Técnicas de Análisis Químico en Alimentos: Composición y Seguridad Alimentaria

Determinación del Contenido en Agua y Sólidos Totales

Todos los alimentos contienen agua en mayor o menor proporción; en los alimentos naturales hay entre un 60% y un 95 % de agua, como promedio. El hecho de conocer este contenido y poder modificarlo tiene aplicaciones inmediatas: saber cuál es la composición centesimal del producto, controlar las materias primas en el área industrial y facilitar su elaboración, prolongar su conservación impidiendo el desarrollo de microorganismos, mantener su textura y consistencia y finalmente, frenar los intentos de fraude y adulteración si el producto no cumple los límites fijados por la normativa vigente.

En algunas ocasiones, es difícil determinar con exactitud la cantidad de agua de un alimento. Se puede considerar apropiado cualquier método que proporcione buena reproducibilidad con resultados comparables, siempre que se siga estrictamente ese mismo procedimiento en cada ocasión. También es admisible el uso de métodos rápidos para los que las casas comerciales suministran los correspondientes materiales, si sus resultados se contrastan con los suministrados por algún otro método convencional.

Los resultados se suelen expresar como humedad, agua y sólidos totales. Se habla de humedad cuando la cantidad de agua que hay en un alimento es relativamente baja (harinas, legumbres...). Se habla de agua en alimentos con mayor contenido acuoso (vegetales y carnes) y de sólidos totales en alimentos líquidos que se obtienen restando a 100 la cantidad de agua.

Normalmente para su determinación se utiliza el método de desecación, que se basa en el cálculo de porcentaje en agua por la pérdida de peso debida a su eliminación. Ofrecen buenos resultados que se pueden interpretar sobre bases de comparación, pero hay que tener en cuenta ciertas precisiones, en algunos casos, si se utiliza calor, a temperaturas altas el alimento puede deteriorarse y facilitar la eliminación de otras sustancias de descomposición, así como la pérdida de otras sustancias más volátiles que el agua.

Hay distintos métodos para determinar el contenido en agua:

• Índice de refracción (miel)
• Densidad (alimentos líquidos)
• Punto de solidificación (alimentos líquidos)
• Absorbancia en el NIR
• Parámetros eléctricos (alimentos en polvo)

Todas estas medidas van a dar unos valores aproximados. Es necesario realizar una calibración o una comparación de resultados con otros métodos de análisis de agua. Se realiza una gravimetría. El fundamento de la técnica es: se pesa la sustancia con humedad, se seca y se vuelve a pesar la sustancia seca. Con la diferencia de pesos se puede hallar fácilmente el porcentaje de humedad. Como la mayoría de los métodos de secado se emplea calor, es muy importante que el último enfriamiento se realice en ausencia de humedad (desecadores).

Nitrógeno y Proteína Bruta

En un análisis elemental de un alimento, lo más frecuente y menos complejo es investigar la proteína bruta de los diferentes aminoácidos o proteínas específicas. No obstante, los procedimientos más utilizados no determinan directamente esta proteína, sino el contenido en nitrógeno, que se expresa como nitrógeno total y que se obtiene mediante una combustión líquida en la que, en un primer paso, el nitrógeno de la muestra se convierte en sulfato amónico, el cual luego se transforma en amoniaco. Este amoniaco se destila y se valora en una solución ácido.

Esta técnica desarrollada por Kjeldahl, se ha convertido en método de referencia con múltiples modificaciones. Determina la materia nitrogenada total, que incluye tanto al nitrógeno proteico como al no proteico.

La proteína bruta se halla multiplicando el nitrógeno total (N) por un factor, que se ha calculado considerando los componentes básicos de un gran número de muestras del mismo alimento, y expresando el resultado como proteína. Alguno de estos factores, universalmente aceptados, son los siguientes:

• Factor General: 6,25
• Leche y Derivados: 6,38
• Harina de Trigo: 5,70
• Gelatina: 5,55

La técnica más utilizada es el método Kjeldahl.

El método puede resumirse en tres etapas:

1. Digestión de la muestra con ácido sulfúrico concentrado en presencia de catalizadores que aceleran el proceso, aumentando el punto de ebullición del ácido. Con esta digestión, transformamos el nitrógeno (en su mayor parte orgánico) en sulfato amónico (nitrógeno amoniacal).
2. Destilación: Pasamos a medio alcalino mediante la adición de hidróxido sódico concentrado, y se destila el nitrógeno en forma de amoniaco en corriente de vapor de agua. El amoniaco desprendido se recoge sobre un exceso de ácido.
3. Valoración: Por último, se valora la sal de carácter básico con un ácido.

