18-11-2010

FACULTAD DE CIENCIAS, UDELAR | Agustín Sellanes

QUÍMICA

ANALÍTICA

DETERMINACIÓN DE FOSFATOS EN

BEBIDAS COLA

1 CONTENIDO

Objetivo.............................................................................................................................................................. 2

Introducción ....................................................................................................................................................... 2

Metodología ....................................................................................................................................................... 2

Principales métodos para la detección de fosfatos ......................................................................................... 2

Fundamentación de la elección del método del azul de molibdeno ................................................................ 3

Descripción del método .................................................................................................................................. 3

Resultados .......................................................................................................................................................... 4

Discusión ............................................................................................................................................................ 4

Conclusión .......................................................................................................................................................... 5

Bibliografía ......................................................................................................................................................... 6

Anexo ................................................................................................................................................................. 7

Técnica ........................................................................................................................................................... 7

Cálculos .......................................................................................................................................................... 7

2 DETERMINACIÓN DE FOSFATOS EN BEBIDAS COLA

Agustín Sellanes

Química Analítica- Facultad de Ciencias- UdelaR

18/11/2010

OBJETIVO

Determinar la concentración de fosfatos disueltos en bebidas analcohólicas gasificadas disponibles en el

mercado.

INTRODUCCIÓN

El 88% del fósforo endógeno se encuentra en los huesos como fosfato cálcico en forma de apatito

[ ( ) ] . El resto participa en el metabolismo intermediario de los carbohidratos y está contenido

en sustancias fisiológicamente importantes como fosfolípidos, ácidos nucleicos y ATP. En la sangre, el fósforo

está presente como fosfato inorgánico y ácido fosfórico orgánico. El fósforo orgánico extracelular que

constituye sólo una parte pequeña, se halla casi exclusivamente en forma de fosfolípidos.

El fósforo y el calcio se encuentran en la sangre en una relación de 6 a 10. La concentración normal de fósforo

en la sangre es de 35 a 55 mg/L. La ingesta insuficiente de fósforo, causa hipofosfatemia que genera una

desmineralización ósea que termina en osteoporosis. Por otra parte, el aumento del nivel fosfórico provoca

una disminución del nivel cálcico, mecanismo que se ve influido por una interacción entre parathormona y

vitamina D. Al aumento del nivel de fosfato inorgánico en sangre se denomina hiperfosfatemia y entre otras

causas, puede deberse a una ingesta excesiva de este mineral.

Los valores diarios recomendados varían según la edad, siendo los valores recomendados para adultos de 700

mg diarios aunque el límite máximo tolerable (UL) es de 4 g. Según la Coca-Cola Company, la concentración de

fósforo en Coca-Cola es 17 mg/100g; por lo que la cantidad de fósforo ingerido en este tipo de bebidas es sólo

un porcentaje de la dieta diaria. Sin embargo, las personas que sufren determinados tipos de afecciones como

Insuficiencia Renal Crónica, no pueden eliminar el exceso de fósforo y deben evitar los alimentos ricos en este

mineral. Por otra parte, existen estudios que demuestran que el consumo excesivo de fósforo sumado a un

consumo bajo de calcio, podría ser perjudicial para la formación ósea en personas saludables (1). Esto se suma

a que la ingesta de fósforo suele ser 2 o 3 veces superior a la dosis diaria recomendada y que es frecuente no

cubrir en la dieta la cantidad de calcio recomendada.

Hay fuerte evidencia acerca de la influencia de las bebidas cola con la capacidad de erosionar el esmalte dental

(2). Los fosfatos adicionados a estas bebidas actúan como buffer, amortiguando el pH cuando se encuentran

en la disolución en concentraciones lo suficientemente altas (mayores a 5mM); disminuyendo así la cantidad

de esmalte que se disuelve. Sin embargo, el pH de las bebidas gaseosas no se mantiene cerca de la neutralidad

ya que esto alteraría el sabor característico y la percepción del gusto de las mismas. Para que el efecto

amortiguador sea significativo, el pH debe ser mayor a 3,5.

