BUENAS PRÁCTICAS EN EL LABORATORIO ENOLÓGICO (POTENCIOMETRIA - MÉTODOS ELECTROANALÍTICOS)
Buenas Prácticas en el Laboratorio Enológico:
- ¿La duración media de tus electrodos es la correcta?
- ¿Consideras que podría mejorar con pautas de mantenimiento?
- ¿Encuentras discrepancia entre los resultados del laboratorio de bodega y los externos?
- ¿Quieres ganar en productividad en tu laboratorio?
- ¿Podrías delegar más analíticas si el resultado no dependiera del analista?
Si quieres dar respuesta a algunas de estas preguntas, los ponentes y jornadas técnicas de Hanna Instruments puede ayudarte.
Ainhoa Suinaga:
- Licenciada en Ciencia y Tecnología de los alimentos.
- Market Manager agroalimentaria en Hanna Instruments España.
José Manuel Solanas:
- Técnico especialista en análisis de procesos básicos, enología y bebidas espirituosas.
- Delegado comercial de la zona norte en Hanna Instruments España.
En potenciometria la señal está relacionada con parámetros eléctricos como:
- Potencial eléctrico.
- Carga eléctrica Resistencia eléctrica.
- Razón masa - carga
- Otros.
Se trata de métodos que se basan en las propiedades eléctricas que presenta una disolución del analito cuando forma parte de una celda electroquímica, por lo que también se denominan electroquímicos de análisis. Al tratarse de procesos de oxidación - reducción.
Una celda electroquímica consiste en 2 electrodos, cada uno sumergido en una solución electrolítica y unidos externamente mediante un conductor. Según la teoría de los procesos redox, cuando ponemos en contacto dos electrolitos con potencial redox diferente, uno actuará como oxidante y otro como reductor, generándose una transferencia de electrones, cedidos por el reductor y aceptados por el oxidante. Si cerramos el circuito mediante un puente salino, obtenemos una diferencia de potencial entre los electrodos, que es proporcional a las concentraciones de los electrolitos (ecuación de Nerst).
Los aparatos de electroanálisis, amplifican la señal eléctrica generada, para relacionarla con la concentración de un electrolito en disolución.
Los métodos electroanalíticos con más aplicación en enología, son los métodos potenciométricos, ya que pueden ser usados tanto para poner de relieve el punto final de una volumetría, como para una medida directa del pH o el potencial redox. Los equipos utilizados se denominan potenciómetros.
Para poder medir el potencial eléctrico de una disolución, necesitamos un sistema formado por una celda electroquímica de potencial constante, de manera que al introducirlo en una solución electrolítica, será cuando su potencial se modifique de forma proporcional a la concentración de dicha solución.
Esta celda está formada por un electrodo indicador, sensible a un determinado tipo de iones y un electrodo de referencia, de potencial fijo, unidos por un conductor e inmersos en sendas soluciones electrolíticas. Mediante conductores metálicos se completa el circuito de amplificación de la señal y salida a la pantalla informativa.
- Electrodos indicadores: El más común es el electrodo de vidrio, sensible a la concentración de H+, por lo que es utilizado para mediciones de pH. También se utilizan, aunque menos, los electrodos de platino para medidas de potenciales redox o para seguimiento de volumetrías de oxidación - reducción. También se pueden adquirir, electrodos selectivos de iones, específicos para diversos iones como Cl-, F-, NO2-, NH4+, etc.
- Electrodos de referencia: Los más comunes son los de plata - cloruro de plata y el de calomelanos.
DETERMINACIÓN DE pH
- La clave, una correcta selección del electrodo.
- Verificación de la pendiente y la condición del electrodo.
- Mantenimiento y calibración de electrodos.
- Nuevas tecnologías en la medida de pH.
HI84533 - Valorador de NFA y pH - Hanna Instruments
El control del nitrógeno, facilmente asimilable mediante HI84533, puede evitar paradas de fermentación o sobredosificación de levaduras, lo cual hace muy rentable integrar este parámetro en los análisis de rutina en bodegas.
A destacar de HI84533:
- Analiza el Nitrógeno fácilmente asimilable del mosto.
- Evita paradas de fermentación, máxima rentabilidad por la relevancia de la medida.
- Dos equipos en uno, opción de medición de pH.
