Швидкий та економічний аналіз азоту чи протеїну у крохмалі

Від Тетяни Адамек та доктора Вернера Кюпперс, Кенігсвінтер, Німеччина

1. Введення та подання проблеми

Крохмальні продукти містять дуже низьку концентрацію протеїну внаслідок їхнього виробництва. Таким чином, аналіз, що відповідає вимогам, можливий тільки з урахуванням зразків великої ваги та тривалого часу аналізу. Завдяки інноваційному методу виявлення, швидкому та повному згоранню, система DUMATHERM® від C. Gerhardt, призначена для виявлення азоту методом Дюма, що пропонує швидку та зручну альтернативу класичній системі за методом Кьєльдаля.

1.1 Використання крохмалю та крохмалевмісних продуктів

Крохмалевмісні продукти їх похідні широко використовуються в харчовій промисловості при виробництві кондитерських, хлібобулочних виробів, молочних продуктів, а також напоїв на основі крохмального цукру (особливо крохмальної патоки, декстрози та ізоглюкози). Завдяки таким властивостям крохмалю, як модифікований полімер і суміші цукру, що зброджується, крохмаль також широко використовується як відновлювана сировина в хімічній промисловості. Численне застосування пояснюється високим попитом на крохмальні продукти та одночасно потреба у швидкому та надійному аналізі.

1.2 Виробництво крохмалю

У наших краях крохмаль зазвичай отримують із картоплі або злаків. Однак, крохмаль також отримують з багатьох інших важливих рослин, такі як рис (рисова січка, заводська лушпиння рису) і кукурудза крім пшениці і картоплі.

На міжнародному рівні маніока (тапіока), як і раніше, залишається важливою сировиною для виробництва крохмалю. Екстракція проводиться шляхом вимивання крохмалю з частин рослини з використанням сольового розчину.

2. Аналіз протеїну в крохмалі

Кількісно перевірити вміст протеїну в крохмалі досить важко через його низьку концентрацію. Для методу DIN згідно з К'єльдалем зразки великого розміру (приблизно 10 г) зважуються, вилуговуються сірчаною кислотою і потім піддають подальшим стадіям аналізу. Суміш розкладання важко швидко нагріти до 400 °C, якщо є зразки, які піддаються сильному піноутворення на початку процесу методом Кьельдаля. Для цього необхідні збільшені пробірки для зразків та тривалий час розкладання. Наслідком є ​​низька пропускна здатність зразка за робочий день.

Таблиця 1: Зміст протеїну в крохмалі та вага зразків у системах розкладання К'єльдаля 3

У Таблиці 1 зазначено очікуваний вміст протеїну в різних крохмалевмісних зразках. Можна помітити, що аналіз азоту/протеїну в крохмалі є майже аналізом на мікродомішки, використовуючи множення N на коефіцієнт перерахунку азоту на білок (наприклад, 6,25 для продуктів з кукурудзи та картоплі або 5,7 для пшениці).

За методом К'єльдаля, вага зразка близько 10 г в абсолютному вираженні становить лише 1 мг N (для вмісту 0,01% N). Спалювання методом Дюма з використанням 100-300 мг в абсолютному вираженні становить 0,01 мг азоту виявлення під час аналізу.

Наступні методи використовуються для порівняння результатів, отриманих у цій статті:

• EN ISO 3188: 1994 Крохмаль та продукти переробки. Визначення вмісту азоту методом Кьельдаля. Титриметричний метод (ІSO 3188: 1978); Дата випуску (німецька версія): 10/1994
• AOAC 992,23, Сирий протеїн у злакових зернах та олійному насінні
• Стандартний метод ICC № 167, 2000.

Однак очікувані значення точності не виключаються з вищевикладеного, тому використовується метод Дюма DIN EU 16634 «Визначення загального вмісту азоту при спалюванні відповідно до методу Дюма та розрахунок вмісту сирого білка».

2.1 Аналіз процесу спалювання крохмалю за методом Дюма

Для аналізів, представлених у цій статті, застосовувався аналізатор DUMATHERM® від C. Gerhardt, показаний малюнку 1.

Малюнок 1: DUMATHERM® від C. Gerhardt з пневматичним автосамплером та контролером ПК

2.2 Теорія: метод спалювання для аналізу азоту/протеїну

2.2.1 Подача зразків та процес спалювання

У той час як розкладання кислотою відповідно до методу К'єльдаля руйнує зразок досить застарілим способом, процес спалювання є більш простим та економічним за часом альтернативним методом класичної системи. Зразок окислюється контрольованим чином, отримані газоподібні продукти піддаються подальшому аналізу. Головним завданням є повне перетворення зразка на первинні продукти двоокису вуглецю, води та двоокису азоту (рівняння 1) без вторинних продуктів за рахунок неповного згоряння, такі як окис вуглецю (СО) та монооксид азоту (NO).

(CHNO) (s) + O2 (g) = CO2 (g) + H2O (g) + NO2 (g) (1)

Оскільки в повітрі вміст азоту перевищує 70%, тому необхідна ефективна ізоляція проти навколишнього повітря в поєднанні з ефективною функцією продування. Виходячи з цього, продуктивний автосамплер виключає взаємодію між зразком та повітрям. На малюнку 2 показано дві моделі.

Малюнок 2: Автосамплер з функцією продування - камера безперервно продувається гелієм до того, як зразок механічно або вручну подаватиметься за допомогою повзунка для процесу горіння.

Малюнок 3

Сучасні прилади для виконання процесу спалювання використовують гелієву технологію, щоб отримати атмосферний азот для досягнення максимально можливої ​​точності аналізу.

