Capitulo Xi Refractometria

FUNDAMENTOS DE ANALISIS DE ALIMENTOS

Refractómetria

CAPITULO XI

REFRACTOMETRIA --------------------------------------------------------------------------------------------------------Objetivos: Conocer el fundamento de las técnicas de determinación de índice de refracción y Concentración de solidos totales en alimentos --------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 REFRACTOMETRIA Es una técnica analítica que consiste en la medida del índice de refracción de un líquido con objeto de investigar su composición si se trata de una disolución o de su pureza si es un compuesto único. La refractometría es un método que sirve para medir la concentración de sólidos en jarabes, melazas, y productos de frutas como jugos, mermeladas, etc. siempre y cuando no existan en la muestra cantidades apreciables de sólidos insolubles suspendidos. 11.1.1 Fundamento Según Hall y colaboradores (1978), señalan que la medición se basa en la propiedad observada de que cuando un rayo de luz pasa de forma oblicua desde un medio a otro con diferente densidad, la dirección de la luz cambia al llegar a la superficie. Esta propiedad de refracción es el fundamento de los instrumentos de medida, denominados refractómetros. Reconocen tres tipos generales de refractómetros: Abbé, inmersión o goteo y Pulfrich. Este último utiliza luz monocromática y requiere mayor cantidad de muestra que el de Abbé, el cual requiere apenas de una gota de líquido. El refractómetro de Abbé tiene un intervalo de medida desde 1,3000 hasta 1,7000, la máxima precisión obtenida es 0,00001. El refractómetro de inmersión requiere de 10 a 15 (mL) de muestra y es el tipo más simple. 11.1.2 Índice de refracción Es la razón entre las velocidades de la luz en ambos medios. La ley de Snell representa a este índice como la razón de los senos de los ángulos de incidencia y refracción. El ángulo formado entre el rayo en el primer medio y la perpendicular se llama ángulo de incidencia, i, mientras que el correspondiente ángulo en el segundo medio se denomina ángulo de refracción, r.

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Figura 11.1: Paso de la luz a través de un medio

El índice de refracción será definido como la relación entre la velocidad de una luz monocromática en el aire y su velocidad en la sustancia considerada, y es la división entre los senos de los ángulos de incidencia (i) y de refracción (r), cuando la luz pasa del aire a la sustancia Alvarado (2001).

Indice de refraccion 

ven el aire ven la muestra



sen i sen r

Alvarado (2001), el índice de refracción para dos materiales o medios considerados, varía con la temperatura y con la longitud de onda de la luz; si uno de los medios es un gas, también varía con la presión. Matissek (1998), señala que el índice de refracción “n” se define como el cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción de la luz monocromática al pasar del aire a un medio ópticamente más denso. Lees (1982), indica que el índice de refracción de una muestra es un valor que relaciona el ángulo de incidencia de un rayo luminoso sobre una muestra con el ángulo de refracción. Es posible por tanto, determinar la cantidad de soluto disuelto midiendo el índice de refracción de la solución acuosa que se investiga. Un rayo de luz que pasa oblicuamente desde un medio hacia otro de diferente densidad, cambia su dirección cuando traspasa la superficie. Este cambio en la dirección se denomina refracción. Cuando el segundo medio es más denso que el primero, el rayo el rayo se aproxima a la perpendicular trazada sobre la superficie divisoria en el punto de incidencia. La causa fundamental de este cambio en la dirección se debe al cambio en la velocidad de la luz que se hace más lenta cuanto más denso sea el medio por el que pasa el haz. La luz amarilla de la lámpara de sodio disminuye su velocidad desde 3x1010 cm/s en el vacío hasta 2,25x1010 cm/s en el agua. En consecuencia, el índice de refracción será definido como la relación entre la velocidad de una luz monocromática en el aire y su velocidad en la sustancia considerada, y es la división entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción (θ), cuando la luz pasa del aire a la sustancia. El ángulo entre el rayo en el primer medio y la perpendicular en la superficie divisoria, se llama ángulo de incidencia; el ángulo correspondiente en el segundo medio, se llama ángulo de refracción. La división entre los senos de estos dos ángulos, es directamente ============================================================= Alberto Luis HuamaníHuamaní 211

