El Refractómetro, Cómo Funciona y Papel en la Industria Alimentaria

Jun 13, 2023

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Un refractómetro es un dispositivo utilizado para medir el índice de refracción (n) de una sustancia. Esta propiedad física se puede utilizar para realizar una variedad de evaluaciones, como determinar la pureza de una sustancia (comparando su valor n con un valor estándar) o para ayudar a identificar una sustancia desconocida comparando su valor n con valores de referencia. 1 Los refractómetros son versátiles en su diseño y uso, y pueden proporcionar resultados como índices de refracción o, en otros casos, como mediciones directas de parámetros como sólidos solubles, concentración de azúcar o salinidad.

¿Cómo funciona un refractómetro, el índice de refracción y el papel de la ley de Snell?

El índice de refracción de una sustancia se determina mediante la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz que viaja a través de la sustancia de prueba, como se describe en la Ecuación 1.

Índice de refracción (n) = (Velocidad de la luz en el vacío) (Velocidad de la luz en la sustancia problema)

Ecuación 1: Definición del índice de refracción de una sustancia utilizando la velocidad de la luz.

Cuando la luz viaja de un medio a otro, cambia no sólo de velocidad sino también de dirección, lo que resulta en refracción. Este fenómeno está representado en la Figura 1, donde un haz de luz viaja a través de los medios A y B a las velocidades vA y vB respectivamente.

Según la ley de Snell, la relación entre los senos del ángulo de incidencia y el ángulo de refracción es igual al índice de refracción del segundo medio.2 Considerando un plano perpendicular a la interfaz, los haces incidente y refractado forman los ángulos θA y θB, y los índices de refracción de los medios A y B (nA y nB), se puede establecer la siguiente relación (Ecuación 2):

sen⁡θA = nB = VAsen⁡θB nA VB

Ecuación 2: fórmula de la ley de Snell.

La ecuación anterior muestra que el índice de refracción de una sustancia se puede encontrar midiendo los ángulos de incidencia y refracción en lugar de medir la velocidad de la luz.

Para comprender mejor los principios de funcionamiento de los refractómetros, hay otro concepto fundamental a considerar, el ángulo crítico. A medida que aumenta el ángulo de un haz de luz incidente, también aumenta el ángulo de refracción (ver Figura 2A). En un ángulo de incidencia específico, el ángulo de refracción alcanza los 90°, que es el ángulo de refracción máximo posible. En este punto particular, conocido como ángulo crítico, el haz de luz viaja paralelo a la interfaz y cualquier aumento adicional en el ángulo de incidencia dará como resultado la reflexión de la luz.3 Si ahora consideramos un prisma iluminado en contacto con un líquido ( Figura 2B), los haces que viajan por debajo del ángulo crítico se refractan y los haces que viajan por encima del ángulo crítico se reflejan. Cuando se observa desde la posición correcta, el ángulo crítico se puede visualizar como una transición entre las regiones oscuras y claras. Conociendo el índice de refracción del prisma (nA), así como el ángulo de refracción θB en el ángulo crítico (es decir, 90°), ahora se puede determinar el índice de refracción del líquido (nB). Esta relación establece el principio de funcionamiento de la mayoría de los refractómetros.4

Para determinar con precisión el índice de refracción de una sustancia, se deben tener en cuenta consideraciones adicionales, en particular debido a la dependencia de esta propiedad de la temperatura y la longitud de onda de la luz utilizada para medirla. Por lo tanto, se debe tener cuidado de controlar o compensar las variaciones de temperatura y longitud de onda.1

