M�todo a bajo costo para la cuantificaci�n del grado alcoh�lico
�en muestras de tequila blanco
Miriam Minerva Jim�nez Lara
Ra�l Alejandro Lim�n Hern�ndez
Nayelly Abigail Zu�iga Beristain
Judith Emily Hernandez Ortega
Marco Antonio Villa Ram�rez
Ver�nica L�pez Hern�ndez
Mar�a Elena Zenteno V�zquez
Universidad Tecnol�gica de Manzanillo
Manzanillo, Colima-M�xico
y
Universidad Tecnol�gica de Guti�rrez Zamora
Guti�rrez Zamora, Veracruz-M�xico
RESUMEN
La qu�mica verde abordada en el �rea de los an�lisis qu�micos consiste en el dise�o de t�cnicas cualitativas o cuantitativas que tengan una m�nima generaci�n de residuos y que permitan tener una validez en lo resultados comparable con m�todos tradicionales. En este sentido, la qu�mica a microescala ha tenido un papel relevante en a�os recientes para poder modificar e implementar nuevas metodolog�as para la cuantificaci�n de analitos qu�micos. En el presente proyecto se desarroll� una t�cnica de cuantificaci�n del grado alcoh�lico de muestras de tequila basada en los principios qu�micos de la oxidaci�n de alcoholes, la cual es una t�cnica colorim�trica que permite identificar la presencia de un alcohol. El objetivo del trabajo fue aprovechar el cambio de color de la oxidaci�n del etanol y cuantificar el contenido alcoh�lico con base en la intensidad del color azul generado en la oxidaci�n, mismo que se cuantific� con un fotocolor�metro a bajo costo y que mostr� resultados comparables con los obtenidos con un espectrofot�metro, adem�s que se realiz� una validaci�n estad�stica de los resultados para conocer la confiabilidad de los mismos y finalmente, se hizo una correlaci�n para que con la t�cnica propuesta se obtuvieran los mismos resultados que con el equipo comercial.
Palabras clave: etanol, tequila, cuantificaci�n, oxidaci�n, fotocolor�metro.
A low-cost method for the quantification of the alcoholic
content in white tequila samples
ABSTRACT
The green chemistry in the chemical analysis area consists of the design of qualitative or quantitative techniques that make a minimum generation of residues and have a validity in the results comparable to traditional methods. The microscale chemistry has had a relevant role in recent years in order to modify and implement new methodologies for the quantification of chemical analytes. In this project, a technique for quantifying the alcoholic content of tequila samples was developed based on the chemical principles of alcohol oxidation, which is a colorimetric technique that allows identifying the presence of an alcohol. The objective of the project was to apply the color change of the ethanol oxidation and to quantify it�s content based on the intensity of the blue color generated in the oxidation, using a low-cost photocolorimeter. The results were comparable with the obtained with a spectrophotometer, it was validated by a statistical method to know their reliability and finally, a correlation was made so that the same results were obtained with the proposed technique as with the commercial equipment.
Keywords: ethanol, tequila, quantification, oxidation, photocolorimeter.
Art�culo recibido:� 02 enero 2022
Aceptado para publicaci�n: 28 enero 2022
Correspondencia: [email protected]
Conflictos de Inter�s: Ninguna que declarar
1. INTRODUCCI�N
En la qu�mica verde, las t�cnicas de cuantificaci�n son relevantes ya que permiten dar alternativas de an�lisis utilizando bajos recursos y generando bajos residuos. En el caso de la aplicaci�n de la �ptica en los an�lisis qu�micos, se puede ver que existen metodolog�as cuantitativas utilizando equipos comerciales que tienen altos costos por lo que generar alternativas de an�lisis puede ser ben�ficos para instituciones educativas al permitir desarrollar pr�cticas econ�micas a sus estudiantes y a la industria ya que disminuye el volumen de muestras lo que repercute en un ahorro econ�mico.
En el espectro electromagn�tico, se encuentran ondas de luz, las cu�les pueden ser percibidas por el ojo humano, de forma visible e invisible, esta apreciaci�n del rayo, depende de la longitud de onda donde se produce. En la figura 1, se observa las diferentes longitudes de onda que del espectro electromagn�tico (Montalvo, 2010).
