Lattine stimolanti: la scienza delle bevande energetiche Teach article

Tradotto da Francesca Nuzzo. Avete mai comprato una bibita energetica come stimolante, sapete cosa contiene? Lo scopriremo mediante la chimica di laboratorio.

Sbirciando tra gli scaffali di qualsiasi  minimarket , noterete un notevole numero di bevande energizzanti che promettono di migliorare  le prestazioni sportive ed altre attività – e che attirano molti adolescenti. Ma cosa contengono queste bibite, e in che quantità? Sono solo zuccherate – o possono essere dannose?

In questo articolo, mostriamo come determinare alcuni degli ingredienti contenuti nelle bevande energizzanti e le loro concentrazioni usando tecniche cromatografiche e colorimetriche. Viste le tecniche avanzate richieste, queste attività sono soprattutto adatte a studenti più grandi (età 14-19), e richiedono in totale circa 3-4 ore. Se la vostra scuola non possiede tutti gli strumenti necessari, forse è meglio collaborare con altre scuole: le attività riescono meglio se in collaborazione.

Preparazione: lettura delle etichette

I produttori devono elencare gli ingredienti delle bevande energetiche sulla confezione (figura 1) o su un sito internet, e ciò non richiede nessuna chimica. In seguito, faremo un confronto tra le informazioni dei produttori ed i risultati del laboratorio.
 

L’ingrediente delle bevande energetiche con  maggior effetto è la caffeina, presente anche in altre bevande quali té, caffè e Coca-Cola®. Il suo effetto stimolante è ben noto. In questa attività preliminare, gli studenti cercano e paragonano le concentrazioni di caffeina in diverse bibite e calcolano quali quantitativi occorrono per avere degli effetti collaterali. È consigliato dedicare a questa attività 30-60 minuti.

Occorrente

• Accesso ad internet per svolgere la ricerca
• Quaderno per riportare i dati

Procedimento

Chiedere agli studenti di seguire quanto segue, da soli o in gruppi:

1. Creare una lista di circa cinque bevande energizzanti, specialmente quelle contenenti caffeina. Inserire come termine di paragone il caffè (un solo espresso).
2. Mediante internet, trovare gli ingredienti di ogni bibita, caffeina inclusa. Annotare le dosi di caffeina un una singola lattina o bottiglia e in 100ml, se riportato. Altrimenti, annotare il volume della lattina o bottiglia in modo da poter calcolare la concentrazione della caffeina (lo useremo in un uno degli esperimenti).
3. Usare internet per scoprire a quali dosi di caffeina sono associati degli effetti collaterali. Ciò dipende da diversi fattori, e.g. peso corporeo, se il consumatore è un adulto un bambino?
4. Creare una tabella riportante le seguenti caratteristiche per ogni bevanda:

• Lista degli ingredienti
• Quantità di caffeina in una sola lattina
• A quanti caffè espresso è equivalente
• Quante lattine dovresti bere per avere degli effetti collaterali dannosi.

Discussione

Discutere i risultati in classe.  Quali sono le conclusioni degli studenti riguardo agli ingredienti delle bevande energetiche e quanto salutari sono? Possono uccidervi?

Dalla nostra ricerca ,emerge che una lattina media (250ml) di bibita energizzante contiene circa 80mg di caffeina, tale quantitativo è simile a quello presente in un caffè espresso (60-100mg). Questo valore è vicino alla dose che potrebbe causare effetti collaterali (100-160mg).

Estrazione della caffeina

Ora si passa alla chimica pratica: isolare dalle bevande energetiche la caffeina e gli altri composti organici e, successivamente, identificare la caffeina mediante cromatografia su strato sottile. Questa attività richiede 1.5-2 ore.

