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Indice de contenidos PRÓLOGO /1 PROGRAMA DE LA ASIGNATURA /3 Objetivos generales de la asignatura /3 Contenidos por temas /4 Sistema de evaluación /5 Bibliografía de consulta /6 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS QUÍMICO DE LOS ALIMENTOS /8 1.1. El análisis de los alimentos /8 1.1.1. Principales campos de aplicación de la química analítica en el área de los alimentos. /9 1.2. Química analítica. Definición y clasificación de los métodos de análisis /12 1.3. Reactivos y equipamiento en un laboratorio de análisis químico /13 1.3.1. Reactivos /13 1.3.2. Equipamiento /14 1.4. Observaciones generales sobre el trabajo en un laboratorio de química analítica /25 1.4.1. Limpieza y rotulación del material de laboratorio /26 1.4.2. Seguridad en el laboratorio /27 1.4.3. Libreta de laboratorio /28 1.5. Errores en el análisis cuantitativo /29 1.6. Esquema de un análisis completo /30 1.6.1. Definición de los objetivos /32 1.6.2. Selección del método analítico /32 1.6.2.1. Exactitud /34 (Precisión /34 y Veracidad o Justeza /36) 1.6.2.2. Selectividad /39 1.6.2.3. Linealidad /40 1.6.2.4. Sensibilidad de calibrado /41 1.6.2.5. Límite de detección y límite de cuantificación /41 1.6.2.6. Tolerancia o fortaleza /42 1.6.2.7. Robustez /42 1.6.3. Muestreo y toma de muestra /43 1.6.4. Preparación de la muestra /44 1.6.5. Procedimiento de determinación /51 1.6.6. Cálculos, reporte e interpretación de los resultados /51 1.7. Formas de expresar la concentración en química analítica cuantitativa /52 CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS VOLUMÉTRICO /61 2.1. Fundamentos generales del análisis volumétrico /61 2.2. Claificación de los métodos volumétricos de análisis /61 2.3. Preparación de soluciones /63 2.3.1. Preparación de soluciones de concentración exactamente conocida /64 2.3.2. Preparación de soluciones de concentración aproximada /65 2.3.3. Cálculos necesarios para preparar una solución, en función de las características del reactivo de partida /65 2.4. Métodos de estandarización de soluciones /71 2.5. Métodos de valoración /72 2.5.1. Métodos de valoración directos /72 Indice de contenidos 2.5.2. Métodos de valoración indirectos /74 2.5.2.1. Métodos de valoración por retroceso /74 2.5.2.2. Métodos de valoración por sustitución /75 2.6. El titre /76 2.7. El ensayo en blanco /80 CAPÍTULO 3. VOLUMETRÍA DE NEUTRALIZACIÓN /86 3.1. Fundamentos generales de la volumetría de neutralización /86 3.1.1. pH y punto de equivalencia /87 3.2. Indicadores ácido base /89 3.2.1. Teoría de los indicadores /90 3.2.2. Intervalo de viraje de los indicadores ácido base /93 3.2.3. Indicadores mezclas /96 3.3. Curvas de valoración ácido base /97 3.3.1. Curvas de valoración entre un ácido fuerte y una base fuerte /98 3.3.2. Curvas de valoración entre un ácido débil y una base fuerte /101 3.3.3. Curvas de valoración entre un ácido fuerte y una base débil /108 3.3.4. Curvas de valoración entre un ácido débil y una base débil /110 3.3.5. Factores que afectan el salto de pH de la curva de valoración /111 3.4. Valoración de soluciones de sales /112 3.5. Soluciones reguladoras /114 3.6. Algunas aplicaciones en el análisis de los alimentos /116 CAPÍTULO 4. VOLUMETRÍA DE PRECIPITACIÓN /117 4.1. Fundamentos generales de la volumetría de precipitación /117 4.2. Constante del producto de solubilidad /117 4.3. Curvas de valoración por precipitación /119 4.3.1. Factores que influyen sobre la forma de la curva de valoración /123 4.4. Métodos de detección del punto final de valoración /124 4.4.1. Método de Mohr /124 4.4.2. Método de Volhard /126 4.4.3. Método de Fajans /127 CAPÍTULO 5. VOLUMETRÍA DE OXIDACIÓN REDUCCIÓN /129 5.1. Fundamentos generales de la volumetría