La mayor�a
de los rayos electromagn�tico son inapreciables para el ojo humano entre ellos
se encuentran los rayos Gamma, Rayos X, UV, Infrarrojo, Microondas, hasta las
ondas de radio, por lo que abarcan de forma considerable la mayor parte del
espectro;� sin embargo, la luz visible, se encuentra entre los 400 y 700nm
La espectroscopia, es un m�todo �ptico de an�lisis que utiliza el rango de radiaci�n ultravioleta (UV), Visible (VIS) o Infrarroja (IR), se basa en interactuar energ�a t�rmica o electromagn�tica para provocar activar �tomos y mol�culas, los cu�les son inducidos a un estado de excitaci�n, inestable y transitorio, por lo que tienden a estabilizarse, regresando a su estado original, la identificaci�n se realiza de manera cualitativa, porque cada �tomo utiliza una longitud de onda diferente. Al mismo tiempo se emplea est� an�lisis como cuantitativo, observando la cantidad de energ�a que se absorbe por la muestra que se presenta.
Un fotocolor�metro es un dispositivo que permite determinar la concentraci�n qu�mica de un compuesto en una soluci�n (Baeza, 2012), tomando en cuenta la absorci�n de una parte de la radiaci�n electromagn�tica en una muestra, al pasar un haz de luz con una longitud de onda (λ) determinada (Hern�ndez, 2002).
Los componentes principales de los fotocolor�metros que se utilizan en an�lisis qu�micos se pueden observar en la figura 2, entre los cu�les se encuentran la fuente emisora de luz, que va a incidir en la muestra; el selector de longitud de onda,� que determina la regi�n del espectro con el que se trabaja (UV, VIS, IR); la celda, es el recipiente contenedor de la muestra, el cu�l debe de ser transparente, para permitir el flujo de luz; el detector de radiaci�n, como su nombre lo dice manifiesta la presencia la energ�a radiante, convirti�ndola en una se�al; por �ltimo la lectura se transmite a un procesador, el cual muestra la lectura en equipo electr�nico (Garc�a, 2018). Cabe mencionar que las muestras que se procesan para cuantificar el analito, deben tener un color que permita distinguir la longitud de onda a utilizar y poder realizar los an�lisis correspondientes. Por lo tal si la muestra que deseamos determinar no posee color por s� misma, debemos llevar a cabo un desarrollo de color empleado reactivos que den lugar a sustancias coloreadas con la muestra que interesa estudiar�(Aparicio, 2017).
El etanol es un l�quido incoloro, vol�til, conocido como alcohol et�lico. En alimentos se obtiene por medio de fermentaciones de sac�ridos por medio de levaduras anaerobias lo que genera variadas bebidas alcoh�licas que existen en el mundo. Despu�s de la fermentaci�n puede llevarse a cabo una destilaci�n para obtener un producto con una mayor cantidad de alcohol (Su�rez, 2016). Cuando el alcohol se difunde sobre una mezcla oxidante de dicromato de potasio en �cido sulf�rico, el ion cr�mico de color amarillo-naranja se reduce a ion cromoso de color verde-azul y el etanol es oxidado cuantitativamente a acetaldeh�do, �cido ac�tico y agua.
En esta reacci�n, siendo el dicromato de potasio un oxidante fuerte, es muy probable que en el medio �cido proporcionado por el �cido sulf�rico (Villalobos, 2019) se d� la oxidaci�n de este alcohol hasta llegar a ser un �cido carbox�lico, �cido butanoico en este caso la reacci�n es:
�
Con la reacci�n anterior, el alcohol inicial transparente pasa a formar un complejo azul, la tonalidad del complejo ser� m�s fuerte entre mayor sea el contenido alcoh�lico de la muestra a analizar, por lo que estos principios qu�micos en conjunto con las t�cnicas de espectroscopia brindan las bases para poder proponer una t�cnica de an�lisis.