METODOLOGÍA

PRINCIPALES MÉTODOS PARA LA DETECCIÓN DE FOSFATOS

3 Existen varios métodos para la determinación cuantitativa de fosfatos, entre ellos (3):

Métodos titrimétricos. Los fosfatos precipitan como fosfomolibdatos. El precipitado se recoge y se

redisuelve en volumen conocido una base y se titula el exceso de esta última.

Métodos gravimétricos.

Métodos espectrofotométricos:

Método del vandato-molibdato. La solución ácida que contiene ortofosfato, se trata con

un reactivo ácido que contiene ácido molíbdico y ácido vanádico. Se forma un complejo

estable de color amarillo de ácido vanadimolibdofosfórico. La absorción máxima es a

330 nm.

Método del azul de molibdeno. Consiste en adicionar molibdato de amonio a una

solución de ortofosfato; el fosfomolibdato que se produce es reducido parcialmente con

ácido cloruroestañoso (u otro agente reductor, como: ácido ascórbico, fenilhidracina,

hidroquinona o dióxido de azufre) para producir un compuesto de intenso color, el azul

de molibdeno, que puede detectarse en un espectrofotómetro en el rango visible a 830

nm.

FUNDAMENTACIÓN DE LA ELECCIÓN DEL MÉTODO DEL AZUL DE MOLIBDENO

En esta investigación emplearemos el método del azul de molibdeno, ya que por ser un método

espectrofotométrico, nos da la sensibilidad adecuada para trabajar con las bajas concentraciones de fosfatos

presentes en las bebidas cola. Este método se emplea para detectar trazas debido a su gran sensibilidad (10

veces más que el método del vandato-molibdato). Además, preferimos esta técnica porque da un pico en 850

nm, ya que los espectrofotómetros de que disponemos en el laboratorio, sólo registran absorbancias en el

rango visible. Se trata de un método muy específico, ya que sólo detecta la presencia de fosfatos, silicatos o

arsénico y estos dos últimos no se encuentran en las muestras que queremos analizar.

Este método también presenta inconvenientes. Es un compuesto estequiométrico y su espectro de absorción

depende del modo en que ha sido preparado. Sin embargo, en la técnica elegida sólo se medirá la absorbancia

en una única longitud de onda y el pico de absorbancia del azul de molibdeno es ancho y llano lo que hace aún

más robusto este método para la determinación cuantitativa que queremos realizar. Tampoco importa que no

sea un compuesto estequiométrico porque lo que haremos es comparar las absorbancias de las muestras con

una curva de titulación de patrón primario de concentración exactamente conocida. Además, sus soluciones

son coloidales y varían con el tiempo y el exceso de molibdato de amonio también sufre reducción (aunque

mucho más lenta que la del fosfomolibdato), por lo que la lectura debe realizarse inmediatamente después de

preparada la mezcla sin mayores inconvenientes.

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO

Ahondaremos un poco en los fundamentos de la técnica del azul de molibdeno.

El método consiste en la medición de la absorbancia del azul de molibdeno a una longitud de onda de 850 nm

y usar la ley de Beer-Lambert-Bouguer para determinar la concentración del mismo en la muestra, previa

realización de una curva de titulación midiendo las absorbancias en soluciones de de concentración

exactamente conocida.

4 Estructura de Keggin con el átomo de fósforo

central en naranja, los átomos de molibdeno

en violeta y los oxígenos en rojo.

En medio ácido, el molibdato de amonio

( ) forma un complejo con

el fosfato , el fosfomolibdato de

amonio que tiene la

estructura de Keggin (que se

autoensambla en soluciones acuosas

ácidas). La estructura de Keggin, facilita la

reducción de los metales del anión:

Este compuesto reducido tiene un intenso color azul, por lo que puede ser detectado aún en concentraciones

traza.

RESULTADOS

La concentración de fósforo en Coca-Cola es de ( ) o ( ) (según Coca-Cola

Company la concentración de fósforo es 17 mg/100g lo que equivale a aproximadamente 170 mg/L). La

concentración de fósforo en la bebida Mío es de ( ) o ( ).

