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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
“Desenvolvimento de sensor
potenciométrico baseado em eletrodos de
carbono grafite para determinação de
ácido cítrico em bebidas”
Orientando: Celso Luciano de Araujo
Orientadora: Profa. Dra. Nívia Maria Melo Coelho
Uberlândia
Junho - 2009
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CELSO LUCIANO DE ARAÚJO
DESENVOLVIMENTO DE SENSOR POTENCIOMETRICO BASEADO EM
ELETRODOS DE CARBONO GRAFITE PARA DETERMINAÇÃO DE ÁCIDO
CÍTRICO EM BEBIDAS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de
Pós-Graduação do Instituto de Química da
Universidade Federal de Uberlândia, como requisito
para obtenção do título de Mestre em Química.
Área de concentração: Química Analítica
Orientadora: Profa. Dra. Nivia Maria melo Coelho
Uberlândia
2009
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
A659d
Araújo, Celso Luciano de, 1972-
Desenvolvimento de sensor potenciométrico baseado em eletrodos
de carbono grafite para determinação de ácido cítrico em bebidas / Celso
Luciano de Araújo. - 2009.
58 f. : il.
Orientadora: Nivia Maria Melo Coelho.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Uberlândia, Progra-
ma de Pós-Graduação em Química.
Inclui bibliografia.
1. 1. Detectores químicos - Teses. 2. Ácido cítrico - Teses. I. Coelho,
Nivia Maria Melo. II. Universidade Federal de Uberlândia. Programa de
2. Pós-Graduação em Química.. III. Título.
3.
CDU: 543.07
Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
Instituto de Química
Programa de Pós Graduação em Química - MESTRADO
AlUNO(A): CELSO lUCIANO DE ARAÚJ<3-
NÚMERO DE MATRíCULA:
86332
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: QUíMICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM QUíMICA: NíVEL MESTRADO
TíTULO DA DISSERTAÇÃO:
"Desenvolvimento de um sensor potenciométrico baseado em
eletrodos de carbono grafite para determinação de ácido cítrico em
bebidas"
ORIENTADORA:
PROF
a
ORA. NíVIA MARIA MElO COELHO
A Dissertação foi APROVADA em apresentação pública realizada na
sala 106 Bloco 3D, no Campus Santa Mônica, no dia 23 de junho de
2009, às 16:00 horas, tendo como Banca Examinadora:
NOME:
ASSINATURA:
,~íf)lQa
~11~d$c~
~\'-~
Profa Ora. Nívia Maria Meio Coelho
(IQUFU)
Prof. Dr. Arnaldo César Pereira
(Universidade Federal de São João Dei Rei)
Prof. Dr. João Marcos Madurro
(IQUFU)
Uberlândia, 23 de junho de 2009.
Dedico este trabalho,
Ao meu filho: Estevão pelo carinho e dinamismo que deu em minha vida.
A minha companheira Maria Emilia, pelo apoio, amor e principalmente pela
compreensão de conviver com minhas ausências.
Aos meus Pais: Adelina e Haroldo pelo carinho, apoio, dedicação e incentivo sempre.
A meus irmãos Haroldo, André, Carlos e Ana por fazerem parte de minha vida.
"... Vamos rir, chorar e aprender. Aprender especialmente como casar Céu e Terra,
vale dizer, como combinar o cotidiano com o surpreendente, a imanência opaca dos
dias com a transcendência radiosa do espírito, a vida na plena liberdade com a morte
simbolizada como um unir-se com os ancestrais, a felicidade discreta nesse mundo com
a grande promessa na eternidade. E, ao final, teremos descoberto mil razões para viver
mais e melhor, todos juntos, como uma grande família, na mesma Aldeia Comum,
generosa e bela, o planeta Terra."
[Leonardo Boff]
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar agradeço a DEUS, pela minha iluminada vida e meus caminhos,
para atingir meus ideais e estando comigo todos os instantes da minha vida.
A minha orientadora Nívia Maria Melo Coelho pelo apoio, conselhos, orientações e
acima de tudo pela paciência e amizade, além de respeitar as idéias e opiniões
originadas de seus orientandos.
Aos professores, Dr. João Marcos Madurro e Dra. Ana Graci Brito Madurro pelas
orientações e apoio na realização de ensaios e discussões, em específico pela
colaboração estabelecida e uso das instalações e equipamentos do Laboratório de
Filmes Poliméricos (LAFIP).
Aos colegas discentes e amigos do Laboratório de Espectroscopia Aplicada (LEA),
Edmar, Luciano, Odilon, Helen, Cleide, Vanessa e Rafael, pelo companheirismo e
amizade estabelecidos.
Aos colegas discentes do LAFIP, Lucas, Sabrina, Diego e André Afonso, pela ajuda,
idéias e comprometimento.
A CAPES, ao Instituto de Química da Universidade Federal de Uberlândia, pelo
suporte técnico e financeiro.
Enfim, a todos aqueles que contribuíram de alguma forma para a realização desse
trabalho.
Muito Obrigado!
"O estudo, a busca da verdade e da beleza são domínios em que nos é consentido
sermos crianças por toda a vida."
[Albert Einstein]
Sumário
Lista de figuras...........................................................................................................
I
Lista de tabelas..........................................................................................................
IV
Lista de abreviaturas e siglas...................................................................................
V
Resumo.......................................................................................................................
VII
Abstract......................................................................................................................
VIII
1. Revisão bibliográfica.............................................................................................
01
1.1. Aditivos alimentares............................................................................................
05
1.1.1. Tipos de aditivos..............................................................................................
07
1.1.2. Ácido cítrico....................................................................................................
10
1.2. Metodologias usadas na quantificação de ácidos em bebidas...........................
11
1.3. Métodos eletroanalíticos aplicados à quantificação de ácidos em
alimentos....................................................................................................................
12
1.3.1. Detectores potenciométricos em fluxo.............................................................
14
1.4. Sensores...............................................................................................................
17
2. Objetivos ...............................................................................................................
23
3. Parte experimental................................................................................................
24
3.1. Reagentes............................................................................................................
24
3.2. Materiais e equipamentos utilizados..................................................................
25
3.3. Soluções...............................................................................................................
30
3.3.1. Solução Fe(CN)
6
4-
/ Fe(CN)
6
3-
..........................................................................
30
3.3.2. Solução tampão fosfato....................................................................................
30
3.3.3. Solução transportadora...................................................................................
30
3.3.4. Solução de acido cítrico...................................................................................
31
3.4. Preparação de eletrodos.....................................................................................
31
3.4.1. Eletrodo de referência......................................................................................
31
3.4.2. Eletrodo de trabalho........................................................................................
31
3.5. Preparação do sistema de detecção potenciométrico ........................................
32
3.6. Medidas de voltamogramas dos eletrodos..........................................................
32
3.7. Resposta do sensor de grafite.............................................................................
33
3.7.1. Em função do volume e da vazão de fluxo.......................................................
33
3.7.2. Em função da concentração de ácido cítrico...................................................
33
3.7.3. Em função do pH..............................................................................................
33
3.7.4. Em função da concentração de tampão fosfato...............................................
34
3.8. Estudo de interferentes.......................................................................................
34
3.9. Comparação de métodos....................................................................................
35
3.10. Aplicação do método.........................................................................................
35
4. Resultados e discussões.........................................................................................
36
4.1. Medidas eletroquímicas dos eletrodos de carbono grafite.................................
36
4.2. Resposta do sensor de grafite.............................................................................
37
4.3. Sensor potenciométrico......................................................................................
40
4.4. Otimização da resposta do sensor......................................................................
41
4.5. Estudo de interferentes.....................................................................................
48
4.6. Aplicação do método...........................................................................................
48
5. Conclusões.............................................................................................................
50
6. Propostas de continuidade do trabalho................................................................
52
7. Referências bibliográficas.....................................................................................
53
Lista de Figuras
Figura 1– Fórmula estrutural plana do ácido cítrico...........................................10
Figura 2 – Esquema geral dos principais componentes de um sensor
eletroquímico..........................................................................................................19
Figura 3 - Sensor potenciométrico........................................................................21
Figura 4 – Equipamentos utilizados para o fornecimento de água (A), medidas de
pH (B) e limpeza dos eletrodos por ultra-som(C)................................................. 25
Figura 5 – Materiais utilizados nos estudos eletroquímicos: (A) cela
eletroquímica de três compartimentos, (B) placa de platina, (C) eletrodo de
referência, (D) eletrodo de trabalho e (E) sistema
(VC)........................................................................................................................26
Figura 6 – Equipamentos utilizados nos experimentos eletroquímicos e limpeza
dos eletrodos: (A) potenciostato CH Instruments modelo 1120 A, (B)
potenciostato da CH Instruments Modelo 760C, (C) politriz Aropol 2V da
Arotec.....................................................................................................................27
Figura 7 – Diagrama esquemático do sistema em fluxo utilizado neste trabalho.
R
1
, solução transportadora; P, bomba peristáltica; W, resíduo; L, alças injetora;
I válvula injetora; A soluções padrões de acido cítrico preparados em solução
transportadora; B, bobina de reação; C, detector potenciométrico.................... 27
Figura 8 – Imagens do (A) sistema FIP tipo tubular, (B e C) injetor e (D) bomba
peristáltica Gilson®. Balança analítica................................................................28
Figura 9 – Célula eletroquímica usada como sistema de detecção
potenciométrico: (a)suporte de teflon; (b) pino de contato; (c) revestimento de
teflon; (d) peça de latão; (e) carbono grafite; (f) anel de vedação; (g) peça de
acrílico; (h) ponteira com eletrodo de referência..................................................29
Figura 10 – Voltamograma cíclico de eletrodo de carbono grafite em solução
contendo 5 mmol L
-1
de K
3
Fe(CN)
6
, 5 mmol L
-1
de K
4
Fe(CN)
6
e 0,1 mol L
-1
KNO
3
,
100mV s
-1
................................................................................................................36
Figura 11 – Resposta potenciométrica do eletrodo de grafite em relação à
solução de ácido cítrico 0,1 mmol L
-1
nas vazões (A)1,0 mL min
-1;
(B)2,0 mL
min
-1
; (C) 3,0 mL min
-1
..........................................................................................38
Figura 12 – Resposta potenciométrica do eletrodo de grafite foi avaliada
injetando 65
L de soluções padrões de ácido cítrico, em triplicata em relação à
concentração da solução de ácido cítrico: (A)0,03 mmol L
-1;
(B) 0,07 mmol L
-1
;
(C) 0,1 mmol L
-1
; (D) 0,3 mmol L
-1
; (E) 0,7 mmol L
-1
; (F) 1,0 mmol L
-1
;(G) 3,0
mmol L
-1
;(H)7,0 mmol L
-1
;(I)10 mmol L
-1
. Sob condições experimentais: solução
transportadora (KCl 0,1 mol L
-1
; pH 7,00), vazão 1,0 mL min
-1
e bobina de 25 cm.
