Appunti Analisi chimica degli alimenti

Dispensa 2 – Preparazione del

campione e metodi di misura

Estrazioni, Soxhlet, microonde, rifrattometria,

conduttimetria, titolazioni e gravimetria

Introduzione

La seconda dispensa riguarda il «cuore» del lavoro analitico: come si porta l’analita

in una forma misurabile (preparazione del campione) e quali tecniche classiche e

strumentali permettono di quantificarlo. Si presuppongono i concetti della Dispensa

1 (soluzioni, stechiometria, errori e calibrazione). Gli esempi numerici sono stati

ricalcolati.

Lo schema generale di un’analisi alimentare comprende sempre le stesse fasi:

campionamento (il campione deve essere rappresentativo), preparazione

(omogeneizzazione, estrazione, mineralizzazione, diluizione), misura (titolazione,

pesata, misura strumentale) ed elaborazione dei dati (calcoli, controllo di

qualità). L’errore più grande nasce quasi sempre nelle prime due fasi, non nello

strumento.

La preparazione del campione:

estrazione con solventi

Perché estrarre

Un alimento è una matrice complessa: grassi, proteine, zuccheri, sali, acqua.

L’analita da misurare (un pigmento, un conservante, un lipide) è spesso presente in

tracce e circondato da sostanze che disturbano. L’estrazione serve a separarlo e a

concentrarlo, sfruttando la diversa solubilità dei componenti in due fasi.

Estrazione liquido-liquido e coefficiente di ripartizione

Se una soluzione acquosa contenente l’analita si agita con un solvente organico

non miscibile, l’analita si distribuisce tra le due fasi fino all’equilibrio. Il rapporto

delle concentrazioni all’equilibrio è il coefficiente di ripartizione

Kd = ([A]org)/([A]aq) ,

costante a temperatura fissata (per sostanze che non cambiano forma chimica

nelle due fasi). Un Kd grande significa che l’analita preferisce il solvente organico.

Si usano imbuti separatori: si agita, si lascia separare, si raccoglie la fase

desiderata. Scelta del solvente: deve sciogliere bene l’analita ma poco gli

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interferenti, essere immiscibile con l’acqua, volatile (per eliminarlo dopo), poco

tossico e infiammabile e non troppo costoso. I più usati sono etere dietilico, etere di

petrolio, esano, diclorometano, acetato di etile.

Quanto analita resta e perché conviene dividere il

solvente

Dopo una estrazione con volume V₂ di solvente da una fase acquosa di volume V₁,

la frazione di analita che rimane nell’acqua è

q = V₁/(V₁ + Kd V₂).

n

Dopo estrazioni successive con lo stesso volume fresco di solvente rimane qⁿ.

Esempio 2.1. Si hanno 100 mL di fase acquosa e Kd = 4. Con un’unica estrazione

di 100 mL: q = 100/(100+400) = 0,20, cioè resta il 20 %. Con due estrazioni da 50

mL: q² = (100/300)² = 0,111 (11,1 %). Con quattro da 25 mL: (100/200)⁴ = 0,0625

(6,3 %). Con cinque da 20 mL: (100/180)⁵ = 0,053 (5,3 %). A parità di solvente

totale (100 mL) l’estrazione frazionata recupera di più, ma con rendimenti

decrescenti: oltre un certo numero di passaggi il guadagno non compensa il lavoro.

Esempio 2.2. Con Kd = 3 e cinque estrazioni, ciascuna con 100 mL di solvente su

100 mL di fase acquosa, si ha q = 100/(100+300) = 0,25 e q⁵ = 0,25⁵ = 0,000977:

resta lo 0,098 % di analita, cioè se ne recupera il 99,90 %.

Attenzione. Nelle slide, per questo tipo di calcolo, il residuo dopo cinque

frazione

estrazioni è indicato come «circa 0,001 %». Il numero 0,001 è la

residua (0,25⁵ = 0,00098); espressa in percentuale è 0,098 %.

Altre tecniche collegate

• Estrazione continua liquido-liquido: il solvente, riscaldato e condensato,

ripercorre ripetutamente la fase acquosa; utile quando Kd è piccolo.