de oxidación reducción /129 5.1.1. Semirreacciones de oxidación reducción /129 5.1.2. Reacciones de oxidación reducción en celdas electroquímicas /130 5.2. Potencial de electrodo /131 5.2.1. Influencia de las concentraciones sobre el potencial de electrodo /134 5.3. Constantes de equilibrio de las recciones de oxidación reducción /135 5.4. Curvas de valoración de oxidación reducción /137 5.4.1. Factores que afectan la forma de la curva /147 5.5. Indicadores empleados en la volumetría de oxidación reducción /150 5.5.1. Autoindicadores /150 5.5.2. Indicadores específicos /151 5.5.3. Indicadores de oxidación reducción verdaderos /151 5.6. Agentes oxidantes y reductores más empleados en el análisis de los alimentos /153 5.6.1. Permanganometría /153 5.6.2. Dicromatometría /155 5.6.3. Yodometría /155 CAPÍTULO 6. VOLUMETRÍA DE FORMACIÓN DE COMPLEJOS /159 6.1. Fundamentos generales de la complejometría /159 6.2. Complexona fundamental. EDTA /161 Indice de contenidos 6.3. Factores que afectan la estabilidad de los complejos Metal-EDTA /162 6.3.1. Concentración hidrogeniónica o pH del medio /162 6.3.2. Carga del catión /162 6.4. Constante de estabilidad condicional de los complejos Metal-EDTA /163 6.5. Curvas de valoración complejométricas con EDTA /165 6.5.1. Factores que influyen en la forma de la curva de valoración complejométrica con EDTA /169 6.6. Indicadores complejométricos /169 6.7. Métodos de valoración con EDTA /172 CAPÍTULO 7. ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO /174 7.1. Fundamentos generales del análisis gravimétrico /174 7.2. Método gravimétrico por volatilización o destilación /174 7.2.1. Determinación de humedad /175 7.2.1.2. Determinación de humedad por métodos indirectos /176 7.2.1.3. Determinación de humedad por destilación directa /176 7.2.1.4. Determinación de humedad por métodos instrumentales /177 7.2.2. Determinación de cenizas /177 7.3. Método gravimétrico por extracción /179 7.3.1. Métodos de determinación de grasas /179 7.3.1.1. Métodos de extracción con solventes orgánicos /180 7.3.1.2. Métodos butirométricos /184 7.3.2. Determinación de fibra dietética /184 7.3.2.1. Métodos de determinación de fibra dietética /190 7.3.2.1.1. Método de determinación de fibra cruda /191 7.3.2.1.2. Métodos detergentes /192 7.3.2.1.3. Métodos enzimáticos /194 7.4. Método gravimétrico por precipitación /198 7.4.1. Medida de la muestra /199 7.4.2. Preparación de la muestra /199 7.4.3. Precipitación /199 7.4.4. Filtración y lavado /201 7.4.5. Secado y/o incineración /202 7.4.6. Pesada /203 7.4.7. Cálculos y expresión de los resultados /203 7.5. Algunos cálculos generales de interés /206 CAPÍTULO 8. APLICACIONES EXPERIMENTALES DE LOS MÉTODOS CLÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LOS ALIMENTOS /210 8.1. PRÁCTICAS DE LABORATORIO /210 8.1.1. Práctica de laboratorio Nº 1. Reactivos, equipamiento y pesada en balanza analítica /210 8.1.2. Práctica de laboratorio Nº 2. Determinación de la concentración de una solución de ácido clorhídrico /210 8.1.3. Práctica de laboratorio Nº 3. Preparación y estandarización de una solución de hidróxido de sodio /211 8.1.4. Práctica de laboratorio Nº 4. Determinación de acidez total valorable en alimentos /213 8.1.4.1. Determinación de acidez total valorable en productos cárnicos /218 Indice de contenidos 8.1.5. Práctica de laboratorio Nº 5. Preparación y estandarización de una solución de ácido clorhídrico /220 8.1.6. Práctica de laboratorio Nº 6. Determinación de proteínas totales por el método Micro Kjeldahl /222 8.1.7. Práctica de laboratorio Nº 7. Determinación de cloruro de sodio en alimentos por el método de Mohr /226 8.1.8. Práctica de laboratorio Nº 8. Preparación y estandarización de una solución de tiosulfato de sodio /228 8.1.9. Práctica de laboratorio Nº 9. Determinación del contenido de etanol en conservas de frutas /231 8.1.10. Práctica de laboratorio Nº 10. Determinación de la dureza total en aguas de proceso /234 8.1.10.1. Preparación y estandarización de una solución de ácido etilen diamino tetracético /235 8.1.10.2. Determinación de la dureza total en aguas de proceso /236 8.1.11. Práctica de laboratorio Nº 11. Determinación de humedad y cenizas /237 8.1.12. Práctica de laboratorio Nº 12. Determinación de grasas y fibra dietética /237 8.2. OTRAS TÉCNICAS DE ANÁLISIS EN ALIMENTOS /238 8.2.1. MÉTODOS VOLUMÉTRICOS DE NEUTRALIZACIÓN /238 8.2.1.1. Determinación de caseína en leche /238 8.2.1.2. Determinación de proteínas totales por el método Kjeldahl (método indirecto) /243 8.2.1.3. Determinación del índice de acidez en aceites y grasas comestibles /244 8.2.1.4. Determinación del índice de saponificación en aceites y grasas comestibles /246 8.2.1.5. Determinación de la alcalinidad de las cenizas en vinos /247 8.2.1.6. Determinación de ésteres totales en rones y aguardientes /249 8.2.1.7. Determinación de la alcalinidad total en aguas de proceso /250 8.2.1.8. Determinación de amonio en aguas /252 8.2.2. MÉTODOS VOLUMÉTRICOS DE PRECIPITACIÓN /253 8.2.2.1. Determinación de cloruro de sodio en productos cárnicos por el método de Volhard /253 8.2.3. MÉTODOS VOLUMÉTRICOS DE OXIDACIÓN REDUCCIÓN /255 8..2.3.1. Determinación del índice de yodo en aceites y grasas comestibles /255 8..2.3.2. Determinación del índice de peróxidos en aceites y grasas comestibles /256 8..2.3.3. Preparación y estandarización de una solución de permanganato de potasio /259 8..2.3.4. Determinación de calcio en leche /261 8..2.3.5. Determinación de dicromato de potasio en leche /263 8..2.3.6. Determinación de nitrógeno total en vinos (método Kjeldahl) /264 8..2.3.7. Determinación del índice de permanganato en vinos /267 Indice de contenidos 8..2.3.8. Determinación de azúcares reductores en rones /268 8..2.3.9. Determinación del índice de oxidación en vinagres /271 8.2.4. MÉTODOS VOLUMÉTRICOS DE FORMACIÓN DE COMPLEJOS /273 8.2.4.1. Determinación de calcio en vinos /273 8.2.5. MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS /274 8.2.5.1. Determinación de humedad y materias volátiles en aceites y grasas comestibles /274 8.2.5.2. Determinación de humedad en aceites y grasas comestibles (métodp del xileno) /275 8.2.5.3. Determinación de humedad en productos cárnicos /276 8.2.5.4. Determinación de humedad en leche en polvo /279 8.2.5.5. Determinación de humedad en leches evaporada, condensada y concentrada /280 8.2.5.6. Determinación de materia seca en yogur /281 8.2.5.7. Determinación de humedad en cereales /283 8.2.5.8. Determinación de cenizas en aceites y grasas comestibles /285 8.2.5.9. Determinación de cenizas en productos cárnicos /285 8.2.5.10. Determinación de cenizas en leche /287 8.2.5.11. Determinación de cenizas en cereales /288 8.2.5.12. Determinación de cenizas en vinos /290 8.2.5.13. Determinación de cenizas en cerveza /290 8.2.5.14. Determinación del contenido de grasa total en productos cárnicos (método de Soxhlet) /291 8.2.5.15. Determinación de grasa total en productos cárnicos (método butirométrico) /294 8.2.5.16. Determinación de grasa libre en productos cárnicos /294 8.2.5.17. Determinación de grasa en leche (método Gerber) /295 8.2.5.18. Determinación de grasa en leche natural, certificada, higienizada y pateurizada (método de Rose Gottlieb) /296 8.2.5.19. Determinación de grasa en cereales /300 8.2.5.20. Determinación de fibra en conservas de frutas y vegetales /301 8.2.5.21. Determinación de fibra dietética insoluble en cereales /303 8.2.5.22. Determinación de fibra dietética insoluble, soluble y total en