................................................................................................................................39
Figura 13 – Resposta do sensor potenciométrico (carbono grafite) em função do
pH do meio reacional. Condições experimentais: 65µL de ácido cítrico 1,0 mmol
L
-1
preparado em solução transportadora contendo 0,10 mol L
-1
KCl; vazão: 1,0
mL min
-1
. ...............................................................................................................42
Figura 14 – Resposta do sensor potenciométrico (carbono grafite) em função da
vazão para diferentes volumes de injeção; condições experimentais: 1,0 mmol L
-1
de ácido cítrico preparado em solução transportadora contendo 0,10 mol L
-1
de
KCl, pH 7,00......................................................................................................... 44
Figura 15 – Tempo de restabelecimento da linha base-TRL em função da vazão
para diferentes volumes de injeção: (■)33; (●)65 e (▲) 130
L. condições
experimentais: 1,0 mmol L
-1
de ácido cítrico preparado em solução
transportadora contendo 0,10 mol L
-1
KCl, pH 7,00............................................ 45
Figura 16 – Curva de calibração do ácido cítrico em solução transportadora KCl
0,1 mol L
-1
pH 7,0..................................................................................................46
Figura 17 – Diagrama da proposta de hifenação do sistema HPLC ao sistema de
detecção desenvolvido nesta dissertação.............................................................. 52
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Aplicações de alguns ácidos carboxílicos e seus sais na indústria
alimentícia...................................................................................................................08
Tabela 2 - Tipo de detectores potenciométricos utilizados em sistemas
FIA..........................................................................................................................16
Tabela 3 – Informações técnicas das substâncias presentes em isotônicos
(gatorede®)............................................................................................................34
Tabela 4 – Informações técnicas de substâncias presentes em sucos...................34
Tabela 5 – Figuras de mérito para o sensor de grafite em função da concentração
de ácido cítrico.......................................................................................................47
Tabela 6 – Efeito de interferência (%) das espécies estudadas no sinal
analítico..................................................................................................................48
Tabela 7 – Comparação de métodos para determinação de ácido cítrico em
amostras de suco e isotônico................................................................................. 49
Lista de Abreviaturas e Siglas
E, variação de potencial;
ADP, adenosina difosfática
BHA, 3-terc-butil-4-hidroxianisol (BHA - butil-hidroxianisol)
BHT, 2,6-di-terc-butil-4-metilfenol (BHT - butil-hidroxitolueno)
BIA, “batch injection analysis” (análise por injeção em batelada)
CLAE, cromatografia liquida de alta eficiência
ESI, eletrodos seletivos de ions
FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations
FIA Flow Injection analysis (análise por injeção em fluxo)
FIP, Flow Injection Potentiometry (potenciometria por injeção em fluxo)
IAL, Instituto Adolfo Lutz
INS 330, inscrição nacional de saúde 330
LD, limite de detecção;
LQ, limite de quantificação;
LR, faixa linear de resposta;
NADH, hidrogênio nicotinamida adenina dinucleotídeo
OMS, World Health Organization (Organização Mundial de Saúde)
RSD, desvio padrão relativo
SFA, segment flow analysis (fluxo contínuo segmentado)
SVS/MS, Secretaria de Vigilância Sanitária/ Ministério da Saúde
TRL, tempo de restabelecimento de linha base;
UV/VIS, ultravioleta/ visível
VC, voltametria cíclica
RESUMO
Neste trabalho foi investigado um sensor potenciométrico à base de
eletrodo de grafite para a determinação de ácido cítrico em bebidas utilizando um
sistema de análise por injeção em fluxo. A resposta máxima do sensor foi obtida
por injeção de 65 µL de ácido cítrico na solução carregadora contendo KCl 0,1
mol L
-1
à vazão de 1,0 mL min
-1
. O sensor apresentou uma faixa linear de resposta
de 0.07 - 7.0 mmol L
-1
e o limites de quantificação e detecção de 15,60 e 5,15
nmol L
-1
, respectivamente. Foi observada boa seletividade para várias espécies
interferentes (carboxilatos e ácidos orgânicos). O sensor é de fácil construção e
apresenta rápida resposta analítica (120 segundos) mantendo ainda suas
características. O método proposto foi aplicado para determinação de ácido cítrico
em amostras de bebidas.
Os resultados mostraram que o sensor proposto pode ser usado como
sistema de detecção em fluxo, para a determinação de ácido cítrico em amostras
de bebidas, tais como, sucos e bebidas isotônicas.
ABSTRACT
In this work, a potentiometric sensor based graphite carbon electrodes was
constructed. The proposed sensor was applied for determination of citric acid in
beverages using a flow system. The maximum response was obtained for 1.0 mL
min
-1
flow rate of the carrier stream (0.1mol L
-1
KCl at pH 7.0) and 65 µL of citric
acid. This electrode has a wide linear dynamic range between 0.07 - 7.0 mmol L
-1
, quantification limit and detection limit of 15,60 nmol L
-1
and 5,15 nmol L
-1
,
respectively. The proposed sensor displayed good selectivities over a variety for
other anions (carboxylates and organic acids).The electrode is easily constructed
at a relatively low cost with fast response time (within 120 s) without significant
change in its performance characteristic.
The potentiometric sensor was successfully applied to the determination of
citric acid in real food samples, that is, juices and isotonic drinks.
1
1. Revisão bibliográfica
No crescente consumo mundial de alimentos e bebidas relata-se, por meios
de comunicação, cada vez mais práticas na conservação destes alimentos para
atender as necessidades do consumo. Segundo CUBEROT et. al. (2004), isto se
deve as alterações dos alimentos, causada por microorganismos, que é uma das
causas mais preocupantes da indústria alimentícia. Porque, além de perder grande
quantidade de nutrientes, podem dar lugar a intoxicações graves.
Para que isto não ocorra, existe uma série de fatores que influenciam no
desenvolvimento de uma alteração microbiana tais como: tempo, temperatura, pH,
potencial redox, pressão osmótica e água livre.
Por isto, toda indústria alimentícia tem os objetivos que consistem
basicamente em prolongar o período durante o qual o alimento permanece
adequado para o consumo, aumentar a variedade da dieta, fornecer os nutrientes
necessários para a manutenção da saúde e gerar lucros para os fabricantes
(FELLOWS, 2006).
Os alimentos que não estão aptos para o consumo, são aqueles que por
diferentes causas não estão dentro das especificações da Lei. Podem ser:
a) Alimentos contaminados;
b) Alimentos alterados;
c) Alimentos falsificados;
d) Alimentos adulterados.
Desta forma faz–se necessária a análise de alimentos. E esta análise é
importante dentro dos seguintes setores:
2
Indústrias – controle de qualidade, controle de processos em águas,
alimentos, matérias-primas, produto acabado, embalagens, etc.
Universidades e institutos de pesquisa – desenvolvimento de
metodologia, controle de processos, prestação de serviços, etc.
Órgãos governamentais – registro de alimentos, fiscalização na
venda e distribuição, etc.
A análise de alimentos pode apresentar as seguintes finalidades:
Controle de qualidade de rotina – é utilizado tanto para checar a
matéria-prima que chega a indústria, como o produto acabado que sai de uma
indústria, além de controlar os diversos estágios do processamento. Nestes casos,
de análises de rotina, costuma-se, sempre que possível, utilizar métodos
instrumentais que são bem mais rápidos que os convencionais.
Fiscalização – é utilizada para verificar o cumprimento da
legislação, através de métodos analíticos que sejam precisos e exatos e, de
preferência, oficiais.
Pesquisa – é utilizada para desenvolver ou adaptar métodos
analíticos exatos, precisos, sensíveis, rápidos, eficientes, simples e de baixo custo
na determinação de um dado componente do alimento.
Em análise de alimentos, os objetivos se resumem em determinar um
componente específico do alimento, ou vários componentes. A determinação do
componente deve ser através da medida de alguma propriedade física como:
medida de massa ou volume, medida de absorção de radiação, medida de
potencial elétrico, etc.
3
Existem dois tipos básicos de métodos em análise de alimentos: métodos
convencionais e instrumentais. Os primeiros são aqueles que não necessitam de
nenhum equipamento sofisticado, isto é, utilizam apenas a vidraria e reagentes, e
geralmente são utilizados em métodos gravimétricos e volumétricos. Os métodos
instrumentais, como o próprio nome diz, são utilizados equipamentos eletrônicos
de configuração simples até os mais sofisticados. São utilizados, sempre que
possível os métodos instrumentais no lugar dos convencionais por serem mais
precisos, sensíveis e ainda alguns destes métodos são não-destrutivos de amostras,
o que já não ocorre nos métodos convencionais (gravimétricos e titulométricos) o
que seria uma vantagem em termos da Química limpa e produção de efluentes
químicos.
A palavra bromatologia deriva do grego Broma, bromatos significa “dos
alimentos”; e logos significa ciência, portanto bromatologia significa ciência dos
alimentos. A bromatologia estuda os alimentos, sua composição química, sua ação
no organismo, seu valor alimentício e calórico, suas propriedades físicas,
químicas, toxicológicas e também adulterantes, contaminantes, fraudes e etc.
Enfim, tem a ver com todos os diferentes aspectos que envolvem um alimento,
com isto permitindo o juízo sobre a qualidade do alimento.
A análise bromatológica, dentro do contexto da química analítica aplicada,
desempenha importante papel avaliador da qualidade e segurança dos alimentos.
Em determinados momentos, a sua utilização torna-se decisiva para equacionar e
resolver problemas de saúde pública e também para definir e complementar ações
de vigilância sanitária. Atua, também, como coadjuvante nas inovações
tecnológicas de alimentos. Devido à complexidade da sua constituição orgânica,
4
os alimentos muitas vezes são considerados matrizes difíceis de serem
manipuladas; o analista deverá estar devidamente treinado, e somente a
experiência ao longo dos anos poderá fornecer segurança analítica. Dentre os
requisitos essenciais para evidenciar a qualidade de um trabalho laboratorial e
fornecer confiabilidade aos resultados emitidos, a escolha adequada de
metodologia analítica é, sem dúvida nenhuma, de grande relevância. De nada
adianta um laboratório dispor de instalação e equipamentos de ponta, se o método
analítico selecionado não for apropriado.
Em razão dos avanços tecnológicos na ciência dos alimentos, tanto nos
aspectos toxicológico como de identidade e qualidade, tornam-se imperativas a
necessidade da modernização e a contínua atualização dos métodos analíticos.
Novas técnicas instrumentais, baseadas em determinados princípios físicos e
químicos, freqüentemente são desenvolvidas, assim como, a utilização da biologia
molecular, para cada vez mais quantificar espécies químicas em concentrações
muito baixas.
São inúmeros, na literatura científica corrente, os métodos para detectar e
quantificar níveis de contaminantes químicos e avaliar a autenticidade de
alimentos. Muitas vezes, o laboratório fica incapacitado para acompanhar tamanha
mudança e modernidade. Há necessidade da disposição de métodos alternativos de
análises, quando possível, que estejam ao alcance da maioria dos laboratórios,
notadamente, os de saúde pública. Nem sempre o método que faz uso do
equipamento sofisticado e dispendioso é o mais adequado; às vezes, dependendo
do analito e da sua concentração em um dado alimento, a utilização de
metodologia tradicional e de baixo custo torna-se mais eficiente. Por exemplo, os
5
métodos volumétricos e espectrofotométricos na região do ultravioleta/ visível
(UV/VIS) não devem ser considerados obsoletos e ultrapassados.