Bebida Concentración

Mío ( ) Coca-Cola ( )

DISCUSIÓN

La siguiente tabla (4) muestra la concentración de fósforo de algunos alimentos de la dieta:

Alimento Fósforo (mg/100g)

Manzana 2 Ruibarbo 8 Naranja 15

Coca-Cola 15 Frutillas 20

Mío 20 Lechuga 21

Remolacha 23 Repollo 26 Tomate 27 Cebolla 33

Papa 43 Hojuelas de maíz 45

Espinaca 51 Coliflor 56

Lenguado 64 Arvejas cosidas 66

5 Quesos 79

Pan blanco 87 Leche 93

Ostras crudas 143 Pollo rostizado 169

Huevos 183 Hamburguesa cosida 214

Pan integral 228 Chocolate amargo 385

Yogur 479

Como la densidad de las bebidas es de 1 g/mL, la concentración de fósforo en la Coca-Cola y la Mío es 15

mg/100g y 20 mg/100g respectivamente; una cantidad relativamente baja si la comparamos con otros

alimentos, en particular bebidas como la leche (93mg/100g) o el yogur (479 mg/100g).

Sobre una dieta de 700 mg diarios, un litro de Mío aporta aproximadamente el 29% de la cantidad diaria

recomendada y la Coca-Cola un 21%, lo que constituyen porcentajes significativos en personas que consumen

este tipo de bebidas con frecuencia.

CONCLUSIÓN

Por todo lo que hemos dicho, las bebidas cola analizadas no presentan cantidades significativamente altas de

fósforo comparadas con otros alimentos, aunque podrían llegar a aportar un porcentaje significativo de este

mineral en la dieta de las personas que consumen este tipo de bebidas.

6 BIBLIOGRAFÍA

1. Kemi, Virpi. Effects of dietary phosphorus and calcium-to-phosphorus ratio on calcium and bone

metabolism in healthy 20- to 43-year-old Finnish women. Helsinki : Helsinki University Printing

House, 2010.

2. Mirelly, Doménica y Alburqueque, Franco. Pérdida de calcio en esmalte de dentición mixta por

exposición in vitro a bebida carbonatada ácida. Facultad de Odontología, Universidad Nacional

Mayor de San Marcos. Lima : s.n., 2008.

3. Masson, Lilia S. Análisis proximal de calcio y fósforo en harinas de pescado. Departamento de

Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas de la

Universidad de Chile.

4. Tomassi, G. Fósforo: un nutriente esencial en la dieta humana.

5. Lamberg-Allardt, Christel, Karp, Heini y Kemi, Virpi. Phosphorus and Bone. [aut. libro] Peter

Burckhardt, Bess Dawson-Hughes y Connie Weaver. Nutritional Influences on Bone Health. London :

Springer, 2010, 12.

6. BIHW. Beverages & Bone Health: Harmful, helpful or no effect? A conversation with Dr. P. Heaney,

Bone Health Expert. The Beverage Institute For Health & Wellness. [En línea] [Citado el: 10 de

Noviembre de 2010.]

http://www.beverageinstitute.org/healthcare_professionals/bone_health_qa.shtml.

7. The Coca-Cola Company. The Coca-Cola Company. [En línea] [Citado el: 10 de Noviembre de

2010.] http://www.thecoca-

colacompany.com/contactus/myths_rumors/packaging_kidney_stones.html.

8. Scoog, West y Crouch. Fundamentos de Química Analítica. Octava. s.l. : Thomson.

9. Roche Diagnostics GmbH. Fósforo UV Código 1.489.348. Mannheim, Alemania : s.n. Roche

Diagnostics.

10. The Cleveland Clinic Foundation. Chemocare.com. [En línea] 2005. [Citado el: 10 de Noviembre

de 2010.] http://www.chemocare.com/es/managing_es/hiperfosfatemia_e_hipofosfatemia_ES.asp.

11. Guía de métodos de análisis por fotocolorimetría. Instrumental Analítico, Facultad de Ciencias de

la Universidad Central de Venezuela. Caracas : s.n., 2006.

