Determination of trace metals in fruit juices selected by ASAE using atomic absorption spectroscopy

Tese de mestrado em Biologia Humana e Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016Os sumos de fruta são muito apreciados, não só em Portugal, onde são a segunda bebida não alcoólica mais consumida depois da água, mas também noutros países da União Europeia, onde o seu consumo tem vindo a aumentar nos últimos 20 anos. Os sumos de fruta contêm várias substâncias, como nutrientes, minerais, elementos vestigiais, vitaminas e fitoquímicos, que são essenciais para uma vida saudável. No entanto, elevados níveis de metais podem também estar presentes na sua constituição, originando potenciais efeitos nocivos ao ser humano. As crianças constituem um grupo etário com um maior risco, pois os sumos de fruta são normalmente muito apreciados pelas crianças, e a sua dieta não é tão variada como a dos adultos. Outro aspeto importante é o facto da relação consumo/peso corporal ser muito maior nas crianças do que nos adultos. Esta dualidade em relação às consequências da ingestão de sumos de fruta tem feito com que estes sejam submetidos a um maior controlo, de maneira a garantir a segurança alimentar e a perceber até que ponto os sumos de fruta podem fazer parte de uma dieta equilibrada tendo em conta os seus aspetos nutricionais. A presença de metais nos sumos de fruta é influenciada por diversos fatores, tais como: o tipo de fruto, a composição mineral e outras características do solo no qual o fruto é originado, a composição mineral da água de irrigação, as condições atmosféricas, as práticas agrícolas, a deposição atmosférica de metais com origem em atividades antropogénicas, os ingredientes usados na sua produção e as fases de embalamento e armazenamento. Os metais, sendo o grupo de elementos químicos mais abundante na crosta terreste, estão normalmente presentes nos alimentos em pequenas concentrações. A sua importância toxicológica ou nutricional difere consoante o grupo a que pertencem e em que quantidades estão presentes. Elementos com o Ca, K, Mg e Na são necessários em quantidades mais elevadas para o bom funcionamento do nosso corpo. Outros, como o Cu, Fe, Ni, Zn, Cr e Mn, são importantes em vários processos biológicos, sendo necessários em concentrações vestigiais, pois quando presentes em maiores quantidades apresentam toxicidade, podendo provocar riscos para a saúde humana. Por outro lado, os elementos não essenciais, como Pb, Cd e As, são tóxicos mesmo quando presentes em baixas concentrações, dando origem, por vezes, a consequências graves para o ser humano. Os efeitos adversos causados pelos metais tóxicos dependem da via de exposição (inalação, oral ou dérmica) e na duração do período de exposição (agudo, subagudo, subcrónico e crónico). O objetivo deste estudo centra-se na determinação da concentração de arsénio, cádmio, crómio, chumbo, manganês e níquel (metais mais estudados segundo a literatura consultada), em diferentes sumos de fruta disponíveis do mercado português. Os resultados obtidos foram comparados com os valores máximos admissíveis estipulados pela WHO (Organização Mundial de Saúde), USEPA (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos) e pela Legislação Portuguesa (Decreto-Lei 306/2007 de 27 de Agosto). Por último, os teores obtidos no presente estudo foram comparados com estudos semelhantes realizados por outros autores. O conjunto de amostras deste estudo é constituído por 21 sumos de fruta de 4 marcas diferentes disponíveis no mercado português, previamente selecionados pela ASAE (Autoridade de Segurança Alimentar e Económica), de modo a englobarem as marcas mais consumidas em Portugal. Com o propósito de demonstrar o grau de confiança dos resultados obtidos, foram efetuados os testes de validação indicados para este tipo de determinações. Assim, foi testada a linearidade, a gama de trabalho, os limites analíticos (limite de deteção e de quantificação), a precisão (repetibilidade, precisão intermédia), a exatidão e a especificidade/seletividade. Também foram realizados testes para avaliar a repetibilidade do método de digestão. Previamente à análise quantitativa dos metais, todas as amostras de sumos foram submetidas a uma digestão por micro-ondas com vasos fechados e pressão controlada. Este processo tem como objetivo destruir por completo a matéria orgânica no