• Estrazione con solvente per sostanze acide o basiche: si controlla il

pH, perché le forme ionizzate restano in acqua e quelle neutre passano nel

solvente organico (per esempio un acido organico si estrae in etere a pH

acido).

• Evaporazione del solvente: dopo l’estrazione il solvente si elimina

(evaporatore rotante a pressione ridotta o corrente d’azoto) per concentrare

l’analita; si evita di scaldare troppo per non perdere composti volatili o

termolabili.

Estrazione solido-liquido: il Soxhlet

Per estrarre componenti da solidi (grasso da un salume, da un formaggio, dalla

farina) si usa l’estrattore di Soxhlet. Il campione secco e macinato viene messo

in una cartuccia di cellulosa nella camera dell’estrattore; il solvente, riscaldato nel

pallone, evapora, condensa nel refrigerante e ricade sul campione. Quando la

camera si riempie fino al livello del sifone, la soluzione ritorna nel pallone, portando

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con sé l’estratto: il processo si ripete per ore. In ogni ciclo il campione è a contatto

pulito,

con solvente per cui l’estrazione è efficace, ma richiede molto tempo e

solvente. Per i lipidi si usano etere dietilico o etere di petrolio; a fine prova si

evapora il solvente, si secca il pallone e la massa di grasso si ottiene per pesata,

per differenza dal pallone tarato.

Esempio di calcolo. Un formaggio di 5,00 g produce un residuo estratto

di 1,38 g: il grasso è 27,6 % p/p. Si riferisce spesso anche alla sostanza

secca (si veda la Dispensa 3).

Estrazione e digestione assistite da microonde

I forni a microonde di laboratorio riscaldano il campione in contenitori chiusi di

polimero fluorurato (PFA o simili), trasparente alle microonde e resistente fino a

circa 250 °C e a 35–55 bar. Il riscaldamento avviene per interazione diretta delle

microonde con le molecole polari del solvente o del campione: due meccanismi

sono la rotazione dei dipoli (le molecole polari tentano di allinearsi al campo che

oscilla milioni di volte al secondo e si scaldano per attrito) e la conduzione ionica

(gli ioni migrano e si scontrano). La frequenza usata nelle apparecchiature è 2450

MHz.

Attenzione. Nelle slide compare «2540 MHz», probabile inversione di

cifre; il valore standard è 2450 MHz.

I solventi apolari (esano, cicloesano) hanno costante dielettrica molto bassa e

non si scaldano da soli; per usarli si introduce un agitatore di materiale che assorbe

le microonde (carbone con teflon), oppure si miscelano a un solvente polare (per

esempio acetone:esano 1:1). L’agitazione è comunque necessaria per favorire il

contatto.

Il vantaggio dei contenitori chiusi è che la pressione cresce e il solvente può essere

portato ben oltre il punto di ebollizione a pressione ambiente senza evaporare.

L’acido nitrico concentrato bolle a 120,5 °C a 1 atm, ma in vaso chiuso si può

lavorare a 160 °C senza che bolla. Alla pressione di circa 12 atm (175 psi) i solventi

comuni raggiungono punti di ebollizione molto più alti:

Ebollizione a 1 atm Ebollizione a ~12 atm

Solvente (°C) (°C)

Diclorometano 39,8 140

Acetone 56,2 164

Metanolo 64,7 151

Etanolo 78,3 164

Acetonitrile 81,6 194

2-propanolo 82,4 145

Temperatura e pressione sono monitorate da sonde, e questo dà riproducibilità

elevata. I vantaggi: tempi di estrazione ridotti (minuti invece di ore), meno

solvente, buon recupero. Dal primo lavoro (1986, estrazione di analiti da suolo e

alimenti) la tecnica ha mostrato recuperi comparabili o superiori al Soxhlet e

nettamente superiori alla sonicazione; è usata soprattutto per analisi ambientali e

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alimentari. La digestione a microonde (mineralizzazione con acidi) serve per

portare in soluzione i metalli: la matrice organica viene distrutta con acido nitrico (e

perossido), poi si misura con spettrometria atomica.

Esercizi

Esercizio 2.A. Con Kd = 9 si estraggono 50 mL di fase acquosa con 25 mL di

solvente. Quanta frazione resta in acqua dopo una sola estrazione e dopo due da

12,5