Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials by Institut Torre del Palau

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Alumna: Tutors:

Cristina González Ros Marga López Jordi Coello

Lo dulce es genĂŠtico; lo amargo, cultural. El gozo por lo dulce, altamente probable en la naturaleza, precediĂł con mucho a la primera papila gustativa, de ahĂ la rareza de las golosinas infantiles amargas. Jorge Wagensberg

Índex 1. Introducció............................................................................................................

2. La cafeïna.............................................................................................................

3. Composició molecular de la cafeïna.....................................................................

4. Característiques fisicoquímiques en estat pur......................................................

5. Substàncies naturals que contenen cafeïna.........................................................

6. Consum humà de la cafeïna.................................................................................

7. Metabolisme en els humans.................................................................................

8. Efectes sobre humans, addicció i intoxicació....................................................... 10 9. Consum mundial de cafeïna en diferents begudes comercials............................ 12 10. Mesures establertes per la llei en relació a la quantitat de cafeïna permesa a les begudes.......................................................................................................... 14 11. Extracció d'un alcaloide. Aïllament de la cafeïna a partir de les fulles del te........................................................................................................................... 16 12. Cromatografia líquida d'alta resolució: determinació de cafeïna en diversos productes.............................................................................................................. 25 13. Cromatografia líquida d'alta resolució: determinació de cafeïna en una infusió de te en diferents temps....................................................................................... 34 14. Espectre d'infraroig de la cafeïna o Irs................................................................. 39 15. Conclusions.......................................................................................................... 42 16. Agraïments........................................................................................................... 44 17. Bibliografia............................................................................................................ 45

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

1.- Introducció Cada any es consumeixen al voltat d'unes 120 tones de cafeïna per la població mundial. Aquesta substància s'ha convertit un bon aliat contra el cansament i un element cultural característic de països com Gran Bretanya, els països nòrdics o els Estats Units. El Programa Argó de la Universitat Autònoma de Barcelona em va oferir la oportunitat de participar a l'estada. L'objectiu d'aquest programa era orientar el treball de recerca alhora que preníem un primer contacte amb el treball de laboratori i el rigor del món de la investigació científica. Les practiques realitzades a la universitat estaven guiades pel professor Jordi Coello Bonilla. L'Aleix Torras, la Júlia Albert, la Marina Bellot, la Cristina Aguilera i jo érem els components del grup de treball format per als quinze dies de l'estada. Abans de començar les pràctiques al laboratori vam haver de buscar informació a la xarxa per conèixer diversos aspectes i peculiaritats de l'alcaloide. No hi va haver problemes de manca de documentació, fins i tot vam trobar curiositats com la venda de cafeïna comercial per quilograms, o l'efecte que produïa aquesta substància en alguns animals, com a les aranyes, a les quals els es impossible teixir una teranyina sobre els efectes de cafeïna. La primera part del treball de laboratori va basar-se en l'extracció de cafeïna pura a partir de fulles de te. Per aconseguir l'extracció s'han d'utilitzar diverses tècniques com la filtració, la destil·lació o la sublimació. En obtenir la cafeïna en forma de cristalls blancs i purs, s'havia de comprovar la seva validesa verificant el punt de fusió, el qual havia de coincidir amb el de la substància pura. Seguidament vam a analitzar la quantitat de cafeïna en diversos productes comercials. Volíem conèixer els mg de cafeïna que contenien una sèrie de refrescs, cafès i begudes energètiques habituals al mercat. La tècnica utilitzada era la cromatografia líquida, que permet separar la cafeïna de la mescla (beguda) i analitzar-ne la quantitat exacta. Amb els resultats obtinguts es pot fer una comparativa dels productes que són semblants, com les diferents begudes energètiques, els refrescs de cola o els cafès.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

També vam utilitzar la tècnica de la cromatografia líquida d'alta resolució per a una tercera pràctica. En aquest cas preparàvem una infusió de te verd. El que volíem estudiar era la cinètica d'extracció, és a dir, la velocitat amb la qual la cafeïna passava de la bosseta de te a l'aigua. Per aconseguir-ho, fèiem extraccions cada pocs segons i cromatografiàvem les mostres. A partir de la gràfica obtinguda podem saber la cinètica d'extracció i la quantitat de cafeïna que conté la bossa. Amb tots aquests estudis ja coneixíem molts aspectes, propietats i aplicacions de la cafeïna per al consum humà. Però finalment, vam voler realitzar una última tècnica per a comparar diversos tipus de cafeïna obtinguts durant l'estada. Vam agafar una mostra de cafeïna comercial, una de cafeïna cristal·litza obtinguda a l'extracció i una altra de cafeïna no cristal·litza, també de l'extracció, i en vam realitzar un espectre d'infraroig. L'espectroscòpia infraroja analitza les molècules i els seus enllaços, això ens permetia comparar el grau de semblança entre les tres mostres. Totes tenien l'espectre amb el mateix patró ja que eren la mateixa molècula, però diferien en alguns aspectes degut a les impureses. Els estudis sobre la cafeïna estaven marcats pel professor Coello, la qual cosa permetia que els resultats sempre fossin correctes i les pràctiques funcionessin sense complicacions. Només vam tenir un problema per a la tècnica de sublimació. Vam haver de repetir aquest procés experimental tres vegades canviant diferents paràmetres per obtenir el resultat desitjat. Els errors van ser positius, ja que ens obligaven a utilitzar l'enginy per crear diferents sistemes de sublimació basant-nos en les propietats que coneixíem de la substància. Aquest fet ens va permetre valorar la importància de l'error en els processos d'aprenentatge ja que la necessitat de superar-lo obliga a una reflexió molt més profunda i un coneixement molt més acurat de, en aquest cas, la cafeïna.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

L'objectiu d'aquest treball era conèixer la realitat de la investigació científica a la universitat i familiaritzar-me amb tècniques de laboratori. Pel que fa a la cafeïna, les meves expectatives eren comprendre la naturalesa de la substància i analitzar les seves diferents presentacions en productes de consum. Una part molt important era integrar-me en un equip de treball i prendre iniciativa en la planificació i realització d'un projecte d'estudi.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

1.- La cafeïna Principi psicoactiu que actua com a estimulant del cor, el cervell, la medul·la espinal, els pulmons i l’estomac. També augmenta la tensió, estimula la producció de sucs gàstrics i d’orina i dilata les vies respiratòries. 10 grams de cafeïna poden ser letals per al cos humà. Les plantes del cafè, del mate, del te... contenen cafeïna

Cafeïna en estat pur

perquè els ajuda a combatre alguns insectes que es volen alimentar d'elles, actua com una mena d'insecticida. A més, s'ha descobert que es troba gran quantitat de cafeïna a la terra del voltant dels brots de la planta del cafè, així doncs, aquest producte impedeix el creixement d'altres plantes protegint aquelles que ja estan germinades i en creixement. El compost va ser descobert al 1819 pel químic alemany Friedrich Ferdinant Runge, qui el va denominar com un compost químic del cafè anomenat Koffein. Però el producte adopta diferents noms depenent d'on provingui: guanina, mateïna i teïna.