Occorrente

Per l’estrazione

• 50 ml di una bibita energizzante
• 2×15 ml di un solvente organico che evapora facilmente, e.g. etanoato di etile (acetato di etile)
• 10 ml di una soluzione 1M di un alcalinizzante idoneo, e.g. carbonato di sodio
• 10 g di solfato di magnesio anidro (per seccare)
• Evaporatore rotante, se disponibile
• Cartine tornasole
• Imbuto
• Carta da filtro
• Contenitori da 100ml
• Cilindro graduato
• Bacchetta di vetro per miscelare

Per la cromatografia

• Fase stazionaria: piastre per cromatografia su strato sottile pre-trattate con gel di silicio, di circa 10cm x 5cm.
• Eluente (fase mobile): 10ml di una miscela di 30% acido metanoico (formico) e 50% di etanoato di butile (acetato di butile)
• Un campione di caffeina pura ( da utilizzare come riferimento), preparato sciogliendo la caffeina di una punta di una spatola in 2-3ml di etanolo.
• Fonte di raggi UV

Procedimento

1. In un cilindro, aggiungere 50ml di una bevanda energetica a 9ml di una soluzione 1M di carbonato di sodio.
2. Usando una cartina tornasole, controllare che il pH della soluzione sia tra 8 e 10. Altrimenti, aggiustare il pH mediante una piccola aggiunta di agente alcalinizzante o bibita energizzante.
3. Versare tale soluzione nell’imbuto separatore e aggiungere 15 ml di etanoato di etile. Agitare bene la miscela e lasciarla sedimentare in modo da separare la fase acquosa da quella organica.
4. Eliminare la fase acquosa (strato inferiore) e recuperare la fase organica (strato superiore) in un contenitore pulito (figura 3).
5. Aggiungere altri 15ml di etanoato di etile nel contenitori contente la fase organica e ripetere l’operazione, agitando e raccogliendo la fase organica.

6. Rimuovere l’acqua dalla fase organica mediante l’aggiunta di solfato anidro di magnesio (figura 4).

7. Evaporare il solvente dalla fase organica usando l’evaporatore rotante, se ne avete uno. La temperatura del bagnetto dovrebbe essere di 40°C. Una volta che il solvente è evaporato, rimarrà una polvere bianca, ossia l’estratto di caffeina. Se non avete un evaporatore rotante, passate alla fase successiva con l’estratto di caffeina ancora disciolto nel solvente.
8. Ora siete pronti per analizzare il vostro campione. Se avete fatto evaporare il solvente, aggiungere all’estratto di caffeina in polvere 1ml di etile etanoato per risospenderlo.
9. Per iniziare la cromatografia, preparare 10 ml di eluente e versare la miscela in un contenitore da eluizione o in un contenitore con coperchio.
10. In una lastra da cromatografia, creare un punto con caffeina pura (da usare come riferimento) ed uno con l’estratto di caffeina.
11. Lasciare procedere la cromatografia (figura5; 10-15min) e poi rimuovere attentamente il cromatogramma.

12. Alla fine, esporre il cromatogramma alla luce UV, così da rendere i vari punti visibili (figura 5) Cosa si vede?

Discussione

Dopo l’attività pratica, la classe può discutere cosa ha scoperto. Usate le seguenti domande:

• Durante l’estrazione, perché la caffeina si trova nella fase liquida e non sul filtro? (La caffeina si scioglie nel solvente.)
• Perché si usa un solvente organico e non acqua per l’estrazione? (Gli zuccheri ed i minerali si sciolgono in acqua, mentre la caffeina è un composto organico.)
• Perché è richiesta la luce UV per visualizzare la caffeina nel cromatogramma? (La caffeina non è colorata, ma i legami chimici assorbono luce nella regione del vicino UV.)

Per alcune bevande, oltre alla caffeina, ci saranno altri punti visibili sul cromatogramma, che gli studenti possono provare ad identificare sulla base della lista degli ingredienti della bibita in oggetto. Composti probabili sono vitamina B₃ (piridossina) e B₆ (niacina), in quanto alcuni legami presenti in tali composti assorbono anche nello spettro del vicino UV.

Testare la concentrazione

In quest’ultima attività, si usa un’altra tecnica chimica – la colorimetria – per calcolare la concentrazione di caffeina in una bevanda energetica e confrontarla con l’etichetta. Dedicare a questa attività 60-90 minuti.

La strategia questa volta è usare come riferimento una serie di soluzioni di caffeina a concentrazioni diverse ma note, e rapportare l’assorbimento della bibita energizzante a tali valori mediante una curva di calibrazione.