Em face à grande dinâmica na atualização da legislação de alimentos no
Brasil, principalmente nos últimos anos, e à luz dos novos conhecimentos
científicos mundiais, torna-se inevitável a adequação de metodologia analítica
para que os laboratórios possam cumprir as novas exigências legais. Nos últimos
anos, foram publicadas várias Resoluções e Decretos a respeito de alimentos,
tanto no Ministério da Agricultura como no Ministério da Saúde (INSTITUTO
ADOLFO LUTZ, 2008).
A bromatologia é muito importante, pois ela é quem atua em vários
segmentos do controle de qualidade, do processamento e do armazenamento dos
alimentos processados. Muitas vezes, o termo análise de alimentos é substituído
pelo termo “química de alimentos”.
1.1. Aditivos alimentares
Com o advento do desenvolvimento tecnológico, é grande e variado o
número de substâncias químicas empregadas no decorrer de todo o processo de
produção de alimentos. Dentre estas substâncias inóculas, destacam-se os aditivos,
que podem apresentar grandes vantagens para melhorar a qualidade dos alimentos
do ponto de vista tecnológico, desde que seu uso seja seguro. Para isto, é
necessário verificar se obedecem às normas de identidade e pureza estabelecidas
pela World Health Organization e Food and Agriculture Organization of the
United Nations (FAO/OMS, 1999) ou pelo Food Chemicals Codex, e exigidos
pela legislação brasileira (DIÁRIO OFICIAL DA UNIÃO, 1998).
6
As substâncias usadas como aditivos alimentares, de acordo com ANVISA,
são agrupadas em classes cujo uso é permitido, sendo estabelecidos alguns
critérios tais como, os alimentos em que podem ser usados e os limites máximos
no produto final. Estas classes são revisadas e acrescidas com novas substâncias
sempre que necessário.
A partir de 1997, houve muitas alterações na legislação de aditivos
alimentares, a fim de compatibilizar a legislação nacional com o estabelecido nas
resoluções do Mercosul, a começar com a Portaria nº 540 da Secretaria da
Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde (SVS/MS) de 27/10/1997 (ANVISA,
1997), que aprova o regulamento técnico de aditivos alimentares e os define como
“qualquer ingrediente adicionado intencionalmente aos alimentos, sem propósito
de nutrir, com o objetivo de modificar as características físicas, químicas,
biológicas ou sensoriais durante a fabricação, processamento, preparação,
tratamento, embalagem, acondicionamento, armazenagem, transporte ou
manipulação de um alimento. Ao agregar-se, poderá resultar que o próprio
aditivo ou seus derivados se convertam em um componente de tal alimento. Esta
definição não inclui os contaminantes ou substâncias nutritivas que sejam
incorporadas ao alimento para manter ou melhorar suas propriedades
nutricionais.” Esta Portaria também altera a classificação dos aditivos alimentares,
aumentando de 11 para 23 classes funcionais (INSTITUTO ADOLFO LUTZ,
2008).
Os aditivos alimentares, espécies químicas adicionadas aos alimentos,
devem ser substâncias inócuas ao homem e utilizadas para o benefício geral dos
alimentos industrializados.
7
Esta mesma legislação obriga os produtores a mencionarem nas embalagens
de alimentos e bebidas os aditivos utilizados (FAO/WHO, 1999) e também proíbe
que os aditivos substituam a matéria-prima básica, alterem o valor nutritivo, sejam
tóxicos ou mascarem falhas de fabricação. Muitos aditivos utilizados em
alimentos e bebidas apresentam propriedades toxicológicas. Portanto, é dever dos
órgãos competentes fiscalizarem a qualidade dos alimentos industrializados para
preservar a saúde dos consumidores.
1.1.1. Tipos de aditivos
A seguir encontram-se comentadas algumas classes de aditivos, cujas
definições foram extraídas da Portaria n° 540/97:
Acidulantes/Reguladores de acidez - substâncias que aumentam a acidez ou
conferem um sabor ácido aos alimentos, dentre estas são de maior emprego os
ácidos orgânicos, tais como: o ácido cítrico, tartárico, láctico, fumárico e málico;
além do ácido fosfórico. Estes ácidos também podem ser utilizados como
reguladores de acidez, substâncias que alteram ou controlam a acidez ou a
alcalinidade dos alimentos.
Antioxidantes - substâncias que retardam o aparecimento de alterações
oxidativas nos alimentos. Geralmente são utilizados os galatos (propila, octila ou
duodecila), ácido ascórbico e seus isômeros, 2,6-di-terc-butil-4-metilfenol (BHT)
e 2-terc-butil-4-hidroxianisol ou 3-terc-butil-4-hidroxianisol (BHA).
Conservantes - são substâncias que impedem ou retardam as alterações dos
alimentos provocadas por microorganismos ou enzimas. Entre os de maior
emprego estão: dióxido de enxofre, ácido benzóico, ácido sórbico, ácido
propiônico na forma livre, ou de sais de sódio ou potássio e nitritos e nitratos de
sódio e de potássio.
8
No Brasil, são permitidos mais de 300 aditivos.
A Tabela 1 nos mostra algumas aplicações de aditivos em alimentos de
acordo com suas respectivas classes.
Tabela 1: Aplicações de alguns ácidos carboxílicos e seus sais na indústria
alimentícia.
Aditivo
Função
Ação
Alimentos
Propionato de sódio ou
cálcio
Conservante
Propionato de cálcio: previne o
crescimento do mofo em pães.
Propionato de sódio: usado em tortas e
bolos
Pães, tortas e bolos
Ácido cítrico/
Citrato de sódio
Acidulante,
Aromatizante, agente
quelante
Ácido cítrico: usado como ácido forte,
um aromatizante cítrico, e como
antioxidante.
Citrato de sódio: um constituinte de
tampão que controla acidez de
gelatina, geléia, sorvetes, balas e
outros alimentos.
Sorvetes, sucos de frutas, balas,
bebidas carbonatadas, fritas
(batatas)
Ácido fumárico
Acidulante
É uma fonte ideal de acidez em
gêneros alimentícios secos.
Bebidas energéticas, pudins,
gelatinas, tortas.
Ácido lático
Regulador de acidez
Inibe a deterioração de azeitonas,
controla a acidez em queijos
industrializados. Confere sabor picante
a sobremesas congeladas, bebidas
carbonatadas e aromatizadas com
aromas de frutas, etc.
Azeitonas, queijos, sobremesas
congeladas e bebidas carbonatadas
Benzoato de sódio
Conservante
Indústrias o têm usado por mais de 70
anos para prevenir o crescimento de
microorganismos em alimentos ácidos.
Sucos de fruta, bebidas
Carbonatadas e conservas
Ácido sórbico/
Sorbato de potássio
Antimofo
Ocorre naturalmente em plantas e em
alimentos, previne o mofo
Queijo, bolos, vinhos, frutas
desidratadas, xaropes e geléias
Ácido ascórbico
Antioxidante,
Estabilizante
Previne a perda de cor e sabor por
reagir com o “indesejável” oxigênio
em alimentos; também evita a
formação de nitroaminas, que se
formam do nitrito de sódio usado com
inibidor de crescimento de
microorganismos
Carnes, sucos e alimentos
Enriquecidos
Tartarato ácido de
Potássio
Acidulante
Ingrediente ácido de fermentos em pó
e controlador de acidez
Fermentos em pó, massas assadas
Fonte: QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Ácida orgânicos N° 15, MAIO 2002
9
Os excessos destes aditivos químicos podem causar vários problemas de
saúde, em geral em pessoas mais sensíveis. Se por um lado os aditivos são bons
para conservar, realçar sabor, etc, por outro lado o excesso destes pode acarretar a
vários problemas de saúde.
É vetado o uso de aditivos quando:
Houver evidência ou suspeita de que o mesmo possui toxicidade ou
um potencial de toxidade;
Interferir sensivelmente e desfavoravelmente no valor nutritivo dos
alimentos; induzir o consumidor a um erro, engano ou confusão.
Segundo CARVALHO (2005), alguns males que o excesso de aditivos
químicos pode causar à saúde humana:
Fosfolipídios causam colesterol e arteriosclerose;
Aromatizantes causam alergias, crescimento retardado de câncer;
Sacarina pode provocar algum tipo de câncer;
Nitritos e nitratos câncer de estômago e esôfago;
Ácido benzóico, polissorbados e umectantes causam alergias e
distúrbios gastrointestinais;
Dióxido de enxofre causa redução do nível de vitamina B1 e
mutações genéticas;
Alguns corantes artificiais causam anemia, alergias, toxidade sobre
fetos, podendo nascer crianças mal formadas;
Ácido cítrico causa cirrose hepática e descalcificação dos ossos;
Os BHT e BHA são tóxicos aos rins e fígado e interferem na
reprodução.
10
1.1.2. Ácido cítrico
A Figura 1 mostra a fórmula estrutural do ácido cítrico.
Figura 1 - Fórmula estrutural do ácido cítrico (fonte: Wikipédia.org)
O ácido cítrico ou citrato de hidrogênio, de nome oficial ácido 2-hidroxi-1,
2,3-propanotricarboxílico, é um ácido orgânico fraco, que se pode encontrar nos
citrinos. É usado como conservante natural (antioxidante), sendo conhecido
também como acidulante INS 330, dando um sabor ácido e refrescante na
preparação de alimentos e de bebidas. Em bioquímica, é importante o seu papel
como intermediário do ciclo do ácido cítrico, de forma que ocorre no metabolismo
de quase todos os seres vivos.
O ácido cítrico é um ácido triprótico por ser um ácido que possui três
constantes de equilíbrio (Ka). As equações abaixo representam estes processos de
ionização do ácido cítrico:
H
3
C
6
H
5
O
7
→ H
+
+ H
2
C
6
H
5
O
7
-
Ka
1
= 7,44x10
-4
(pKa = 3,13)
H
2
C
6
H
5
O
7
-
→ H
+
+ HC
6
H
5
O
7
-2
Ka
2
= 1,73x10
-5
(pKa = 4,76)
HC
6
H
5
O
7
2
-
→ H
+
+ C
6
H
5
O
7
-3
Ka
3
= 4,02x10
-7
(pKa = 6,40)
11
Em determinações físico-químicas de aditivos, conservantes e acidulantes,
faz-se a técnica ao qual se determina a acidez total titulável (ATT). Em bebidas,
de acordo com a ANVISA (1997) e CODEX (1996), é determinada geralmente a
acidez em termos da concentração do ácido cítrico, por devido esta espécie a ser a
espécie ácida encontrado em maior quantidade nestas soluções.
1.2. Metodologias usadas na quantificação de ácidos totais em bebidas.
A determinação da acidez nos alimentos (COMMITTEE ON FOOD
CHEMICALS CODEX, 1996) é enquadrada dentro dos respectivos métodos
físico-químicos na área de analise de alimentos. Estes basicamente se dividem em
dois métodos clássicos: a gravimetria e a titulometria. Mas geralmente os métodos
mais utilizados, são os métodos titulométricos, na determinação da acidez total
titulável em alimentos especialmente em bebidas, lembrando que em alguns
alimentos são expressos em termos da concentração de ácido cítrico.
