Relatório Extração Cafeína

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TLAB - EXTRAÇÃO DE CAFEÍNA 
1. Fundamentação teórica
1.1. Cafeína
A cafeína ou 1,3,7-trimetilxantina (IUPAC) é um alcalóide da família das xantinas metiladas de fórmula molecular C8H10N4O2 e massa de 194,1906 g/mol. É uma substância de ocorrência natural, sendo encontrada em grãos de café, cacau, chás de erva mate e guaraná. Em temperatura ambiente, a cafeína é um pó branco semelhante ao amido, sem odor e de gosto levemente amargo. O ponto de ebulição desta substância é de 238 °C, no entanto, quando submetida ao aumento de temperatura, sofre sublimação (178 ºC).
A cafeína é razoavelmente solúvel na maioria dos solventes polares e ainda mais solúvel em solventes menos polares. Sua solubilidade em água ocorre devido a presença de dois grupamentos carbonila e quatro nitrogênios em sua estrutura, conferindo solubilidade de 21,7 g/L à 25 °C. Em solventes de característica mais apolar, como o clorofórmio, é ainda mais solúvel, solubilizando 182 g/L. No entanto, a sua solubilidade em água pode ser intensificada com o aumento de temperatura, sendo de 667 g/L à 100 ºC. 
1.2. Extração Sólido - Líquido
A extração sólido-líquido é um processo em que se solubiliza um dos componentes de uma mistura sólida através da utilização de um solvente. Assim como na extração líquido-líquido, a interação entre o solvente e os componentes da mistura ditam a eficácia da extração. Além disso, parâmetros como a dimensão da partícula e superfície de contato, assim como o tempo de contato entre a mistura e o solvente também são componentes importantes para a eficácia da extração. 
Os dois principais tipos de extração sólido-líquido são a maceração e o refluxo. Na maceração, a amostra é primeiramente triturada, submetida a um solvente por determinado tempo, e então filtrada. O componente extraído pode, por fim, ser separado do solvente por destilação. De maneira semelhante à técnica de maceração, na extração por refluxo também se utiliza do contato da mistura com um solvente, mas a mistura é submetida ao aquecimento com auxílio de um condensador de refluxo, de modo que o solvente não sofre evaporação. Quando o solvente empregado é a água, esta técnica também pode ser chamada de infusão. 
1.2.1. Extração de Cafeína em chá mate
A cafeína encontrada na erva mate, devido à sua solubilidade, pode ser facilmente extraída através da infusão do mate em água fervente. Desta forma a cafeína é dissolvida na água e se separa do principal constituinte insolúvel das folhas, a celulose. No entanto, juntamente com a cafeína, outras substâncias como taninos e ácido gálico, são solubilizadas durante a extração. Portanto, para que estas substâncias não façam parte da extração, uma metodologia muito comum é a adição de carbonato de cálcio, que é capaz de convertê-las em sais de cálcio, insolúveis em água e que não farão parte da solução.
Após a extração sólido-líquido do mate, é realizada uma filtração, eliminando-se os sais de cálcio e demais componentes celulares presentes na erva mate. Com o elemento filtrado, é então realizada uma extração líquido-líquido com diclorometano ou clorofórmio para que a cafeína presente na água seja solubilizada em um solvente apolar que pode ser removido posteriormente por destilação. Durante o processo é comum que certa quantidade de clorofila também seja extraída.
1.3. Espectroscopia no Infravermelho (FTIR)
A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier é uma técnica que permite a obtenção de espectros de absorção, emissão, fotocondutividade e de difração Raman de sólidos, líquidos e gases. Nesta técnica o equipamento obtém simultaneamente dados de uma vasta gama espectral convertendo, por meio da transformada de Fourier, os dados recolhidos no espectro de radiação. 
Esta análise se baseia na interação da radiação do infravermelho próximo com as moléculas da amostra. Como a radiação é parcialmente absorvida pela amostra dependendo da energia e rotações moleculares associadas à ligações covalentes, todas as moléculas orgânicas e algumas moléculas inorgânicas contendo ligações C-H, N-H, O-H e C=O podem ser analisadas por esta técnica.
