Caracterización y cuantificación de cafeína en bebidas energéticas

Caracterización y cuantificación de cafeína
en bebidas energéticas mediante RMN1H,
FTIR-ATR & UV-Vis
Presentador: José Ismael Romero Anaya
Introducción (cafeína).
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La cafeína (C8H11N4O2), es un alcaloide de la familia de las xantinas. Es una sustancia psicoactiva
consumida en bebidas, alimentos y fármacos.

Fue aislada del café en 1819 y del té en 1827 por Friedrich Ferdinand Runge, pero su estructura
química no se determinó hasta 1875 por E. Fischer.

Se encuentra presente en más de 60 especies de plantas como un constituyente natural.

Las xantinas tienen efectos comunes, de intensidad variable. Por orden de potencia son la teofilina,
la cafeína y por último la teobromina.

Los efectos fisiológicos de la cafeína se pueden atribuir a su capacidad de estimular el sistema
nervioso.

Debido a su similitud estructural, la cafeína puede conducir al bloqueo de los receptores de
adenosina, que es un neuromodulador inhibitorio involucrado en la propensión al sueño.

Cuando la cafeína se une a los receptores de adenosina, bloquea cualquier unión potencial de este
y conduce a un aumento de la actividad neuronal incrementando la actividad del sistema nervioso
autónomo (SNA) mediante la liberación de catecolaminas plasmáticas, induciendo taquicardia y
aumento de la presión arterial.
Introducción (cafeína).
Adenosina
Cafeína
Similitud estructural entre adenosina y cafeína.
Introducción (cafeína).

La cafeína tiene una acción reforzante mediante la liberación de dopamina en el circuito cerebral
de recompensa. Tiene un efecto analgésico dependiente de la dosis, potenciado por los inhibidores
de la serotonina y un efecto coadyuvante en la analgesia. Sus efectos ergogénicos mejoran el
rendimiento deportivo.