alimentos /306 8.2.5.23. Determinación de sulfatos en vinagre /310 CAPÍTULO 9. EJERCICIOS Y PROBLEMAS /311 9.1. Ejercicios /311 9.2. Problemas integradores /326 9.3. Algunas respuestas /342 9.3.1. Respuestas a los ejercicios /342 9.3.2. Respuestas a los problemas integradores /343 CAPÍTULO 10. APLICACIONES DE LOS MÉTODOS QUÍMICOS DE ANÁLISIS DE LOS ALIMENTOS EN LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA /345 10.1. Introducción /345 10.2. Determinación de polisacáridos totales en gel líquido de Aloe Vera L, para su empleo como materia prima en formulaciones de suplementos dietéticos /346 E. A. Rodríguez, J. E. Rodríguez, Z. Pardo y V. Pavón Centro de Investigaciones y Desarrollo de Medicamentos (CIDEM). Ministerio de Salud Pública. Cuba. Fuente: Revista Alimentaria No 313. Junio 2000. Madrid. España. Indice de contenidos 10.3. Antinutrientes y sustancias tóxicas en leguminosas para consumo humano /349 T. Bilbao y L. Ledesma Instituto de Farmacia y Alimentos. Universidad de La Habana. Cuba Fuente: Revista Alimentaria No 313. Junio 2000. Madrid. España. 10.4. Estudio comparativo sobre la utilización digestiva de diferentes productos ricos en fibra /352 L. Pérez-Olleros, B. Ruiz-Roso y A. Requejo Departamento de nutrición. Facultad de Farmacia. Universidad Complutense de Madrid. España. Fuente: Revista Alimentaria No 309. Enero-Febrero 2000. Madrid. España. 10.5. Empleo de la nacroalga Ulva sp del litoral cubano en la elaboración de pan /358 R. Gregorio, L. Ledesma, L. M. Martínez y S. Vega Instituto de Farmacia y Alimentos. Universidad de La Habana. Cuba. Fuente: Revista Alimentaria No 304. Julio-Agosto 1999. Madrid. España. 10.6. Elaboración de un producto horneado con altos niveles de incorporación de salvado de arroz precocido /362 H. Zumbado, L. Ledesma, S. Fuertes y J. Ventura Instituto de Farmacia y Alimentos. Universidad de La Habana. Cuba. Fuente: Revista Alimentaria No 280. Marzo 1997. Madrid. España. 10.7. Desinfestación del frijol de soja por irradiación /367 M. Alvarez, E. Prieto, J. Mesa, R. Fraga y V. Fung. Instituto de Farmacia y Alimentos. Universidad de La Habana. Cuba. Fuente: Revista Alimentaria No 276. Octubre 1996. Madrid. España. 10.8. El Queso de Cameros. Recuperación y caracterización de un producto riojano tradicional /370 C. Olarte, S. Sanz, P. Torres, Y. Barcina y C. Lomas. Universidad de La Rioja. España. Fuente: Revista Alimentaria No 263. Junio 1995. Madrid. España. 10.9. Leche fluida y yogur natural enriquecidos con hierro /376 L. Batilde, S. Banguela, Ma. J. De Ortega, R. Torricella y J. Camejo. Instituto de Investigaciones para la Industria Alimentaria (IIIA). Cuba. Fuente: Revista Alimentaria No 260. Marzo 1995. Madrid. España. ANEXOS Anexo. 1. Algunas opiniones de estudiantes de la especialidad de Ciencias Alimentarias sobre la asignatura Análisis Químico de los Alimentos /383 Anexo. 2. Ejemplo de informe de resultados de una determinación analítica /393 Anexo. 3. Masas molares de los elementos de la tabla periódica /397 Anexo. 4. Constantes de disociación para algunos ácidos /400 Anexo. 5. Constantes de disociación para algunas bases /403 Anexo. 6. Constantes del producto de solubilidad /404 Indice de contenidos Anexo. 7. Potenciales estándar de electrodo /406 Anexo. 8. Indicadores de oxidación reducción /409 Anexo. 9. Indicadores complejométricos /410 Anexo. 10. Algunos reactivos químicos y sus fórmulas más usuales de comercialización /411 Anexo. 11. Logaritmos /412 Anexo. 