El índice de refracción es específico de una sustancia, lo que hace que esta propiedad sea un método fácil y eficaz para caracterizar materiales y evaluar su pureza. Cuando la muestra de prueba es una mezcla simple de dos componentes, como agua y azúcar o agua y alcohol, la primera opción para su caracterización es un refractómetro. Aunque las mezclas más complejas pueden producir determinaciones menos precisas, los refractómetros aún pueden dar aproximaciones aceptables de la concentración de soluto, adecuadas para el control de calidad. Por esta razón, los refractómetros se utilizan en el laboratorio, en la industria y en los campos de producción, ya que son fáciles de usar, requieren poco mantenimiento y proporcionan resultados rápidos. El índice de refracción de una solución suele ser directamente proporcional a su concentración en volumen (m/V), que se puede convertir en concentración en masa (m/m) cuando se multiplica por un factor de densidad. Esta relación permite la comparación mutua del índice de refracción y los datos de gravedad específica. La gravedad específica, o densidad relativa, de una sustancia es la relación entre la densidad y la de una sustancia estándar, generalmente agua a 4 °C. La densidad relativa de un líquido se puede determinar utilizando un hidrómetro, que es un dispositivo hecho de un tubo de vidrio sellado con una bombilla adherida al fondo, que actúa como lastre. Estos dispositivos tienen una densidad específica y, basándose en la flotabilidad de un hidrómetro, se puede leer en una escala impresa en él la gravedad específica del líquido en el que se coloca. Alternativamente, la gravedad específica de un líquido se puede determinar usando un picnómetro, que es un recipiente de vidrio con un volumen específico y un tapón especial que permite llenar el recipiente por completo y escapar las burbujas de gas. Este dispositivo permite medir un volumen muy preciso, lo que permite determinar la gravedad específica de un fluido.6 Tanto la gravedad específica como el índice de refracción se pueden utilizar para determinar la composición de mezclas binarias, lo cual es esencial en el control de procesos y las evaluaciones de calidad. . Los hidrómetros son económicos y fáciles de usar, lo que los hace ideales, por ejemplo, para los cerveceros caseros. Sin embargo, la refractometría permite determinaciones más rápidas y directas, requiere muestras mucho más pequeñas que las mediciones de gravedad específica y puede ser más portátil, lo que la convierte en la opción preferida para la mayoría de las aplicaciones industriales y de producción de alimentos.

El uso más común de los refractómetros es la determinación de sólidos disueltos en un líquido, como la concentración de azúcar en agua. Comúnmente, los resultados se expresan en grados Brix (°Bx), siendo 1 °Bx equivalente a 1 gramo de sacarosa en 100 gramos de solución, representando entonces el porcentaje en peso (% p/p) del contenido de azúcar.5 La escala Brix Se utiliza frecuentemente para comprobar el contenido de azúcar del zumo de uva para la producción de vino, zumos de frutas, jaleas y mermeladas, miel, leche y muchos otros tipos de bebidas. Para expresar el contenido de sólidos en solución se utilizan otras escalas comparables como la Oechsle, Plato y Baumé. El origen de estas básculas fue de hecho el concepto de gravedad específica. La escala Oechsle se estableció para medir la densidad del mosto de uva para la industria vitivinícola. Esta escala expresa la diferencia de densidad entre una muestra de prueba y el agua, correspondiendo 1 grado Oechsle (°Oe) a una diferencia de un gramo entre un litro de mosto y un litro de agua. Baumé (B°o Bé°) en realidad combina dos escalas basadas en determinaciones hidrómetros, que miden la densidad de fluidos más densos y más ligeros que el agua, respectivamente. Los grados Baumé se establecían por el porcentaje de masa de cloruro de sodio disuelto en agua, correspondiendo 0 B° a agua pura y, por ejemplo, 15 B° la densidad del 15% de cloruro de sodio en agua. Platón es también una unidad de fracción de masa desarrollada para la industria cervecera, que representa la concentración de sólidos disueltos en un mosto de cervecería. Grados Platón (°P) cuantifica la concentración de extracto como porcentaje en peso. La principal diferencia con la escala Brix es que ésta considera solo azúcares, mientras que Platón incluye otros materiales solubles en el mosto. Por tanto, un mosto de 10°P contendrá 10 gramos de extracto por cada 100 gramos de peso total.

Otras unidades pueden venir dadas por refractómetros específicos, como la salinidad en permill (‰) o la densidad relativa a una temperatura específica.