menor tempo possível, evitando perdas de metais por volatilização e minimizando a quantidade de ácido adicionado e o risco de possíveis contaminações. Um método de preparação de amostras adequado é muito importante para garantir a veracidade dos resultados obtidos nos subsequentes processos de análise quantitativa. A quantificação dos metais foi realizada através da técnica de Espectrometria de Absorção Atómica (EAA). Esta é uma técnica muito usada para a determinação de elementos na sua forma atómica, pois apresenta uma configuração simples, baixo custo e boa sensibilidade. O fundamento deste método instrumental consiste na quantificação de um determinado elemento quando é emitida uma radiação que, sendo do mesmo comprimento de onda, é absorvida pelos átomos do elemento. Através da medição da quantidade de radiação absorvida, é possível determinar quantitativamente o elemento de interesse. Para a análise de As, utilizou-se a EAA com gerador de hidretos. Esta é considerada uma técnica analítica indicada para analisar metais que, sendo muito voláteis, dificilmente poderiam ser analisados utilizando outra técnica. Deste modo os hidretos formados, quando arrastados para a célula de quartzo aquecida, facilmente libertam o elemento na forma atómica. Para a quantificação dos restantes metais, foi usada a técnica de EAA com câmara de grafite, que é indicada para a análise de elementos vestigiais presentes em amostras alimentares ou biológicas devido a apresentar as seguintes características: rapidez, simplicidade na preparação de amostras, possibilidade de automatização, boa sensibilidade e consumo de pequenos limites de amostra. Após análise dos diferentes sumos de fruta, os resultados obtidos demonstraram que os níveis de determinados elementos estão, em algumas amostras, acima dos valores admissíveis. Tendo em conta os limites máximos permitidos pelo Decreto-Lei 306/2007 de 27 de Agosto da Legislação Portuguesa, os níveis de As revelaram ser superiores ao valor máximo admissível (10 μg/L) em 4 amostras; a concentração de Ni é superior ao valor limite estipulado (20 μg/L) em 13 amostras; e a concentração de Mn está acima do valor máximo permitido (50 μg/L) em todas as amostras analisadas. No entanto, se considerarmos os valores máximos admissíveis estipulados pela WHO, a quantidade de Cd presente numa amostra é superior ao valor limite definido por esta organização (3 μg/L); e a concentração de Mn é superior ao valor máximo permitido (400 μg/L) apenas em 6 amostras. Em relação aos níveis de Ni, se considerarmos os valores máximos estabelecidos pela WHO (70 μg/L) e pela USEPA (100 μg/L), verificamos que estes valores não são excedidos em nenhuma das amostras analisadas. Para além das comparações feitas com os valores estabelecidos pelas entidades acima referidas, foi também feito um estudo de comparação entre os resultados obtidos neste trabalho e outros valores publicados em trabalhos semelhantes presentes na literatura disponível e desenvolvidos, na maior parte dos casos, noutros países. Este estudo de comparação revelou que o intervalo de valores obtido para cada metal, correspondente a determinado tipo de sumo, é semelhante ao intervalo de valores encontrado noutros estudos equivalentes. No entanto, verificou-se uma grande variedade de resultados, o que é compreensível, visto que o nível dos elementos analisados nos sumos de fruta é influenciado por diversos fatores já referidos anteriormente. A contribuir para esta discrepância acresce o facto dos trabalhos analisados serem provenientes de outros países e com algum espaço temporal entre a sua realização. A contaminação ambiental com metais pesados é um problema em algumas sociedades. É necessário criar programas e campanhas com o propósito de reduzir os níveis de contaminação, passando por minimizar as descargas e libertações de metais provenientes de atividades antropogénicas (como exploração mineira e indústrias) e minimizar e/ou eliminar os contaminantes presentes na água potável, visto que esta é uma das possíveis principais fontes de contaminação dos sumos de fruta. Apesar da toxicidade associada aos metais, é importante referir que se espera que o consumo diário de sumos de fruta seja muito inferior ao consumo de água. Visto que as concentrações de metais presentes nos sumos de fruta foram avaliadas tendo em conta os limites admissíveis estipulados, pelas