Manual de practicas humedad y cenizas

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PRACTICA N° 6
CUANTIFICACION DE HUMEDAD Y DE CENIZAS TOTALES.
I. HUMEDAD
A. Introducción: En el análisis químico de los sistemas biológicos, se
entiende por contenido de humedad del sistema, a la pérdida de peso
que experimenta una muestra de ese sistema al ser expuesta a la
temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica hasta
obtener “peso constante”. La aplicación de este concepto tiene sus
limitaciones:
1. El concepto de peso constante.
2. a 100 °C, temperatura de ebullición del agua al nivel del mar, pueden
suceder eventos químicos diferentes a la evaporación del agua libre del
sistema como son:
− reacciones de caramelización de los azúcares.
− volatilización de compuestos aromáticos y ácidos grasos de bajo peso
molecular, presentes en el sistema cuyos puntos de ebullición sean
iguales o menores al del agua libre.
− descomposición de uno o más compuestos orgánicos generando
como producto de esa descomposición gases e incluso vapor de
agua.
− oxidación de algún(os) compuesto(s) con el oxigeno del aire.
La ocurrencia de los tres primeros eventos citados causaría pérdida de
peso de la muestra expuesta, por la evaporación del agua libre y por la
evaporación de otros compuestos incluyendo el agua condensada como
consecuencia de reacciones químicas, lo que causaría error por exceso, y
en el tercer caso, dependiendo de la naturaleza del producto de oxidación
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Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ciencias. Escuela de Biología. Departamento de Tecnología
de Alimentos. Asignatura Análisis de Alimentos. Actualizado por Profª. Myrna Medina.
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puede haber pérdida o ganancia de peso; lo que constituiría errores
experimentales por exceso o por déficit. Por ej:. alimentos con un alto
contenido en carbohidratos, expuestos a 100 ºC, experimentan las
reacciones de caramelización de los mismos y con ello la formación y
pérdida de moléculas de agua; alimentos con alto contenido en proteínas,
pierden el agua de hidratación de estas macromoléculas; y alimentos con
alto contenido de compuestos aromáticos experimentan pérdidas de éstos
últimos, en los tres ejemplos señalados se ha eliminado agua libre y
además se han perdido otros compuestos registrándose una disminución
adicional del peso de muestra inicial, pero no por la humedad contenida.
En estos casos, la cuantificación de humedad se hace por calentamiento
en estufa a vacío logrando la ebullición del agua libre a un temperatura
menor a 100 ºC, o dejando el producto en un desecador con un agente
deshidratante.
En cualquiera de los tres métodos citados anteriormente, al residuo que
queda una vez evaporada el agua libre del sistema y que el sistema ha
alcanzado la definición de peso constante, se denomina “sólidos
totales” o “materia seca”.
Cuando se desea conocer el contenido de humedad en muestras de
productos con un bajo contenido de humedad y alto contenido de
compuestos aromáticos, los métodos gravimétricos, que implican
calentamiento directo de la muestra son improcedentes por lo arriba
señalado; en estos casos se recurre a un método volumétrico directo
como lo es el de destilación con solventes no miscibles.
B. 2
Preparación de la muestra a analizar:
a. Muestras de sistemas alimenticios sólidos: Se someten a un
procedimiento de reducción de tamaño, apropiado, según la
naturaleza de la muestra, para lograr una mayor superficie de
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exposición y obtener mayor eficiencia en el intercambio de energía
calórica y de materia (humedad evaporada). En el caso de las galletas
y otros sistemas con un bajo contenido de humedad, se someten a
molienda controlando el tiempo de exposición porque hay generación
de calor y pérdida de humedad. El producto molido se pasa por un tamiz
N° 60 de Tyler.
b. Sistemas líquidos: Homogeneizarlos muy bien.
Nota: En general se debe consultar la preparación de las muestras en
Association of Official Analytical Chemist (AOAC) 1990. Official
Methods of Analysis. 15th
Edition. Edited by Kenneth Helrich. Virginia,
U.S.A.
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31

C. 4
Métodos gravimétricos, por volatilización, para cuantificar la
humedad en los sistemas alimenticios.
