Bebidas que estimulan: la ciencia de las bebidas energizantes Teach article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Si alguna vez compras una bebida energizante para tener más energía, ¿sabes qué contiene? Con esta actividad, usamos el laboratorio de química para descubrirlo.

Si miras las estanterías de cualquier tienda, verás una cantidad cada vez mayor de bebidas energizantes, que prometen un mejor rendimiento en los deportes y otras actividades, y que resultan muy atractivas para muchos adolescentes. Pero ¿qué hay en estas bebidas, y en qué cantidad? ¿Se trata meramente de sustancias azucaradas costosas, o pueden de hecho ser peligrosas?

En este artículo, te mostramos cómo puedes averiguar algunos de los ingredientes de las bebidas energizantes y sus concentraciones con las técnicas de laboratorio de cromatografía y colorimetría. Debido a las técnicas avanzadas que se emplean, estas actividades son más adecuadas para estudiantes mayores (entre 14 y 19 años), y completarlas llevan entre 3 y 4 horas en total. Si tu escuela no tiene todo el equipamiento necesario, tal vez puedas unirte a otras escuelas, ya que las actividades pueden realizarse en colaboración.

Preparación: lectura de las etiquetas

Los fabricantes deben mencionar los ingredientes de las bebidas energizantes en el envase (figura 1) o en el sitio web, por lo que podemos comenzar la actividad sin recurrir a la química. Más adelante, vamos a comparar la información de los fabricantes con los resultados del laboratorio.
 

El ingrediente de las bebidas energizantes que tiene el mayor efecto es la cafeína, que también se encuentra en otras bebidas como el té, el café y la Coca-Cola®. Su efecto como estimulante es muy conocido. En esta actividad de preparación, los estudiantes investigan y comparan las concentraciones de cafeína de diferentes bebidas y analizan la cantidad de cafeína que causaría efectos secundarios perjudiciales. Sugerimos dedicarle entre 30 y 60 minutos a esta actividad.

Materiales

• Acceso a internet para llevar a cabo la investigación.
• Cuadernos para anotar las conclusiones.

Procedimiento

Pídales a sus estudiantes que hagan lo siguiente, solos o en grupos:

1. Haz una lista de aproximadamente cinco bebidas energizantes, en especial las que, según los anuncios publicitarios, contienen cafeína. Incluye el café (por ejemplo un café expreso) para comparar.
2. Usa internet para investigar los ingredientes de cada bebida (incluye la cafeína). Toma nota de la cantidad de cafeína en una lata o botella y de la cantidad en 100 ml, si está mencionado. Si no, toma nota del volumen de la lata o botella para calcular la concentración de cafeína (usaremos este dato en uno de los experimentos).
3. Usa internet para averiguar la dosis de cafeína necesaria para que existan efectos secundarios nocivos. ¿Depende de otros factores, como del peso corporal, o de si el consumidor es un adulto o un niño?
4. Haz una tabla que muestre las siguientes características de cada bebida:

• Lista de ingredientes
• Cantidad de cafeína en una lata
• A cuántos cafés expresos es equivalente
• Cuántas latas necesitarías tomar para arriesgarte a padecer efectos secundarios perjudiciales.

Discusión

La clase discute los resultados. ¿A qué conclusión llegan los estudiantes sobre los ingredientes de las bebidas energizantes y qué tan seguras son? ¿Podrían causar la muerte?

En nuestra investigación, descubrimos que una lata promedio (250 ml) de una bebida energizante contiene alrededor de 80 mg de cafeína, que es similar a la cantidad de un café expreso (entre 60 y 100 mg). Esto es cercano a la dosis que puede causar efectos secundarios perjudiciales (entre 100 y 160 mg).

Extracción de la cafeína

Ahora pasamos a la química práctica: vamos a extraer la cafeína y otros compuestos orgánicos de la bebida energizante, y luego vamos a identificar la cafeína con la técnica de cromatografía en capa delgada. Completar esta actividad lleva entre 1,5 y 2 horas.