Para esta quantificação do acidulante, o ácido cítrico, usa-se comumente a
titulação volumétrica com solução aquosa de hidróxido de sódio 1 mol L
-1
,
solução de fenolftaleína 1% m/v. Cada mL de NaOH 1mol L
-1
é equivalente a
64,04 mg de H
3
C
6
H
5
O
7
.
A determinação da acidez em amostras, segundo CHAVES et al (2004), foi
determinada através de uma técnica simples de titulação com base padronizada,
utilizando a norma do INSTITUTO ADOLFO LUTZ (2008). O Valor médio da
caracterização físico-química do suco da acerola em termos da acidez titulável foi
de 74,9 mmol L
-1
(% ácido cítrico foi de 1,44 ± 0,02).
12
GODOY et al (2008), determinaram os ácidos tartárico, málico, ascórbico e
cítrico por cromatografia líquida de alta performance. Neste caso um detector de
arranjo de diodos (DAD), foi ajustado a 250 nm para ácido ascórbico e a 210 nm
para os demais ácidos. Para a separação cromatográfica foi utilizada uma coluna
de fase reversa C18 (150 x 4,6 mm ID, 3 μm) para a separação dos diferentes
composto pela interação com a coluna. A fase móvel utilizada para separação dos
ácidos foi uma solução aquosa de KH
2
PO
4
0,01 mol L
-1
, com pH ajustado para 2,6
com ácido fosfórico na vazão de 0,5 mL/min. A identificação foi feita através dos
tempos de retenção, espectros de absorção e com cromatografia quando
necessário. A quantificação foi realizada por curva de padronização externa com 7
pontos para cada ácido orgânico. As maiores concentrações dos padrões para
elaboração das curvas foram 0,01; 0,25; 0,5 e 0,8 mg mL
-1
para os ácidos
tartárico, málico, ascórbico e cítrico, respectivamente, os outros seis pontos foram
obtidos pela diluição em série com fase móvel (1/1). As curvas de calibração
também foram utilizadas na avaliação da faixa de linearidade. Todas as amostras e
a fase móvel foram filtradas em membrana 0,45 μm que por meio de uma
separação por exclusão, devido ao tamanho da partícula, excluíssem as impurezas
nesta solução, procedimento de segurança para a manutenção da coluna. Portanto
uma técnica que requer muito suporte técnico altamente especializado e custo alto
de manutenção/operação.
1.3. Métodos eletroanalíticos aplicados a quantificação de ácidos em
alimentos
Dentre as técnicas analíticas existentes, os métodos eletroanalíticos
compreendem um conjunto de métodos analíticos quantitativos baseados nas
propriedades elétricas de soluções do analito (SKOOG et al, 2008). A crescente
13
elaboração de metodologias eletroanalíticas para o monitoramento de fármacos
em fluídos biológicos (MAZO et al, 2003; SOUZA et al, 2004), em formulações
farmacêuticas (FATIBELLO-FILHO et al, 2003; RIZZON & SGANZERLA, 2007)
e também de pesticidas e vitaminas em alimentos e outras matrizes
(STRADIOTTO et al, 2004; SILVA et al, 2002) estão diretamente relacionadas
com a simplicidade, sensibilidade e custo das análises, quando comparada com
outros métodos analíticos como a cromatografia liquida de alta eficiência (CLAE).
As técnicas eletroquímicas constituem-se numa ferramenta para os químicos
analíticos especialmente por causa de algumas características vantajosas como a
elevada sensibilidade das determinações, custo moderado e portabilidade (BRETT
& BRETT, 1998; WANG, 2000; BARD & FAULKNER, 2001). A versatilidade das
técnicas eletroquímicas também merece destaque visto que é possível controlar as
reações eletródicas modificando-se a interface eletrodo-solução e selecionando-se
criteriosamente o potencial aplicado à célula. A facilidade de automação em
virtude da medição de sinais elétricos, a possibilidade de proceder à especiação de
íons metálicos em certos casos também consistem em aspectos que conferem aos
métodos eletroanalíticos uma posição de destaque no contexto da Química
Analítica.
Inerentes às propriedades acima destacadas, aparecem aspectos
desvantajosos das medições eletroquímicas, principalmente quando comparadas
às efetuadas com técnicas espectroscópicas. Um dos problemas refere-se à
interação do eletrodo com a amostra, que em muitos casos ocasiona perda ou
irreprodutibilidade nas medidas, mas existem alternativas que contornam essas
dificuldades.
14
No que tange ao uso de detectores potenciométricos em sistemas
hidrodinâmicos, cumpre destacar que a possibilidade de redução da exposição do
eletrodo a contaminações provenientes de amostras reais constitui-se em fator
relevante e que justifica os seguidos progressos oriundos da introdução de mostras
por sistemas de fluxo (RUZICKA & HANSEN, 1988; QUINTINO, 2004).
1.3.1. Detectores potenciométricos em fluxo
A necessidade de simplificar os procedimentos analíticos de preparação das
amostras, miniaturização, mecanização, redução dos custos e alta freqüência
analítica a efetuar, justificam um grande interesse no desenvolvimento e aplicação
da análise automática nestes últimos 40 anos. Tendo em conta que a maior parte
dos processos de separação se realiza em fase aquosa, SKEGGS (1957) deu o
primeiro passo no desenvolvimento de uma metodologia baseada em análise em
fluxo segmentado (SFA), em 1957, com monitorizarão contínuas dos parâmetros
em fluxo. Durante cerca de duas décadas, recorreu-se ao uso da segmentação,
como forma de evitar a dispersão, e conseqüentemente, mantendo a identidade de
cada amostra para promover análises contínuas de amostras.
Foi apenas em 1975 que surgiu o conceito de análise por injeção em fluxo
(FIA), no qual, pequenos volumes de amostra, rigorosamente medidos, eram
introduzidos de forma intermitente discreta num fluído (líquido) transportador,
que a arrastava através de um sistema de fluxo não segmentado (RUZICKA &
HANSEN, 1975). No percurso desse transporte, uma série de etapas de extração
sólido-líquido dos interferentes presentes na amostra que poderiam ser realizadas,
em unidades modulares adequadas, intercaladas em linha assim tornando o
sistema mais especifico, aumentando sua especificidade.
15
As determinações em sistemas em fluxo, FIA, além de apresentarem a
possibilidade de procedimentos analíticos com alta produtividade, empregando
equipamento de baixo custo apresentavam vantagens tais como: o uso de pouca
vidraria (somente no preparo das soluções), baixo consumo de reagente (pequenos
volumes), o que diminui o volume de efluente a ser tratado antes do descarte; é
um sistema fechado, o que minimiza os riscos de contaminação tornando-o
vantajoso em comparação com os procedimentos manuais. Particularmente em
relação ao fluxo segmentado, a possibilidade de efetuar as determinações em
condições de não equilíbrio físico ou químico, que permitiam um processamento
de dados mais versátil (facultando a análise da altura, área e largura de pico ou
distância entre picos).
Embora a metodologia FIA seja uma das mais recentes técnicas em fluxo, a
sua aplicação compreende já mais de 5000 artigos publicados, abrangendo desde
analitos inorgânicos a orgânicos, desde íons a macromoléculas, desde quantidades
vestigiais a altas concentrações, podendo ser utilizada em meios aquosos ou não
aquosos (RUZICKA, 1992; RUZICKA, 1994). O próprio conceito e definição de
análise por injeção em fluxo têm evoluído, decorrendo este fator seja das
potencialidades que a técnica foi oferecendo ao longo dos tempos, seja da sua
grande versatilidade de aplicação. Muito embora grande parte dos trabalhos
realizados nesta área contemplasse, como técnica de detecção, a
espectrofotometria, Ruzicka (RUZICKA et al, 1977; RUZICKA & HANSEN,
1978; RUZICKA et al, 1977) e Pungor (PUNGOR et al, 1975; PUNGOR et al,
1976; PUNGOR et al, 1978) exploraram também a possibilidade de aplicar FIA
conjuntamente com a detecção potenciométrica, sugerindo o desenvolvimento dos
sistemas denominados potenciometria por injeção em fluxo (FIP).
16
De acordo com a tabela 2 existem várias aplicações de sensores
potenciométricos com diferentes eletrodos de referencia para se efetuar analise de
diferentes espécies analíticas.
Tabela 2: Tipo de detectores potenciométricos utilizados em sistemas FIA
Tipos de eletrodos
Referências
Eletrodos de membrana cristalina
Araújo et al, 1998; Couto et al, 1998
Eletrodos Redox
Ohura et al, 1996
Eletrodos de 1ª espécie
Chen & Alexander, 1997; Chen &
Alexander, 1996.
Eletrodos de 2ª espécie
Altunbulduk et al, 1995; Frenzel et al, 1995
Os eletrodos seletivos de íons (ESI) são sensores eletroquímicos (IUPAC,
1994) que funcionam como detectores de superfície, pelo que a natureza do
processo eletroquímico, que geralmente decorre à superfície do sensor, os torna
especialmente atrativos para sistemas de análise em fluxo (VALCÁRCEL &
LUQUE de CASTRO, 1987). A simplicidade da aparelhagem que lhes está
associada torna-os particularmente indicados para processos de controle analítico,
como alternativo às normalmente morosas e dispendiosas metodologias
convencionais. Adicionalmente, são de fácil construção, as suas medições não são
afetadas pela coloração ou turvação das amostras e não destrutivas para amostra, o
que permite a avaliação multiparamétrica.
Por forma a que os resultados experimentais com os sistemas FIP sejam os
melhores possíveis, os eletrodos deverão apresentar certos requisitos, destacando-
se, uma rápida velocidade de resposta, reduzidos ruído elétricos, repetibilidade de
17
resposta, compatibilidade com os restantes componentes da montagem FIA e
facilidade de adaptação à mesma.
A inserção deste tipo de detectores em sistemas de FIA contribui igualmente
para uma melhoria das suas características operacionais (SHPIGUN, 1994;
FRENZEL, 1988), destacando-se a reprodutibilidade do sinal analítico, a
velocidade rápida de resposta e o condicionamento contínuo da membrana
sensora. Contribui ainda para uma melhoria da seletividade analítica, eliminação
da contaminação resultante do eletrodo de referência, pouco ou nenhum pré-
tratamento da amostra, já que este pode ser feito em linha, obtenção de elevados
ritmos de amostragem, facilidade de automatização dos métodos analíticos e
diminuição do consumo de reagentes quando comparado com a potenciometria
com eletrodos convencionais (FRENZEL, 1988).
Pelas vantagens enumeradas compreende-se que a técnica da
potenciometria, como de detecção, tenha sofrido um grande desenvolvimento nas
últimas duas décadas, tendo-se estabelecido novos tipos de sensores
potenciométricos, novos processos de construção e diferentes tipos de
acoplamento aos sistemas de fluxo. Desta forma, pretendeu-se dar resposta aos
problemas e limitações que foram sendo encontrados e reavivar um novo interesse
pela potenciometria como metodologia analítica (FERREIRA & LIMA, 1993).