Métodos Indirectos.
Fundamento: Se basan en la volatilización del agua libre del sistema al
exponerla a la temperatura de ebullición del agua hasta obtener el peso
constante de la materia seca. Se cuantifica el porcentaje de humedad del
sistema alimenticio admitiendo que la diferencia aritmética entre el peso
inicial de la muestra, expuesto a la temperatura de ebullición del agua, y
el peso constante obtenido de materia seca, se debe al agua libre
evaporada bajo las condiciones experimentales establecidas y que es el
único compuesto que bajo esas condiciones se volatiliza (Skoog y West,
1983).
C.1. Deshidratación de la muestra en estufa a 130 °C y Presión
atmosférica.
a. Materiales:
1. Muestra: Galleta de soda.
2. Cápsula de metal (Pt, Al, etc.) con fondo plano de 55 mm de
diámetro por 15 mm de altura, para 10 g de muestras
provistas de sus respectivas. Puede usarse también cápsulas
de porcelana de dimensiones similares.
3. Estufa con control automático de temperatura a 130 °C.
4. Desecar con oxido de calcio (CaO) como agente
deshidratante.
5. Pinzas para cápsulas, espátulas y termómetro.
b. Procedimiento:
1. Exponer las cápsulas vacías (cada una con su tapa) a 130
°C x 1 hora o hasta peso constante (colocarlas en el
desecador y pesarlas una vez alcanzada la temperatura
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5
ambiente).
2. Pesar exactamente de 2 a 3 g de muestra previamente
molida, tamizada por Tayler 60 y homogenizada. En el
momento de colocar la muestra en la estufa, destapar la
cápsula.
3. Exponer la muestra por un periodo de tiempo adecuado para
cada caso (según contenido de humedad).
4. Tapar la cápsula cuando aún esté dentro de la estufa. Sacarla
y ponerla en el desecador; pesarla tan pronto alcance la
temperatura ambiente.
5. Llevar a peso constante, para lo cual debe colocarla
nuevamente en la estufa durante una hora, llevar al
desecador, dejar enfriar y pesar. Repetir esta operación
hasta que dos pesadas consecutivas varíen sólo en la cuarta
cifra decimal.
c. Cálculos: Calcular el porcentaje de humedad en el producto
evaluado.
Nota: Realizar las determinaciones por duplicado. Para harinas y
productos derivados el calentamiento se realiza a 130 ± 1 °C por
una hora exacta, comenzando a contar el tiempo cuando el
interior de la estufa haya alcanzado la temperatura indicada.
El contenido de humedad en alimentos como malta, cacao,
queso, vegetales con bajo contenido de azúcar puede
determinarse en este mismo tipo de estufa a presión atmosférica,
a la temperatura y tiempo de secado apropiadas. En algunos
casos la muestra necesita ser mezclada, previamente, con algún
producto inerte, por ejemplo arena de mar lavada con HCl. En
estos casos consultar las variables en los métodos oficiales del
AOAC 1990.
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33

2. 6
Deshidratación de la muestra a temperatura < 100 °C y vacío:
Fundamento: Como ya se definió los métodos analíticos gravimétricos
indirectos para cuantificar humedad en los sistemas biológicos se basan
en la volatilización del agua libre del sistema al exponerla a la temperatura
de ebullición del agua hasta obtener el peso constante de la materia
seca, admitiendo que la diferencia aritmética entre el peso inicial de la
muestra, expuesto a la temperatura de ebullición del agua, y el peso
constate obtenido de materia seca, se debe al agua libre evaporada bajo
las condiciones experimentales establecidas y que es el único compuesto
que bajo esas condiciones se volatiliza (Skoog y West, 1983). Sin
embargo, dependiendo de los componentes que predominen en los
sistemas biológicos, a la temperatura que el agua pasa de su estado
líquido a vapor, otros constituyentes del sistema, distintos al agua
contenida se volatiliza y esta pérdida de peso se cuantificaría como peso
de agua volatilizada introduciéndose error por exceso.