2.- Composició molecular de la cafeïna La cafeïna és un alcaloide del grup de les xantines, de la família de les metil-xantines. Les seves bases xàntiques són alcaloides derivats

purina,

concretament

provenen de l'anell de la purina que es forma a partir de condensació d'una pirimidina amb un imidazol. La seva fórmula molecular és C8H10N4O2 i té un pes molecular de 194,19 g/mol. Al ser una

Molècules família xantines

molècula química aquiral, no presenta enantiòmers ni estereoisòmers. El seu nom sistemàtic és 1,3,7·trimetilxantina o 1,3,7·trimetil·2,6·dioxopurina. 4

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

3.- Característiques fisicoquímiques en estat pur En estat pur, la cafeïna és un sòlid cristal·lí blanc i inodor en forma d'agulles blanques o pols. També pot cristal·litzar en forma de prismes hexagonals. Té un gust molt amarg i una densitat de 1,23 g/ml. El seu punt de fusió és de 237 oC i es eflorescent en contacte amb l'aire, és a dir, quan entra en contacte amb aquest es redueix a pols per ella mateixa per la pèrdua d'aigua i cristal·lització. Sublima a 176 oC sense descompondre's i a pressió atmosfèrica. Referent a la solubilitat, la cafeïna és soluble en aigua i aquesta propietat augmenta proporcionalment amb l'increment de temperatura. Així doncs, als 25 oC podem dissoldre 22 mg de cafeïna en 1 ml d'aigua, als 80 oC se'n poden dissoldre 180 mg/ml i als 100 oC uns 670 mg/ml. En aigua bullint és quan resulta més soluble i cristal·litza en forma de mono-hidrat. Tot i que amb l'aigua és soluble, té molta més afinitat amb certs dissolvents orgànics que són molt insolubles en aigua com el cloroform (CHCl3) i el diclorometà (CH2Cl2). La cafeïna es capaç de formar compostos estables amb sals alcalines d'àcids dèbils però es descompon ràpidament per l'acció de clor i àlcalis calents. Dos exemples són el benzoat i el silicat de sodi, tot i que junt amb aquests i reaccionant amb àcids, donen lloc a compostos molt inestables. Investigadors del Departament de Psiquiatria i Psicobiologia Clínica de la UB (Universitat de Barcelona) han demostrat que en combinar cafeïna amb glucosa el resultat és una millora d'atenció, aprenentatge i la consolidació de la memòria verbal del pacient. Aquests efectes són fruit de la combinació d'ambdues substàncies simultàniament.

Molècula en 3D de la cafeïna

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

4.- Substàncies naturals que contenen cafeïna La cafeïna apareix de forma natural en més de 50 plantes, però les més importants i conegudes són (per ordre d'abundància): •

Cafè: a les llavors

•

Yoco o huarmiyoco: a la crosta

•

Cola (arbre africà): a les llavors

•

Jagua (arbre americà): a les llavors

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

•

Mate (arbust): a les fulles

•

Cacau (arbre): a les llavors

•

Te: a tota la planta

•

Llimoner, taronger i aranger: a les seves flors

Flor del llimoner

Flor del taronger

Cristina González Ros

Flor de l'aranger

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

5.- Consum humà de la cafeïna L'ús principal de la cafeïna és com a estimulant i tònic genèric del sistema nerviós central. La primera causa per la qual la gent va començar a consumir cafeïna va ser per a disminuir la sensació de gana, però actualment es pren per mantenir-nos desperts i amb l'organisme en estat d'alerta. Així doncs, a part d'on trobem la cafeïna de forma natural, també se n'afegeix a refrescs, begudes energètiques i alguns aliments com a additiu. Podem trobar a qualsevol supermercat una amplia varietat de gustos i colors de begudes amb aquesta substància. Hi ha també usos medicinals per als quals s'empra la cafeïna. Molts medicaments la contenen ja que aquesta evita i fa passar certs mals de caps i rampes. S'utilitza per l'asma bronquial i còlics de vesícula biliar. Al ser un vasoconstrictor es combina bé amb els vasodilatadors. D'aquí ve el costum de prendre cafè i licor alhora.

6.- Metabolisme en els humans La cafeïna comença els seus efectes a l’organisme humà entre 15 i 30 minuts després del seu consum. Passa al torrent sanguini a través de l’estomac i l’intestí prim i finalment es eliminada. En entrar a l’organisme, la principal acció de la cafeïna és inhibir l'adenosina neurotransmissora, un nucleòsid que suprimeix l'activitat del sistema nerviós central. Està relacionada amb l'aparició de la son. Així doncs, la cafeïna antagonitza l'activitat d'aquest nucleòsid i augmenta l'activitat en la neurotransmisió. Com aquesta substància es dissol bé tant en aigua com en lípids, li és fàcil travessar la barrera sang-cervell. Un cop arriba a aquest, la molècula de la cafeïna elimina la funció de la adenosina. Les dues molècules són molt semblants i gràcies a això, la cafeïna s'adhereix als receptors de l'altra sobre la superfície de les cèl·lules sense que aquests s'activin, anul·lant així la seva funció.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Molècula de la cafeïna i adenosina

L'adenosina es troba a cada part del cos, ja que s'encarrega d'un paper fonamental en la síntesi d'ATP i ARN però també té una funció molt important al cervell. L'adenosina del cervell protegeix a aquest suprimint activitat neuronal i incrementant el fluid sanguini a través de receptors localitzats al múscul llis vascular. Si hi ha estrès metabòlic, el nivell d'aquesta molècula augmenta. A les altres parts del cos que trobem aquest nucleòsid, la cafeïna també hi actua en els seus receptors. Per exemple, els receptors A1 inhibeixen l'absorció de calci i els A2A, que es troben principalment als ganglis però també a les parets arterials i les cèl·lules sanguínies, intervenen en el comportament i l'excitació. L'acumulació d'adenosina pot ser la causa de somnolència després d'una activitat mental prolongada segons Robert McCarley i els seus companys. La cafeïna també actua en altres parts del cos. Incrementa el ritme cardíac, estreny els vasos sanguinis, relaxa les vies respiratòries millorant la respiració i facilita la mobilitat d’alguns músculs. Altres funcions són la mobilització d'àcids grassos i/o triglicèrids intramusculars. Això incrementa l'oxidació de greixos i la millora del rendiment de la resistència. La vida mitjana és el temps que necessita el cos per eliminar la meitat de la quantitat inicial ingerida de cafeïna. Aquest temps varia segons la persona i el seu estat. En adults sans va des de 4 a 9 hores aproximadament, en dones que prenen anticonceptius per via oral tarda de 5 a 10 hores i en dones embarassades de 9 a 11 hores. En malalts hepàtics greus, la vida mitjana pot durar fins a 96 hores i en nadons recent nascuts fins a 30 hores. 9

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

7.-Efectes sobre els humans, addicció i intoxicació La cafeïna, com tota droga, afecta diferent a les persones ja sigui per el pes, l'edat o el metabolisme. Així doncs, s'ha de procurar no donar cafeïna als nens ja que els efectes que es produiran sobre ells estaran multiplicats per unes 7 vegades als nostres. Que un nadó begui una beguda energètica, que per a nosaltres es com prendre una mica més d'un cafè “expresso”, a ell li es equivalent a beure's 6 o 7 dels nostres “expressos”.