- Resultados en meq/L, %meq y mg/L de N.
- Método de formol, resultados en pocos minutos.
El concepto de pH es un término habitual en la vida cotidiana (pH de los productos higiénicos, de los cosméticos, de los alimentos, del agua, etc). Para su determinación en una disolución, vino, mosto o cualquier otro producto derivado, se utiliza un método potenciométrico, denominándose pH-metro (también peachímetro) al equipo de medida del mismo.
La el cálculo es pH = -log[H+] y por otra banda, el potencial de semicelda, según la ecuación de Nerst para la semireacción 2H+ + 2e- → H2 es:
Sustituyendo los valores de R, n y F, a 25ºC (298 K) y combinando con la definición de pH, nos queda como E = -0,059 pH
Por lo tanto, para saber el valor del pH de una disolución, podemos recurrir a un potenciómetro, pues existe una relación directa entre el potencial y el pH. Es importante reseñar, que esta relación numérica depende de la temperatura, por lo que es necesario indicarla para que el equipo realice la corrección correspondiente.
Un pH-metro es un potenciómetro, capaz de medir el potencial dependiente de la concentración de Hidrogeniones (H+), en una disolución problema y cuya escala está graduada en unidades de pH.
Para la determinación del pH, necesitamos un electrodo indicador, sensible a la variación de la concentración de H+ y un electrodo de referencia. Ambos electrodos deben tener unas características constructivas que no se alteren al contacto con la disolución del analito.
Como indicador para medidas de pH se utiliza el electrodo de vidrio y para el de referencia se suele usar el electrodo de plata-cloruro de plata. Para facilitar el uso de este tipo de electrodos, se construyen electrodos combinados, que incluyen en una misma carcasa el electrodo de vidrio y el de referencia. Cuando veamos o trabajemos con un medidor de pH, observaremos que aunque parezca que sólo lleva un electrodo, en realidad se trata de un electrodo combinado.
Debido a que el electrodo sufre una degradación paulatina, es necesario calibrarlo antes de su uso. Para ello, se deben seguir las instrucciones de uso o la instrucción técnica correspondiente, pues cada equipo lleva una secuencia de teclas o acciones diferentes. En todo caso, deberemos de seleccionar la calibración con soluciones tampón de pH lo más próximo posible al pH de la muestra.
Las soluciones tampón deben de ser trazables frente a SRM de NIST (Standard Reference Materials del National Institute of Standards and Tecnology), con precisión ± 0.02, encontrándose en el mercado en monodosis, cápsulas de soluciones concentradas o listas para usar. Deberás controlar su fecha de caducidad y el certificado de análisis
EL ELECTRODO DE VIDRIO Y REFERENCIA
El electrodo de vidrio es en la actualidad, el sistema más extendido para la determinación del pH por métodos electroanalíticos.
Pero para poder actuar como electrodo indicador, necesita de un electrodo de referencia, siendo en este caso el electrodo de calomelano el más usado.
Actualmente se continúa investigando sobre la optimización de estos electrodos y sus posibles sustitutos, pero de momento, no existe otro sistema para la medición electroanalítica que tenga la misma versatilidad y precisión.
El electrodo de vidrio, como electrodo indicador de pH, fue identificado por M. Cremer en 1906 y posteriormente por F. Haber (1909) y otros investigadores, que se dedicaron a investigar sobre la composición del vidrio, intentando mejorar la sensibilidad a la variación de pH modificando la composición del mismo. Pero su utilización como electrodo es posterior, cuando se incorporó el tubo de vacío que permite la medida de las variaciones de potencial generadas.
Los electrodos empleados en la actualidad tienen como base un vidrio altamente sensible.
El electrodo de vidrio está constituido por las siguientes partes:
- Un tubo soporte del electrodo, de vidrio común (o plástico), no conductor de cargas eléctricas.
- Un bulbo sensible en el extremo inferior, que es el elemento sensible del electrodo, fabricado con vidrio polarizable, sensible a la variación de la concentración de hidrogeniones. El vidrio polarizable es un conductor de cargas eléctricas, porque en su composición tiene óxido de litio, además de óxido de silicio, de calcio y algunos otros óxidos.
- Un electrodo metálico de plata y cloruro de plata, que servirá de conductor al potencial generado hasta el sistema de amplificación.