1.4. Sensores
O sensor é um dispositivo que transforma a informação química em sinal
analiticamente útil. De modo geral um sensor possui dois elementos básicos: (i) a
fase sensora ou de reconhecimento, em que ocorre a interação com o analito; (ii) o
transdutor que tem a propriedade de converter a grandeza físico-química em um
18
sinal mensurável. Dependendo da natureza física do sinal, os sensores podem ser
classificados em eletromagnético, elétrico ou térmico. No caso em que o sinal é
elétrico, o sensor ora denominado de "sensor eletroquímico" pode ser
amperométrico, potenciométrico ou condutimétrico (CASTILHO, 2003).
Os sensores estão nas novas tendências atuais no desenvolvimento das
operações em química analítica. Desta forma, os resultados obtidos podem ser
analisados e correlacionados com outros parâmetros no ambiente em que estão
inseridos. Estes dispositivos possuem características peculiares que os distinguem
de métodos instrumentais de largo porte, os quais, por sua vez, são cada vez mais
precisos, sensíveis e seletivos, mas não permitem a obtenção de informações in
situ e em tempo real. Dados nestas condições experimentais são facilmente
obtidos com sensores e, mesmo que as medidas não tenham precisão e exatidão
comparáveis às dos métodos instrumentais, em muitas ocasiões têm-se elementos
suficientes para tomadas de decisão tais como:
Na indústria em termos da qualidade do produto final;
No meio ambiente em termos da emissão de gases tóxicos
E na medicina em termos da necessidade ou não de cirurgias.
Características vantajosas também inerentes ao uso de sensores referem-se à
portabilidade, facilidade de automação, possibilidade de miniaturização, química
limpa e baixo custo operacional.
A Figura 2 apresenta um esquema geral dos principais componentes de um
sensor eletroquímico. A obtenção de informação analítica depende essencialmente
da capacidade da membrana, usualmente posicionada na extremidade do
dispositivo, em reconhecer a espécie de interesse de maneira seletiva. Por sua vez,
o sinal transmitido deve ser maximizado em relação às informações sobre o
19
analito, ou seja, deseja-se minimizar o efeito de contribuições estranhas como, por
exemplo, interferentes, ruídos eletrônicos ou erros experimentais como por
exemple a câmara de bolhas e a câmara redutora de pulsos. Neste sentido, a
efetiva capacidade do dispositivo em discriminar o analito constitui-se em aspecto
de grande importância na fabricação de sensores de uso geral e em larga escala,
devendo-se ressaltar, entretanto, que aspectos referentes à sensibilidade,
estabilidade e robustez também devem ser considerados.
Figura 2 - Esquema geral dos principais componentes de um sensor eletroquímico (fonte: Quim.
Nova, vol. 29, nº 6, 2006)
Dentre os sensores, há várias classificações possíveis às quais podem se
basear no tamanho, tipo de aplicação ou mecanismo de transdução da resposta. De
acordo com o banco de dados do ISI Web of Knowledge
SM
, existem
aproximadamente 47 mil artigos científicos publicados contendo a palavra-chave
“sensor” ou “sensors”, desde 2000.
Mesmo no que concerne às técnicas eletroquímicas, verifica-se a existência
de milhares de trabalhos sobre o assunto em que são abordados tópicos sobre
novos materiais, aplicações em amostras ambientais, biológicas e de interesse
industrial, novos métodos de fabricação, estratégias para melhoria na seletividade
e nos limites de detecção, etc. O vigor nesta área é atestado pela publicação de
20
aproximadamente 2,7 mil artigos em igual período de tempo, selecionados com
base nas palavras-chave “electrochemical and sensor” e “electrochemical and
sensors”, alguns dos quais consistindo em excelentes e abrangentes revisões
relativamente recentes sobre o tema (PEREIRA et al, 2006; SALES et al, 2008;
FERREIRA & AVACA, 2008; STRADIOTTO et al, 2004; MACHADO et al, 2006;
CAVALHEIRO et al, 2008; NUNES et al 2007; FATIBELLO-FILHO et al, 2008;
STRADIOTTO et al, 2003; ASHLEY, 2003; STETTER et al, 2003; BAKKER,
2004; HANRAHAM et al, 2004; WRÓBLEWSKY et al, 2004). Aplicações destes
dispositivos para obtenção de informações no campo e em amostras de interesse
ambiental (LOWINSOHN & BERTOTTI, 2006; ASHLEY, 2003; HANRAHAM et
al, 2004) exemplificam a importância desta área de pesquisa no contexto social,
econômico e da saúde.
A fabricação de sensores descartáveis (ANGNES et al, 2000; VALBERES &
ANGNES, 1998; CHENG et al, 2003) e o desenvolvimento de tecnologias que
permitem a imobilização de enzimas em sistemas eletródicos para confecção de
biossensores com elevada estabilidade também têm atraído o contínuo interesse de
pesquisadores ligados à Eletroanalítica (NUNES et al, 2007; FREIRE et al, 2003).
Sofisticados métodos para “screen-printing” surgem rotineiramente na literatura
(NASCIMENTO & ANGNES, 1998; HONEYCHURCH & HART, 2003; HART et
al, 2004) e a possibilidade de fabricação de microeletrodos viabilizam ganho de
sensibilidade e abrem perspectivas para monitoramento multielementar
(HERDAN et al, 1998; WILLIANS & D’SILVA, 1994), impulsionam pesquisas
com vistas a aplicações rotineiras dos dispositivos dentro da medicina, na
indústria e no meio ambiente.
21
Entre os sensores eletroquímicos, os amperométricos e potenciométricos
tem sido os mais utilizados. (THEVENOT et al, 2001; LOWINSOHN &
BERTOTTI, 2006; SCHULZE et al, 2002).
A Figura 3 mostra o esquema de uma medida potenciométrica cujo princípio
básico é o desenvolvimento de potenciais sobre um eletrodo pelo acúmulo de
cargas, aumentando assim a densidade de carga na superfície de um eletrodo.
Figura 3: Sensor potenciométrico.
Este processo ocorre pela medida do potencial de célula eletroquímica na
ausência de uma corrente apreciável. O potencial desenvolvido é descrito pela
atividade da espécie analítica numa amostra através da equação de Nernst:
22
i
A
nF
RT
EE ln)(
0
Onde E
0
é o potencial padrão para a
i
= x mol L
-1
(atividade iônica), R é a
constante dos gases (8,315 J K
-1
mol
-1
), F é a constante de Faraday (96485 C
mol
-1
), T é a temperatura em K (298,2 K), n é o número de elétrons envolvidos na
reação. A magnitude do potencial desenvolvido é medida em decorrência da
diferença de potencial entre o eletrodo indicador (sensor) e um eletrodo de
referência (e.g. Ag/AgCl, Hg/Hg
2
Cl
2
) em solução de KCl sobre concentração
definida. A diferença de potencial entre o eletrodo indicador e o de referência é
proporcional ao logaritmo da atividade do íon ou da concentração da espécie
analítica de interesse.
Nos sensores, o funcionamento ocorre pelo aparecimento de um potencial
na interface eletrodo-solução, que é dependente de uma das espécies envolvidas.
A literatura relata sensores à base de carbono nas formas de carbono vítreo,
pasta de carbono e carbono grafite química mente modificado, mas, pouco se
relata do uso somente de carbono grafite sem modificação química.
SANTINI et al (2009) descreveram a modificação da superfície de carbono
grafite para a determinação de ácido sórbico em alimentos onde usando a célula
eletroquímica do tipo Ag|AgCl | KCl (0, 010 mol L
-1
) KNO
3
(0,490 mol L
-1
) |
KNO
3
(0,500 mol L
-1
)| KSOB (x mol L
-1
) KNO3 (0,500 – x mol L
-1
)| Pt | Hg |
Hg
2
(SOB)
2
| Grafite, determinou-se íon sorbato com uma faixa de trabalho 5,0 x
10
-7
– 1,05 x 10
-2
mol L
-1
com uma faixa de pH entre 6,0 – 9,0 com rápida
resposta entre 15-30 segundos (alta freqüência analítica). CHEN e YU (1999)
23
determinaram íon ascorbato usando um eletrodo de carbono grafite em solução de
NaOH 100 mmol L
-1
por potenciometria. As figuras de mérito foram: faixa linear
de 1,0x10
-3
mmol L
-1
a 10 mmol L
-1
, limite de detecção 5,0x10
-3
mmol L
-1
, pH
entre 12-13 e com rápidas respostas menores que 60 s (alta freqüência analítica).
2. Objetivos
O objetivo do presente trabalho foi propor uma metodologia de baixo custo,
simples e rápida para a determinação de ácido cítrico utilizando um sensor
potenciométrico, em fluxo. Desta forma, destacam-se:
Desenvolvimento de metodologia baseada na detecção de aditivos
com ênfase ao ácido cítrico aplicados em amostras de bebidas.
Caracterizar as figuras de mérito do método proposto tais como:
curvas analíticas, linearidade, detectabilidade (limite de detecção e limite
de quantificação), precisão (repetividade, intervalo de confiança, desvio
padrão relativo).
Aplicar a metodologia desenvolvida em amostras de bebidas
dando ênfase a algumas consumidas por esportistas (sucos de frutas e
isotônicos).
24
3. Parte Experimental
3.1. Reagentes
• Ácido Cítrico anidro PA, (H
3
C
6
H
5
O
7
), 99,5%; ISOFAR M.M. = 192,13 g mol
-1
.
• Ácido perclórico (HClO
4
), 70%, A.C.S, M.M. = 100,46 g.mol
-1
.
• Cloreto de potássio (KCl), 99%; M.M = 74,56; NUCLEAR.
• Cloreto de sódio (NaCl), 100%, BIOTEC; M.M.= 58,44 g.mol
-1
.
• Ferricianeto de potássio [K
3
Fe(CN)
6
], 100%, REAGEN M.M.= 329,25 g.mol
-1
.
• Ferrocianeto de potássio [K
4
Fe(CN)
6
.3H
2
O], 100%, Vetec, M.M.=422,39 g. mol
-
1
.
• Fosfato de potássio monobásico anidro (KH
2
PO
4
), 99%; CINÉTICA; M.M.=
136,09 g.mol
-1
.
• Fosfato de sódio dibásico heptahidratado (Na
2
HPO
4
. 7H2O), 99%; CINÉTICA;
M.M.= 268.07 g.mol
-1
.
• Hidróxido de sódio (NaOH), 100%, Vetec, M.M.= 40,00 g.mol
-1
.
• Nitrato de potássio (KNO
3
), 99%; M.M.= 101,10 g.mol
-1
.
25
3.2. Materiais e equipamentos utilizados
Toda a vidraria utilizada foi deixada em banho de ácido nítrico (solução
10% v/v) por aproximadamente 24 horas e lavada com água deionizada.
Água deionizada foi obtida de sistema de purificação de água por osmose
reversa - Master System Gehaka (figura 4 A). Medidas de pH foram realizadas
utilizando pHmetro Digital PG1800 (figura 4 B). Foi utilizado ainda um ultra-som
Ultrasonic Cleaner 1450 USC (figura 4 C) para a limpeza dos eletrodos.
Figura 4 - Equipamentos utilizados para o fornecimento de água (A), medidas de pH (B) e
limpeza dos eletrodos por ultra-som(C).