Como a absorção de radiação depende das ligações e estruturas moleculares, diferentes moléculas produzem traços espectrais diferentes e, portanto, cada molécula apresenta sua “assinatura” espectral. Desta forma, a espectroscopia de infravermelho é uma metodologia amplamente utilizada para a identificação de materiais e quantificação de constituintes de uma amostra.
 1.3.1. Reflectância Total Atenuada (ATR)
A reflectância total atenuada é uma tecnologia de amostragem em que uma luz é direcionada à amostra a fim de se obter informações estruturais e de composição. Esta técnica permite a análise de amostras sólidas e líquidas com uma trajetória que independe da espessura do material, não requerendo preparo prévio da amostra.
O acessório de ATR mede as variações que ocorrem no feixe infravermelho totalmente refletido internamente quando este entra em contato com a amostra. Para isso, um feixe infravermelho é direcionado a um cristal denso de seleneto de zinco ou germânio, que apresentam alto índice de refração à determinado ângulo. A reflectância interna destes materiais resulta em uma onda evanescente, que se estende além da superfície do cristal até a amostra. Ao sair do cristal, o feixe encontra um detector e é processado pelo equipamento.
1.2.3. Análises espectrofotométricas e de espectroscopia de infravermelho da cafeína.
Análises de cafeína em diclorometano por meio da espectrofotometria UV-Vis como a realizada pelo grupo de BELAY (2008) demonstraram absorbâncias na região de 243 a 301 nm, com máximo de absorção de 1,043 em 274,7 nm. Em água, as análises com espectrofotometria UV-Vis de cafeína resultaram em espectros semelhantes, na região de 243 a 302 nm à temperatura ambiente, e com o máximo de absorção de 1,224 em 272 nm, como pode ser observado na figura 1.
Fig 1. Espectro de absorbância UV/Vis de cafeína (BELAY A. 2008)
Por sua vez, as análises de cafeína por espectroscopia de infravermelho como as realizadas pelo grupo de GARRIGUES (2000), demonstram bandas entre 1880 e 1500/cm, sendo as mais intensas em 1710, 1659 e 1554 devido à seus grupamentos carbonila, como ilustrado na figura 2.
Fig 2. Bandas de absorção de espectro FT-IR para cafeína extraída com clorofórmio (GARRIGUES J. M 2000).
Na figura 3 podemos observar também o perfil espectral em transmitância de um padrão de cafeína.
Fig 3. Espectro infravermelho de transmitância para padrão de cafeína (AL-HITTI I. K. 2009) 
2. Objetivo
Obtenção de cafeína a partir de amostra de chá mate por meio da extração sólido-líquido com água e carbonato de cálcio, seguida da extração líquido-líquido com o solvente clorofórmio.
3. Materiais e métodos
Em um béquer foram pesados 10,01 g de uma amostra de chá mate e adicionados 5,0 g de carbonato de cálcio. (Fig 4 A e B). Adicionou-se 100 mL de água deionizada à mistura, que foi então transferida a um erlenmeyer de 250 mL, e aquecida em banho-maria por 30 minutos. (Fig 4C). 
Fig 4 (A, B e C). Pesagem de chá mate, carbonato de cálcio e solubilização seguida de aquecimento. A e B) Pesagem de 10g de erva mate e 5g de carbonato de cálcio, respectivamente. C) Visualização do aquecimento da mistura de erva mate, carbonato de cálcio e 100 mL de água deionizada à 100 ºC por 30 minutos.
Após resfriamento, a mistura foi filtrada com auxílio de um papel filtro dobrado em quartos e um funil cônico de vidro apoiado em aro de metal e preso a um suporte universal. (Fig 5 A e B).
Fig 5 (A e B). Filtração da mistura de mate, carbonato de cálcio e água após o aquecimento.
O filtrado foi então transferido para um funil de decantação e adicionou-se ao funil 50 mL de clorofórmio. O funil de decantação foi agitado e então deixado em repouso até a visualização de duas fases definidas. (Fig 6 A e B).
Fig 6 (A e B). Extração e separação em funil de decantação do filtrado em clorofórmio.