En el interior del bulbo hay una disolución ácido clorhídrico diluido, saturado de cloruro de plata, lo que constituye una disolución tampón de pH invariable.
En la estructura del vidrio existen iones de litio y sodio, que se pueden mover entre los intersticios de la red tridimensional formada por grupos SiO46-. Estos iones monovalentes, son los responsables de la conducción eléctrica en el seno del vidrio.
Este tipo de vidrio es higroscópico, por lo que debe de estar hidratado para que funcione como sensor de pH. Al hidratarse se produce una reacción de intercambio entre los iones monovalentes del vidrio y los cationes del agua.
Con el vidrio hidratado, al sumergirlo en una disolución se establecen dos interfases en la cara interna y externa del vidrio. En el interior seco del vidrio, los portadores de la carga son los cationes sodio.
En la interfase interna el equilibrio se establece según el proceso:
En la interfase externa el equilibrio establecido será:
Por lo tanto las posiciones de estos dos equilibrios están determinadas por las actividades (concentraciones) de los hidrogeniones en las disoluciones interna y externa del electrodo, de tal manera que la interfase en la que tiene lugar más disociación, se transforma en negativa respecto a la otra superficie. De esta manera, se establece una diferencia de potencial entre la interfase interna y externa, denominado potencial límite (El), que es el parámetro que usamos para medir el pH con un electrodo de vidrio.
El papel del electrodo de plata / coluro de plata del electrodo de vidrio y el electrodo de referencia externo al electrodo de vidrio, es el de servir de contactos eléctricos para poder medir el potencial.
El potencial del electrodo de vidrio, será pues el resultante de los dos potenciales de las interfases, el potencial del electrodo de plata/cloruro de plata interno y el llamado potencial de asimetría.
El potencial de la interfase externa viene dado por la ecuación de Nerst para el sistema:
Para una membrana de vidrio polarizable homogénea, k1 y k2 son idénticas al igual que a'1 y a'2. Teniendo en cuenta estos valores, el potencial del electrodo vendrá dado por la expresión:
Como en un electrodo de vidrio, la actividad del H+ interno a2 se mantiene constante, se simplifica la expresión anterior:
Existe un tercer potencial denominado de asimetría, que se encuentra en la mayoría de los electrodos de membrana, cuya causa no está del todo clara y que cambia lentamente con el tiempo.
Teniendo en cuenta estos dos potenciales, el potencial del electrodo de vidrio será:
Los electrodos de vidrio y el de referencia externo, se conectan a un circuito de amplificación y medida del potencial.
Como es difícil valorar la variación de los valores de L, necesitamos calibrar los equipos de medida frente a patrones de valor de pH conocido antes de usarlos.
PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE PH
Para medir el pH de un vino o un mosto, debemos de proceder con sutileza, pues a pesar de ser una determinación sencilla, la exactitud de su resultado es de gran importancia para otros aspectos enológicos. El procedimiento es el siguiente:
Material y reactivos:
- pH-metro que permita lecturas con aproximación de 0,01 unidades.
- Electrodo combinado para medida de pH.
- Sonda de temperatura.
- Soluciones tampón (estándar o buffer) de pH 4 y 7 con aproximación de 0.01 unidades.
- Agitador magnético.
Preparación del equipo de medida:
1. Enciende el equipo y comprueba que las señales son correctas.
2. Acopla el electrodo combinado y la sonda de temperatura, conectando los cables en las clavijas correspondientes, procurando sujetarlos por los conectores y sin tirar nunca del cable. Lo más habitual es que cada equipo disponga de un soporte específico para colocar el electrodo y la sonda, siendo importante asegurarse de que la sujeción es firme, para evitar el deterioro del mismo.
3. Saca el tapón protector lateral del orificio de rellenado del electrodo.
4. Retira el capuchón protector del electrodo y comprueba su estado y limpieza. Si lleva tiempo sin usarse o estuvo almacenado en seco, será necesario hidratarlo, sumergiéndolo en agua destilada o mejor en una solución tampón, según las instrucciones del fabricante.
5. Lava con agua destilada y comprueba que la sonda de temperatura funciona.
6. Calibra el equipo con las soluciones tampón de pH 4 y 7.
Procedimiento de análisis:
1. Con vino y mosto opera directamente sobre el líquido. Si se trata de mosto concentrado, diluye con agua destilada hasta 25 ± 0,5 ºBrix (25 % m/m en azúcares totales). En todo caso debes de homogeneizar la muestra.