12. Walton, Harold F, y otros, y otros. Análisis químico e instrumental moderno. España : Reverté,

1977.

7 ANEXO

TÉCNICA

SOLUCIONES

Solución patrón de dihidrógeno fosfato de potasio 50 mg/L

Se masan 0,2197 g de y se lleva a un volumen final de 1L.

Solución de trabajo

Se diluye la solución anterior a una concentración final de 2 mg/L. Para ello, se realiza una

toma de 2 mL de la misma y se lleva a un volumen final de 50 mL.

Solución reductora

A. Se disuelve 0,7801 g de molibdato de amonio tetrahidratado, ( ) en

agua desionizada.

B. Se disuelve 1,0562 g de ácido ascórbico en agua desionizada.

C. Se diluye 11 mL de ácido sulfúrico concentrado en agua desionizada.

Finalmente, se mezclan A, B y C y se lleva a un volumen final de 250 mL.

PROTOCOLO EXPERIMENTAL

Curva de calibración:

Se preparan cinco estándares de acuerdo a la siguiente tabla:

Matraz Solución patrón Solución reductora Agua desionizada Concentración de P

1 1 mL 4 mL 5 mL 0,2 mg/L 2 2 mL 4 mL 4 mL 0,4 mg/L 3 3 mL 4 mL 3 mL 0,6 mg/L 4 4 mL 4 mL 2 mL 0,8 mg/L 5 5 mL 4 mL 1 mL 1,0 mg/L

Blanco 4 mL 6 mL 0 mg/L

Preparación de la muestra:

Se desgasifica. Se realizan diluciones de la muestra: 1:25; 1:50 y 1:100. Se toma 1 mL de cada una de ellas, se

añade 4 mL de solución reductora y se afora a 10 mL.

En todos los casos, se lleva a un baño termostatizado a aproximadamente 50 ºC por 45 minutos y se mide la

absorbancia a 830 nm.

La curva de calibración se realiza por duplicado.

CÁLCULOS

Para la preparación de la solución patrón de la técnica establece masar 0,2197 g de patrón primario

(136,08 g/mol) y llevar a un volumen final de 1L para obtener una solución de formalidad

lo que equivale a 0,05000 g/L de P (30,97 g/mol). Luego, se toman de 2 mL de la misma y se lleva a un

volumen final de 50 mL. Es decir, hacemos una dilución según un factor 1/25 para obtener una solución de

8 trabajo de concentración de fósforo de o 2 mg/L. Con esta solución patrón se preparan las

muestras para la curva de titulación según la siguiente tabla:

Se preparan cinco estándares de acuerdo a la siguiente tabla:

Matraz Solución patrón Solución reductora Agua desionizada Concentración de P

1 1 mL 4 mL 5 mL 0,2 mg/L 2 2 mL 4 mL 4 mL 0,4 mg/L 3 3 mL 4 mL 3 mL 0,6 mg/L 4 4 mL 4 mL 2 mL 0,8 mg/L 5 5 mL 4 mL 1 mL 1,0 mg/L

Blanco 4 mL 6 mL 0 mg/L

La solución reductora y el agua absorben aún sin que se forme el complejo con el fósforo. Para poder medir la

absorbancia que se debe a la formación del complejo reducido de fósforo, debemos restar a cada muestra la

absorbancia de la solución reductora y del agua. Por este motivo, es que se prepara la solución blanco como se

indica en la tabla. Se considera la absorbancia del blanco igual a cero y esto afecta a todas las medidas de

absorbancias que aparecerán en estos cálculos.

Las absorbancias medidas para las muestras estándar fueron las siguientes:

Concentración de P (mg/L) Absorbancia

0,2 0,117 0,4 0,308 0,6 0,473 0,8 0,624 1 0,702

Graficamos estos datos para obtener nuestra curva de titulación usando el OriginPro 8:

9

Usamos el método de mínimos cuadrados para obtener el mejor ajuste lineal de los datos, aunque

descartamos el último valor porque se aparta de la linealidad (recordemos que la Ley de Beer es una ley límite

y se cumple sólo en concentraciones bajas). El coeficiente de correlación r2=0,99571 es alto lo que implica una

relación lineal fuerte entre los valores de concentración de fósforo y las absorbancias medidas, según la Ley de

Beer:

[ ]

, donde es la absortibidad molar.