diferentes entidades, para a água potável, a ingestão de sumos de fruta não implica necessariamente riscos para a saúde do ser humano. No entanto, este tipo de estudos tem uma grande importância, pois permite fazer uma estimativa da ingestão de metais através da alimentação, sendo possível fazer considerações nutricionais acerca dos alimentos em estudo.Fruit juices are among the most appreciated and most consumed non-alcoholic beverages in European countries. These beverages contain minerals, nutrients, trace elements, vitamins and phytochemicals, which are essential for a healthy life. However, fruit juices may also contain high levels of metals, posing a health risk for humans, especially for children since they consume more fruit juice comparing to their weight and they have a less varied diet than adults. Thus, in order to guarantee food safety as well as to make nutritional considerations, fruit juices are a growing investigation topic. Metal content in fruit juices may be influenced by several aspects, such as: fruit type, mineral composition and other characteristics of the soil from which it was originated, mineral composition of irrigation water, atmospheric conditions, agricultural practices, atmospheric deposition of metals from anthropogenic activities, ingredients used in its production and packaging and storage steps. Metals are the most abundant group of chemical elements on the Earth’s crust, being usually present in foods at low concentrations. Their toxicological or nutritional significance differs according to the group of metals and the amounts involved. Some elements are essential to life, being needed in higher contents (such as Ca, K, Mg, and Na) or in trace levels (such as Cu, Fe, Ni, Zn, Cr and Mn). Non-essential elements, such as Pb, Cd and As, are toxic even when present in low levels, posing a health risk. The adverse health effects caused by toxic metals depend on the route and on the duration of exposure. The main purpose of this study was to determine arsenic, cadmium, chromium, lead, manganese and nickel concentrations in 21 fruit juices from 4 different brands, previously selected by ASAE (Portuguese Food and Economic Safety Authority) and available in the Portuguese market. Results obtained were compared to maximum levels set out by WHO (World Health Organization), USEPA (United States Environmental Protection Agency), by the Portuguese law, and to similar studies available in the literature. A validation process, including linearity, working range, analytical thresholds, precision, accuracy and specificity/selectivity was conducted in order to guarantee reliable analytical data. Before quantification steps, samples were prepared with a microwave digestion in closed vessels in order to complete digest them, avoiding losses of metals by volatilization and possible contamination. Hydride generation atomic absorption spectroscopy was used to quantify As while the other metals were quantified by graphite furnace atomic absorption spectroscopy. Obtained results showed levels of As, Ni and Mn above the maximum limits specified by Decree-Law 306/2007 from 27th August of the Portuguese Legislation in some of the analyzed fruit juice samples. Other studies showed range values similar to the ones found in this study, despite the great variety of some, which is reasonable since the presence of trace metals in fruit juices is influenced by several aspects and studies are from different countries and with time gaps between them. In order to avoid environmental contamination with heavy metals, which is recognized as a public health hazard worldwide, action is needed to minimize the metal releases and discharges from anthropogenic activities and its amount in drinking-water. Besides the known toxicity associated with trace metals, it is important to refer that the amount of juice consumed per day is expected to be lower than the amount of consumed water. As metal concentrations in fruit juices were evaluated having in mind the maximum limits established for drinking-water, consuming fruit juices that exceed these values does not necessarily imply an increased risk for human health. However, this type of studies is very important since it allows to quantify the dietary intakes of metals present in food, not only guaranteeing food safety but also making nutritional considerations