Materiales

Para la extracción

• 50 ml de una bebida energizante
• Dos porciones de 15 ml de un solvente orgánico que se evapore fácilmente, como el etanoato de etilo (acetato de etilo)
• 10 ml de solución 1 M de un álcali apropiado, como el carbonato de sodio
• 10 g de sulfato de magnesio anhidro (para el secado)
• Rotavapor, si puedes conseguirlo
• Papel indicador universal
• Ampolla de decantación
• Papel de filtro
• Vaso de precipitados de 100 ml
• Probeta graduada
• Varilla de vidrio para agitar

Para la cromatografía

• Fase estacionaria: placas de cromatografía en capa delgada de aproximadamente 10 cm × 5 cm, recubiertas previamente con gel de sílice.
• Eluyente (fase móvil): 10 ml de una mezcla de ácido metanoico (ácido fórmico) 30 % y etanoato de butilo (acetato de butilo) 50 %
• Muestra de cafeína pura (como punto de referencia), que se obtiene al disolver una punta de espátula de cafeína en 2 o 3 ml de etanol
• Fuente de luz UV

Procedimiento

1. Toma 50 ml de la bebida energizante y agrégalos a 9 ml de una solución 1M de carbonato de sodio en un vaso de precipitados.
2. Con papel indicador, corrobora que el pH de la solución esté entre 8 y 10. Si no es así, ajusta el pH con un poco más de álcali o bebida energizante.
3. Coloca esta solución en una ampolla de decantación y agrega 15 ml de etanoato de etilo. Agita bien la mezcla y déjala reposar para que la fase acuosa y la orgánica se separen.
4. Extrae la fase acuosa (capa inferior) y luego recoge la fase orgánica (la capa superior) en un vaso de precipitados limpio (figura 3).
5. Agrega otros 15 ml de etanoato de etilo al vaso de precipitados que contiene la fase orgánica y repite la operación: agita y recoge la fase orgánica.
    

6. Quita el agua de la fase orgánica agregando sulfato de magnesio anhidro (figura 4).
    

7. Evapora el solvente de la fase orgánica usando el rotavapor, si dispones de ese equipo. La temperatura del baño de agua debería ser de 40 °C. Cuando el solvente se haya evaporado, queda un polvo blanco, que es la cafeína extraída. Si no tienes un rotavapor, continúa con el paso siguiente con el extracto de cafeína aún disuelto en el solvente.
8. Ahora puedes analizar la muestra. Si has evaporado el solvente, agrega 1 ml de etanoato de etilo al extracto de cafeína en polvo para redisolverlo.
9. Para comenzar la cromatografía, prepara 10 ml de eluyente y vierte esta mezcla en un recipiente de elución (o un vaso de precipitados con tapa).
10. En una placa cromatográfica, deposita una mancha con la solución de cafeína pura (como referencia) y una con la solución de extracto de cafeína.
11. Permite que la cromatografía se desarrolle (figura 5; entre 10 y 15 minutos) y luego quita con cuidado el cromatograma.
     

12. Por último, mira el cromatograma bajo luz UV para que se vean las manchas (figura 6). ¿Qué ves?
     

Discusión

Luego del trabajo práctico, la clase puede discutir sobre lo que encontraron. Se pueden plantear las siguientes preguntas:

• ¿Por qué en la extracción la cafeína se encuentra en el líquido y no en el papel de filtro? (La cafeína se disuelve en el solvente).
• ¿Por qué usamos un solvente orgánico para la extracción en vez de agua? (Los azúcares y los minerales se disuelven en el agua; en cambio, la cafeína es un compuesto orgánico).
• ¿Por qué se necesita luz UV para ver la cafeína en el cromatograma? (La cafeína no tiene color, pero sus enlaces químicos absorben luz en la región UV cercana).

Para algunas bebidas, además de la cafeína se verán otras manchas en el cromatograma bajo la luz UV, que los estudiantes pueden intentar identificar con la lista de ingredientes de la bebida. Los compuestos que tal vez se vean son las vitaminas B₃ (niacina) y B₆ (piridoxina),  porque algunos de los enlaces (figura 7) de estos compuestos también absorben luz en la región UV cercana.

Prueba de la concentración

En esta actividad final, usamos otra técnica química —la colorimetría— para averiguar la concentración de cafeína en una bebida energizante y compararla con la cifra que figura en la etiqueta. Realizar esta actividad lleva entre 60 y 90 minutos.