En este trabajo, las concentraciones no se expresaran en molaridades sino en mg/L. A continuación aparecen

los parámetros de linealización con sus errores respectivos:

Parámetro Valor Error estándar

a 0,843 0,03191 b -0,041 0,01748

Posteriormente, preparamos las muestras de bebidas cola. Se desgasifican y se diluyen 25, 50 y 100 veces. Se

toma 1 mL de cada una de ellas, se añade 4 mL de solución reductora y se afora a 10 mL. O sea que los factores

de dilución reales para estas muestras serán respectivamente: 1/250, 1/500 y 1/1000.

Los siguientes fueron los datos encontrados con sus cálculos respectivos:

0,3 0,6 0,9

0,0

0,3

0,6

Ab

so

rba

ncia

Concentracion P (mg/L)

Equation y = a + b*x

Adj. R-Square 0,99571

Value Standard Error

Absorbancia Intercept -0,041 0,01748

Absorbancia Slope 0,843 0,03191

10 Bebida Factor de

dilución Absorbancia Concentración de

fósforo Error mg/L P Error

Coca-Cola 0,001 0,122 0,193357058 0,0220212 193,35706 22,021272

0,002 0,206 0,293001186 0,0235452 146,50059 11,772594

0,004 0,198 0,283511269 0,0233781 70,877817 5,8445314

Mío 0,001 0,111 0,180308422 0,0218621 180,30842 21,862071

0,002 0,303 0,408066429 0,0258836 204,03322 12,941804

0,004 0,645 0,81376038 0,0371520 203,45000 9,2877731

Los cálculos realizados fueron los siguientes:

El método de mínimos cuadrados nos permitió ajustar los datos a una recta de la forma:

, donde y es la absorbancia (A), x es la concentración de fósforo en mg/L ([ ]) y, a y b son el

coeficiente angular y el término independiente respectivamente. Entonces podemos escribir:

[ ]

, y despejando [ ] obtenemos:

[ ]

Esta fue la ecuación usada para obtener las concentraciones de fósforo en las muestras directamente

a partir de las absorbancias medidas.

Para obtener una estimación del error cometido en la medición, usamos la propagación de errores de

orden dos a partir de la ecuación anterior:

[ ] (

) √(

[ ]

)

( ) ( [ ]

)

( ) ( [ ]

)

( )

√(

)

( ) (

)

( ) (

)

( )

Siendo F el factor de dilución ( ), para obtener la concentración de fósforo y su respectivo

error en una dilución 1:1, debemos hacer:

[ ]

y

[ ]

En las medidas de Coca-Cola, el valor que corresponde a la dilución de 1/100 tiene una absorbancia que cae

muy cerca del extremo inferior de la curva de calibración, por lo cual dicho valor puede estar más afectado de

error, y el valor de la dilución 1/25 tiene una absorbancia muy cercana a la de la dilución 1/50. Por lo que

descartamos ambos valores y nos quedamos con la dilución 1/50.

11 En la bebida Mío, descartamos el valor de la dilución 1/100 por el mismo motivo que el de la Coca-Cola y como

los otros dos valores son coherentes, los promediamos. La siguiente tabla muestra los datos calculados:

Bebida Concentración Error

Mío 203,7366548 11,1147887 5,45546834 Coca-cola 146,5005931 11,7725944 8,03586807

El error del promedio es el promedio de los errores, según:

(

) |

| |

|

( )

El error porcentual es:

[ ]

[ ]

, donde [ ] representa la concentración de fósforo en mg/L y no en mol/L.

Por tanto, la concentración de fósforo en Coca-Cola es de ( ) o ( ) (según Coca-

Cola Company la concentración de fósforo es 17 mg/100g lo que equivale a aproximadamente 170 mg/L). La

concentración de fósforo en la bebida Mío es de ( ) o ( ).