El refractómetro Abbe fue el primer refractómetro comercial, inventado por Ernest Abbé en 1869. Aunque tienen una larga historia y se han realizado varias modificaciones para mejorar su rendimiento, el diseño básico de estos refractómetros sigue siendo el mismo (ver Figura 3). En esta configuración, la muestra se coloca entre dos prismas, el prisma iluminador y el prisma refractivo, ambos sujetos a un soporte giratorio. El prisma refractivo está hecho de vidrio o zafiro de alto índice de refracción y tiene una superficie lisa. La superficie del prisma de iluminación está rugosa para que los rayos de luz se disipen en todas las direcciones según cada punto de la superficie. Luego, la luz pasa a través de la muestra, se refracta en la interfaz con las superficies lisas del prisma refractor y entra en el telescopio del instrumento. El telescopio está equipado con dos prismas Amici ajustables, que evitan la dispersión de la luz al recoger haces de luz críticos divergentes en luz blanca dirigida. Para realizar una medición, los prismas se giran hasta que el límite entre las regiones iluminadas y oscuras esté alineado con el centro del campo de visión. Luego, los valores del índice de refracción se pueden leer en la escala. Las versiones modernas del refractómetro Abbe tienen características de diseño mejoradas, como monturas de prisma termoestabilizadas, monturas de telescopio fijas y una vista combinada del límite de la sombra y la escala, lo que permite una lectura más fácil y rápida.4 El equipo es bastante grande y, por lo tanto, Se utilizan como refractómetros de laboratorio de mesa. Se pueden utilizar para medir el índice de refracción de líquidos y sólidos, proporcionando mediciones muy precisas.

Figura 3: Representación de un refractómetro Abbe. Crédito: El autor.

Los refractómetros portátiles son la versión más común y popular de los refractómetros de ángulo crítico. Son instrumentos compactos, analógicos, de fácil transporte, proporcionando un funcionamiento rápido y sencillo. Son fiables, requieren sólo unas pocas gotas de muestra y proporcionan resultados casi instantáneos, lo que los convierte en la primera opción para determinaciones en el campo.4, 7 Son comúnmente utilizados por los enólogos para evaluar la madurez de las uvas o por los cerveceros para controlar los grados de Platón del mosto.

A diferencia de los refractómetros de Abbe, los instrumentos portátiles no tienen un dispositivo de iluminación. En cambio, tienen una aleta iluminadora que produce luz en un ángulo rasante y mantiene la muestra en su lugar. Después de atravesar las muestras, la luz ingresa al prisma de medición y otras lentes, alcanzando el campo de visión equipado con una escala de lectura (ver Figura 4). Dependiendo de la aplicación, la escala se puede graduar, por ejemplo, en grados Brix, Platón, Baumé o directamente en porcentaje de solutos (por ejemplo, alcohol o glicol). Estos dispositivos se pueden calibrar fácilmente mediante un tornillo de calibración (usando agua destilada como referencia), lo que permite realizar compensaciones de temperatura. Algunas versiones llevan incorporado un sistema de compensación de temperatura, basado en una tira bimetálica que se dobla en función de la temperatura, ajustando la escala.

Los refractómetros digitales funcionan mediante el uso de un LED para iluminar la muestra colocada sobre el prisma refractivo. Luego, la luz refractada se mide en un sensor de imagen que determina el ángulo de refracción (Figura 5). Luego, esta lectura se corrige en temperatura mediante una serie de algoritmos especializados y se convierte en índice de refracción o en un parámetro específico.8 En relación con los dispositivos analógicos, los refractómetros digitales ofrecen las ventajas de un uso fácil, correcciones automáticas y escalas ajustables. Pueden miniaturizarse como refractómetros digitales portátiles, lo que permite la portabilidad, o diseñarse específicamente para aplicaciones específicas, mejorando su rendimiento pero limitando la gama de capacidades.

Los refractómetros digitales pueden operarse manualmente o diseñarse para realizar lecturas semiautomáticas o completamente automáticas. Entre las diferentes variaciones, se pueden destacar los siguientes tipos:

Los refractómetros especializados no son más que equipos diseñados para una tarea o medición específica. Operan bajo los mismos principios que los dispositivos descritos anteriormente, pero están calibrados y muestran unidades de acuerdo con su uso previsto. Las variaciones más comunes son los refractómetros Brix y los refractómetros de salinidad.