Bajo estas condiciones (naturaleza química de la muestra), para lograr
la volatilización solamente del agua contenida y no de los otros
constituyentes con puntos de ebullición próximos a 100 ºC se, expone la
muestra a temperatura < 100 ºC (70 ºC) y se aplica vacío. Se cuantifica el
porcentaje de humedad del sistema alimenticio, admitiendo que la
diferencia aritmética entre el peso inicial de la muestra, expuesto a las
condiciones descritas, y el peso constante obtenido de materia seca, se
debe al agua libre evaporada bajo las condiciones experimentales
establecidas (Skoog y West, 1983).
Información que debe conocer el estudiante:
1) Defina el punto de ebullición
2) ¿A qué temperatura hierve el agua al nivel del mar?
3) ¿A qué temperatura hierve el agua en la ciudad de
Caracas?
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4) 7
¿Por qué el agua se volatiliza a Temp. < 100 ºC?
5) ¿Cuáles son los constituyentes de los sistemas
alimenticios que se pueden volatilizar a temperaturas
cercanas a 100 ºC?
6) Dé ejemplos de sistemas alimenticios en los cual
aplicaría esta metodología y por qué?
a. Materiales:
1. Muestra: mermelada.
2. Cápsula de aluminio de 55 mm de diámetro por 15 mm de
profundidad provista de su respectiva tapa.
3. Estufa a vacío conectada a una bomba capaz de mantener un
vacío parcial, menor o igual a 25 mm de Hg provista de un
termómetro en la cabina cuyo bulbo se encuentre cerca de las
muestras.
4. Arena de mar lavada con ácido clorhídrico (HCl).
5. Desecador con CaO como agente deshidratante.
6. Pinzas para cápsulas, espátulas, varillas de vidrio y agua
destilada.
b. Procedimiento:
1. Calentar la cápsula vacía (con la tapa) a la temperatura
apropiada según el producto a deshidratar, durante una hora,
ponerla en el desecador y pesarla una vez que haya
alcanzado la temperatura ambiente. Llevar a “peso
constante”.
2. En la cápsula tarada, pesar una cantidad de muestra
previamente homogeneizada que represente
aproximadamente 2 g de residuo seco.
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3. Añadir un peso conocido de arena y homogeneizar la muestra
de mermelada (peso conocido) con la arena usando un
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agitador de vidrio y ayudándose con un poco de agua
destilada, y cuidando de no perder materia. De ocurrir pérdida
de material se debe repetir el proceso en otra cápsula
previamente tarada.
Colocar la cápsula en la estufa y aflojar la tapa sin removerla
completamente. Cerrar la puerta y encender la bomba hasta
conseguir un vacío parcial menor o igual a 25 mm de Hg que
debe mantenerse durante toda la operación.
4. Exponer a la temperatura apropiada aproximadamente
durante 5 horas según el material que se esté deshidratando
(98-100 °C para carnes, no mayor de 70 °C para productos
de alto contenido de azucares. Para otros productos a evaluar
consulte las variantes en los métodos oficiales de AOAC).
5. Abrir la válvula de entrada del aire hasta alcanzar la presión
atmosférica. Abrir la estufa e inmediatamente colocar la tapa
a cada una de las cápsulas y pasarlas a un desecador.
6. Dejar enfriar a temperatura ambiente e inmediatamente
pesar.
7. Repetir los pasos 4,5 y 6 por periodos de tiempo de una hora
hasta conseguir peso constante, hasta que dos pesadas
consecutivas varíen solo en la cuarta cifra decimal.
c. Cálculos: Calcular el porcentaje (%) de humedad en el producto
evaluado.
NOTA: Trabajar por duplicado. Se debe controlar la pérdida del
vacío cada 30′ aproximadamente.
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D. Método gravimétrico directo:
a. Balanza automática Termoray :
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Fundamento: En este caso, se trata de un equipo o instrumental no
analítico. La fuente de calor en este equipo es una lámpara de
radiación infrarroja (250-500 watts) lo que permite alcanzar
temperatura de 2000-3000 °K. El calor se transmite al sistema por
penetración. La pérdida de peso de la muestra por la evaporación del
agua, la registra directamente en el equipo en el dial de la balanza
como % de humedad.