A fase inferior da mistura que supostamente continha cafeína e clorofórmio foicoletada. Por fim, o solvente foi recuperado por meio de destilação simples através de um sistema composto por um balão de fundo redondo disposto sobre uma manta de aquecimento e conectado por meio de um adaptador de três vias a um condensador reto. (Fig 7A). A temperatura durante a destilação foi avaliada por meio de um termômetro localizado na saída superior do adaptador de três vias. (Fig 7B).
Fig 7. (A e B) Destilação simples da fase de clorofórmio após extração. A) Sistema de destilação utilizado. B) Visualização da temperatura em que o produto foi destilado. 
 
Após a destilação, a amostra restante no balão, contendo clorofórmio residual e supostamente cafeína, foi transferida para um vidro de relógio e aquecida em uma placa de aquecimento para eliminação do solvente. (Fig 8 A e B). 	
Fig 8 (A, B e C). Aquecimento da amostra e eliminação do solvente. A) Amostra em ebulição durante a destilação apresentando coloração esverdeada. B) Amostra transferida para um vidro de relógio e sujeita ao aquecimento para eliminação de solvente. C) Amostra após aquecimento, aparentemente sem solvente.
Para que a amostra fosse analisada por espectroscopia no infravermelho por reflectância total atenuada (ATR) adicionou-se parte da amostra ao equipamento pressionando-a contra o cristal de seleneto de zinco. (Fig 9).
Durante a leitura, a metodologia aplicada foi de comparação com uma biblioteca de alimentos presente no banco de dados.
Fig 9. Demonstração de aplicação da amostra no equipamento. A amostra é disposta sobre o equipamento sem preparo prévio e então pressionada contra o cristal.
Em seguida, a amostra também foi analisada por espectrofotometria. Para isso, apenas parte da amostra foi dissolvida em clorofórmio e transferida para uma cubeta. O equipamento foi calibrado com o branco de clorofórmio e, por fim, uma varredura na faixa de 190 a 400 nm foi realizada.
4. Resultados
Na figura 10, podemos observar na cor vermelha o espectro obtido para a amostra na análise por espectroscopia no infravermelho (ATR). Também pode-se observar o espectro de transmitância da substância compatível de acordo com o banco de dados, apresentada em azul.
Fig 10. Espectros FT-IR (ATR) da amostra e da substância compatível do banco de dados. O espectro da amostra é identificado em vermelho, ao passo que a substância compatível na biblioteca de comparação é apresentada em azul. As sugestões de substâncias da biblioteca também são apresentadas na tabela abaixo do espectro.
Na figura 11 podem ser observados os espectros de absorbância da amostra, em A, e do padrão, em B, obtidos através da espectrofotometria UV-Vis com varredura de 190 a 400 nm. O máximo de absorção observado para a amostra foi de 274 nm.
Fig 11 (A e B). Espectros de absorbância UV-Vis da amostra e de um padrão de cafeína. A) Espectro da amostra obtido na varredura de 190 a 400 nm com máximo apresentado em 274 nm. B) Espectro de um padrão de cafeína obtido na varredura de 190 a 400 nm.
5. Discussão
Como visto previamente, a cafeína é uma molécula que pode ser solubilizada tanto em solventes de característica mais polar, quanto mais apolares. A cafeína pode ser encontrada em chás, frutos de guaraná, cacau e grãos de café. Desta forma, para a obtenção de cafeína foi inicialmente performada uma extração do tipo infusão com folhas de chá mate, um chá conhecido por apresentar cafeína em sua composição. Durante a infusão foi aplicada uma metodologia previamente descrita que adiciona carbonato de cálcio à mistura a fim de que outras substâncias extraídas como ácido gálico e taninos sejam convertidas em sais insolúveis. Em seguida foi realizada a filtração, de modo que estas substâncias indesejadas fossem removidas. O filtrado obtido foi transferido para um funil de decantação e uma segunda extração foi realizada com clorofórmio. O uso deste solvente para a extração de cafeína se deve à alta solubilidade da cafeína em clorofórmio, que assim como o diclorometano é amplamente utilizado para este fim, como demonstrados nos trabalhos de SHASHI (2015) e AL-HITTI (2009). Como a solubilidade da cafeína é maior em clorofórmio do que em água, a agitação do funil de decantação permite a interação e consequente migração da cafeína para a fase contendo o solvente. O solvente clorofórmio é mais denso que a fase aquosa (1,489 g/cm3) e, portanto, compõe a fase inferior do funil de decantação. Em vista disso, a fase de interesse com clorofórmio e supostamente cafeína dissolvida é a fase inferior e incolor observada na figura 6, que foi então coletada. 