•

Efectes en una persona no addicta

Una persona adulta que no està acostumada a prendre cafeïna o és consumidor intermitent i en pren en petites quantitats (20-200mg) experimenta efectes positius com el benestar, la felicitat, l'excitació energètica, la sociabilitat i l'estat d'alerta. Però si sobrepassa la quantitat de 200 mg els efectes es tornen negatius per a l'estat anímic a causa d'una intoxicació. Tot i que aquestes sensacions són lleus i breus experimenten ansietat, nerviosisme, inquietud, malestar estomacal i sobretot insomni i l'alteració d'aquest.

•

Efectes en una persona addicta

En primer lloc, es considera algú addicte a la cafeïna quan pren l'equivalent a 7 o més tasses de cafè diàries. Els efectes que aquesta els provoca intenten ser els mateixos d'una persona no addicta però la gran quantitat que prenen els fa patir nerviosisme, irritabilitat, atacs d'ansietat i pànic, tremolors, insomni i alteracions en aquest. A més, els cafeinòmans tenen tres cops més probabilitats que els que no ho són de patir un episodi al·lucinatori. Això es deu a que la cafeïna incrementa les efectes psicològics de l'estrès. L'organisme, davant aquesta tensió, segrega una hormona anomenada cortisol. Es produeix més cortisol quan la cafeïna és present i, aquesta quantitat extra de la hormona, provoca al·lucinacions.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

L’excés de cafeïna afavoreix la descalcificació dels ossos i a llarg termini pot produir càncer de pròstata i alteracions al genoma. Els símptomes d’abstinència són la manca de concentració, depressió, ansietat, mal de cap i dificultats en la coordinació dels moviments.

Efectes al cos humà que provoca una intoxicació per cafeïna

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

8.- Consum mundial de cafeïna en diferents begudes comercials La producció mundial de cafeïna ronda entorn els 100/120 milions de tones a l'any. De l'estudi realitzat al 1996 per Barone i Roberts i del de Debry al 1994 he pogut extreure una sèrie de dades: Als EEUU i Canadà el consum mitjà per una persona al dia és entre 210 i 238 mg mentre que al Regne Unit, Finlàndia i Suècia és de 400 mg. A Finlàndia i Suècia del 80 al 100% de la quantitat de cafeïna ingerida prové del cafè sol mentre que al Regne Unit el 55% prové del te, el 25% del cafè i el 2% de les coles. Als EEUU, en canvi, del 26 al 55% prové dels refrescs, del 17 al 40% els aliments i begudes de xocolata, del 6 al 34% del te i fins al 22% del cafè. Cal afegir que els nens de 7 a 10 anys dels Estats Units prenen de 0,5 a 1,8 mg/kg de cafeïna diàriament. Un altre estudi realitzat al 1955 per la Food and Agriculture Organization (FAO) de les Nacions Unides proporciona aquesta taula on apareix el consum de cafeïna, separat en diferents begudes, a tots els països del món. N'he seleccionat els següents: País

Cafeïna del Cafeïna del te Cafeïna del Cafeïna del Suma de cafè (mg/dia) (mg/dia) mate (mg/dia) coca (mg/dia) totes les fonts (mg/dia)

Algèria

Argentina

101

Austràlia

202

231

Àustria

276

300

Brasil

Canadà

180

210

126

135

Finlàndia

322

329

França

215

239

Xina Colòmbia Egipte

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Alemanya

292

313

Guatemala

Hondures

160

162

Hongria

138

150

Índia

Irlanda

127

213

Itàlia

198

209

Japó

119

168

Kenya

Kuwait

112

174

Holanda

369

413

Nicaragua

219

220

Nigèria

Paraguai

101

156

Rússia

Sud-Àfrica

Suècia

388

407

Síria

109

Tanzània

Emirats Àrabs

166

Regne Unit

202

Estats Units

143

167

Veneçuela

135

139

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

9.- Mesures establertes per la llei en relació a la quantitat de cafeïna permesa a les begudes

A les normes d'etiquetatge dels productes amb cafeïna de cada país, hi ha explícits una serie de noms que s'han d'indicar depenent de la quantitat de cafeïna que tingui el producte. Al Regne Unit les begudes que continguin més de 150 mg de cafeïna per litre han d'anar indicades com a “beguda amb alt contingut de cafeïna”, etiqueta que ha d'aparèixer al mateix camp visual que el nom del producte. També s'ha d'indicar la quantitat de cafeïna per a 100 ml. Tot i això, als anuncis no és necessari declarar aquest alt contingut. A l'abril de 2010 l'Associació Britànica de Refrescs (BSDA) va publicar un Codi de Pràctica on recomanava l'etiquetat de les begudes energètiques amb “No apte per a nens, dones embarassades i persones sensibles a la cafeïna”. Aquest codi també va ser recolzat per l'Associació de Tendes de Conveniència. Als Estats Units el sistema de legalitat de la quantitat de cafeïna és més complex. Els productes amb cafeïna estan classificats o com a menjar o com a drogues. Els productes denominats com a droga han de ser aprovats per la FDA (Food and Drug Administration) demostrant a l'Administració que la droga és apte per al consum humà. Un cop aprovat, el fabricant ha d'incloure a l'etiqueta informació precisa del nivell de cafeïna al producte i aquest anirà sent supervisat cada un cert temps. Els

productes

classificats

com

menjar

son

denominats com a segurs al Codi 21 de Regulacions Federals,

secció

182,1180.

Aquests,

cops

determinats segurs, no necessiten cap aprovació ni seguiment de la FDA.

Símbol FDA

La quantitat de cafeïna permesa per als refrescs i begudes energètiques és fins a 200 mg per litre sense diferenciar una concentració entre els dos tipus de productes.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

El sistema de Canadà és semblant al dels Estats Units. A l'octubre de 2011, el departament de salut del govern va establir el límit en 180 mg per litre i suggeria fer denominar a les begudes energètiques com a drogues en comptes de “productes naturals saludables”. Finalment van ser re-classificades com a menjar, amb els requisits d'etiquetat complet. Els productes que es venen com “sense cafeïna” han de tenir un 0% d'aquesta substància per a ser comercialitzats. Els descafeïnats, en canvi, són sotmesos a un procés de descafeïnització que extreu un 97% de la cafeïna del producte deixant així de 2 a 5 mg en un cafè normal de mida estàndard.

Etiqueta beguda sense cafeïna

Marques de begudes amb alt contingut de cafeïna

Quant al cafè, a Espanya el cafè descafeïnat no pot superar un 0,3% de cafeïna.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

10.- Extracció d'un alcaloide. Aïllament de la cafeïna a partir de les fulles del te La primera part del meu estudi sobre la cafeïna té com a objectiu extreure aquest alcaloide a partir de les fulles de te negre. Després d'extreure-la, es cristal·litzarà i s'avaluarà el seu punt de fusió per a saber si és totalment pura. Una extracció és el procés de separar dos components d'una mescla, amb el fi d'obtenirne un en el millor estat possible, ja que l'altre serà deteriorat per les tècniques de separació. En aquest cas l'extracció és sòlid-sòlid, ja que la cafeïna es troba en estat sòlid dins de les fulles de te. Aquest tipus d'extracció és més elaborat que si els productes estiguessin en fase líquida ambdós, o un en fase sòlida i l'altre en fase líquida.