2. MATERIALES Y M�TODOS
2.1. Preparaci�n de las soluciones qu�micas
Para la experimentaci�n se sigui� la metodolog�a desarrollada por Lim�n et al., (2021) para lo cual se utiliz� una muestra de 250 ml de tequila blanco comercial y se prepararon las diluciones con agua destilada al 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 y 35% con la finalidad de obtener las diluciones de concentraci�n conocida. Posteriormente, se prepar� la soluci�n oxidante por lo que se disolvi� 1 g de dicromato de potasio en 20 ml de agua destilada en una parrilla de calentamiento con agitaci�n mec�nica, una vez disuelta la soluci�n se le agregaron 2 ml de �cido sulf�rico concentrado, se continu� con la agitaci�n, se trasvas� a un recipiente �mbar para evitar que degrade con la luz y se dej� enfriar. Para la reacci�n de oxidaci�n de alcoholes, se tomaron 5 ml de cada muestra diluida de alcohol y por separado se le agregaron 2 ml de la soluci�n oxidante, se homogeneiz� y posteriormente se ley� el voltaje en el prototipo de fotocolor�metro. El proceso de oxidaci�n de muestras de alcohol y su an�lisis en el fotocolor�metro se realiz� 10 veces.
2.2. Obtenci�n de curvas de calibraci�n�
Se utiliz� un prototipo de fotocolor�metro con las dimensiones reportadas por Lim�n et al., (2021)� y en las especificaciones se utiliz� un LED de color rojo y como blanco se utiliz� agua destilada, ideal para pruebas anal�ticas�(Valdivia, 2010). El blanco se coloc� en la celda para espectrofot�metro de pl�stico y se introdujo al prototipo y se registr� el voltaje del blanco (Vo), despu�s las muestras reaccionadas se colocaron por separado en una celda de pl�stico y se introdujo en el prototipo, se midi� el voltaje y posteriormente se calcul� la absorbancia por medio de la siguiente ecuaci�n (Vidal, 2014):
Donde:
Vi: voltaje obtenido con la muestra oxidada
Vo: voltaje obtenido del blanco
Lo que proporciono cantidades conocidas para la obtenci�n de la curva de calibraci�n (Coto, 2020). Cada experimentaci�n se repiti� 10 veces con la finalidad de analizar estad�sticamente la validaci�n del m�todo de an�lisis fotocolorim�trico.
2.3 Validaci�n estad�stica del m�todo de cuantificaci�n de alcohol
Con los resultados experimentales de absorbancias y concentraciones de las muestras se elabor� un an�lisis estad�stico para validaci�n del m�todo propuesto en el software Microsoft Excel versi�n 2019 y se sigui� la metodolog�a marcada por Miller y Miller (2002). Se tomaron los datos y se grafic� el promedio de las diez absorbancias en el eje de las ordenadas y la concentraci�n del analito en el eje de las abscisas, esto permite que una vez graficado, pueda obtenerse la concentraci�n del analito por interpolaci�n.�
b = 
Posteriormente se desarroll� la recta de regresi�n por m�nimos cuadrados, la cual permite mediante una funci�n, el ajuste de los par�metros, estimando sus valores (Lemagne & Calzadilla, 2012) y se calcul� el coeficiente de correlaci�n momento-producto, es utilizado para determinar los comportamientos presentes entre las dos variables (x,y). Hern�ndez, (2018) menciona que los valores de la correlaci�n var�an en positivos, negativos, dependiendo de su relaci�n con la media y la distribuci�n de los cuadrantes. El coeficiente de correlaci�n momento-producto debe ser al menos 90% para la validaci�n del m�todo.
r = 
Derivado de que se realizaron diferentes repeticiones, en las mediciones de los an�lisis, Eslava & Escobar (2012) mencionan que estos pueden propiciar Errores de forma aleatoria, por lo que se continu� con el c�lculo de errores aleatorios, en la pendiente y ordenada al origen de la recta de calibraci�n. �por lo que se calcularon los errores estad�sticos Sy/x que estima los errores aleatorios en la direcci�n y.