La refractometría es una técnica versátil y confiable, utilizada en varias etapas de la cadena de producción alimentaria. En el sector productivo, la refractometría se utiliza para monitorear el crecimiento de los cultivos, la madurez de frutas y verduras y determinar los tiempos óptimos de cosecha.10 Los ejemplos más notorios son su aplicación en la industria azucarera, donde se evalúa la madurez de la caña de azúcar o la remolacha y se estima la producción. rendimientos y en la industria vitivinícola para determinar el momento óptimo de cosecha de las uvas.12 En la industria ganadera, la refractometría se puede utilizar para evaluar la calidad de la leche y el calostro. Esto permite una evaluación instantánea y en el campo de la calidad del producto, la adecuación de los parámetros nutricionales para la alimentación de los terneros y la detección de posibles adulteraciones, como la dilución de la leche.13, 14 De manera similar, los apicultores utilizan la refractometría para verificar la calidad de la miel y detectar para la adulteración del producto.15 En tales ejemplos, los refractómetros portátiles desempeñan un papel esencial debido a su bajo costo y su capacidad de ser transportados al campo, proporcionando mediciones instantáneas. Sin embargo, los refractómetros portátiles y sencillos normalmente sólo cubren una gama limitada de índices de refracción. Por lo tanto, estos modelos suelen ser específicos para un uso particular y muestran una gama limitada de unidades. Por ejemplo, medir los Brix en frutas y verduras frescas requiere un refractómetro con un rango operativo de 0° a 12° Brix y medir los Brix de miel requiere un refractómetro con un rango operativo de 60° a 90° Brix.

En transformación y procesamiento de alimentos, la refractometría también es una herramienta fundamental en la monetarización de procesos y el control de calidad. Durante la fermentación del vino y la cerveza, los productores verifican el contenido de azúcar y alcohol con refractómetros especializados para proporcionar lecturas de la gravedad específica del mosto y las escalas de alcohol. También se utilizan equipos portátiles o de mesa en líneas de producción de todo tipo de productos alimenticios (p. ej., jugos, yogures, mermeladas, papillas y jarabes), midiendo el contenido total de sólidos. También se utilizan refractómetros especializados para medir la concentración de sal en salmueras, salsas y alimentos enlatados. Estos controles de calidad son esenciales para mantener las especificaciones de producción y permitir a los operadores aprobar, rechazar o rectificar lotes de producción.

La alta precisión y versatilidad de las mediciones proporcionadas por los refractómetros de mesa, como los refractómetros de Abbe y los refractómetros automáticos, son de suma importancia en la innovación alimentaria, el control de calidad y la lucha contra el fraude. Estas unidades son más caras y más complejas de operar; sin embargo, se puede usar una sola unidad para medir el índice de refracción en todo el rango de valores posibles y ayudar a reducir la variabilidad entre mediciones. Un ejemplo particular de la necesidad de mediciones precisas es el cribado de grasas y aceites.16 Para la industria alimentaria, es fundamental conocer el origen y la composición de sus ingredientes. Por ejemplo, las refinerías de petróleo dependen de muchas materias primas cuyo origen varía y a menudo se desconoce. Por tanto, es necesario conocer la identidad del producto y su pureza, lo que a menudo se consigue mediante la determinación del índice de refracción. Asimismo, la detección puede ayudar a identificar fraudes alimentarios, como la adulteración de aceites de oliva premium con sustitutos baratos. Utilizando refractometría, la proporción de aceites sustituidos se puede detectar fácilmente.17

En general, la refractometría es una herramienta importante para evaluar y controlar la calidad y pureza de las materias primas y los productos finales. Es una técnica capaz de proporcionar un alto rendimiento de muestras, requiere un volumen de muestra bajo, es fácil de manejar y operar y es fácil de limpiar. Mediante la determinación del índice de refracción, es posible determinar la concentración de azúcar en frutas, verduras, jugos y bebidas frescas, y determinar el contenido de alcohol o extracto en cerveza, vino o bebidas espirituosas. Es posible realizar controles de calidad de productos lácteos y miel y validar especificaciones de proceso en una amplia gama de alimentos. También permite probar el cumplimiento de los ingredientes con los estándares, detectar fraudes, controlar la calidad, garantizar la pureza de las muestras de producción y ayudar en la investigación y el desarrollo de ácidos, bases y soluciones solventes.

Referencias

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