Se dispone de otros equipos en los cuales la fuente de calor es una
resistencia a la cual se expone la muestra por un tiempo establecido.
Ventajas: El método es rápido, el resultado se obtiene en minutos. Es
ideal para trabajar en la industria en la recepción de material prima en
función al estimado del contenido de humedad.
Desventaja: No es preciso (0.1 % de error).
Información que debe conocer el estudiante:
1. ¿Por qué se ha señalado que la balanza automática Termoray es un
equipo no analítico?
2. En ¿cuáles casos recurriría a un equipo automático?.
Funcionamiento de la balanza:
1. Colocar 10 g de muestra molida, de granulometría apropiada
según la muestra, en el platillo de la balanza. Esparcir
homogéneamente.
En algunos tipos de balanzas automáticas, la muestra se coloca
en platillos de aluminio. Otras por el contrario, están provistas de
un platillo fácilmente desmontable para su limpieza.
2. Graduar la temperatura según las características de la muestra
acercando o alejando la lámpara de la superficie de la muestra.
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También, si es necesario, se puede graduar el voltaje de la
lámpara.
3. 10
Exponer la muestra a la radiación por el tiempo necesario según
la muestra en estudio.
b. Material:
1. Balanza automática “Termoray”, espátula.
2. Muestra: Galletas de soda.
c. Procedimiento:
1. Nivelar el equipo con los ajustes situados en la parte inferior y con
el indicador del nivel.
2. Liberar cuidadosamente el platillo de la balanza, girando hacia la
derecha la palanca de abertura. Cargar el platillo con una pesa de
10 g nivelando el fiel en 0 (cero). Si hay alguna desviación ajustar
el cero.
3. Girar la palanca hacia la izquierda, y quitar el peso de 10 g.
4. Cargar el platillo con el mismo peso de muestra (10 g).
5. Encender el interruptor colocado a la izquierda y ajustar el
cronometro al tiempo deseado.
6. Encender la fuente calórica, ajustándola a la potencia necesaria.
Leer el porcentaje de humedad directamente en la escala cuando
haya terminado la exposición a la fuente de energía calórica.
7. Si el porcentaje de humedad supera el 20%, colocar en el platillo
el peso de 2 g. En este rango se lee la segunda escala que
abarca desde 20 hasta 40 % de humedad.
8. Si el porcentaje de humedad aún es superior al 40 %, añadir 2 g
más. De esta manera puede seguir, si el porcentaje de humedad
supera el 60, 80 hasta 100 %, colocando cada vez pesos de 2 g
sobre el platillo.
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9. Si no se dispone de un peso de muestra de 10 g, se recomienda
usar la mitad y multiplicar por 2. Los pesos sucesivos para
porcentajes de humedad superiores, serán de 1 g en lugar de 2 g
11
bajo las mismas condiciones de la determinación.
E. Método Volumétrico.
F. Destilación con solventes no miscibles.
Este es un método exacto y rápido para determinar cantidades
relativamente pequeñas de agua o cuando se quiere distinguir entre el
contenido de agua propiamente dicho y sustancias volátiles, como en el
caso de las especies.
1. Fundamento: La muestra se suspende en el disolvente orgánico
(xileno, tolueno) no miscible en el agua y de punto de ebullición mayor
al de ésta. Al alcanzar el agua la temperatura de ebullición, se
evapora y se condensa en una trampa volumétrica calibrada.
2. Materiales:
1. Muestra: Especies o condimentos.
2. Erlenmeyer de 250 ml
3. Condensador.
4. Tubo receptor de Bidwel-Sterling.
5. Plancha de calentamiento.
6. Arena de mar lavada.
7. Policía (varilla con un extremo cubierto con banda de goma).
3. Reactivos: Tolueno (puede usarse cualquier otro líquido no miscible
con el agua, como por ejemplo xileno).
4. Procedimiento:
1. Lavar muy bien el refrigerante y el tubo receptor perfectamente
con mezcla sulfocrómica; enjuagar muy bien con agua destilada,
luego con alcohol y secar por 24 horas en un desecador para
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evitar residuos de agua adheridos en la superficie interna de la
trampa.