En el nivel celular, una alta dosis de cafeína produce diversas respuestas, incluida la muerte celular,
retrasos en el ciclo celular, deterioro de la reparación y recombinación del ADN. pudiendo
aumentar o antagonizar la exposición de potenciales mutagénicos y carcinógenos.
Introducción (RMN)
La resonancia magnética nuclear es una técnica para la elucidación de estructuras moleculares
mediante el análisis de la radiación electromagnética en la región de radiofrecuencias absorbida por la
molécula. Para que se pueda emplear la técnica los núcleos deben tener un momento magnético
distinto de cero. Esta condición no la cumplen los núcleos con número másico y número atómico par.
Introducción (IR)
La espectroscopia infrarroja se basa también en el principio de la absorción electromagnética, pero en
el rango de frecuencias infrarrojo. La porción infrarroja del espectro electromagnético se divide
generalmente en tres regiones; el infrarrojo cercano , medio y lejano, llamado así por su relación con
el espectro visible.
Introducción (UV-Vis)
Utiliza radiación electromagnética de las regiones visible, ultravioleta cercana (UV) e infrarroja cercana
(NIR) del espectro. Se utiliza para identificar algunos grupos funcionales de moléculas, y además, para
determinar el contenido y fuerza de una sustancia. Se utiliza también en la determinación cuantitativa
de los componentes de soluciones de iones de metales de transición y compuestos orgánicos
altamente conjugados.
Desarrollo del experimento.
Para la investigación citada se realizó un método de extracción con CH2Cl2 para la cuantificación
de cafeína, utilizando un ultrasonido para la eliminación de CO2, un rotavapor para concentrar la
muestra, y de un tamiz molecular para eliminar los restos de agua residuales después de la extracción,
que interfieren en el resultado de FTIR ATR. Para evaluar sí las muestras cumplen con la normativa
vigente con respecto a la cantidad de mg de cafeína, comparándose los resultados con lo especificado
en la norma oficial mexicana, donde el límite máximo de cafeína es de 20 mg / 100 mL.
Se utilizó cafeína anhidra de alta pureza, para la elaboración de los estándares en la cuantificación
por UV-Vis. Se realizaron estudios de la extracción de cafeína en bebidas energéticas a pH 7, pH 8 y pH
8.96, agregando una disolución de Na2CO3 2 M para obtener el pH óptimo de extracción.
Desarrollo del experimento.
Posteriormente se hizo la extracción líquido-líquido, mediante un embudo de decantación, una
vez finalizada la extracción se agregó a la fase orgánica aproximadamente 1 g de tamiz molecular con
agitación constante a temperatura ambiente por 15 minutos eliminándose así los restos de fase
acuosa.
La fase orgánica fue filtrada por gravedad con papel filtro, finalmente se colocó en un baño de
arena para la evaporación del disolvente, obteniendo así, los cristales blancos de cafeína.
Desarrollo del experimento.
Caracterización de la cafeína por Resonancia magnética nuclear de protón (RMN 1H)
La caracterización de la cafeína obtenida a partir de la extracción líquido-líquido con el
pH óptimo de 8, se realizó por resonancia magnética nuclear con la transformada de
Fourier, empleando un equipo de RMN (60 MHz), utilizando CDCl 3, como disolvente para
la muestra.
Para la interpretación estructural de la cafeína se muestra la numeración de los protones
en la molécula de cafeína:
2
3
1
4
Desarrollo del experimento.
Caracterización de la cafeína por Resonancia magnética nuclear de protón (RMN 1H)
El Espectro 1H de RMN (CDCl3), de cafeína obtenido de la muestra de bebidas
energéticas Red Bull® , indica para el hidrógeno 1, un desplazamiento químico en 7.52 δ
del hidrógeno en el anillo imidazólico, provocado por el efecto inductivo en la
deslocalización y desprotección del campo magnético en el anillo aromático.
En la señal asignada 2, señala un singulete que integra para 3 protones de hidrógeno
―CH3, con un desplazamiento químico de 4.12 δ, señal a campo bajo provocado por la
presencia del nitrógeno del anillo imidazólico al cual está unido. Finalmente para las
señales de los dos singuletes (―CH3), de los hidrógenos asignados como 3 y 4 se observan
desplazamientos químicos de 3.95 δ y 3.53 δ respectivamente, señales a campo
ligeramente más bajo que corroboran el efecto de apantallamiento de los carbonilos
adyacentes en la estructura del anillo imidazólico en los metilos 3 y 4.
Desarrollo del experimento.
Caracterización de la cafeína por Resonancia magnética nuclear de protón (RMN 1H)
Desarrollo del experimento.
Caracterización de la cafeína por espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier
con reflectancia total atenuada (FTIR-ATR)
Se realizó una comparación con la base de datos SDBS (Spectral Database for Organic
Compounds), observándose los espectros obtenidos a las siguientes señales: de 1646 y 1694 cm-1
debido a la presencia de los grupos carbonilo (C=O), aparecen también las señales de
estiramiento de 1481 y 1546 cm-1 del enlace doble C=C, la señal de flexión en 609 cm-1 para el
enlace N-C=O y las señales 1236 y 1284 cm-1 que corresponden al enlace C-N. La vibración de
estiramiento de enlace C-H alifático se observó en 3110 cm-1, el pico de 743 cm-1 correspondió al
enlace C-H fuera del plano de flexión, mientras que los grupos -CH3 adjuntos al nitrógeno fueron
observados en 2953 cm-1
Desarrollo del experimento.
Caracterización de la cafeína por espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier
con reflectancia total atenuada (FTIR-ATR)
Desarrollo del experimento.
Cuantificación de la cafeína por espectrofotometría UV-VI
A partir de la ley de Lambert-Beer, se tiene que 𝐴 = 𝜀𝑏𝑐 (1), donde la celda (b) fue de 1 cm,
relacionando la ecuación (1) con la ecuación de la línea recta; 𝑦 = 0.0495𝑥 + 0.0278 y su
coeficiente de determinación 𝑅2 = 0.9994 obtenida en la curva de calibración, considerando que
la pendiente (m) es igual al producto de la absortividad ε, y la celda (b), se obtiene la
concentración de cafeína expresada en ppm:
𝐶 = 𝐴/𝑚
Desarrollo del experimento.
Cuantificación de la cafeína por espectrofotometría UV-VI
Los espectros de absorción ultravioleta de cafeína obtenidos a una longitud de onda de 272.34
nm, de las muestras de bebidas energéticas, Red Bull® y Monster® con respecto al estándar de
20 ppm.
Resultados.
La cantidad de cafeína máxima extraída experimentalmente para la muestra de bebida Red
Bull® fue de 21.67 mg, y para la muestra de bebida Monster® fue de 20.23 mg lo que es
equivalente a 144.5 ppm y 134.7 ppm respectivamente, se comparó estas cantidades con las
especificadas en la norma oficial mexicana NOM-218-SSA1-2011 donde el límite máximo de
cafeína es de 20 mg / 100 mL equivalente a 200 ppm, por lo que se tiene que ambas bebidas se
encuentran por debajo de los límites permisibles.
Referencias.
Amezquita-Cazarez, K., Blanco-Aquino, A., Rios-Donato, N. y Macías-Pérez, M. (Junio 19, 2018).
Extraction, characterization and quantification of caffeine in the most popular energy drinks in
Mexico, and its consumption by CUCEI students of the University of Guadalajara. Revista de
Aplicación Científica y Técnica. 2018. 4-13: 18-27.
Almeida L., Marques L., Loch R., Engrácia V. (2017). Caffeine affects autonomic control of heart
rate and blood pressure recovery after aerobic exercise in young adults: a crossover study.
Scientific reports, nature, 7(14091), 1-8.
Barreda R., Molina L., Haro R., Alford C., Verster J. (2012). Actualización sobre los efectos de la
cafeína y su perfil de seguridad en alimentos y bebidas. Revista médica del Hospital General de
México, 75(1), 60-67.