12. Tabla de composición de alimentos /413 BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA /424 Prólogo El presente libro surge como una necesidad imperiosa de la asignatura Análisis Químico de los Alimentos I, con vistas a mejorar la calidad del aprendizaje de los estudiantes de la especialidad de Ciencia Alimentarias. Si bien, a nuestro juicio, el diseño metodológico de esta asignatura resulta altamente favorecedor para el desarrollo de la motivación de los estudiantes hacia la especialidad y durante muchos años nuestros educandos han reconocido la importancia de los contenidos que en ella se imparten, caracterizándolos como una herramienta esencial para su futuro desenvolvimiento profesional, no es menos cierto que el “talón de aquiles” de esta materia ha sido la bibliografía. Los textos básicos que tradicionalmente han utilizado nuestros estudiantes, si bien han tenido un adecuado nivel científico técnico, han carecido de un enfoque analítico dirigido al campo de los alimentos, lo cual ha conspirado contra el necesario estudio independiente que garantice una adecuada profundización de los contenidos en una enseñanza de nivel superior. Por otra parte el manual prácticas de laboratorio resultaba ya insuficiente dado el lógico desarrollo que ha experimentado la asignatura y no se contaba tampoco con una guía de ejercicios y problemas, que de tanta utilidad resulta para la imprescindible ejercitación. Cuando nos decidimos a elaborar este material, estuvimos conscientes del reto que suponía escribir un libro de texto que, acorde con el programa de la asignatura Análisis Químico de los Alimentos I y en sintonía con nuestra concepción de la enseñanza, concentrara de forma coherente los aspectos teóricos y prácticos de la química analítica cuantitativa con un enfoque centrado en el análisis de los alimentos con vistas a contribuir, no solo al desarrollo del estudio independiente, sino también al incremento en la calidad del aprendizaje de los estudiantes y al desarrollo de sus motivos hacia el estudio de la asignatura y de la profesión. De cualquier modo, aceptamos estos riesgos y aquí se presenta el resultado. El texto está estructurado en 10 capítulos. En los 7 primeros se integran los elementos teóricos generales del análisis químico cuantitativo con un enfoque centrado en el análisis de los alimentos, desglosados como sigue: Capítulo 1. Introducción al análisis químico de los alimentos, Capítulo 2. Introducción al análisis volumétrico, Capítulo 3. Volumetría de neutralización, Capítulo 4. Volumetría de precipitación, Capítulo 5. Volumetría de oxidación reducción, Capítulo 6. Volumetría de formación de complejos y Capítulo 7. Análisis gravimétrico. Al finalizar cada uno de estos 7 capítulos, e incluso al final de algunos epígrafes dentro de un mismo capítulo, se orienta un trabajo independiente consistente por lo general en la resolución de determinados ejercicios y problemas incluidos en el Capítulo 9. También pueden encontrarse orientaciones para resolver tareas docentes relacionadas con el estudio y análisis de algunas técnicas experimentales que aparecen en el Capítulo 8. En este sentido, insistimos en la importancia de realizar el trabajo independiente, justo en el momento en que se orienta, pues es precisamente inmediatamente después de estudiar un contenido que se está en mejores condiciones para ejercitar los conceptos estudiados. En el Capítulo 8 (Aplicaciones experimentales de los métodos clásicos de análisis) se relacionan 51 técnicas de análisis químico cuantitativo en matrices alimentarias indicando en la mayoría de los casos la importancia de la determinación en función de un conjunto de elementos nutricionales, toxicológicos y tecnológicos del analito y la matriz analizada, aspecto novedoso y no tratado en la literatura tradicional de química analítica. El Capítulo 9 (Ejercicios y problemas) incluye 31 ejercicios y 19 problemas integradores extraídos de exámenes o elaborados especialmente para este texto con vistas a facilitar la necesaria ejercitación que requiere una asignatura de este tipo. Se incluye además un trabajo extraclase de alta complejidad al que hemos denominado La SuperTarea. 