El procés experimental el vam realitzar tres vegades simultàniament per assegurar que sortís amb èxit. Primerament afegim en un vas de precipitats gran (500ml) 20 g de fulles de te negre amb 300 ml d'aigua destil·lada.

Dissolució de te amb aigua

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

A continuació preparem una dissolució en un vas de precipitats més petit, amb 100 ml d'aigua destil·lada i 10 g d'acetat de plom al 10 %. Ho fem bullir en un agitador-calefactor, ajudant-nos amb un imant (mosca).

Acetat de plom

Dissolució acetat de plom amb aigua

Seguidament posem la mescla de te amb aigua a escalfar i, un cop calent, hi aboquem la dissolució d'acetat de plom i ho remenem. El motiu d'utilitzar acetat de plom és la solubilitat que presenta en dissoldre'l en aigua. Al mesclar aquests dos components es forma la molècula Pb (CH 3 COO) 2 · 3H 2 O. Aquesta reacció, ajuda a que de les fulles de te en precipitin uns compostos anomenats tanins, els responsables de la pasta en que es converteix la mescla. Els tanins són els components que aporten al te el gust astringent quan es deixa en infusió un cert temps. La mescla s'escalfa per accelerar la precipitació.

Barreja de dissolucions de te i acetat de plom

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Per filtrar aquesta barreja, utilitzem un embut de Büchner i, donada la dificultat de filtratge que porta el paper de filtrar que té els porus molt petits, fem el procediment dos cops fins que ens quedi un líquid de color groc, i no marró (color inicial). El sistema de filtratge al buit pretén separar els components líquids i sòlids d'una mescla heterogènia. El sistema està compost per una bomba d'aigua que succiona la mescla fent el buit dintre del matràs. Els compostos que caben pels forats del paper de filtre van a parar al recipient per

Sistema de filtratge al buit

l'atracció que crea la diferència de pressió. El filtratge al buit substitueix el filtratge normal ja que aquest, amb només l'acció de la gravetat, seria molt lent. El residu sòlid es renta amb uns 20 ml d'aigua destil·lada calenta.

Filtratge amb embut de Büchner

Líquid resultat del filtratge

Els líquids del filtrat i del rentat els escalfem al calefactor fins que es concentren per ebullició, obtenint 50 ml de substància. S'evaporen així molts components que no necessitem.

Reducció abans de començar-la

Reducció acabada

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Un cop feta la reducció es prepara una barreja amb cloroform perquè, en barrejar-ho amb la dissolució aquosa (líquid obtingut de la reducció) la cafeïna tindrà més afinitat amb el cloroform per qüestions de càrregues. Aquest cloroform queda a la part baixa, doncs la seva densitat (1,4 g/cm3) és major que la de l'aigua. La barreja primer s'agita perquè el líquid de la reducció entri completament en contacte amb el cloroform. Esperem a que es dugui a terme la separació i recollim el cloroform amb cafeïna en un vas de precipitats.

Cloroform amb dissolució aquosa agitat

Les dues dissolucions separades per densitats

En aquest vas de precipitats ens queda un líquid incolor que posem en un sistema de destil·lació per tal de separar la cafeïna del cloroform. En una destil·lació simple el que es fa és separar, mitjançant la vaporització i la condensació, els components d'una mescla. Es juga amb el punt d'ebullició d'ambdues substàncies: el del cloroform és 61 ºC i el de la cafeïna 237 ºC. Donat que la diferència de temperatura és molt àmplia no hi haurà problemes.

Sistema de destil·lació

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

El sistema està format per diferents parts com es veu a les fotografies. La mescla es troba en un matràs de destil·lació al qual li apliquem calor introduint-lo en un bany maria. S'incorpora un termòmetre al matràs per calcular-ne la temperatura ja que és convenient que no s'escalfi en excés. Quan el cloroform arriba al seu punt d'ebullició s'evapora i passa per un tub acoblat al matràs on es condensa ja que hi ha un sistema de refrigeració. Aquest sistema de refrigeració està compost per un tub més ample que per una part comunica amb l'aixeta (bec inferior) i per l'altra amb la pica (bec superior) amb dos tubs de goma. En condensar-se, el cloroform precipita en un matràs situat al final del sistema. Al fons del matràs de destil·lació queda un residu sòlid sec de color blanc que forma una crosta, la cafeïna impura.

Cafeïna impura i sense cristal·litzar

Sistema de destil·lació

Ara ja tenim cafeïna però aquesta no és totalment pura ja que encara conserva substancies pròpies del te. Per purificar-la, la traiem del matràs de destil·lació rascant amb una espàtula i procedim a sublimar-la i cristal·litzar-la mitjançant un sistema de sublimació. Sabem que la cafeïna que hem obtingut no és totalment pura ja que en calculem el punt de fusió i no correspon al de la molècula, doncs les impureses que presenta li fan pujar la temperatura del canvi d'estat.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

El sistema de sublimació que muntem és principalment un “dit fred”. El “dit fred” és un tub d'assaig amb una tubuladura a la part de dalt on s'hi connecten dos tubs de goma que permeten l'entrada d'aigua al recipient. Es deixa passar un dèbil corrent d'aigua que és el que aporta la temperatura freda al sistema. El dit fred es posa a l'interior d'un tub d'assaig que conté la cafeïna impura al cul. S'introdueix tot en un bany d'oli fins la meitat i s'escalfa a 190 ºC. S'ha de connectar al buit per facilitar la sublimació. Recordem que el procés de sublimació és el pas de l'estat sòlid al gasós sense passar pel líquid. El que la cafeïna experimentarà serà un procediment de sublimació a causa de l'alta temperatura del bany d'oli i, en aproximar-se al dit fred patirà al contrari, una sublimació regressiva ja que s'anirà cristal·litzant formant unes petites estalactites a la part de baix del dit fred. Aquest procés dura aproximadament una mitja hora. Finalment, al cul del tub d'assaig hi queden les impureses de la cafeïna.