2. Llena un vaso de precipitado o el vaso específico del equipo con un volumen suficiente para que cubra el orificio del puente salino del electrodo combinado. En caso de utilizar agitador magnético, evita que el imán tropiece con el electrodo.
3. Pulsa el botón de lectura, esperando a que la lectura sea estable y anota la misma con dos decimales.
4. Realiza la determinación por duplicado.
5. Lava el electrodo y la sonda, colocando después el tapón y el capuchón protector con líquido de conservación, según indicaciones del fabricante.
Cálculos:
El resultado será la media aritmética de las dos lecturas, expresada con dos decimales.
DETERMINACIÓN DE SO2 LIBRE Y TOTAL POR VALORACIÓN YODOMÉTRICA
- Procedimiento correcto de análisis paso a paso según OIV.
- Interferencias del método y su control.
HI84500 - Valorador de sulfuroso libre y total - Hanna Instruments
El sulfuroso es uno de los conservantes más empleados en industria alimentaria. Por sus características antioxidantes, antioxidásicas y antimicrobianas, se utiliza para la conservación de productos como el vino, los zumos, las mermeladas, las confituras y los derivados vegetales.
A destacar de HI84500:
- Determinación de sulfuroso libre y total en unos minutos.
- Punto final detectado con electrodoORP, evita interferencias por color de la muestra.
- Adaptación del método Ripper.
- Bomba de pistón de alta precisión.
- Doble Rango mejor precisión.
-Mínimo contacto con reactivo químico, soluciones preparada.
SULFUROSO POR POTENCIOMETRÍA
Se puede hacer la determinación de sulfuroso libre y total mediante la aplicación de la potenciometría aunque con matizaciones.
En primer lugar, ya no se trata de una volumetría de neutralización, ya que se trata de una volumetría de oxidación reducción o Redox, en la que el reactivo valorante es una disolución de yodo, que actúa como oxidante del dióxido de azufre. Por lo tanto ya no es válido un pH-metro, sino que necesitamos un potenciómetro graduado en milivoltios y un electrodo sensible a la variación del potencial.
Este electrodo es denominado, por lógica, electrodo Redox, y es un electrodo de platino o de oro. Como electrodo de referencia se puede utilizar el de plata-cloruro de plata, aunque lo más normal es usar un electrodo combinado, generalmente con un electrodo Redox de platino y un electrodo de referencia de plata-cloruro de plata en una sola carcasa.
Otra diferencia con respecto al uso del pH-metro, es que los métodos de análisis no se basan en valoraciones a un valor final de potencial, sino que es necesario calcular el punto de equivalencia dentro del intervalo. El procedimiento para el sulfuroso libre y total es el siguiente:
Material y reactivos:
- Potenciómetro con lecturas en milivoltios y electrodo combinado para medida de potencial.
- Agitador magnético e imán teflonado.
- Bureta de 25 ml, clase A (si es posible con banda azul), con soporte y pinza de sujeción.
- Vaso de precipitado de 50 mililitros.
- Solución Patrón de 220 milivoltios tamponada a pH 7,0.
- Ácido sulfúrico 1/3 (670 ml de agua destilada + 330 ml de ácido sulfúrico concentrado).
- Solución valorada de yodo 0,02 N.
- NaOH 1 N. (40 gramos de NaOH por litro de agua destilada).
Preparación del equipo de medida:
1. Tras encender el equipo y comprobar que las señales son correctas, acopla el electrodo combinado y la sonda de temperatura y comprueba su funcionamiento.
2. Retira el capuchón protector del electrodo y lava con agua destilada.
3. Calibra el equipo con la solución patrón de 220 mV.
Procedimiento de análisis:
4. Monta la bureta y enrásala con la solución valorada de yodo 0,02 N.
5. Toma 10 ml de muestra y pásalas al vaso de valoración, añadiendo 5 ml de ácido sulfúrico 1/3.
6. Coloca sobre el agitador magnético e introduce un imán. Acopla el electrodo de manera que no toque las paredes ni tropiece con el imán. Si el volumen no es suficiente para cubrir el orificio del puente salino, añade agua destilada. La bureta debe verter en el vaso sin que alcance al electrodo.