1 Prólogo / 2 Finalmente se presenta el Capítulo 10 (Aplicaciones de los métodos clásicos de análisis en la investigación científica) en el cual aparecen de forma íntegra 8 artículos científicos publicados en revistas internacionales de los años 1996-2000, donde se evidencia la aplicación concreta de los elementos teóricos y prácticos impartidos en la asignatura, en la resolución de problemáticas actuales en el campo de los alimentos y donde se pone de manifiesto el carácter multidisciplinario de la ciencia, puesto que se integran elementos de diferentes asignaturas y disciplinas que ya ha recibido, está recibiendo o recibirá un estudiante de la especialidad de Ciencias Alimentarias (Análisis Químico, Química de los Alimentos, Estadística, Evaluación Sensorial, Nutrición, etc) Se incluyen también 12 anexos con información útil para un profesional del campo del Análisis de los Alimentos (masas molares de los elementos de la tabla periódica, tablas de composición de alimentos, tablas de indicadores, tablas de potenciales, constantes de disociación para ácidos y bases, constantes del producto de solubilidad, etc). Por último, debe señalarse la presencia de un acápite especial al inicio del texto al que hemos denominado Programa de la asignatura, en el cual se relacionan los objetivos, contenidos, sistema de evaluación y metodología de trabajo de la asignatura con vistas a orientar al estudiante sobre la dinámica de trabajo que se seguirá en el curso. No sería justo culminar estos párrafos sin mencionar que la elaboración de esta obra es resultado del esfuerzo de muchas personas que me ayudaron con sus ideas, conocimientos y experiencia profesional. No puedo mencionarlas a todas pero me siento en el deber de citar a los más significativos. Primero, a la profesora y gran amiga MSc. Aymeé Herrera Llópiz que no tuvo reparos en convertirse en la más eficiente colaboradora para la búsqueda de información. Segundo, a un grupo de excelentes profesionales del departamento de alimentos del IFAL cuya experiencia, conocimientos y consejos fueron decisivos para la culminación de este texto. Finalmente, y no por ello menos importante, debo destacar la imprescindible participación de un pequeño ejército de estudiantes de segundo año de la especialidad de Ciencias Alimentaria del curso académico 2000–2001, que trabajaron con enorme responsabilidad en la transcripción de este texto y que tanto aportaron con sus ideas y recomendaciones. De más está decir que sus criterios, como principales protagonistas del proceso docente, fueron de incalculable valor en el diseño metodológico de este libro. La lista de sus nombres es algo extensa, pero no por ello debe obviarse. Llegue entonces mi más profundo agradecimiento a los estudiantes: Lisette Plana, Melkin Marin, Yarelis González, Yarima García, Alina Romero, Yoenis Moreira, Neibys Aportela, Yenilandy Reyes, Jesús Pedroso, Ricardo Gómez, Mabel Bofill, Orieta Quintana, Yaimara Tristá, Yokani Nordelo, Lina Acosta y Yisel Abril. Escribir este texto fue una tarea ardua y difícil, que requirió muchos meses (con sus días, noches y hasta unas cuantas madrugadas) de profundo estudio, reflexión, búsqueda de información y consultas con especialistas, pero sobre todo, resultó ser una tarea infinitamente enriquecedora y llena de satisfacciones. No es, por supuesto, una obra perfecta; de hecho está bien lejos de serlo; tampoco fue nunca este nuestro objetivo. Es, simplemente un libro de texto que esperamos, eso si, les sea útil y contribuya la mejor comprensión de la asignatura. Ustedes, por supuesto, tendrán la última palabra. El autor