Para os estudos eletroquímicos foi utilizada uma célula eletroquímica de três
compartimentos (figura 5A). Como eletrodo auxiliar foi utilizado uma placa de
platina de 2cm
2
de área aparente (figura 5 B). Todos os potenciais são referidos a
um eletrodo de referência de prata cloreto de prata (Ag/AgCl) saturado (figura 5
C). O eletrodo de trabalho utilizado foi um disco de carbono grafite, com 6mm de
diâmetro, (figura 5 D). Um sistema eletroquímico para a voltametria cíclica (VC)
montado pode ser visto na figura 5 E.
26
Figura 5 - Materiais utilizados nos estudos eletroquímicos: cela eletroquímica de três
compartimentos (A), placa de platina (B), eletrodo de referência (C), eletrodo de trabalho (D) e
sistema VC (E).
Para as medidas eletroquímicas foi utilizado um potenciostato CH
Instruments modelo 1120 A (figura 6 A). Medidas potenciométricas foram
realizadas utilizando um potenciostato da CH Instruments Modelo 760C (figura 6
B). Uma politriz Aropol 2V da Arotec (figura 6 C) foi utilizada para polimento
mecânico dos eletrodos de trabalho.
B
27
Figura 6 – Equipamentos utilizados nos experimentos eletroquímicos e limpeza dos eletrodos: (A)
potenciostato CH instruments modelo 1120 A, (B) potenciostato/galvanostato AutoLab e (C)
politriz Aropol 2V da Arotec.
A figura 7 ilustra o diagrama do sistema em fluxo utilizado neste trabalho.
Tubos de polietileno (0,5 mm de diâmetro interno) foram usados para alças de
injeção, linhas de transmissão, bobina de reação e injetor. As soluções foram
bombeadas usando uma Bomba peristáltica Minipuls 3 da Gilson e tubos de
Tygon
®
para bombeamento.
Figura 7 - Diagrama esquemático do sistema em fluxo utilizado neste trabalho. R
1
, solução
transportadora; P, bomba peristáltica ; W, resíduo; L alça injetora; I, válvula injetora; A,
soluções padrões de ácido cítrico preparadas em solução transportadora; B, bobina de reação;
C, detector potenciométrico.
28
A figura 8 ilustra o tipo de injetor utilizado nas injeções de amostras
(Figura 8 B e C), bomba peristáltica (figura 8 D) e o sistema FPI (figura 8 A).
Figura 8 – Imagens do sistema FIP (A), Injetor vista lateral (B), Injetor vista frontal(C) e Bomba
peristáltica Gilson ® (D).
O sistema de detecção proposto é uma célula eletroquímica (figura 9),
onde o eletrodo de referência é um fio de prata com cloreto de prata
eletrodepositado (Ag/AgCl
(Sat.)
), e o eletrodo indicador é um disco de carbono
grafite de 6 mm de diâmetro. O compartimento interno da célula possui
capacidade para 460L de solução sendo que suas peças foram construídas em
materiais em base de teflon e acrílico.
29
Figura 9 – Célula eletroquímica usada como sistema de detecção potenciométrico: (a)suporte de
teflon; (b) pino de contato; (c) revestimento de teflon; (d) peça de latão; (e) carbono grafite; (f)
anel de vedação; (g) peça de acrílico; (h) ponteira com eletrodo de referência.
a
b
c
d
e
f
g
h
30
3.3. Soluções
Foram preparadas soluções estoque a partir de quantidades adequadas de
reagentes com grau analítico e água deionizada. A água ainda foi deaerada por 45
minutos com nitrogênio ultra-puro. A partir de soluções estoque, foram
preparadas as soluções de trabalho e, em seguida, foram testadas.
3.3.1. Solução de Fe(CN)
6
4-
/ Fe(CN)
6
3-
Soluções padrão contendo o par redox Fe(CN)
6
4-
/ Fe(CN)
6
3-
foram
preparadas utilizando-se K
3
Fe(CN)
6
(5 mmol L
-1
) / K
4
Fe(CN)
6
(5 mmol L
-1
) em
0,1 mol L
-1
de KNO
3
. As soluções foram deaeradas por 45 minutos com
nitrogênio ultra-puro.
3.3.2. Solução Tampão Fosfato
Uma solução estoque de tampão fosfato (0,4 mol L
-1
) foi preparada
pesando-se 2,7218 g de KH
2
PO
4
e 2,8414 g de Na
2
HPO
4
e transferidos para um
balão de 100 mL que foi completado com água deionizada. A partir desta solução
padrão foram feitas as diluições necessárias para as soluções de trabalho.
3.3.3. Solução Transportadora
A solução transportadora (KCl 0,1 mol L
-1
) utilizada no sistema em fluxo,
foi preparada pesando-se 14,9100 g de KCl e, em seguida, transferido para um
balão volumétrico de 2 litros e o volume foi completado com água deionizada. Se
necessário, o pH da solução era corrigido para 7,00 com solução de NaOH ou
HCl. Esta solução foi usada no preparo das soluções de trabalho de ácido cítrico.
31
3.3.4. Solução de ácido cítrico
Esta solução foi preparada em KCl 0,1 mol L
-1
(pH de 7,0) pesando-se
0,01931g de acido cítrico que foi transferida para um balão de 100 mL. Esta era a
solução padrão de concentração de 100 mmol L
-1
, ao qual foi usada para a
reparação das soluções de trabalho do ácido cítrico.
3.4.Preparação de eletrodos
3.4.1. Eletrodo de referência
O eletrodo de Ag/AgCl
(Sat.)
foi obtido por eletrodeposição de AgCl na
superfície de um fio de Ag como anodo, e como catodo foi utilizado uma placa de
platina de 2cm
2
de área aparente, na presença de solução de acido clorídrico 0,10
mol.L
-1
. A eletrodeposição de AgCl no anodo foi realizada sob corrente constante
de 1 mA, durante duas horas, utilizando um Potenciostato/Galvanostato PAR-M-
270. Terminada a eletrodeposição, o fio de prata foi colocado no interior de uma
ponteira com extremidade inferior devidamente vedada, e preenchida com uma
solução de cloreto de potássio 3,00 mol L
-1
, saturada de AgCl (PEDROTTI et. al,
2005).
3.4.2. Eletrodo de trabalho
O eletrodo de trabalho (carbono grafite) foi polido mecanicamente em
politriz e, em seguida, polido manualmente em feltro umedecido com uma
suspensão de alumina 0,3 μm e água deionizada. Após esse tratamento, os
eletrodos foram levados a um banho ultra-som para remoção de partículas
residuais de alumina.
32
Os eletrodos polidos foram transferidos para a célula eletroquímica (figura 6
E), contendo a solução com o par redox Fe(CN)
6
4-
/ Fe(CN)
6
3-
previamente
desoxigenadas. Com objetivo de manter sempre o mesmo “padrão de superfície”
para os eletrodos utilizados, foram obtidos voltamogramas cíclicos variando-se o
potencial entre -0,10V a +0,50 V a uma velocidade de varredura de 100 mV s
-1
.
3.5. Preparação do sistema de detecção
A construção do sensor potenciométrico foi realizada utilizado um eletrodo
de trabalho contendo carbono grafite e um eletrodo de referencia Ag/AgCl
saturado. A superfície do eletrodo de carbono foi preparada conforme
procedimento descrito no item 3.4.2 deste trabalho. O eletrodo de carbono foi seco
em nitrogênio e guardado, em frasco hermeticamente vedado, até o uso. A célula
eletroquímica usada para as medidas de potencial foi:
Eletrodo de grafite | ácido cítrico, solução KCl 0,1M | | 3,0 M KCl, AgCl(s) | Ag
3.6.Medidas de voltamogramas dos eletrodos
As medidas de voltametria cíclica, dos eletrodos de grafite, foram realizadas
com objetivo de verificar as diferenças eletroquímicas provocadas pelos processos
de polimento mecânico da superfície.
Voltamogramas cíclicos dos eletrodos foram obtidos em cela de três
compartimentos (figura 5 E) contendo 5 mmol L
-1
K
3
Fe(CN)
6
, 5 mmol L
-1
K
4
Fe(CN)
6
e 0,05 mol L
-1
KNO
3
, variando-se o potencial entre -0,10V a +0,50 V
a uma velocidade de varredura de 100mV. s
-1
.
33
3.7.Resposta do sensor de grafite
3.7.1. Em função do volume e da vazão de fluxo
A vazão de fluxo e volume da alça de amostragem foram otimizados. O
comprimento da bobina não foi avaliado, pois não há reação entre a solução
transportadora e a amostra injetada. Os valores de vazão da solução transportadora
(KCl 0,1 mol L
-1
; pH 7,00) foram de 1,0; 2,0 e 3,0 mL min
-1
, utilizando 33, 65 e
130L de uma solução padrão de ácido cítrico 0,1 mmol L
-1
.
3.7.2. Em função da concentração de acido cítrico
A resposta do sensor de grafite, na presença de acido cítrico, foi monitorada
em potencial de circuito aberto vs. Ag/AgCl (3 mol L
-1
) em função do tempo,
utilizando um potenciostato da CH Instruments modelo 760 C. Foram injetados 65
L de solução padrão de ácido cítrico nas concentrações de 0,03 a 10 mmol L
-1
preparadas em solução transportadora (KCl 0,1 mol L
-1
; pH 7,00). Todas as
medidas foram realizadas em fluxo no sistema proposto (figura 9), utilizando
vazão de 1,0 mL min
-1
e bobina de 25 cm.
3.7.3. Em função do pH
Para avaliar a resposta do sensor de grafite, em função do pH do meio
reacional, foram preparadas soluções de ácido cítrico (0,1mmol L
-1
) em solução
transportadora de pH 7,00. O pH foi variado na solução transportadora (KCl 0,1
mol L
-1
) entre 3,00 a 8,40 usando soluções de ácido clorídrico (HCl) e hidróxido
de potássio (KOH) para as correções do pH. Para cada avaliação de pH, o volume
de padrão com ácido cítrico era o mesmo (65 L). A vazão e a bobina utilizadas
foram de 1,0 mL min
-1
e 25 cm, respectivamente.
34
3.7.4. Em função da concentração de tampão fosfato
Neste estudo foram utilizadas soluções tampão fosfato nas concentrações de
0,001 a 0,10 mol L
-1
, preparadas em KCl 0,1 mol L
-1
e pH corrigido para 7,00. A
variação do potencial da célula foi monitorada em fluxo, após adição de 65 L de
solução de ácido cítrico (10 - 0,03 mmol L
-1
), vazão da solução transportadora, 1,0
mL min
-1
e bobina de 25 cm.
3.8. Estudo de interferentes
Por Lei federal todo alimento tem que constar suas informações técnicas em seus
rótulos. E de acordo com as tabela 3 e 4 têm-se então as especificações destes
alimentos, os rótulos que respectivamente são: os sais de acetato, benzoato, citrato
e ácidos como o benzóico e ascórbico.
Tabela 3: Informação das substâncias presentes em isotônico (gatorede®)
Compostos
Quantidade por porção
Fosfato de potássio
24 mg/200mL
Citrato de sódio
90mg/200mL
Cloreto de sódio
84mg/200mL
Ácido cítrico
NI
NI – não informado pelo fabricante.
Tabela 4: substâncias presentes em sucos e refrigerantes
Compostos
Quantidade por porção
Ácido ascórbico
25mg/250 mL
Benzoato de sódio
NI
Ácido cítrico
NI
NI – não informado pelo fabricante.