Cafeïna cristal·litzada

Finalment i per comprovar que la cafeïna restant és totalment pura, en calculem el seu punt de fusió. Cal recordar que el punt de fusió de tota substància és la temperatura en que aquesta passa completament d'estat sòlid a líquid. Des de que es comença el canvi d'estat fins que es produeix en la seva totalitat, la temperatura de l'element no augmenta, sinó que es manté constant. Al laboratori on vaig estar treballant, tenien un dispositiu per mesurar el punt de fusió i vam voler comprovar el de la cafeïna obtinguda a l'extracció per conèixer l'efectivitat de la purificació. 21

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

El funcionament és molt senzill. La cafeïna s'introdueix en un tub de diàmetre molt petit i expressament per a la màquina i es posa dins de l'aparell. El tub es pot veure des de fora gràcies a una lupa. Seguidament s'encén la màquina i la temperatura comença a pujar a la velocitat desitjada (controlada per una rodeta). En el nostre cas, vam reduir la velocitat en arribar als 200 0C per poder observar justament el moment en que començava a canviar d'estat. La temperatura a la qual es va començar a veure un canvi físic en la cafeïna va ser entorn els 217,6 0C. Una substància pura es comporta diferent d'una impura quan se'ls aplica temperatura perquè canviïn d'estat. A una pressió determinada, si s'escalfa una substància pura veurem que mentre està canviant d'estat la temperatura no augmenta, es manté constant durant el canvi. Per contra, una substància impura si ho fa (corba d'escalfament). Això és pot observar a la gràfica següent:

Dispositiu que mesura el punt de fusió

Gràfica substància pura / impura

A part del sistema explicat anteriorment per sublimar la cafeïna, en vam muntar dos prèviament que no van donar el resultat esperat, que era la cristal·lització de la substància. 22

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Per què no van funcionar els altres sistemes de sublimació? El primer sistema muntat, que no era de dit fred, no va funcionar. En aquest sistema la cafeïna es trobava en un petit “sobre” de paper prèviament foradat que es posava en un vas de precipitats. El vas estava sobre un calefactor i tapat per la part de dalt amb un matràs ple de gel. No va funcionar ja que la cafeïna hauria d'haver cristal·litzat al cul del matràs formant una mena d'estalactites de cafeïna i en canvi ho va fer a les parets del vas. Per tant no podíem obtenir els cristalls sense danyar-los i, a més, eren molt petits.

Sistema de purificació

→

Cafeïna obtinguda amb aquest sistema, mal cristal·litzada

El segon sistema tampoc ens va sortir com volíem. Ara si que havíem utilitzat un sistema de dit fred però no en un bany d'oli, sinó en un vas de precipitats amb aigua que s'escalfava amb un calefactor creant així la diferencia de temperatures que portava a la cafeïna a la sublimació. El resultat va ser semblant a l'anterior, la cafeïna quedava cristal·litzada però no en forma d'estalactites i tampoc a la punta del dit fred sinó que ho feia a la base del tub. Això creava la impossibilitat de poder extreure-la i observar-la.

Sistema de sublimació de “dit fred”

Cafeïna cristal·litzada

→

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Aquests dos sistemes no van funcionar i, considero, que ens tots dos casos la causa o l'error va ser el mateix: la diferència de temperatura entre l'aigua en contacte amb el calefactor i la del gel o l'aigua del sistema del dit fred no era la suficient. El requisit perquè sublimés amb èxit era el bany d'oli, que arriba a temperatures més altes a les quals l'aigua s'hauria evaporat, creant així un contrast més gran.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

11.- Cromatografia líquida d'alta resolució: determinació de cafeïna en diversos productes En aquest segon procés experimental sobre la cafeïna l'objectiu principal és determinar el contingut d'aquesta i la seva concentració en mostres de diferents tipus de cafè, refrescs i begudes energètiques consumides habitualment. Per conèixer aquestes dades utilitzem la cromatografia líquida i, abans de fer-la s'han de preparar els productes d'una determinada manera. Cromatografia líquida d'alta resolució La tècnica utilitzada en aquest estudi és la cromatografia líquida l'alta resolució, un tipus específic de cromatografia líquida. Per poder explicar el que és, primer s'ha de saber que és la tècnica primera. La cromatografia líquida és una tècnica molt utilitzada per separar físicament components d'una mescla. Existeixen dos elements: la fase estacionària, que és la mescla de la qual en volem estudiar i separar els components, i la fase mòbil, que flueix contínuament per la columna durant l'anàlisi i és un líquid o una barreja de varis que ajuden a fer reaccionar la primera fase i analitzar-la. Aquesta separació dels components és possible gràcies a l'absorció selectiva d'aquests respecte la fase mòbil. Que uns elements siguin analitzats per la columna abans o després depèn de l'afinitat electrostàtica que tinguin amb el suport sòlid. La cromatografia líquida d'alta resolució o HPLC és molt utilitzada en bioquímica i química analítica. En aquesta, la fase mòbil és bombejada a alta pressió constantment per la columna mentre que la mostra s'afegeix en petites dosis. El temps que els components de la mostra tarden en ser analitzats per la columna s'anomena temps de retenció i és una propietat característica.

Cromatògraf amb una mostra injectant-se

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Aquest temps depèn de les reaccions químiques i físiques entre la fase estacionària i la mòbil. El temps que tarda la cafeïna en ser absorbida per la columna és de 4 minuts.

Abans de poder ficar les mostres al cromatògraf, les begudes i la màquina han de ser preparats d'una determinada manera. Preparació dels patrons S'han d'elaborar uns patrons amb cafeïna pura per cromatografiar-los i obtenir la gràfica que ens servirà de base per poder determinar la quantitat de cafeïna i la concentració en els altres productes que voldrem examinar. Primer, elaborem una dissolució patró amb 0,1003 g de cafeïna pura en 100 ml d'aigua MilliQ. A partir d'aquesta dissolució, volem obtenir-ne sis de 100 ml de concentració 2, 10, 20, 30, 40 i 50 ppm en aforats de 50 ml. Per tant, si la dissolució inicial té una concentració de 0,1 g/100 ml = una concentració de 1 mg/ml

Càlculs:

0,1 g 100 ml

→

La dissolució que volem és de

0,1 g 100 mg · =1mg /ml 100 ml 1g

100 mg 1L · =0,1 mg/ml 1L 100ml

→

VF · CF = CO ·VO

. →

100ml · 0,1mg / ml=1mg /ml

→ VO = 10 ml

Com cada una de les sis dissolucions té una concentració diferent, hem de calcular els ml de la dissolució inicial que hi hem d'abocar per tal de que es compleixi la concentració i el volum total sempre sigui 50 ml. EX: Diss. de 10 ppm = 0,01 mg/ml → VF · CF = CO · VO → VO = 5 ml (es fa el mateix càlcul per a cada dissolució)

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Ppm (CF)

Cristina González Ros

Concentrac

Volum de la

Concentració

Volum de

ió diss.

diss. inicial

final (CF)

cada diss.

inicial (CO)

(VO)

2 ppm

0,1 mg/ml

1 ml

2 ppm

50 ml

10 ppm

0,1 mg/ml

5 ml

10 ppm

50 ml

20 ppm

0,1 mg/ml

10 ml

20 ppm

50 ml

30 ppm

0,1 mg/ml

15 ml

30 ppm

50 ml

40 ppm

0,1 mg/ml

20 ml

40 ppm

50 ml

50 ppm

0,1 mg/ml

25 ml

50 ppm

50 ml

final (VF)

Dissolucions patró

Cada dia que s'elabora una cromatografia, ja que no se'n pot fer una directament del producte que volem analitzar, s'han de repetir com a mínim dos patrons per calcular el marge d'error a l'hora de calcular l'àrea. GRÀFICA PATRÓ DIA 1 calibratge HPLC

Àrea pic (

3000000 2000000

f(x) = 502237,51x - 429213,24 R² = 1

1000000 0 0 1 2 3 4 5 6 7

àrea Regressió lineal per a àrea

cafeïna (mg/L)

Al dia 2, vam calcular l'àrea de la dissolució de 30 ppm i ens va donar 1806604, número que restat al del dia 1 (1619365), ens dona un marge d'error de 187239 27