2. 12
Pesar suficiente muestra para obtener de 2 a 5 ml de agua;
colocarla en el erlenmeyer; cubrirla con tolueno
(aproximadamente 77 ml). En caso necesario puede agregarse
arena suficiente para cubrir el fondo del erlenmeyer antes de
colocar en él la muestra. Conectar el aparato como se muestra en
la figura anexa.
3. Llenar el tubo receptor con tolueno agregándolo a través del
condensador. Destilar lentamente (aproximadamente 2 gotas /
segundo) hasta que no pase más agua. Aumentar la velocidad de
destilación a 4 gotas / segundo. Cuando aparentemente toda el
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agua haya sido evaporada de la muestra, lavar el condensador
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agregándole tolueno por la parte de arriba y continuar la
destilación por unos minutos más para asegurarse de que no
destila más agua.
4. Repetir el lavado del condensador. El proceso de destilación dura
aproximadamente 1 hora.
5. Esperar a que el tubo receptor esté a la temperatura ambiente. Si
algunas gotas se han quedado adheridas en las paredes del tubo
receptor, bajarlas con la varilla de cobre con la punta cubierta por
la banda de goma.
5. Cálculos: Leer el volumen de agua destilada de la muestra y calcular
el porcentaje de agua en el producto tomando la densidad del agua
igual a 1.
II. CENIZAS TOTALES
A. Introducción: Los elementos o minerales en los alimentos se encuentran
en combinaciones de sales inorgánicas y/o orgánicas. Las sales
inorgánicas, tales como fosfatos, carbonatos, cloruros, sulfatos y nitratos
de sodio, potasio, calcio, son comunes. Las sales de ácidos orgánicos
tales como málico, oxálico, acético, péctico, etc., pueden así mismo,
encontrarse presentes. Por otra parte, ciertos elementos minerales
pueden formar complejos con moléculas orgánicas.
La ceniza es el residuo obtenido después de la incineración de la materia
orgánica hasta que queda libre de carbón, y representa el contenido de
material mineral presenta en esa materia. La incineración debe llevarse a
cabo a una temperatura comprendida entre 500-600 °C de acuerdo al tipo
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de producto que se evalúe. La naturaleza y cantidad de las diferentes
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combinaciones minerales que pueden encontrarse en el producto
alimenticio, es difícil de determinar. Al incinerar el producto para eliminar
toda la materia orgánica, cambia la naturaleza de muchas de las
combinaciones. La cuantificación de cenizas totales en los alimentos tiene
dos objetivos:
1. La ceniza es uno de los seis constituyentes del análisis próximo.
Conjuntamente con el contenido de agua, proteína, grasa y fibra
cruda, permiten calcular el NIFEXT (conocido también con el nombre
genérico de carbohidratos o “nitrogen free extract”).
2. Conocer el contenido de macro y microelementos por medio del
análisis completo de la ceniza.
Precauciones: Deben tomarse ciertas precauciones para obtener los
resultados precisos, la velocidad de incineración debe ajustarse de modo
que no haya pérdida de cenizas durante el proceso.
La temperatura a la cual se hará la incineración es también muy
importante. Temperaturas muy altas pueden provocar la volatilización de
los elementos K, Na, S, Cl, P, principalmente. La adición de ácido ayuda a
prevenir la volatilización de los elementos positivos; la de un álcali, la de
los elementos negativos. También es muy importante para aquellos
compuestos inorgánicos que no pierden su agua de hidratación a
temperaturas de 500-550 °C.
Los cereales y productos amiláceos presentan ciertas dificultades en la
combustión ya que no contienen suficientes constituyentes minerales
básicos. El uso de ácido nítrico durante la incineración además de ser
perjudicial para las cápsulas, lo es para el cloro (Cl) y el azufre (S).
Cualquiera que sea el método seguido para la incineración, es difícil que
estos elementos se conserven en las cenizas. Si es necesaria la
determinación, debe recurrirse a métodos especiales de incineración
14
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15
como el uso de carbonatos.
En ciertos casos es conveniente realizar la destrucción de la materia
orgánica por vía húmeda, usando ácidos como el sulfúrico o el clorhídrico.