7. Pulsa el botón de lectura continua del potenciómetro y añade lentamente la solución valorada de yodo 0,02 N hasta que se produzca un incremento brusco del potencial.
8. Anota el volumen de yodo 0,02 N y continúa añadiendo un par de mililitros más, por si no se trataba del punto de equivalencia. Sea V' el volumen de yodo consumido.
9. Toma otros 10 ml de vino y mézclalos con 10 ml de NaOH 1N. Espera 15 minutos. Vierte, de golpe, 5 ml de ácido sulfúrico 1/3 y procede de igual forma que el anterior. Sea V' el volumen de yodo consumido.
10. Realiza la determinación por duplicado, añadiendo la solución de yodo más lentamente, cuando se aproxime al salto de potencial de la valoración anterior. Sería interesante que comprobaras el resultado, con la aplicación de hoja de cálculo.
11. Retira y lava el electrodo y la sonda, colocando después el capuchón protector con líquido de conservación, según indicaciones del fabricante.
Cálculos:
SO2 libre (mg/L)=V x 64 o SO2 Total(mg/L)=V' x 64 donde V y V' son los volúmenes de Yodo N/50 consumidos.
ACIDEZ TOTAL Y NFA
- Importancia del control de NFA e interpretación de los resultados.
- Procedimiento correcto de análisis paso a paso según OIV.
HI84502 - Valorador de acidez y pH - Hanna Instruments
El valorador HI 84502 es sencillo, rápido y asequible, diseñado para analizar los niveles totales de acidez en el vino. Puede funcionar como valorador y pHmetro, dos equipos en uno. El HI 84502 incorpora una bomba de dosificación de pistón, que permite una determinación muy precisa de la cantidad de valorante usada. Las calibraciones de la bomba, realizadas con los estándares Hanna suministrados, aseguran la exactitud de la medición. El HI 84502 también incluye una nueva medición de rango bajo.
A destacar de HI84502:
- Resultados de la acidez como gr/L de ácido tartárico.
- Indicación de pH durante la valoración evita el error de detección por viraje de color.
- Valoración con base fuerte NaOH hasta punto final 8.2. o 7.0.
- Calibración en 1, 2 o 3 puntos opcionales ( 4,01; 7,01; 8,20; 10,01).
- Electrodo específico para vino y mosto, con sistema anti obturación(unión abier ta y esmerilada).
- Dos equipos en uno, opción de medición de pH.
ACIDEZ POR POTENCIOMETRÍA
El procedimiento para determinar la acidez total, se basa en una volumetría de neutralización con una solución valorada de hidróxido de sodio.
Para comprobar el punto final de esta valoración, podemos utilizar un indicador como el azul de bromotimol, pero la percepción del viraje del indicador no siempre es fácil de distinguir. Piensa en que para que el ojo humano perciba un cambio de color, debe de existir una proporción mínima de 1 a 10 del nuevo color sobre el inicial. Esta circunstancia implica que en vinos tintos o vinos blancos y rosados con mucha intensidad colorante, el cambio de color no se perciba con nitidez. Todo ello implica que el error de valoración aumenta.
Por ello, podemos recurrir a la utilización de un potenciómetro (pH-metro, en este caso), ya que a medida que añadimos hidróxido de sodio vamos modificando la concentración de H+ o, lo que es lo mismo, el pH.
El método oficial para la determinación de la acidez, nos dice que "la Acidez Total es la suma de los ácidos valorables cuando se lleva el pH a 7, añadiendo una solución alcalina valorada". Por lo tanto podemos proceder como sigue:
Material y reactivos:
- pH-metro que permita lecturas con aproximación de 0,01 unidades como mínimo.
- Electrodo combinado para medida de pH.
- Sonda de temperatura. (No es necesaria si el electrodo lleva incorporada la sonda).
- Soluciones tampón (estándar o buffer) de pH 4 y 7.
- Agitador magnético.
- Bureta de 25 ml, clase A (si es posible con banda azul), con soporte y pinza de sujeción.
- Vaso de precipitados de 50 mililitros.
- Disolución valorada de hidróxido de sodio 0,1 Normal.
Preparación del equipo de medida:
- La preparación del equipo se lleva a cabo tal y como se especifica en el procedimiento anterior para la determinación del pH en un vino o mosto.