 Occorrente

• Bevande energizzante (almeno 20 ml)
• Soluzioni di riferimento di caffeina pura in acqua distillata alle concentrazioni di 5, 10, 20 e 50 mg/l (almeno 20 ml per ognuna)
• Acqua distillata
• Colorimetro sensibile alle lunghezze d’onda tra 250 nm e 380 nm (nel vicino ultravioletto)
• Matraccio da 20 ml
• Pipette
• Bilancia

Procedimento

1. Calibrare il colorimetro usando acqua distillata.
2. Usando il colorimetro, misurare a turno l’assorbanza a 271 nm di ogni soluzione di riferimento e riportare i valori. (La caffeina assorbe fortemente a tale lunghezza d’onda; figura8.)

3. Usando i valori, creare una curva di calibrazione mettendo in relazione l’assorbimento a 271 nm alla concentrazione della caffeina, disegnando una linea retta che meglio connette i punti (figura 9).

4. Usando un matraccio ed una pipetta, diluire la bevanda 20 volte. (Alle normali concentrazioni, l’assorbimento della caffeina è molto alto per poter essere accuratamente misurato dal colorimetro.)
5.  Misurare l’assorbanza della bevanda diluita a 271 nm.
6. Usando la curva di calibrazione creata, stimare la concentrazione della caffeina nelle bevande diluite. Moltiplicando per 20, si ottiene una stima della concentrazione della caffeina nella bevanda energetica originale, in mg/l.
7. Confrontare tale risultato con la concentrazione indicata dal produttore (assicuratevi di utilizzare sempre le stesse unità di misura). Sono le stesse? Se differenti, quali pensate possano essere le ragioni? Il produttore ha mentito?

Discussione

Chiedere agli studenti di confrontare i loro risultati sul contenuto di caffeina nelle bevande energizzanti, come discussione di gruppo.

In seguito discutere su cosa hanno trovato quando hanno paragonato i loro risultati con quelli pubblicati dai produttori. C’erano dei risultati sperimentali più alti rispetto a quelli pubblicati?

Per spiegare ciò, gli studenti devono ripensare alla prima parte dell’esperimento in cui il cromatogramma ha individuato altri composti oltre alla caffeina – tipicamente le vitamine B₃ e B₆. Infatti, anche questi composti assorbono a 271 nm, determinando un aumento dell’assorbanza della bibita energizzante, in corrispondenza di quella lunghezza d’onda. Perciò, quando l’assorbanza della bibita è usata per scoprire la concentrazione della caffeina mediante la curva di calibrazione, il valore è più alto rispetto a come sarebbe se si misurasse la caffeina da sola.

Caffeina e il cervello

Le bevande energetiche sono popolari per via delle loro marche e associazione con sport e resistenza fisica. Ma possono influenzare anche il modo con cui il nostro cervello lavora stimolando le nostre facoltà mentali?

Se volete scoprire come indagare ciò, due esperimenti per esaminare l’ agilità mentale misurando i tempi di pensiero e reazione possono essere scaricati dalla sezione materiali aggiuntivi^w1. Uno è l’abilità di combinazione numerica, l’altro di presa.

Ringraziamenti

Questo articolo si basa su un’ attività pubblicata da Science on Stage, la rete europea per gli insegnanti di scienze, tecnologia, ingegneria e matematica (STEM) e avviata la prima volta nel 1999 da EIROForum, editore di Science in School. L’associazione non-profit Science on Stage connette gli insegnanti di scienze da tutta Europa e promuove lo scambio di idee e migliori metodi di insegnamento con colleghi entusiasti provenienti da 25 paesi.

Sia ai seminari che tramite discussioni via e-mail, 20 insegnanti da 15 paesi europei hanno lavorato insieme per 18 mesi per sviluppare 12 unità didattiche che mostrano come il calcio può essere usato nelle lezioni di fisica, chimica, biologia, matematica o informatica. Queste unità sono state pubblicate nel 2016 da Science on Stage Germany come iStage 3 – Football in Science Teaching^w2. Il progetto è stato supportato da SAP.

Il seguito dell’attività di iStage 3 è l’ European STEM League, a cui i lettori sono invitati a partecipare e gareggiare per diventare campione dell’European STEM Champion^w3.