A fim de que o solvente fosse removido, foi realizada uma destilação simples. O produto da destilação foi obtido em temperatura constante de 60 ºC, como pode ser visto na figura 7B. Este dado indica a correta obtenção do clorofórmio, cujo ponto de ebulição é de 61.15 °C.
Durante a destilação, e consequente aumento de concentração da amostra, foi possível notar uma coloração esverdeada de maior intensidade (Figura 8 A), o que poderia ser explicado pela extração de certa quantidade de clorofila.
O resultado obtido na espectroscopia de infravermelho com ATR (Figura 10) demonstrou um espectro característico da substância cafeína. A metodologia empregada de comparação com uma biblioteca de alimentos do equipamento identificou alta semelhança da amostra (em vermelho) com a cafeína presente no banco de dados (em azul), confirmando a obtenção deste produto a partir da extração do chá mate.
A análise espectrofotométrica em UV-Vis também corrobora a obtenção de cafeína por meio da extração. Como visto na figura 11 A e B, ambos espectros de absorbância da amostra e do padrão de cafeína apresentam o mesmo perfil esperado para esta substância. Além disso, o máximo de absorção foi observado em 274 nm, muito próximo do valor de 274,7 nm em diclorometano observado pelo grupo de BELAY (2008).
Portanto, em conjunto, estes dados confirmam a obtenção de cafeína através da extração de erva mate pela metodologia empregada.
Referências
PREEDY, V. R. Caffeine: Chemistry, Analysis, Function and Effects. (2015). Reino Unido: Royal Society of Chemistry.
CHAUGULE, A. et al. Extraction of Caffeine. (2019). International Journal of Advanced Research in Chemical Science. 
CHICKOS, J; GARIN D; D’SOUZA, V. Extraction of Caffeine (Experiment). Disponível em: https://chem.libretexts.org/@go/page/61313. Acesso em: 22 de Abr de 2021.
SHASHI, P; ASHOKA, H; GN, R. Caffeine Extraction And Characterization. (2015). International Journal of Current Research and Review.
AL-HITTI, I. K.; IBRAHIM, S. S. (2009) Extraction, Identification And Determination Of Caffeine And Trace Metals In Three Types Of Tea Leaves. Journal of university of Anbar for Pure science. 
GARRIGUES, J M; BOUHSAIN, Z; GARRIGUES, S. et al. (2000). Fourier transform infrared determination of caffeine in roasted coffee samples. Fresenius J Anal Chem.
BELAY, A; BEKETIE, K; REDI, M et al. (2008). Measurement of Caffeine in Coffee Beans with UV/Vis Spectrometer. Food Chemistry. 
Isolation of Caffeine from tea. Disponível em: https://www.bellevuecollege.edu/wp-content/uploads/sites/140/2014/06/Caffeine1.pdf. Acesso em: 22 de Abr de 2021.
FT-IR Spectroscopy Attenuated Total Reflectance (ATR). Perkinelmer. Disponível em: https://web.archive.org/web/20070216065646/http://las.perkinelmer.com/content/TechnicalInfo/TCH_FTIRATR.pdf. Acesso em: 22 de Abr de 2021.
Conceitos básicos de FTIR. Thermofisher. Disponível em : https://www.thermofisher.com/br/en/home/industrial/spectroscopy-elemental-isotope-analysis/spectroscopy-elemental-isotope-analysis-learning-center/molecular-spectroscopy-information/ftir-information/ftir-basics.html Acesso em: 22 de Abr de 2021.
SENAI. Técnico em química - Técnicas Laboratoriais. 2020. 71 p.
SENAI. Análise instrumental - Formação Inicial e Continuada. 2021. 93p.