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Preparació de les mostres: Cafè normal: Pesem 0,2528 g de cafè soluble normal (Nescafé) i l'enrasem en un matràs aforat de 250 ml amb aigua MilliQ i agitem la dissolució. Cafè descafenat: Pesem 1,0027 g de cafè soluble descafeïnat (Nescafé descafeïnat) o l'enrasem en un matràs aforat de 100 ml amb aigua MilliQ i agitem la dissolució. Guaranà Energy Drink: Pipetejem 5 ml de la beguda i enrasem al matràs fins arribar als 50 ml amg aigua MilliQ. Hem diluït la beguda 10 vegades. Red Bull Blue Edition: Pipetejem 5 ml de la beguda i enrasem al matràs fins arribar als 50 ml amb aigua MilliQ. Hem diluït la beguda 10 vegades. Burn: Pipetejem 5 ml de la beguda i enrasem al matràs fins arribar als 50 ml amb aigua MilliQ. Hem diluït la beguda 10 vegades. Pepsi sense cafeïna: Al matràs de 50 ml hi haurà 10 ml de la beguda i enrasat fins a 50 ml d'aigua, sempre MilliQ. Hem diluït la beguda 5 vegades. Berta Cola: Al matràs de 50 ml hi haurà 10 ml de la beguda i enrasat fins a 50 ml d'aigua, sempre MilliQ. Hem diluït la beguda 5 vegades. Coca Cola Normal: Al matràs de 50 ml hi haurà 10 ml de la beguda i enrasat fins a 50 ml d'aigua, sempre MilliQ. Hem diluït la beguda 5 vegades. Nestea: Al matràs de 50 ml hi haurà 10 ml de la beguda i enrasat fins a 50 ml d'aigua, sempre MilliQ. Hem diluït la beguda 5 vegades. Pepsi “Zero”: Al matràs de 50 ml hi haurà 10 ml de la beguda i enrasat fins a 50 ml d'aigua, sempre MilliQ. Hem diluït la beguda 5 vegades. Cafè curt de màquina (50ml): El diluïm 50 vegades afegint 1 ml de cafè al matràs i enrasant amb aigua MilliQ. Cafè llarg de màquina (55ml): El diluïm 50 vegades afegint 1 ml de cafè al matràs i enrasant amb aigua MilliQ. Cafè descafeïnat llarg: No el diluïm cap vegada, així que injectarem la xeringa per cromatografiar directament al cafè.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Mostres diluïdes

Refrescs i begudes energètiques

Preparació de la fase mòbil A = Àcid acètic 0,1 M

C = Aigua MilliQ

B = Acetat de sodi 0,1 M

D = Metanol (qualitat HPLC)

(8% A + 12% B + 40% C + 40% D) Aquests percentatges, per a preparar una fase mòbil de 2 L, corresponen a 160 ml de A, 240 ml de B, 800 ml de C i 800 ml de D. Les dissolucions A i B estan preparades al laboratori. Un cop tenim aquesta fase mòbil en un matràs de 2 L, eliminem les micropartícules que hi puguin haver filtrant a través d'una membrana de mida de porus adient (paper de filtrar). Desgasifiquem uns 5 min per eliminar els gasos dissolts (CO2, N2, etc.), ja que podrien crear problemes en l'estabilitat del flux.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Paràmetres del cromatògraf: Columna: C18 Cabal: 1 ml/min Volum d'injecció: 20 Longitud d'ona del detector: 272 nm Connectem i purguem el sistema de bombes. Seleccionem les condicions de flux adient i deixem circular aigua filtrada i desairejada durant uns 15 min per netejar el sistema. Passem per la columna, durant uns 15 min, la fase mòbil per tal d'equilibrar-la. Després de l'estabilització del sistema, injectem els patrons. Mesurem l'àrea de pic als 4 min i construïm la recta de calibratge. Injectem les mostres i trobem la seva concentració per interpolació de la recta de calibratge. Calculem el contingut de cafeïna al sobre de cafè (%). Abans d'injectar al cromatògraf, els patrons i les mostres s'han de passar per un filtre de 45 μm.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Resultats

Beguda

Volum

Factor dilució

beguda (ml) Guaranà

Àrea

mg/L matràs

mg/L beguda

experimental

mg cafeïna ració

250

1760011

29,2

292,3

73,1

250

1839227

30,5

305,4

76,4

250

1868218

310,2

77,6

330

Berta Cola

330

356875

5,9

29,6

9,8

Coca cola

330

1089593

18,1

90,5

29,9

Nestea

330

445919

7,4

12,2

Pepsi 0 Max

500

1655429

27,5

137,4

68,7

Cafè curt

2690013

44,7

2233,5

111,7

Cafè llarg

2516602

41,8

2089,5

114,9

Cafè

1107399

18,4

V matràs (ml)

mg cafeïna

Àrea exp.

mg/L matràs

mg caf./g

mg caf. en

Nescafè

sobre

Red

Bull

“Blue edition” Burn Pepsi

sin

cafeïna

descaf.

llarg

Nescafè

250

9,5

1983989

37,6

75,1

100

1,6

835478

1,6

3,1

normal Nescafè Descafeinat

La interpretació d'aquesta taula és la següent. El volum de la beguda correspon al volum del refresc/beguda energètica i, en el cas dels Nescafès el volum de la dissolució que es prepara amb els grams de cafè i aigua MiliQ. El factor de dilució és en nombre de vegades que hem diluït la beguda i les àrees experimentals corresponen al número que el cromatògraf ens donava en el pic de la gràfica.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Les altres dades s'han obtingut a partir de càlculs: -La concentració (mg/L) al matràs s'obté dividint un dels volums de la dissolució patró per la seva àrea (del dia corresponent*) i multiplicant-lo per l'àrea de la beguda.

Ex. Guaranà:

30ppm 10−6 1000ml · 1760011 · · =29,2 mg/ L matràs 18066 1ppm 1L

*Els Nescafès pertanyen a les àrees dels patrons del dia 1 i la resta de begudes a les àrees dels patrons calculades el dia 2. -La concentració (mg/L) a la beguda es calcula multiplicant la concentració al matràs pel factor de dilució.

