metodología analítica para la determinación de Na en leche.
Tabla.1 Datos de líneas de tendencia de curvas de calibra ción sin y con CsCl 0.1%; m (pendiente), b (intercepto), r2 (coeficiente de correlación lineal. 1 y 2 hace referencia a las repeticiones realizadas, la segunda fue medida siete días después del primer ensayo.
Ensayo
m
b
r2
Sin CsCl-1
0,14
-2,4x10-3
0,99
Sin CsCl-2
0,041
-2,6x10-3
0,99
Con CsCl-1
N. A
N. A
N. A
Con CsCl-2
0,047
7,1x10-3
0,97
También es importante destacar que teóricamente la concentración en ppm con una muestra analizada con CsCl será más alta que una que no contenga supresor de ionización sin embargo este resultado teórico no fue observado experimentalmente en el segundo momento de medida tal como se evidencia en la Tabla 2 en donde la medida con CsCl es aproximadamente dos veces menor que la medida sin CsCl. Esto puede ser atribuido a que el CsCl puede alterar el sistema de análisis debido a que la segunda medida se realizó siete días después, tiempo en el que el CsCl pudo tener algún efecto en la matriz de medida.
Al contrastar los valores de sodio en leche de referencia y experimentales se encuentran diferencias significativas (ver Tabla 2) en donde la exactitud de la metodología corresponde a la diferencia entre el valor de referencia y el valor medido. Por ejemplo, al comparar el valor de referencia de ambos fabricantes con las medidas realizadas en el primer momento sin CsCl se encuentran diferencias de 331 y 297 ppm por encima de las marcas comerciales Carulla y Alquería respectivamente. Estos resultados son atribuidos a varios factores tales como: parámetro instrumental inadecuado, por ejemplo, temperatura de la llama, errores por parte del experimentador, estado de la muestra, por ejemplo, inicio de fermentación de la muestra que no fue
Con respecto a la precisión de los resultados y teniendo en cuenta que la desviación estándar de los resultados individuales no debe ser mayor al 0.3% (6). En todos los resultados experimentales (ver Tabla 2) la desviación estándar es superior a este valor, este error en los resultados es atribuido las prácticas realizadas por el experimentador.
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proteínas en el medio, para después la muestra ser analizada por emisión atómica.
Una solución que se propone para mejorar los resultados obtenidos en el análisis de sodio en leche es el uso de metodología como adición estándar y estándar interno. Específicamente para el análisis de sodio por espectroscopía de emisión de llama los autores Fortunato et. al (7) proponen el so una metodología de análisis denominada Análisis de Dilución de Estándar SDA por sus siglas en inglés, que combina los principios de adición de estándar y estándar interno en este último caso utilizando el litio como estándar interno. La determinación de Na en biodiesel fue el objetivo del estudio para llegar a la conclusión de que la metodología SDA mejora la precisión y la exactitud del análisis de sodio por espectroscopia de emisión atómica con llama. También es importante resaltar que en el caso del análisis de leche líquida los autores como Valverde y Trejos (8) y Nobrega et. al (9) utiliza como pretratamiento HNO3 como medio de dilución para eliminar grasas o
Conclusiones La concentración experimental de Na en leche comercial marca Carulla y Alquería por técnica de Espectrofotometría de Emisión Atómica. fue de 887 ppm +/- 17 ppm y 807 ppm +/- 48 ppm respectivamente sin la adición de un supresor de ionización CsCl. Esta concentración es superior a la reportada en el contenido nutricional de los fabricantes. Por otro lado, en las curvas de calibración, tanto en el experimento CsCl-1 como CsCl2 se observa un aumento en la intensidad de señal cuando se agrega una sal alcalina comparado a cuando esta no se adiciona, demostrando que el Cs cumple la función de supresor de ionización para Na. Para futuros análisis de sodio en leche se recomienda un tratamiento previo a la muestra con el objetivo de disminuir
cualquier tipo de interferencia en la matriz para determinar si la adición de un supresor de ionización genera un aumento en la señal del analito de interés comparado a cuando esta no está presente. Marca Comercial de Leche
Contenido nutricional de Na Etiqueta
ppm
Tabla 2. Valores de referencia para Na en leche y resultados experimentales, (promedio +/- desviación estándar), n=3.La diferencia es igual al v alor de referencia menos el valor medido.
1 ppm
2 ppm
Con CsCl
Sin CsCl
Diferencia
Con CsCl
Sin CsCl
Diferencia
780 ± 6
103
232
N.A.
N. A
N.A.
Descremada Carulla (A)
115 mg Na/210ml
548
N.A
88 7 ± 17
331
445 ± 21
0% grasa Alquería (B)
110 mg Na/200ml
510
N.A.
807 ± 48
297
N.A.
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Bibliografía [1] Kaim, W. . Bioinorganic chemistry: inorganic elements in the chemistry of life (Segunda ed.). United Kingdom: WILEY. (2013) [2] Perkin-Elmer. Analytical Methods for Atomic Absortion Espectroscopy. United States of America: Perkin-Elmer Corporation. (1996). [3] Skoog, D. Principios de análisis instrumental (Sexta ed.). México, D.F.: Cengage Learning Editores S.A. de C.V. (2008). [4] FAO. Depósito de documentos de la FAO. Obtenido de http://www.fao.org/docrep/field/003/ab48 2s/AB482S04.htm (26 de agosto de 2017). [5] Oliveri, A. Regresión lineal en química analítica, Universidad Nacional de Rosario Argentina. [6] Clavijo, A. Fundamentos de química analítica. Equilibrio iónico y análisis químico. Universidad Nacional de Colombia. (2002) [7] Fortunato, F.,Bechilin, M., Gómez, J., Virgilio, A. Standard dilution analysis in flow system: Sodium Determination by Flame atomic emission spectrometry, Journal Microchemical, Octubre 2015 [8] Valverde, E., Trejos, P. V alidación de un método analítico para la determinación del contenido de sodio en los alimentos. Tecnología en Marcha. Vol. 25, abril 2012 [9] Nobrega, J.,Gélinas, Y, Krushevska., Direct Determination of Major and Trace Elements in Milk by Inductively Couple Plasma Atomic Emission and Mass Spectrometry. University of Massachusetts. Vol 12 Octubre 1997
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