35
E então foram feitos estudos preparando soluções de acetato de potássio,
benzoato de potássio, citrato de potássio, ácido benzóico e ácido ascórbico, nas
respectivas concentrações 1,0 mmol L
-1
e 5,0 mmol L
-1
a fim de aferir a
interferência destes na resposta analítica do ácido cítrico. Os sais e ácidos foram
escolhidos de acordo com os respectivos rótulos destes alimentos. Os efeitos de
interferência dos sais e ácidos foram avaliados em proporções de concentrações de
1:1 e 1:5 para a espécie analítica estudada.
3.9. Comparação de métodos
Estudos comparativos de métodos foram efetuados determinando o teor de
ácido cítrico em amostras de bebidas pelo método proposto e pelo método
titulométrico com NaOH/fenolftaleína. Para isto, 100 mL da amostra foram
transferidos para um balão de 500mL e, em seguida, completou-se o volume com
água deionizada. Retirou-se uma alíquota de 25 mL desta solução e transferiu-a
para um erlenmeyer para titular com solução padrão de NaOH 0,1 mol L
-1
usando
fenolftaleína 0,1% (m/v) como indicador.
3.10. Aplicação do método
O método proposto foi aplicado para detecção do ácido cítrico em amostras
de bebidas, obtidas no comércio da cidade de Uberlândia-MG. As amostras foram
diluídas com solução transportadora (KCl 0,1 mol L
-1
; pH 7,00) a uma
concentração de 5% v/v e, em seguida, injetada no sistema de fluxo.
36
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
Corrente /
A
Potencial / V vs. Ag/AgCl
(sat.)
4. Resultados e Discussões
4.1. Medidas eletroquímicas dos eletrodos de carbono grafite
Os eletrodos de grafite polidos foram avaliados frente ao par redox
K
3
Fe(CN)
6
/K
4
Fe(CN)
6
utilizando-se voltametria cíclica. Os eletrodos adequados
para uso seguiram o perfil observado na figura 10. A carga elétrica (Coulomb) foi
calculada integrando-se o voltamograma [corrente (A) vs. potencial (V)
/velocidade de varredura (V s
-1
)]. O valor de carga obtido para este voltamograma
foi 1,885 x 10
-3
C (da zona de oxidação ou redução) e todos os eletrodos de grafite
utilizados foram selecionados seguindo este valor, como critério de seleção,
considerando um coeficiente da variação de 5%.
Figura 10 – Voltamograma cíclico de eletrodo de carbono grafite em solução contendo 5 mmol
L
-1
de K
3
Fe(CN)
6
, 5 mmol L
-1
de K
4
Fe(CN)
6
e 0,1 mol L
-1
KNO
3
, 100mV s
-1
.
37
4.2. Resposta do sensor de grafite
Com a finalidade de verificar se os eletrodos de grafite podem ser utilizados
como sensores potenciométricos, investigaram-se o comportamento dos
respectivos eletrodos, em fluxo, quando em contato com soluções aquosas de
ácido cítrico em triplicatas. Para tanto foram injetados 65 L de solução padrão de
ácido cítrico a uma concentração de 0,1 mmol L
-1
. Os parâmetros de fluxo foram:
solução transportadora de KCl 0,1 mol.L
-1
em pH neutro (7,00), bobina de 25 cm
para vazões de 1,0; 2,0 e 3,0 mL min
-1
.
O aparecimento de um potencial desenvolvido na célula eletroquímica na
ausência de corrente apreciável, devido à diferença de potencial estabelecida entre
o eletrodo indicador (sensor) e o eletrodo de referência Ag/AgCl
(sat.)
, é o sinal
elétrico ou a resposta analítica traduzida pelo eletrodo indicador provocada pela
presença do ácido cítrico na interface da superfície do eletrodo. Esta resposta
analítica foi observada em todos os sensores estudados para uma concentração de
ácido cítrico de 0,1 mmol L
-1
(figura 11). Nesta concentração de ácido cítrico, os
eletrodos de grafite apresentaram resposta analítica de 10,52 mV. O eletrodo de
grafite apresentou para vazões 1,0; 2,0 e 3,0 mL min
-1
, os desvios padrões
relativos de 1,14; 0,77 e 0,52%, respectivamente. Observa-se que os desvios para
uma vazão maior são relativamente menores, porém o volume de efluente químico
produzido é muitas vezes maior que em baixa vazão, então a produção de pouco
efluente químico é o que justifica o uso da menor vazão.
Os tempos de restabelecimento da linha base foram relativamente próximos.
E também se observa um aumento do sinal analítico com o aumento da vazão, isto
se deve a limpeza eficiente na superfície do eletrodo e observa-se também o
38
menor desvio padrão relativo do sinal analítico. Isto significa que quanto maior o
fluxo maior é a resposta analítica em relação ao ácido cítrico presente.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
2
4
6
8
10
12
E / mV vs Ag/AgCl
(sat)
tempo / min
(A)
(B)
(C)
Figura 11 – Resposta potenciométrica do eletrodo de grafite em relação à solução de ácido
cítrico 0,1 mmol L
-1
nas vazões (A)1,0 mL min
-1;
(B)2,0 mL min
-1
; (C) 3,0 mL min
-1
.
O comportamento da resposta analítica em função da concentração de ácido
cítrico (figura 11) foi avaliado injetando-se 65L de soluções padrões de ácido
cítrico, em triplicata, nas concentrações de 0,03 a 10 mmol L
-1
nas condições
experimentais: solução transportadora de KCl 0,1 mol L
-1
em pH 7,00 em uma
vazão 1,0 mL min
-1
e bobina de 25 cm.
39
De acordo com a figura 12, temos que o eletrodo de grafite apresentou uma
faixa linear de resposta entre 0,07 mmol L
-1
a 7 mmol L
-1
. A resposta
potenciométrica em função da concentração para os eletrodos mostra uma
sensibilidade à variação da concentração do ácido cítrico na forma de seus íons.
-4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5
0
10
20
30
40
50
60
E / mV vs Ag/AgCl
(sat.)
Log [ Ácido Cítrico] / mol L
-1
Figura 12 – Resposta potenciométrica do eletrodo de grafite foi avaliada injetando 65
L de
soluções padrões de ácido cítrico, em triplicata em relação à concentração da solução de ácido
cítrico: (A)0,03 mmol L
-1;
(B) 0,07 mmol L
-1
; (C) 0,1 mmol L
-1
; (D) 0,3 mmol L
-1
; (E) 0,7 mmol
L
-1
; (F) 1,0 mmol L
-1
;(G) 3,0 mmol L
-1
;(H)7,0 mmol L
-1
;(I)10 mmol L
-1
. Sob condições
experimentais: solução transportadora (KCl 0,1 mol L
-1
; pH 7,00), vazão 1,0 mL min
-1
e bobina de
25 cm.
.
0 20 40 60 80 100
0
10
20
30
40
50
60
E / mV vs Ag/AgCl
(sat.)
tempo / min
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
(F)
(G)
(H)
(I)
40
4.3. Sensor potenciométrico
A resposta do sensor é definida como a variação de potencial causada pelo
acido cítrico injetado na solução transportadora. O sensor foi acoplado na célula
eletroquímica (figura 9) e esta foi usada como detector no sistema em fluxo
descrito na figura 9 A. As condições experimentais foram: vazão 1,0 mL min
-1
,
bobina de 25 cm, solução transportadora de KCl 0,1 mol. L
-1
em pH 7,00. Foram
injetados 65 L de solução padrão de ácido cítrico nas concentrações de 0,03 a 10
mmol L
-1
preparadas em solução transportadora de KCl 0,1 mol. L
-1
em pH 7,00.
O sensor apresentou um comportamento de resposta em relação à
concentração de ácido cítrico, mostrado na figura 14. A resposta do sensor é
proporcional à concentração da espécie analítica, para um valor de concentração
até 7,0 mmol L
-1
e após esta concentração o potencial manteve-se constante
devido à saturação da superfície.
Para avaliar o tempo de restabelecimento da linha base e a resposta do
sensor foi utilizada uma concentração de 0,1 mmol L
-1
do ácido cítrico. A
variação de potencial observada para o sensor de grafite foi de 10,52mV. O tempo
de restabelecimento da linha base para o sensor de grafite não foi
significativamente menor para vazões maiores (2,0 e 3,0 ml min
-1
) do que a vazão
de 1,0 ml min
-1
, o que é interessante, pois a freqüência analítica do método e a
repetibilidade da reposta dependem deste restabelecimento da linha base.
41
4.4. Otimização da resposta do sensor
Como definido no item 4.3 a resposta do sensor de grafite é devido
variação de potencial causada pela passagem no carregador de ácido cítrico na
superfície do sensor.
Considerando tal fato foi avaliada a resposta do sensor potenciométrico,
em relação a diferentes condições experimentais, buscando aperfeiçoar sua
resposta frente à concentração de ácido cítrico. As seguintes condições
experimentais foram investigadas: pH, concentração de tampão fosfato na solução
transportadora, além dos parâmetros de fluxo, vazão e volume da alça de injeção.
Para avaliar a resposta do sensor de grafite, em função do pH do meio
reacional, foram preparadas soluções de ácido cítrico (0,1mmol L
-1
) em solução
transportadora de pH 7,00. O pH foi variado na solução transportadora (KCl 0,1
mol L
-1
) entre 3,00 a 8,40. Para cada avaliação de pH, o volume de padrão com
ácido cítrico era o mesmo (65 L). A vazão e a bobina utilizadas foram de 1,0 mL
min
-1
e 25 cm, respectivamente. Os resultados estão mostrados na figura 12.
A influencia do pH sobre a resposta do sinal analítico nos demonstrou na
figura 13, claramente que o sensor teria maior sensibilidade na presença de uma
solução em que seu pH, seria igual a 7,0. Isto confere uma maior sensibilidade do
sensor nestas condições experimentais.
42
3 4 5 6 7 8 9
0
5
10
15
20
25
30
E / mV vs Ag/AgCl
(sat.)
pH
Figura 13 – Resposta do sensor potenciométrico (carbono grafite) em função do pH do meio
reacional. Condições experimentais: 65µL de ácido cítrico 1,0 mmol L
-1
preparado em solução
transportadora contendo 0,10 mol L
-1
KCl; vazão: 1,0 mL min
-1
.
Para valores de pH menores que 7,00 observa-se uma queda acentuada da
resposta potenciométrica, isto se deve a uma protonação do meio. No entanto,
para valores de pH maiores que 7,0 observa-se que a resposta analítica manteve-se
praticamente constante o que nos leva a crer pelo consumo de H
+
pelos íons OH
-
do meio (solução transportadora) já que a solução encontrava-se em pH alcalino.
A resposta do sensor potenciométrico à variação do pH provavelmente se
deve à protonação ou desprotonação das diferentes espécies químicas do ácido
cítrico na superfície do eletrodo de grafite.
43
Outro parâmetro investigado foi o efeito da concentração do tampão fosfato
na solução transportadora em virtude da resposta do sensor potenciométrico.
Neste caso, soluções de ácido cítrico, em pH 7,00, foram injetadas em meio a
solução transportadora ao qual seu pH era mantido constante a custa de um agente
tamponante.