La Varianza, se utiliza para representar la dispersi�n de los datos, con respecto a la media (Salazar & Del Castillo, 2018). Por lo que es importante obtener las desviaciones est�ndar de la pendiente y ordenada al origen mediante las siguientes ecuaciones:
Desviaci�n est�ndar de la pendiente:
Desviaci�n est�ndar de la ordenada en el origen
Se prosigui� con el c�lculo del error aleatorio de la concentraci�n mediante la determinaci�n de un error global Sx0
�
Finalmente, se desarroll� el c�lculo de los l�mites de confianza los cuales son las l�neas punteadas en la misma direcci�n que la regresi�n obtenida, una l�nea se localiza sobre la l�nea de regresi�n y la otra por debajo. Estas l�neas entre m�s estrechas sean, los l�mites de confianza son bastante peque�os y el m�todo anal�tico ser� mejor. Los l�mites de confianza se calculan utilizando la media ponderada (m) y la desviaci�n est�ndar (Sxow) de la forma:
LC=m � Sx0w
Por lo anterior se calcul� la desviaci�n est�ndar de los datos por medio de la ecuaci�n:
= 
�
Donde en la ecuaci�n anterior, el t�rmino S(y/x)w viene dado por:
Al haberse calculado todos los puntos anteriormente descrito, se graficaron los estad�sticos con respecto a la concentraci�n y se analiz� la viabilidad del m�todo anal�tico.
2.4 Comparaci�n de los resultados del prototipo con un espectrofot�metro UV vis
Posterior a la validaci�n estad�stica de los resultados del prototipo, se desarroll� la misma metodolog�a de oxidaci�n de alcoholes y en esta ocasi�n las muestras oxidadas se midieron en un espectrofot�metro UV-VIS a 750 nm, correspondiente a una luz roja (Gonz�les & Urz�a, 2012). Se elabor� una curva de calibraci�n de absorbancia vs concentraci�n para conocer la linealidad del m�todo y finalmente se elabor� una gr�fica de absorbancia obtenida con el espectrofot�metro versus la absorbancia obtenida con el fotocolor�metro para conocer si se podr�a establecer una linealidad entre ambos m�todos ya que, de haberla, se podr�a comprobar que los resultados del prototipo son v�lidos qu�micamente.
3. RESULTADOS Y DISCUSI�N
La oxidaci�n de las muestras de tequila se aprecia en la Figura 3 donde se visualiza una muestra de soluci�n oxidante (izquierda) y algunas de las muestras de tequila despu�s de la reacci�n de acuerdo a diferentes concentraciones (derecha). En el caso de las muestras oxidadas se puede distinguir que la coloraci�n azul es m�s homog�nea en la muestra del 35% debido a que presenta mayor cantidad de etanol, mientras que por el contrario en la muestra del 10% se nota a�n una coloraci�n amarilla en el fondo del recipiente debido a que presenta menor concentraci�n de etanol y por ende la soluci�n oxidante no reaccion� por completo, quedando una parte de dicromato remanente. Por la coloraci�n del producto de la oxidaci�n es por lo que se utiliz� en el fotocolor�metro un LED de color rojo debido a presenta mayor absorbancia en esta longitud de onda.
En el caso del an�lisis matem�tico, los promedios estad�sticos de las diez experimentaciones se graficaron en la Figura 4. Se puede observar que la tendencia de las absorbancias obtenidas por el prototipo (tri�ngulos rojos) presentan una tendencia lineal lo que a primera vista puede considerar al m�todo propuesto con buena confiabilidad.� En el caso de la regresi�n por m�nimos cuadrados (absorbancia calculada) se tiene un coeficiente de correlaci�n momento-producto del 98.89%, este valor es cercano al 100% que indicar�a que todos los puntos se encuentran sin desviaci�n est�ndar, sin embargo, es un buen resultado ya que considera las variaciones de la linealidad por los errores aleatorios. El coeficiente de correlaci�n al ser mayor de 90% ya indica una validaci�n del m�todo por lo que estad�sticamente la oxidaci�n de alcoholes a escala y su cuantificaci�n por fotocolorimetr�a es viable.