Ex. Berta Cola:

5,9 mg 5ml · =29,6 mg /L reals L 1ml

-Els mg de cafeïna per ració, és a dir per beguda, s'obtenen de multiplicar la concentració a la beguda pel factor de dilució i dividir entre 1000. -Per als Nescafès els càlculs són diferents. Abans de calcular la relació entre mg de cafeïna i g de Nescafè hem de conèixer els mg de cafeïna que hi ha al matràs. Aquesta quantitat de cafeïna és el resultat de multiplicar la concentració al matràs pel volum d'aquest. En dividir aquest número entre el pes de sobre de Nescafè obtenim la relació entre mg de cafeïna i g de Nescafè. I per últim, per calcular els mg de cafeïna que hi havia en un sobre multipliquem la relació mg caf./g Nescf. pel pes del sobre.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

La gràfica següent és una comparativa dels mg/L de totes les begudes analitzades menys els Nescafès, dels quals no en podem calcular la concentració per litre degut a que el producte és sòlid:

Els resultats de la comparativa són adients a la classificació dels productes i el seu etiquetatge. La concentració més alta correspon al cafè curt i llarg, seguits de les begudes energètiques que també contenen una quantitat important de cafeïna. Després trobem els refrescs de cola i el Nestea i, finalment, el cafè descafeïnat i la Pepsi sense cafeïna.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

12.- Cromatografia líquida d'alta resolució. Determinació de cafeïna en una infusió de te en diferents temps La segona cromatografia es basarà en determinar la quantitat de cafeïna que hi ha en una infusió de te, fent extraccions d'aquesta cada cert temps per poder veure com la cafeïna passa de les fulles de te a l'aigua. Igual que a l'altra cromatografia, abans d'injectar les mostres, aquestes i la màquina s'han de preparar. Primerament s'ha de fer una dissolució control (patró). En farem una de 2 ppm i una altra de 30 ppm a partir de la dissolució de 1000 ppm del primer dia. L'aigua que s'afegeix als patrons per enrasar és aigua MilliQ.

patrons (mg/L) àrea 2 30

114646 1619365

ord origen pendent 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0

7166 53740

Columna B Regressió lineal per a Columna B

10 15 20 25 30 35

Gràfica dissolucions patró

Bureta i matràs

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Preparem 250 ml d'aigua destil·lada en un vas de precipitats i el posem a escalfar amb un agitador fins que bulli. Quan l'aigua bull, aboquem el sobre d'infusió de te verd i, calculant el temps amb cronòmetre, fem extraccions als 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 300 i 420 segons amb una pipeta automàtica. A cada extracció canviarem la punta de la pipeta. Numerem les extraccions i les cromatografiem.

Pipeta automàtica

Puntes de la pipeta d'un sol ús

Resultats

Temps (s)

Àrea

Conc. Matràs 50 ml

Conc. (mg/L) vas de te

Mg cafeïna al vas

Volum al vas

39817

0,61

30,38

7,59

250

92803

1,59

79,36

19,84

249

135559

2,39

118,5

29,62

248

101723

1,76

86,92

21,73

247

132964

2,34

115,17

28,79

246

120

146688

2,6

127,22

31,8

245

180

153393

2,72

132,79

33,19

244

240

164530

2,93

142,31

35,57

243

300

158074

2,8

135,91

33,97

242

420

167880

2,99

144,15

36,03

241

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Per a l'obtenció de les dades de la taula, hem hagut de fer diversos càlculs a partir de la gràfica patró i les àrees: -La concentració al matràs es calcula restant a l'àrea l'ordenada d'origen de la gràfica patró i dividint el resultat pel pendent de la gràfica patró. -La concentració al vas precisa d'un càlcul més complicat. Primer es multiplica la concentració al matràs per 0,05. Paral·lelament es multiplica la divisió del volum al vas entre en volum inicial per 0,001. El primer càlcul es divideix entre el segon.

Ex. (30 s): 1,59 · 0,05=0,0795 → 0,001 ·

249 = 9,94 · 10-4→ 250

0,0795 =79,36mg /L 9,94· 10−4

-I, per últim, els mg de cafeïna al vas són una divisió de la concentració al vas entre 0,25, el volum inicial de la infusió.

180000 160000 140000

Àrea

120000 100000 80000

Columna E

60000 40000 20000 0 0

100

150

200

250

300

350

400

Temps (s) Gràfica que relaciona l'àrea amb el temps

450

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Concentració al vas de te (mg/L)

160 140 120 100 80 Columna G

60 40 20 0 0

100

150

200

250

300

350

temps (s) Gràfica concentració al vas/temps

400

450

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Conclusions A partir d'aquestes dades podem descobrir dues coses. La primera, la quantitat de cafeïna que hi havia en 1,5 g de te verd, que eren els de la bossa d'infusió. Així doncs, hi ha 36 mg de cafeïna en 1,5 g, el que és el mateix que 24 mg per un gram. I l'altra conclusió és la gràfica de la cinètica d'extracció, és a dir, la velocitat amb la qual la cafeïna s'ha desprès del te i ha passat a l'aigua. Gràfica cinètica d'extracció

Cinètica d'extracció 1,5 g te verd en 250 ml aigua Conc = 137,46*(1-exp(-0,025*t)) 160 140 120 100 80

Conc (mg/L)

60 40 20 0 0

100

200

300

Temps (s) Valor experimental Valor ajustat

400

500

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

13.- Espectre d'infraroig de la cafeïna o IRs En aquesta part del treball el que es fa és un espectre d'infraroig de tres tipus de cafeïna per a poder-los comparar. S'analitza la cafeïna no cristal·litzada obtinguda a l'extracció de les fulles de te negre, la cafeïna cristal·litzada d'aquesta mateixa pràctica i la cafeïna comercial. Abans de veure l'espectre d'infraroig hem de conèixer quina tècnica és i què és el que analitza l'espectroscopia infraroja. Espectroscopia infraroja L'espectroscopia és l'estudi de la interacció entre la matèria i la radiació electromagnètica, amb

absorció

emissió

d'energia

radiant.

tot

l'espectre

electromagnètic,

l'espectroscopia infraroja només estudia la part infraroja d'aquest. L'objectiu de la tècnica és identificar un compost i investigar la composició de la mostra. Un espectre de llum és la intensitat de llum absorbida, reflectida o emesa en funció de la freqüència o longitud d'ona.

Llum ambsorbida pels diferents tipus de rajos

L'espectroscòpia infraroja parteix de la base de que totes les molècules tenen freqüències en les quals roten i vibren, és a dir, desprenen una quantitat d'energia diferent segons el moviment que experimentin en rebre una radiació. Un grup habitual en les molècules orgàniques, el CH2, pot vibrar de sis formes diferents, per a fer-nos una idea.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

Per mesurar una mostra el que es fa es emetre un raig infraroig que el travessa. Aquest raig infraroig varia la seva longitud d'ona. Quan la freqüència d'excitació d'un enllaç coincideix amb la freqüència d'ona de l'infraroig es produeix una absorció per part de l'enllaç, que és mesurable. L'espectre és l'escaneig d'aquestes absorcions, que depenent dels enllaços i els seus comportaments, varia. Per tant és propi per a cada molècula. La unitat amb què es mesuren aquestes absorcions són cm-1 i l'aparell que realitza aquesta tècnica és l'espectroscopi.