Determinación de Grasa Bruta

Con este procedimiento se logra identificar materia capaz de disolverse en solventes orgánicos muy eficaces para la grasa. No obstante, en los métodos en que se emplea calor, es posible que se pierda una parte de esa grasa por evaporación: en el mismo sentido, existen sustancias que se extraen de forma simultánea con la grasa verdadera, como es el caso de algunos colorantes, y que no pertenecen estrictamente a este grupo funcional, de ahí el adjetivo “bruta” utilizado.

Los procedimientos pueden ser la extracción directa mediante un disolvente; la extracción indirecta tras un tratamiento con un álcali o un ácido; la medida del volumen de grasa separada por centrifugado de una mezcla de la muestra con reactivos ácidos, alcalinos o neutros; y la medida de cambios en el índice de refracción o en el peso específico por variación de la concentración de la grasa en disolución. Los métodos implican el pesado de la grasa, aunque en análisis de rutina con una gran cantidad de muestras, se emplean métodos volumétricos más rápidos.

Los disolventes que se usan suelen ser el éter de petróleo, que es el mejor agente para muestras secas; el éter dietílico, más eficiente, pero extrae sustancias no grasas; el cloroformo; el sulfuro de carbono, el tetracloruro de carbono... El rendimiento y la composición de los extractos resultantes difieren según el disolvente empleado; por eso, es necesario indicar siempre el disolvente o la técnica que se ha utilizado en la extracción. Cuando se realiza una extracción y el alimento es sólido, hay que realizar una etapa previa para facilitarla:

1. Desecación de la muestra: para que el solvente penetre mejor en las células. Además, algunos solventes como el éter dietílico son higroscópicos y pueden captar algo de agua.
2. Troceamiento y molturación: se rompen físicamente las estructuras del alimento. Al romper las células, el solvente extrae mejor los lípidos.
3. En alimentos ricos en proteínas, es necesario realizar una hidrólisis en medio ácido.
4. En algún caso se emplean intermedios (como la arena) que se mezclan en el alimento evitando aglomerados.

Después de estas etapas se realiza la extracción con éter. A continuación se evapora el disolvente y se pesa el residuo; así, por diferencia, se puede conocer la cantidad de grasa y calcular el porcentaje de lípidos en el alimento. Sobre una grasa, se pueden evaluar unos índices físicos y químicos.

Análisis de Hidratos de Carbono

Normalmente, cuando se hace un análisis de principios inmediatos se determina: humedad, proteína bruta, lípidos (grasa bruta) y cenizas. Los hidratos de carbono normalmente se obtienen por diferencia.

Se trata de una polarimetría se mide el poder rotatorio de los azúcares.

Determinación de Fibra Bruta

Determinación de las sustancias orgánicas libres de grasa e insolubles en medio ácido y alcalino, convencionalmente denominadas fibra bruta (generalmente se evalúa el contenido en lignina y celulosa). La muestra, en su caso desengrasada, se trata sucesivamente con soluciones en ebullición de ácido sulfúrico e hidróxido de potasio, de concentraciones determinadas. Se separa el residuo por filtración mediante filtro de vidrio poroso, se lava, se seca, se pesa y se calcina a una temperatura comprendida entre 475 y 500ºC. La pérdida de peso debida a la calcinación corresponde a la fibra bruta de la muestra de ensayo.

Análisis de Sustancias Minerales

La determinación de ceniza se hace para realizar el análisis de sustancias minerales. Bajo el nombre de cenizas se engloba el conjunto de sustancias que quedan como residuo tras su incineración. Básicamente está formado por sustancias inorgánicas.

Este parámetro os puede indicar una posible adulteración del alimento, por ejemplo, un alimento en polvo donde se añade cáscara de algún fruto seco. Se entiende por cenizas como el residuo inorgánico que queda tras eliminar totalmente los compuestos orgánicos existentes en la muestra, si bien hay que tener en cuenta que en él no se encuentran los mismos elementos que en la muestra intacta, ya que hay pérdidas por volatilización y por conversión e interacción entre los constituyentes químicos.

A pesar de estas limitaciones, el sistema es útil para concretar la calidad de algunos alimentos cuyo contenido en cenizas totales, o sus determinaciones derivadas, que son cenizas solubles en agua y cenizas insolubles en ácido, etc. La determinación consiste en incinerar la muestra en horno mufla, hasta ceniza blanca en una cápsula. Los resultados se suelen expresar porcentualmente tras aplicar la siguiente relación:

Determinación de pH

La acidez medida por el valor de pH, junto con la humedad son, probablemente, las determinaciones que se hacen con más frecuencia. El pH es un buen indicador del estado general del producto ya que tiene influencia en múltiples procesos de alteración y estabilidad de los alimentos, así como en la proliferación de microorganismos.