Aquí la estrategia consiste en usar como referencia un conjunto de soluciones de cafeína de distintas concentraciones conocidas y comparar la absorción de la bebida energizante con estos valores por medio de un gráfico de calibración.

 Materiales

• Bebida energizante (20 ml como mínimo)
• Soluciones de referencia de cafeína pura en agua destilada en concentraciones de 5, 10, 20 y 50 mg/l (al menos 20 ml de cada una)
• Agua destilada
• Colorímetro que sea sensible a longitudes de onda entre 250 nm y 380 nm (luz UV cercana)
• Matraz volumétrico de 20 ml
• Pipeta
• Balanza y plato para pesar

Procedimiento

1. Calibra el colorímetro usando agua destilada.
2. Con el colorímetro, mide la absorción a 271 nm de cada solución de referencia, una a una, y anota los valores. (La cafeína absorbe fuertemente en esta longitud de onda; figura 8).
    

3. Usa los valores para trazar un gráfico de calibración que una la absorción a 271 nm con la concentración de cafeína; se debe dibujar la línea recta más probable entre los puntos obtenidos (figura 9).
    

4. Con un matraz volumétrico y una pipeta, diluye la bebida 20 veces. (En concentraciones normales, la absorción de cafeína es demasiado elevada para que el colorímetro la mida con precisión).
5. Mide la absorción de la bebida diluida a 271 nm.
6. Con la curva de calibración que has dibujado, calcula la concentración de cafeína de la solución de la bebida diluida. Multiplica esto por 20 para obtener el valor estimado de la concentración de cafeína de la bebida original, en mg/l.
7. Compara este resultado con la concentración de cafeína que mencionan los fabricantes (asegúrate de usar las mismas unidades de medida). ¿Son iguales? Si no lo son, ¿puedes explicar las razones de esta diferencia? ¿Se trata de un engaño del fabricante?

Discusión

Pídeles a los estudiantes que comparen los resultados del contenido de cafeína de diferentes bebidas energizantes (se incluye a toda la clase).

Luego discutan sobre los valores encontrados cuando compararon sus propios resultados con los publicados por el fabricante. ¿Algunos de los valores experimentales obtenidos fueron más altos que los publicados?

Para poder explicar esto, los estudiantes deben recordar la primera parte del experimento, cuando el cromatograma reveló algunos compuestos además de la cafeína, como las vitaminas B₃ y B₆. De hecho, estos mismos compuestos también absorben a la longitud de onda de 271 nm, por lo que aumentan la absorción de la bebida energizante a esa longitud de onda. Por ello, cuando se usa la absorción de la bebida para averiguar la concentración de cafeína con el gráfico de calibración, los valores son más altos de lo que serían si se midiera la cafeína sola.

La cafeína y el cerebro

Las bebidas energizantes son populares debido a las marcas y a la asociación con los deportes y la resistencia física. Pero ¿pueden afectar la manera en que trabaja nuestro cerebro al estimular las facultades mentales?

Si quieres conocer maneras de investigar esto, en la sección de materiales adicionales se pueden descargar dos experimentos para el aula que evalúan la agilidad mental al medir el tiempo de reacción^w1. Uno es una actividad con números y símbolos, y en el otro se debe atrapar un objeto que cae.

Agradecimientos

Este artículo está basado en una actividad que publicó Science on Stage, la red para docentes de ciencia, tecnología, ingeniería y matemática (CTIM) de Europa, que lanzó EIROforum (editor de Science in School) en 1999. La asociación sin fines de lucro Science on Stage reúne a docentes de ciencia de toda Europa para intercambiar ideas y prácticas sobre la enseñanza con colegas entusiastas de 25 países.

En talleres de Science on Stage y en conversaciones por correo electrónico, 20 docentes de 15 países europeos trabajaron juntos durante 18 meses para desarrollar 12 unidades de enseñanza que muestran cómo se puede usar el fútbol en las clases de física, química, biología, matemática e informática. Luego, Sience on Stage Alemania publicó estas unidades bajo el nombre iStage 3 – Football in Science Teaching^w2. El proyecto contó con el apoyo de SAP.

La actividad que subsigue a iStage 3 es la European STEM League (Liga europea CTIM), en la que se invita a los lectores a competir para convertirse en el European STEM Champion (Campeón europeo de CTIM)^w3.