Espectroscopi

En realitzar l'espectre d'infraroig als diferents tipus de cafeïna vam obtenir una sola gràfica que contenia els tres espectres. Es pot veure com, tot i amb una mínima variació per les possibles impureses, els tres espectres segueixen el mateix "patró" que els identifica com a mateixa substància. Lògicament, la cafeïna cristal·litzada s'apropa més a la comercial que la no cristal·litzada perquè és més pura. El color taronja (columna C) pertany a la cafeïna no cristal·litzada, el color vermell (columna F) a la cafeïna cristal·litzada i el color blau (columna I) a la cafeïna comercial.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

IRs Cafeïna 120 100 80

% Cafeïna

60 40 20 0 4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

cm-1 IRs cafeïna

1000

500

Columna C Columna F Columna I

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

15.- Conclusions La cafeïna és un alcaloide del grup de les xantines que pren el nom sistemàtic de 1,3,7·trimetilxantina. Aquesta substància va ser descoberta al 1819 pel químic alemany Friedrich Ferdinant Runge, qui li va aportar el nom de Koffein, tot i que pren diferents noms segons la procedència d'extracció: teïna, mateïna, guanina... Com a substància pura, es presenta en forma de sòlid cristal·lí blanc, inodor i en pols o agulles blanques. És soluble en aigua tot i que presenta més afinitat amb dissolvents orgànics com el cloroform i el diclorometà. La cafeïna es troba de forma natural a les plantes del cafè, el yoco, la cola, la jagua, el mate, el cacau, el te, el llimoner, el taronger i l'aranger. Un cop extreta d'aquestes plantes, s'utilitza per al consum humà (afegida a refrescs i begudes energètiques o en les plantes que la contenen de forma natural) i per a certs usos medicinals. La funció que la cafeïna fa en entrar a l'organisme és inhibir l'adenosina, estimulant així el sistema nerviós i mantenint-lo en estat d'alerta. Els efectes que provoca sobre el cos humà poden ser beneficiosos o perjudicials depenent de la quantitat ingerida i les característiques de l'individu. La quantitat consumida per la població, arriba entorn les 120 tones anuals. Aquestes es distribueixen depenent de la influència cultural de cada país a prendre cafeïna. Hi ha major consum a països com Gran Bretanya, els Estats Units o els països nòrdics. Cada país estableix unes lleis de regulació i etiquetatge dels productes segons el grau i la concentració que presentin de cafeïna. De major a menor concentració es classifiquen en: cafès, begudes energètiques, refrescs, tes, productes descafeïnats i productes sense cafeïna. Per extreure la cafeïna de les fulles de te negre, aquesta s'ha de sotmetre a diverses tècniques com la filtració, la reducció, la decantació i la destil·lació. Finalitzada l'extracció, per purificar la substància s'ha de muntar un sistema de sublimació i verificar-ne el punt de fusió.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

La tècnica de la cromatografia líquida d'alta resolució es basa en separar físicament els components d'una mescla líquida. La separació és possible gràcies a l'absorció selectiva dels components respecte la fase mòbil que flueix per la columna. El temps d'absorció depèn de l'afinitat electrostàtica i és una propietat característica. En el cas de la cafeïna, el temps de retenció és de 4 minuts. Les mostres analitzades es classifiquen segons la concentració de cafeïna per litre de beguda. Els cafès curt i llarg de màquina són els que tenen el contingut més alt de cafeïna, els segueixen el Red Bull, el Burn i el Guaranà, tots tres begudes energètiques. Els següents de la classificació són els refrescs de cola juntament amb el Nestea que difereixen en concentració depenent de la marca i el tipus de beguda. I els productes amb menys contingut de cafeïna són els descafeïnats i els anomenats com a “sense cafeïna”, sent tots aprovats per la reglamentació d'etiquetatge. Amb la cromatografia de diverses mostres del procés d'infusió d'una bosseta de te verd, també es pot analitzar la cinètica d'extracció del pas de la cafeïna a l'aigua. A partir de les diverses concentracions que obtenim agafant mostres cada pocs segons demostrem que la cafeïna passa en la seva totalitat a l'aigua al cap de dos minuts, a una temperatura constant de 1000C. Amb l'anàlisi de l'espectre d'infraroig de tres mostres diferents de cafeïna es comparen les diferencies moleculars que presenten els seus enllaços. L'espectre de la cafeïna més impura presenta més variacions al patró d'infraroig respecte la cafeïna comercial que la cafeïna purificada respecte de la comercial. Les diferents tècniques i metodologies utilitzades han demostrat que són útils per a l'anàlisi d'una substància de consum que té efectes positius o negatius en l'organisme humà en funció de la dosi que s'ingereixi. A partir del coneixement exhaustiu de la substància i les seves concentracions en diferents presentacions és possible establir pautes saludables de consum. Seria desitjable que aquest coneixement arribés a la població a través de les actuacions de les autoritats sanitàries. L'última finalitat de la ciència hauria de ser sempre el benestar de les persones.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

16.- Agraïments Primerament, agrair a la meva tutora de l'institut Marga López haver-me ofert l'oportunitat de participar al Programa Argó i guiar-me en el meu treball resolent tots els dubtes i complicacions que han anat apareixent. Donar les gràcies al Programa Argó i els seus organitzadors per crear una estada tant entretinguda i interessant a la Universitat Autònoma de Barcelona posant a la nostra disposició els laboratoris i material necessari. A Jordi Coello, el meu tutor de l'estada, agrair-li la orientació tant clara de les pràctiques i la gran dedicació i disposició per al seu equip de treball. També a Ricardo Lucio, un estudiant d'últim curs a la universitat que ens va ajudar amb alguns entrebancs. I finalment donar les gràcies als meus companys de laboratori Aleix Torras, Júlia Albert, Marina Bellot i Cristina Aguilera per crear un ambient de treball còmode i acollidor. Gràcies a tots els que heu fet possible aquest gran aprenentatge que pren forma de treball de recerca, i a tots els que ara el llegiu.

Determinació analítica de la cafeïna en diferents productes comercials

Cristina González Ros

17.- Bibliografia Llibres: W.AA. Gran diccionario de los alimentos para la salud 2009: Océano-Ambar ANTONIO ESCOHOTADO Historia general de las drogas Madrid 1983: Espasa Calpe JORGE WAGENSBERG Si la naturaleza es la respuesta, ¿Cuál era la pregunta? 2002: Tusquets editores Webs: http://es.scribd.com/montse_arroyo_2/d/60596062/17-Propiedades-quimicas-de-la-cafeina

→ característiques fisicoquímiques i moleculars http://en.wikipedia.org/wiki/Caffeine

→ metabolisme i efectes als humans

http://www.interempresas.net/Quimica/Articulos/10751-La-quimica-de-la-cafeina.html

→ usos a

l'antiguitat de la cafeïna http://ojs.uo.edu.cu/index.php/cq/article/viewFile/2185/1728 http://www.botanical-online.com/cafeina.htm

→ extracció cafè

→ substàncies naturals que contenen cafeïna

http://www.caffeinedependence.org/caffeine_dependence.html#top

→ efectes sobre humans

http://www.biology-online.org/articles/actions_caffeine_brain_special/consumption_metabolism_caffeine.html

→ fonts i metabolisme http://www.energyfiend.com/caffeine-what-the-world-drinks

→ consum mundial, xifres països

http://www.food.gov.uk/safereating/additivesbranch/energydrinks

→ mesures establertes per la llei en

relació a la quantitat de cafeïna permesa als Estats Units http://www.reuters.com/article/2011/10/06/canada-energydrinks-idUSN1E79514D20111006 →

mesures

establertes per la llei en relació a la quantitat de cafeïna permesa a Canadà http://www.dur.ac.uk/news/newsitem/?itemno=7403

→ efectes sobre els humans

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_infrarroja

→ espectroscòpia infraroja

http://www.iesberenguer.net/departaments/fisicaiquimica/practiques/muntatges.htm

laboratori

→ tècniques de