En el caso de los l�mites de confianza se puede observar que se encuentran muy cercanos a la regresi�n lineal entre los valores de concentraci�n de entre 5 y 20% de concentraci�n de alcohol en las muestras analizadas, y que entre el 20 y 35% de concentraci�n se visualiza una apertura y separaci�n de las l�neas. Esto indica que para una mayor precisi�n en el m�todo de an�lisis se debe considera un l�mite de detecci�n �ptimo que se muestra cuando los l�mites de confianza est�n m�s cercanos a la regresi�n (Abdullah, 2017) por lo que aunque el m�todo tiene una aceptaci�n estad�stica, se recomienda que las muestras a analizar tengan una concentraci�n de etanol m�xima del 20%, por lo que desde el punto de vista qu�mico, para una mayor confiabilidad se podr�a trabajar con diluciones de las muestras para realizar el an�lisis.
Figura 4. Gr�fica de resultados finales de los an�lisis estad�sticos del m�todo propuesto para cuantificaci�n de contenido de alcohol en muestras de tequila
En el caso de los resultados de la experimentaci�n utilizando el espectrofot�metro se muestran en la Figura 5. Se observa una tendencia lineal, sin embargo algo a resaltar es que los espectrofot�metros se utilizan para cuantificar los analitos de preferencia diluidos para cumplir la linealidad marcada por la ley de Lambert-Beer y que en el presente proyecto se utilizaron soluciones concentradas de la soluci�n oxidante, esto puede ser una raz�n por la cual el coeficiente de correlaci�n es menor incluso que en el caso de los resultados del m�todo propuesto por fotocolorimetr�a, sin embargo, con el 97.8% el resultado tambi�n es v�lido para an�lisis qu�micos (Oskolok, 2018).
En la misma figura, se pueden notar dos zonas en la misma recta, de 5-20% y de 25-35% ya que pareciera que se cuenta con dos rectas con una pendiente cada una. Este fen�meno da sustento a los resultados del m�todo fotocolorim�trico propuesto debido a que se podr�a argumentar que una causa de la variabilidad de los resultados en el espectrofot�metro est� en relaci�n a los l�mites de detecci�n del m�todo y que de igual forma se recomienda trabajar con concentraciones m�ximas de 20% de etanol.
Figura 5. Curva de calibraci�n de absorbancia vs concentraci�n obtenidas con el espectrofot�metro comercial
En la comparaci�n de los resultados de absorbancias obtenidas, en la Figura 6 se aprecia la correlaci�n que presentan los resultados del fotocolor�metro y espectrofot�metro. Se cuenta con un coeficiente de correlaci�n del 97.07% el cual es aceptable y cuyo valor puede estar influenciado por los valores altos en la concentraci�n de la soluci�n oxidante.
En este caso se puede concluir que el m�todo puede ser aceptado qu�micamente ya que los resultados utilizando el prototipo y el equipo comercial muestran una tendencia similar y coeficiente de correlaci�n mayor al 90% se�alado por Miller y Miller (2002) por lo que se valida el m�todo propuesto estad�sticamente y con los resultados comparativos se valida qu�micamente tal y como reporta Nabor et al., (2016).
Finalmente, con la regresi�n obtenida se muestra una ecuaci�n que se podr�a utilizar para que los resultados obtenidos por el fotocolor�metro pudiesen ser similares a los obtenidos por el espectrofot�metro lo que da pie a futuras aplicaciones y desarrollo del prototipo.
Figura 6. Gr�fica de correlaci�n de absorbancias de espectrofot�metro y prototipo
4. CONCLUSI�N O CONSIDERACIONES FINALES
A manera de comentarios finales se pudo desarrollar una t�cnica anal�tica a bajo costo con resultado viables y validados estad�sticamente. Esta t�cnica ofrece la posibilidad de que pueda ser empleada en laboratorios de ense�anza aplicando conceptos de qu�mica verde ya que los residuos generados son m�nimos debido a la versatilidad de utilizar muestras con vol�menes peque�os. De igual forma se podr�a emplear para cuantificar muestras a nivel industrial ya que los resultados obtenidos sugieren que la t�cnica es estad�sticamente similar a los resultados mostrados por el equipo comercial.
5.� LISTA DE REFERENCIAS
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