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proporcional a la velocidad de la luz en los dos medios. Si el rayo incidente está en el medio más denso, (n) será menor que uno; si está en el menos denso, (n) será mayor que uno. El índice de refracción para dos materiales o medios considerados, varía con la temperatura y con la longitud de onda de la luz; si uno de los medios es un gas, también D varía con la presión. La notación n20 indica que la medida se realizó a 20ºC con la línea D del espectro de sodio (589,0 y 589,6 [nm). Bajo condiciones definidas de prueba, el índice de refracción es una constante característica para un medio particular, y se usa para identificar o determinar la pureza de una sustancia; también se emplea para determinar la composición de mezclas binarias de constituyentes conocidos. En industrias alimentarias que trabajan con azúcares, su uso es generalizado. 11.1.3 Solidos solubles (Grados Brix) Los grados Brix (símbolo °Bx) sirven para determinar el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Una solución de 25 °Bx contiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido. Dicho de otro modo, en 100 g de solución hay 25 g de sacarosa y 75 g de agua. Grados Brix: Unidad de medida mediante de sólidos solubles presentes en una solución, expresados en porcentaje de peso de sacarosa. 11.2 EQUIPOS El refractómetro es un instrumento importante y muy útil, se usa en el control y análisis de productos alimentarios comerciales y en la identificación de sustancias desconocidas; también se utiliza para distinguir sustancias con un mismo punto de ebullición, y compuestos de naturaleza similar. El refractómetro más difundido y utilizado es el de Abbé, que utiliza luz blanca porque está provisto de un prisma que elimina las interferencias de color y reduce los resultados a la línea del espectro de sodio. Lees (1969) indica que este refractómetro consta de un par de prismas con tubos amplificadores dobles, cuya misión es facilitar el montaje del instrumento y leer la escala del índice de refracción. Sobre el prisma inferior se extiende una fina capa de muestra y, después de cerrar, se hace pasar la luz a través de ella, mediante un espejo debidamente orientado. La luz reflejada aparece formando un campo oscuro. Antes (le hacer la lectura es preciso ajustar el instrumento con el compensador de luz, ubicado en la parte frontal del aparato. Esta operación reduce al mínimo la banda con los colores del arco iris, la cual aparece sobre la línea oscura divisoria y aumenta por tanto la capacidad para hacer un ajuste más fino al poner a punto el instrumento. Seguidamente se mueven los tubos telescópicos con los tornillos ubicados en la parte lateral, hasta que la sombra negra coincida con la intersección de los filamentos indicadores, en el centro del campo de observación. Inmediatamente se hace la lectura, ============================================================= Alberto Luis HuamaníHuamaní 212

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accionando el botón que ilumina las escalas del índice de refracción con sus correspondientes grados Brix.

Figura 11.2: Esquema de un refractómetro manual

El coste de los diversos modelos de refractómetros es muy variable. Se ofrecen en el comercio numerosos tipos de equipos; entre ellos: Refractómetros manuales, muy usados en la industria por ser diseñados para la cuantificación específica de azúcares, alcohol y sal. Refractómetros de operación automática con máxima precisión. Refractómetro de Abbé con alta precisión para laboratorio.

Figura 11.3: Refractómetro manual y digital

11.3 PROCEDIMIENTOS DE LECTURA En todos los casos la temperatura debe ser controlada, se recomienda una variación entre ±0,2ºC, para lo que se utiliza agua termostatizada que pasa por la caja que contiene los prismas; en los refractómetros de inmersión, como el de Zeiss, la variación de temperatura debe ser menor, ±0,05ºC. Las industrias de alimentos han encontrado muchos usos para los refractómetros en el análisis de productos líquidos y en el control de las operaciones durante el procesamiento de alimentos. 1) Para asegurarse de que las lecturas son válidas, el equipo se debe probar con agua o líquidos orgánicos de índice de refracción conocidos. En el caso de utilizar agua ============================================================= Alberto Luis HuamaníHuamaní 213

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destilada, el índice de refracción a 15ºC es 1,3334; disminuye en 0,000 1, por el incremento de 1ºC, hasta un valor de 1,3325 a 25ºC. 2) Colocar 1 o 2 gotas demuestra sobre el prisma