A resposta analítica (E / mV vs Ag/AgCl
(Sat.)
) para a concentração de
fosfato variando entre 1,0 a 100,0 mmol L
-1
, mostra que este tampão inibe a
resposta analítica. Isto é, para concentrações entre 1,0 a 100 mmol L
-1
de tampão
fosfato, os valores de potenciais com relação a injeção do analito se mantiveram
praticamente constantes e próximos a linha base, isto é, mantivera-se próximos a
linha base da leitura potenciométrica (0,0 mV). Este comportamento pode ser
explicado pelo consumo de todo H
+
do ácido cítrico pelo tampão de fosfato, isto é,
ocorreu o efeito tamponante do fosfato no meio. Mesmo que se variasse a
concentração do ácido cítrico entre 1,0 a 100 mmol L
-1
. Assim ocorrendo a
passivação da superfície do eletrodo de grafite que inibiu a resposta analítica do
sensor potenciométrico.
A resposta potenciométrica do sensor foi medida em fluxo, haja visto que
o mesmo foi acoplado à célula eletroquímica (figura 10) e usada como detector no
sistema em fluxo descrito na figura 8. Parâmetros de fluxo como vazão e volume
da alça de injeção foram avaliados com parada de fluxo e os resultados obtidos
desta avaliação são mostrados na figura 14.
44
20 40 60 80 100 120 140
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
E / mV vs Ag/AgCl
(sat.)
volume da alça / L
( 1,0 mL min
-1
)
(2,0 mL min
-1
)
(3,0 mL min
-1
)
Figura 14 – Resposta do sensor potenciométrico (carbono grafite) em função da vazão para
diferentes volumes de injeção; condições experimentais: 1,0 mmol L
-1
de ácido cítrico preparado
em solução transportadora contendo 0,10 mol L
-1
de KCl, pH 7,00.
Para maiores volumes observa-se um aumento na resposta do sensor
potenciométrico. Este comportamento pode ser explicado pela maior quantidade
de íons do ácido cítrico na superfície do eletrodo de grafite. Porém maiores
desvios foram observados para os volumes de 33 e 130 µL em relação ao volume
de 65 L.
Além disso, os volumes de 33 e 130 µL apresentaram um tempo de
restabelecimento da linha base maiores (figura 15), o que diminui
consideravelmente a freqüência de análise. Vazões maiores que 3,0 mL. min
-1
45
não são aplicáveis, pois, se deve levar em conta o volume de rejeito químico
produzido e o consumo de reagentes. Sendo assim a vazão de 1,0 mL.min
-1
e o
volume de injeção de 65L foram utilizados como parâmetros da otimização do
ácido cítrico.
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
60
80
100
120
140
TRL / s
vazão da bomba / mL.min
-1
Figura 15 – Tempo de restabelecimento da linha base-TRL em função da vazão para diferentes
volumes de injeção: (■)33; (●)65 e (▲) 130
L. condições experimentais: 1,0 mmol L
-1
de ácido
cítrico preparado em solução transportadora contendo 0,10 mol L
-1
KCl, pH 7,00.
Com objetivo de melhorar o limite de quantificação e freqüência analítica
para o método proposto foram realizados ensaios usando o sensor acoplado no
sistema de fluxo contínuo. A resposta potenciométrica foi obtida utilizando
solução de ácido cítrico de 1,0 mmol L
-1
preparada em KCl 0,1 mol L
-1
e pH igual
a 7,00. A solução padrão de ácido cítrico (65µL) foi injetada sem parada de fluxo.
46
Os resultados da resposta potenciométrica em função da concentração do
ácido cítrico estão apresentados na figura 16. A curva analítica obtida apresenta
faixa linear de 0,07 a 7,00 mmol L
-1
para a concentração de acido cítrico e segue a
equação E = 28,97 log.[ácido cítrico] + 125,16 com coeficiente de correlação de
0, 99949 (em concordância com a figura 16).
-4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0
0
10
20
30
40
50
60
70
E / mV vs Ag/AgCl
(sat)
Log [ acido citrico] / mol.L
-1
Figura 16 – Curva de calibração para o ácido cítrico sob solução transportadora contendo 0,10
mol L
-1
KCl, pH 7,00.
Como a resposta analítica é dada pelo aumento na variação de potencial
causada pelo ácido cítrico injetado no fluxo de KCl 0,1 mol L
-1
, então a resposta
do branco pode ser o desvio padrão da resposta potenciométrica da solução de
KCl 0,1 mol. L
-1
. O valor do desvio padrão da resposta correspondente de 18
47
S
s
LD
B
3
S
s
LQ
B
10
injeções de KCl 0,1 mol. L
-1
foi usado para calcular os limites de detecção e
quantificação do método proposto, conforme equações a seguir:
Onde s
b
é o desvio padrão obtido a partir da resposta potenciométrica (n=18
dada pela presença de KCl 0,1 mol L
-1
; S é sensibilidade do método proposto,
obtida com o coeficiente angular da curva analítica padrão (figura 16).
O limite de detecção e o limite de quantificação foram de 5,15 nmol L
-1
e
15,60 nmol L
-1
, respectivamente. Este valor foi bastante satisfatório para atender o
objetivo do método proposto. Os dados da tabela 5 mostram as figuras de mérito
para o sensor potenciométrico proposto.
Tabela 5 – Figuras de mérito para o sensor de grafite em função da concentração
de ácido cítrico.
Figuras de Mérito
Grafite
LR/ mmol L
-1
0,07 -7,00
LD/ nmol L
-1
5,15
LQ/ nmol L
-1
15,60
*E /mV
10,52
*RSD/ %
0,52
*TRL / s
117,56 ± 9,3
Linearidade
E =125,16 + 28,97t
Sensibilidade
28,97
48
4.5. Estudo de Interferentes
Foram feitos testes de interferência com sais de ácidos orgânicos (acetato,
citrato e benzoato) e ácidos (benzóico e ascórbico) para se ver o comportamento
destas espécies químicas associadas na resposta do sinal analítico para o sensor
proposto. Os resultados deste estudo encontram-se na tabela 6 ao qual observou
que o ácido cítrico sofreu interferência mais acentuada quando a concentração
destas espécies interferentes é 5 vezes maior que a concentração de ácido cítrico.
O ácido benzóico interfere muito se a concentração for 5 vezes maior, mas quando
ele possui a mesma concentração do ácido cítrico praticamente não há
interferência.
Tabela 6: Efeito de interferência (%) das espécies estudadas no sinal analítico.
Relação
Sinal analítico:
Interferente
Benzoato
(C
6
H
5
COO
-
)
Citrato
(C
6
H
5
O
7
3-
)
Acetato
(CH
3
COO
-
)
Acido
Ascórbico
(C
6
H
8
O
6
)
Acido
benzóico
(C
6
H
5
COOH)
1:1
87,9
48,7
84,6
101,2
110,1
1:5
60,5
13,3
51,9
89,6
133,3
Concentração de ácido cítrico = 1 mmol L
-1
4.5. Aplicação do método.
O método proposto foi aplicado para detecção de ácido cítrico em amostras
de bebidas isotônicas (gatorede®) e sucos de fruta (maracujá, abacaxi, laranja e
frutas verdes) obtidos no comércio da cidade de Uberlândia-MG. As amostras
49
foram analisadas diretamente, isto é, foram feitas as leituras das soluções padrão
e, em seguida, das amostras diluídas (5% (v/v)) em solução de KCl 0,1 mol L
-1
.
A Tabela 7 mostra os valores da concentração de ácido cítrico obtidos pelo
método proposto e pelo método convencional. Os valores obtidos para amostras
de Gatorade ® (morango, cool blue framboesa) e sucos (maracujá, abacaxi,
laranja e frutas verdes) utilizando o método proposto. Os resultados compararam
favoravelmente com o método convencional para o nível de confiança de 99%.
Tabela 7. Comparação de métodos para determinação de ácido cítrico em
amostras de suco e isotônico.
Amostras
(a)
Ácido cítrico (g/100mL)
Método proposto
Método convencional
Gatorede morango
0,270,03
0,310,03
Gatorede cool blue
0,410,04
0,450,03
Suco de maracujá
0,440,03
0,490,01
Suco de abacaxi
0,180,04
0,200,02
Suco de laranja
0,400,09
0,570,05
Suco de frutas verdes
0,170,04
0,270,05
(a) N=3, nível de confiança 99%
50
De acordo com a tabela 76, temos que o método proposto se aproximou dos
resultados do método convencional apesar do universo de amostras terem sido
muito pequeno e o número de injeções também (N=3). O proposto trabalho tem
certa vantagem em relação aos métodos convencionais (titulometria) por ser mais
econômico em termos da quantidade de reagente, menos rejeitos tóxicos são
gerados, há uma maior freqüência analítica e é um método não destrutivo da
amostra.
5. Conclusões
Estudos realizados com eletrodo de grafite mostram que estes eletrodos
podem ser usados como suporte e, conseqüentemente, na construção de sensores.
O eletrodo de grafite apresentou características analíticas promissoras em relação
à concentração de ácido cítrico, avaliada em fluxo, tais como, sensibilidade,
coeficiente de variância e limite de quantificação. Esta capacidade de resposta
analítica possibilitou a utilização do carbono grafite na construção do sensor
potenciométrico, usado como proposta de detecção de ácido cítrico em bebidas,
em fluxo.
As medidas de voltametria cíclica confirmam um padrão do sensor de
carbono grafite a ser utilizado.
O máximo de resposta para o sensor (grafite), em relação à concentração
de ácido cítrico, foi obtida usando uma solução transportadora contendo KCl 0,1
mol L
-1
e pH 7,00. A vazão do sistema 1,0 mL min
-1
e volume de injeção de 65
L, também proporcionaram uma resposta satisfatória já que o objetivo também
51
era de se obter um método de baixo consumo de reagente e de produção de
efluentes químicos, cerca de 250 mL para 80 análises.
A resposta em relação à concentração de ácido cítrico, obtida sem parada
de fluxo, aliada as condições experimentais otimizadas, proporcionaram o
desenvolvimento de um método análise que apresentou limites de quantificação e
detecção de 15,60 e 5,15 nmol L
-1
, respectivamente.
O método proposto foi aplicado para detecção de ácido cítrico em
amostras de bebidas (suco e isotônico).
Os resultados obtidos neste trabalho mostraram que o eletrodo de carbono
grafite apresentou considerável capacidade de responder a presença de ácido
cítrico, proporcionando o desenvolvimento do sensor potenciométrico usado
como sistema de detecção em fluxo para determinação deste aditivo alimentar em
amostras de bebidas.
52
6. Propostas de continuidade do trabalho
De acordo com as excelentes características apresentadas pelo sensor
propõe-se a hifenação da célula eletroquímica a um sistema de cromatografia
liquida (HPLC), de acordo com a Figura 17, para se obter uma seletividade do
proposto sistema. Propõe-se ainda a aplicação do método para outros tipos de
alimentos, para que se obtenha um universo maior de amostras que possam se
deste sistema como proposta de continuidade do trabalho.
Figura 17: Diagrama da proposta de hifenação do sistema HPLC ao sistema de detecção
desenvolvido nesta dissertação. Fonte: Celso Luciano de Araújo
53
7. Referências Bibliográficas
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