Ej. cuantificación del nitrógeno (N) en el porcentaje de proteínas.
B. Preparación de la muestra: Consultar el AOAC (1990) para la
preparación de las muestras especificas.
C. Métodos:
1. Incineración por combustión:
2. Materiales:
1. Muestra: Galleta de soda.
2. Crisoles de platino, cuarzo o porcelana de 5-10 cm de
diámetro y 1,5 - 4 cm de profundidad.
3. Desecador con CaO como agente deshidratante.
4. Mufla con control automático de temperatura
5. Mechero, rejilla de amianto, trípode, pinzas para crisoles.
b. Procedimiento:
1. Pesar de 2 - 5 g de muestra deshidratada (puede usarse la
misma en la que se determinó humedad) o el peso
equivalente de muestra fresca, en un crisol a peso constante.
2. Calcinar la muestra hasta carbonizarla, en el mechero,
cuidando de que solo la parte oxidante de la llama del
mechero entre en contacto con la cápsula o crisol, o sobre
una plancha de calentamiento.
3. Pesar la muestra a la mufla, la cual debe estar a una
temperatura de 500-550 °C, para su incineración hasta
obtener cenizas de color blanco o gris.
4. Secar el crisol y dejar enfriar un poco y colocarlo
inmediatamente en un desecador a temperatura ambiente.
15
43

5. 16
Pesar.
6. Repetir la operación por periodos de una hora hasta peso
constante.
NOTA: Si la mufla se encuentra fría al iniciar la operación, no es
necesario calcinar previamente la muestra sobre el mechero; esto
se hace indispensable si la mufla se encuentra ya a una
temperatura elevada para evitar el desprendimiento de
compuestos gaseosos. Consultar en el AOAC las temperaturas
adecuadas para los diferentes alimentos.
Modificaciones: La incineración completa de la materia orgánica
por el método de incineración directa requiere horas. Este tiempo,
en ocasiones, puede ser reducido si el material a incinerar es
distribuido en una mayor superficie, permitiendo un mayor
contacto del producto con el oxigeno durante el calentamiento.
2. Uso de arena:
Procedimiento:
1. Colocar aproximadamente 2,5 g de arena pura y lavada en un
crisol o en una cápsula.
2. Calentar hasta peso constante.
3. Pesar la muestra en la misma cápsula y mezclarla
cuidadosamente con la arena, con ayuda de una varilla de vidrio.
4. Continuar como se indico para la incineración directa.
Este método es particularmente útil para muestras líquidas, por
ejemplo, leche.
3. Alcohol – Glicerol:
Procedimiento:
1. Pesar la muestra en un crisol previamente tarado.
16
44

2. 17
Agregar suficiente reactivo (mezcla de volúmenes iguales de
etanol y glicerina) para saturar la muestra.
3. Mezclar cuidadosamente con la ayuda de una varilla de vidrio, y
limpiar la varilla con un pedazo de papel de filtro libre de cenizas.
4. Colocar el pedazo de papel sobre la muestra.
5. Incinerar el papel de filtro y dejar arder la muestra hasta que la
llama se apague.
6. Colocar el crisol con la muestra en la mufla y continuar la
incineración.
4. Doble incineración: En el caso de productos sacarinos o de aquellos
de combustión difícil, es recomendable este método.
Procedimiento:
1. Suspender el calentamiento cuando el carbón se resiste a
quemarse.
2. Dejar enfriar.
3. Hervir con una pequeña cantidad de agua para disolver las
sustancias solubles.
4. Filtrar en papel de filtro de cenizas conocidas.
5. Colocar el papel de filtro con el residuo insoluble en la cápsula.
6. Secar e incinerar nuevamente en la mufla hasta obtener cenizas
grises o blancas (en caso de productos de baja pureza, puede
agregarse unas gotas de aceite de oliva).
7. Agregar el agua que contiene las sales solubles.
8. Evaporar a sequedad.
9. Incinerar a 525 °C.
10. Llevar a peso constante.
D. Cálculos: Una vez obtenido el peso del residuo correspondiente a la
ceniza expresar los resultados en porcentaje.
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