3) Cerrar la lámina que impide la luz

4) Mire la escala a través del lente

5) La lectura se observa

6) Lavar y limpiar suavemente

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Cálculos Efectuada la lectura, se obtiene el % de sólidos solubles . (A) Para soluciones claras. Sólidos solubles % = P1 x S x 100 P Donde: P = Peso de la muestra contenida en los 100 ml de la solución en gramos. P1 = Peso de los 100 ml de la solución en gramos S = Porciento de sólidos solubles leídos en refractómetro. (B) Para soluciones oscuras. Sólidos solubles % = (P1 + P2) S1 – P2S2 x 100 P En donde: P = Peso de la muestra contenida en los 100 ml de la solución en gramos. P1 = Peso de los 100 ml de la solución conteniendo la muestra en gramos. P2 = Peso de la solución de sacarosa empleada para la dilución en gramos. S1 = Porciento de sólidos solubles en la mezcla, dado por refractómetro. S2 = Porciento de sólidos solubles en la solución de sacarosa, dado por refractómetro 11.4 APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA En la industria alimentaria para la semilla de soja o del aceite de semilla de algodón con índices de 1,47. El producto final para producir margarina tiene 1,43. Así, la concentración en azúcar, salmueras y ácidos es fácil de seguir mediante refractometría. Pearson (1998), señala que la determinación directa de azúcares por el refractómetro se usa más comúnmente para el control en fábrica. Matissek (1998), señala que la refractometría resulta adecuada para identificar y caracterizar por ejemplo grasas y aceites, para comprobar la pureza de distintos ============================================================= Alberto Luis HuamaníHuamaní 215

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alimentos y para la determinación cuantitativa del contenido de agua en la miel, o para determinar el extracto de alimentos que esté formado principalmente por azúcar (sacarosa), como es el caso de confituras, miel, jarabe de almidón, zumos, etc. 11.4.1 Industrias de fabricación de productos lácteos a) En leche líquida para distribución El principal problema para utilizar el índice de refracción en la leche es su opacidad natural. Como la absorción de la luz por una muestra de moléculas biológicas y su índice de refracción, están íntimamente relacionados (Alvarado y Aguilera, 2001), no es extraño que exista variación de los valores del índice de refracción en los diferentes tipos de leche y productos lácteos. La variación del índice de refracción publicada para leche a 20ºC, está entre 1,3440 y 1,3485. Alvarado y Aguilera (2001), detallaron un método para preparar la muestra, utilizando un refractómetro de inmersión. Hacer una solución de sulfato de cobre, disolver 72,5 g de CuSO4 - 5H2O en un litro de agua destilada, si es necesario ajustar la solución para leer en el refractómetro de Zeiss, 36º a 20ºC, o hasta un valor de gravedad específica de 1,04433 a 20º/14ºC. Añadir una parte en volumen de esta solución de sulfato de cobre a cuatro partes por volumen de leche. Agitar bien y filtrar para obtener un suero claro. Determinar la lectura refractométrica en este suero a 20ºC. Una lectura inferior a 36 debe hacer presumir la adición de agua. Alvarado y Aguilera (2001), indica un método que utiliza una solución de cloruro de calcio al 16%, 30 (cm3) de leche y 0,25 (m3) de esta solución; se calienta en baño de agua hirviendo durante 15 minutos y se filtra. Valores inferiores a 36,5, leídos a 17,5ºC, indica con seguridad que la leche ha sido aguada, excluida la posibilidad de tratarse de vacas enfermas. Según Alvarado y Aguilera (2001), como la contribución al incremento refractivo por cada soluto en una solución es aditivo; se han realizado varios esfuerzos para usar esta propiedad como un medio indirecto para determinar el contenido de sólidos totales o el agua añadida a la leche; sin embargo, existe variación entre lotes y se dificulta el uso. b) En leche condensada y evaporada Cuando se usa el refractómetro de Abbé, que utiliza una fina capa de muestra, se pueden hacer medidas satisfactorias del índice de refracción, en especial en el caso de leches condensadas y endulzadas. Alvarado y Aguilera (2001), presentan las ecuaciones siguientes, que relacionan el índice de refracción con el contenido de sólidos (S), expresado como porcentaje. Para leche entera condensada y endulzada: S = 70 + 444 (n - 1,4658) S = contenido de sólidos n = índice de refracción ============================================================= Alberto Luis HuamaníHuamaní 216

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Para leche descremada condensada y endulzada: S = 70 + 393 (n - 1,4698) S = contenido de sólidos n = índice de refracción

c)