Se puede determinar colorimétricamente mediante los indicadores adecuados, pero, para su mayor exactitud, se ha de recurrir a métodos eléctricos mediante el uso de pH-metros.

Acidez Valorable Total

Además del grado de acidez expresado por el pH, el contenido total de ácido en un alimento informa sobre la formulación del producto. Se suele concretar valorando con hidróxido sódico y un indicador. Los resultados se dan en términos del ácido que predomina; por ejemplo, en la leche, como ácido láctico y en el vinagre, como acético.

Alcohol

Normalmente, el alcohol se determina destilando un volumen medido de muestra, diluyendo con agua este destilado hasta el mismo volumen inicial y deduciendo el contenido en alcohol a partir de la densidad del líquido mediante alcohómetro y posteriormente tablas alcoholimetrías. La cantidad de alcohol se expresa porcentualmente en volumen.

• Valoraciones químicas
• Técnicas instrumentales
• Otros métodos de interés.
• Métodos rápidos en análisis químicos

Métodos Químicos Clásicos

Volumetrías o Valoraciones Químicas

Las volumetrías consisten en medir el volumen de una disolución de concentración conocida necesario para reaccionar con la sustancia problema. A partir del volumen gastado de la sustancia valorante, se puede determinar la cantidad de la sustancia problema.

Cuando se termina la reacción se alcanza el punto de equivalencia. En ese momento ocurren diversos cambios físico – químicos que podemos percibir directamente o por el empleo de una sustancia indicadora. Cuando detectamos esos cambios, se alcanza el punto final. No siempre coincide el punto de equivalencia con el punto final, lo deseable es que coincidan. Aplicadas al análisis de los alimentos:

• Volumetría de neutralización: acidez de la leche, vinagre, zumo, vinos, etc.
• Volumetría de precipitación: cloruros de la leche, pescados, aguas.
• Volumetría de oxidorreducción: determinación de la materia orgánica en aguas o índice de yodo en aceites.
• Volumetría de formación de complejos: determinación del calcio en aguas envasadas.

Gravimetrías

Las gravimetrías son técnicas en la que la determinación final se basa en una pesada en una balanza analítica. La mayor precaución que hay que tener es que si lo que vamos a pesar ha sido previamente calentado, el enfriamiento se realice en ausencia de humedad, para ello se usan desecadores. Esto es importante, porque si no se pesa agua.

Extracción

Las extracciones pueden ser sólido – líquido y líquido – líquido.

En las extracciones sólido – líquido, está el extractor continuo más característico que es el Soxhlet. Con este mecanismo llega solvente continuamente y entra en contacto con el producto. El solvente junto con el componente que se quiere extraer, cae en una cubeta. En ella se evapora el disolvente, no el soluto. Son extracciones muy eficaces. Determinación de la grasa de un alimento.

Destilación

La destilación es la técnica de separar mediante calor los distintos componentes de la mezcla. El fundamento de la destilación consiste en calentar una muestra y que uno de los componentes destile, éste se enfría, condensa y se puede recoger. En la corriente de vapor de agua se arrastran también algunos componentes que luego se recogen por medio de vapor. Determinación del grado alcohólico del vino.

Métodos Instrumentales (Métodos Físicos)

Métodos Espectrométricos

La mayoría de estas técnicas se basan en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia. Cuanto menor es la longitud de onda de una radiación, mayor es la energía asociada. Dependiendo de la longitud de onda tenemos distintas radiaciones.

Básicamente, existen cuatro tipos de interacciones entre materia y radiación:

• Absorción de energía: Es en lo que se basa la técnica de colorimetría. En esta técnica se mide la concentración de una sustancia coloreada, basándonos en que ésta es proporcional a la intensidad de color en un intervalo determinado. El color observado puede ser propio de la sustancia (cualquier colorante) o bien, puede formarse tras la adición de algún reactivo.

-espectroscopía UV/ VIS, fotometría, espectroscopia IR, Absorción atómica.