Procedimiento de análisis:
1. Elimina el dióxido de carbono de la muestra, echando 50 ml de vino o mosto en un kitasato. Agita a la vez que haces el vacío con un trompa de agua, durante unos minutos. Si se trata de mosto concentrado, es suficiente con diluirlo a 25 ºBrix.
2. Monta la bureta y enrásala con la solución de valorada de NaOH 0,1 N.
3. Toma 10 ml de muestra y pásalas al vaso de valoración, añadiendo otros 10 ml de agua destilada.
4. Coloca el vaso de precipitados sobre el agitador magnético e introduce un imán teflonado. Acopla el electrodo y la sonda de temperatura, de manera que no toquen las paredes ni tropiecen con el imán. Si el volumen no es suficiente para cubrir el orificio del puente salino, añade más agua destilada. La bureta debe de verter en el vaso sin tocar al electrodo ni la sonda.
5. Pulsa el botón de lectura continua del pH-metro y añade lentamente hasta pH 7.0.
6. Anota el volumen de NaOH 0,1 N consumido.
7. Realiza la determinación por duplicado, añadiendo más lentamente cuando se aproxime a pH 7.0.
8. Retira y lava el electrodo y la sonda, colocando después el tapón y el capuchón protector con líquido de conservación, según indicaciones del fabricante.
Cálculos:
AT: Acidez total expresada en gramos de ácido tartárico por litro.
v: Media aritmética del volumen, en ml, de solución de hidróxido de sodio consumida.
N: Concentración Normal (equivalentes/litro) del hidróxido de sodio.
f: Factor de corrección para la concentración.
75: Peso equivalente del ácido tartárico (o 49 en el caso del ácido sulfúrico, en caso de expresarla en este ácido).
CURVA DE VALORACIÓN Y DERIVADA
Cuando se pretende determinar exactamente el punto de equivalencia, se recurre a la curva de calibrado, pues cuando se hace la derivada 1ª de la curva, nos aparecerá un pico en el volumen correspondiente a dicho punto.
MEJORA DE LA PRODUCTIVIDAD EN EL LABORATORIO ENOLÓGICO (AUTOMATIZACIÓN DE LAS ANALÍTICAS)
El uso de las técnicas de electroanálisis, facilita ciertos procedimientos de análisis a la vez que incrementa la exactitud y precisión de los resultados obtenidos.
Pero eso no es todo, pues el hecho de que sea un equipo el que detecte el punto final de la volumetría, permite abordar la idea de automatizar el proceso en mayor o menor medida.
Así, por una parte se han diseñado dosificadores automáticos de gran precisión y exactitud, mediante bombas peristálticas u otros mecanismos, que sustituyen con éxito a las buretas, y por otra evitan la manipulación de los reactivos valorantes.
Al intervenir menos los operarios de laboratorio, se eliminan los posibles errores que se puedan cometer en la manipulación. Piensa en el cierre y apertura de las llaves de la bureta, en la realización del enrase de la misma, en la lectura del volumen consumido, etc.
Otro aspecto que se automatiza es la detección del punto final, de tal manera que es el propio equipo quien detiene el proceso, sin la duda que pueda generar la interpretación del mismo.
El siguiente paso es la automatización de los cálculos, operación ésta muy superada en la actualidad, con numerosas aplicaciones de software y hardware.
Con todo ello se logran componer equipos conocidos como valoradores automáticos o también titradores, aunque esta denominación proviene de una adaptación de la lengua inglesa y a pesar de que su uso está extendido, es un término que no figura en el diccionario de la RAE.
Con este tipo de equipos, la realización de los procedimientos es más fácil y rápida, lo que supone una reducción del coste por análisis, siempre que se supere un número de muestras determinada y variable para cada equipo.
Aún así, el operario u operaria de laboratorio, deberá hacer un correcto mantenimiento, puesta a punto y calibrado de los equipos, con la frecuencia necesaria, para garantizar la trazabilidad de los resultados analíticos.
DETERMINACIÓN DE POTASIO
- Relevancia del control de potasio en mosto, desde la viña hasta el control de recepción.
- Fundamentos de la medida con Electrodo de Ión Selectivo.
- Procedimiento de análisis y mantenimiento del ISE de Potasio.