En suero de queserías

Se sabe que existe una relación directa entre el índice de refracción de soluciones y el contenido de azúcares. Uno de los constituyentes principales del suero proveniente de la elaboración de quesos, es la lactosa, azúcar que disminuye la actividad acuosa. Alvarado y Aguilera (2001), establecieron una ecuación lineal siguiente, que describe de forma satisfactoria la relación entre los sólidos del suero, principalmente lactosa, y la actividad acuosa (aw). aw = 0,999 - 0,000558 S S: es el contenido de sólidos expresado en (g sólidos/100 g de suero). Se sabe que hay un contenido de 4,9% en peso de hidratos de carbono, básicamente lactosa, en el suero proveniente de la elaboración de un queso fresco. En consecuencia, se busca establecer una relación matemática entre el contenido de azúcares, expresado por el índice de refracción, y la actividad acuosa de este subproducto lácteo. 11.4.2 Envasado y conservación de frutas y legumbres a)

En frutas frescas

Los grados Brix, los cuales se expresaron como sólidos solubles totales (SST), representan el grado de dulzor en una fruta por la presencia de azúcares a medida que se presenta el proceso de maduración. Entre los constituyentes más importantes de las frutas están los azúcares, principalmente sacarosa, fructosa y glucosa. El método refractométrico es uno de los métodos generales para la determinación de azúcares, se fundamenta en la relación entre el índice de refracción y la concentración de las soluciones sacarinas o grado sacarométrico. Cuando el grado sacarométrico se expresa referido al peso (g de azúcar por 100 g de solución o porcentaje en peso), corresponde a los grados de Balling o Brix. Según Alvarado y Aguilera (2001), a menudo se aplica el método refractométrico para determinar, en líquidos que contienen azúcares, las sustancias sólidas en conjunto (sólidos solubles, sustancia seca, extracto), consideradas como si estuviesen enteramente formadas de azúcar. Señala que en tales casos los resultados tienen un carácter meramente convencional. ============================================================= Alberto Luis HuamaníHuamaní 217

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Los refractómetros de Abbé poseen escalas para la lectura simultánea del índice de refracción y de los ºBrix. Los refractómetros manuales, ampliamente utilizados en las industrias que procesan frutas y vegetales porque dan resultados de suficiente exactitud para la práctica corriente, poseen escalas para lectura de ºBrix o salinidad. Por esto, y dada la facilidad de la medida, el uso de refractómetros es generalizado en las industrias que trabajan con frutas y legumbres. En el caso de frutas frescas el proceso de maduración, antes de la madurez en la planta o durante su almacenamiento después del corte, puede ser controlado por medidas refractométricas, realizadas en el jugo obtenido por expresión directa del fruto, es decir, mediante valores de ºBrix por refractometría. El contenido de sólidos solubles (ºBrix) en cocona varía de 5 a 8 y está constituido, en su mayoría, por azúcares reductores (Andrade et al., 1997). Los carbohidratos totales son el segundo grupo mayor de constituyentes del jugo de maracuyá. Los contenidos de azúcares totales de la variedad amarilla representan 13 a 18 % con valor medio de 15% y los contenidos de variedad roja varían entre 14,4 a 21,9, con un valor medio de 17,3%. La relación azúcar/acidez es de 5:1 para el maracuyá rojo y 3:8 para el maracuyá amarillo (Chan Junior, 1993). Para determinar los sólidos solubles del plátano, es necesario hacer una solución, para lo cual se pesan 30 gr. de pulpa y se homogenizan con 90 ml de agua destilada durante 2.5 min., utilizando una licuadora. Después se vierten dos o tres gotas en el refractómetro el cual nos da una lectura en ° Brix.

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Tabla 11.1. Acidez titulable y niveles mínimos de grados Brix en Jugos (zumos) y Pulpas

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Tabla 11.2: Porcentaje mínimo de sólidos solubles por refractrometría a 20°C (Brix) en concentrados de fruta, clarificados o no.

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Tabla 11.3 Porcentaje mínimo de fruta en los néctares

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Tabla 11.4. Porcentaje de mínimo fruta y sólidos solubles en refrescos de fruta

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Tabla 11.5. Valores refractométricos para derivados de frutas Sólidos solubles por Acidez titulable lectura Producto expresada como refractométrica a 20°C ácido cítrico en % Mínimo Máximo Jaleas