• Emisión de energía posterior a una absorción: fotometría de llama.
• Refracción de la luz por la materia: Se mide por el índice de refracción. Cada sustancia tiene un índice de refracción específico y por tanto, la medida de éste índice nos sirve para caracterizar sustancias o bien, para saber la cantidad de algún componente determinado: Refractometría.
• Rotación de la luz polarizada: La técnica en la que se basa es la polarimetría. La luz polarizada es aquella que vibra en un solo plano. Hay sustancias que tienen la capacidad de desviar el plano de la luz polarizada, unas hacia la derecha (dextrógiras) y otras hacia la izquierda (levógiras). El ángulo de desviación está relacionado con la concentración de la sustancia. Midiendo esta desviación en las polarimetrías, podemos estimar la cantidad de analito existente, por ejemplo la glucosa es dextrógira y la fructosa es levógira: Polarimetría.

Las técnicas que se basan en estas propiedades pueden ser:

• Espectrometría de UV visible: se basa en que la absorción de luz por parte de la sustancia es directamente proporcional a la concentración de la misma. Esta técnica sirve para análisis cuantitativo fundamentalmente. Determinación de nitratos, nitritos, amonio
• Espectrofotometría de fluorescencia: se basa en que algunas sustancias vuelven a emitir en forma de luz una porción de la energía absorbida. Una parte de la luz absorbida produce luz fluorescente. En bajas concentraciones, la intensidad de la fluorescencia es proporcional a la concentración. Determinación de riboflavina, tiamina, clorofila, aditivos, residuos de materiales de alimentos
• Espectrofotometría infrarroja: se da un bombardeo en la zona del espectro característica. En general, da más información sobre el compuesto que en el visible.
• Espectrometría de absorción atómica: se hace una atomización en una cámara de grafito, de manera que se crea una niebla de la muestra. Hay un quemador con forma de ranura que da una llama con una determinada longitud de onda. los átomos se les hace llegar una radiación con una longitud de onda específica, de forma que los átomos absorben energía a esa longitud de onda. La cantidad de luz absorbida después de pasar a través de la llama determina la cantidad de analito en la muestra. Cuanta mayor cantidad de componente hay en la llama, mayor cantidad de energía se absorbe. Es una técnica muy sensible, se usa por ejemplo para detectar metales pesados.
• Fotometría de llama: se mide la intensidad de la radiación emitida por una sustancia que ha absorbido energía al quemarse una llama. Es muy sensible, se usa para metales.
• Espectrometría de masas: lo primero que hay que hacer en esta técnica es ionizar las sustancias y posteriormente romperlas en trozos. A continuación, se separan los distintos trozos en base a la relación masa / carga. En los espectros se puede visualizar la abundancia de las distintas relaciones masa / carga. Así, cada sustancia tendrá un espectro de masas característico. La espectrometría de masas sirve para análisis cualitativo básicamente.
• Resonancia magnética nuclear (RMN) y Resonancia de spin electrónico (RSN): En ambas se miden las propiedades magnéticas de los spines. Esta técnica permite obtener información sobre la composición de las sustancias y datos sobre las propiedades físicas.

Métodos Cromatográficos

La cromatografía es un método de separación con alta resolución. Es un método físico de separación, donde los componentes se distribuyen en dos fases: una fase estacionaria y una fase móvil, que se va moviendo y transporta a los componentes a distintas velocidades por el lecho estacionario. Los procesos de retención se deben a continuas adsorciones y desorciones de los componentes de la muestra a lo largo de la fase estacionaria.

Hay varios tipos de cromatografía. Los más importantes son:

• Cromatografía en columna: que puede ser líquida o de gases.
• Cromatografía líquida (HPLC): En la cromatografía líquida, los componentes a separar se añaden de forma soluble por la parte superior de la columna, quedando retenidos en la misma. Posteriormente, los componentes se desplazan arrastrados por una fase móvil líquida a través de la columna.
• Cromatografía de gases: se basa en la separación de los componentes de una muestra entre la fase móvil (gas portador) y la estacionaria (líquido no volátil adsorbido en un soporte). La separación se logra gracias a diferencias de solubilidad en la fase estacionaria y a diferencias de volatibilidad. La fase móvil es inerte, solo arrastra moléculas a través del sistema. La separación se debe solamente a las interacciones entre la muestra y la fase estacionaria.
• Cromatografía en papel: consiste en una tira de papel de filtro que actúa como soporte, en la cual se marca el lugar donde se añade la muestra dejando que el disolvente ascienda por capilaridad. Cada componente asciende hasta una altura. Cuando se termina, se marca la posición y se deja secar. Pueden aparecer manchas coloreadas según los distintos componentes o utilizar técnicas de revelado.
• Cromatografía en capa fina: es una técnica que se ideó para solventar las limitaciones de la cromatografía en papel. Es una técnica de separación e identificación de sustancias por medio de un disolvente que se mueve en una capa delgada de un adsorbente depositado sobre una placa de vidrio que actúa como soporte inerte.