На малюнку 3 детально показаний приклад такого аналізу за допомогою системи DUMATHERM від компанії C. Gerhardt. Грунтуючись на класичному принципі аналізу спалювання відповідно до методу Жана Дюма3, ПЗ системи управління забезпечує експлуатацію приладу без технічного обслуговування.

Пневматичний автосамплер (AS) подає тверді або рідкі зразки (показані червоними крапками), загорнуті в фольгу олов'яну в піч для спалювання (CF). У той же час, спалювання починається перемиканням потоку газу на кисень. Зразок спалюється, а отримана зола збирається у спеціальній вставці для попелу (AI). Газоподібні продукти згоряння у присутності каталізаторів повністю впливають на необхідні оксиди і після згоряння переносяться через весь прилад потоком гелію. Оксиди азоту спочатку відновлюються до елементарного азоту в реакторі відновлення (RF), а вторинні продукти, вода та діоксид вуглецю поділяються на спеціальних пастках (від F1 до F3). Потік газу, що складається з гелію і азоту, що залишився, вимірюється за допомогою детектора теплопровідності. Комп'ютерне управління забезпечує одночасну оцінку даних аналізу.

2.2.2 Виявлення та оцінка

Для ультранизкого рівня аналізу азоту - особливо у застосуванні крохмалю - рекомендується використовувати гелій як газ-носій, оскільки є єдиним газом, який показує досить різну теплопровідність проти азотом, Табл. 2.

Таблиця 2: Теплопровідність різних газів за 300 К6. Чим більша різниця у значеннях теплопровідності, тим краще ймовірність виявлення та точність приладу.

Гелій як газ-носій і азот як аналітична речовина є придатним з'єднанням як еталонний поток газу в детекторі (використовується в класичних детекторах на основі мосту Уітстона) і не є необхідним.

Для проведення запланованого аналізу необхідно використовувати гелій як газ-носій, оскільки в крохмальних зразках присутня мінімальна кількість азоту.

2.3 Практика: виконання аналізу шляхом спалювання зразка

На додаток до чинного аналізу за допомогою приладу DUMATHERM®, для нормальної та відтворюваної роботи також враховуються:

• Підготовка зразка
• Вага зразка
• Калібрування детектора
• Забезпечення якості користувачів
• Правильний вибір умов виміру
• Аналіз та оцінка результатів

Олов'яна фольга використовується для зважування зразків, з якої виготовляються кульки із зразком, які зберігаються в лотку для проб до аналізу.

Зразки, обернуті фольгою, поміщають у лоток для зразків і потім закривають кришку автосамплера перед початком аналізу (малюнок 4).

Чому ми використовуємо олов'яну фольгу?

Олово при сильній екзотермічній реакції спалюється до оксиду олова (IV). Енергія, що виділяється під час цього процесу, сприяє повному згоранню зразка.

Як альтернативний варіант для обгортання зразків можна використовувати папір для зважування без вмісту азоту, хоча слід враховувати додаткову кількість золи з паперу.

2.4. Новий тип калібрування для аналізу крохмалю з використанням DUMATHERM®

Для DUMATHERM® було розроблено нове застосування крохмалю. Головною складовою для успішного проведення аналізу є калібрування визначення невеликих азотних площ піку зразків крохмалю.

Малюнок 4: Зважування зразка в олов'яній фользі (зображення зліва) та розміщення зразків у лотку до подачі їх у автосамплер (зображення праворуч).

Для розрахунку результатів аналізу необхідно використовувати калібрування, яке повністю покриває рівні сигналів невідомих зразків.

Рівні сигналу близько 150 - 500 мВ досягається при вазі зразка прибл. 150 мг. Оскільки рівні сигналу знаходяться на межі абсолютного виявлення, багатоетапне калібрування з жорстким стандартом рекомендується використовувати також як і з рідким стандартом.

На малюнку 5 показана така калібрування крива, розширена зверху за допомогою точок вимірювання з твердим стандартом ЕДТА (EDTA).

Для аналізу невідомих зразків спочатку використовувалися стандартні умови, тобто близько 100 – 200 мг ваги зразка, дозування кисню при 400 мл/хв, температура горіння 990°С. На наступних малюнках 6 та 7 показані результати аналізу на прикладі картопляного та пшеничного крохмалю.

Малюнок 5: THAM (Тріс (Гідроксиметил) амінометан) та ЕДТА (етилендіамінтетраоцтова кислота) з 9,57% N) калібрування для DUMATHERM® з 20 точками вимірювання.

Малюнок 6: Результати аналізу картопляного крохмалю із вагою зразків у діапазоні від 100 до 200 мг.

Малюнок 7: Пшеничний крохмаль із постійною вагою зразка прибл. 150 мг.

Малюнок 8: Довготривала стабільність калібрування за весь 2-х місячний період, виміряна за 24 різних робочих днях.

Характерною особливістю є те, що картопляний крохмаль також вимірювали з різною вагою зразків, при яких було отримано відмінні відносні стандартні відхилення менше 0,6%. Це свідчить про те, що для аналізу необхідно лише 100 мг зразка. Площа піків, отримані прибл. при показанні 200 мВ є досить близькими до межі абсолютного виявлення 0,01 мг N.

2.5 Довготривала стабільність калібрування

Це калібрування мало показову стабільність. Використовуючи картопляний крохмаль і пшеничний крохмалю як зразок, які безперервно щодня аналізувалися протягом майже 2 місяців загалом за 24 робочі дні, можна помітити, що нещодавно розроблене калібрування забезпечує стабільну високу точність аналізу в діапазоні менше 0,25% протеїну з використанням системи DUMATHERM® Отримані результати наведено на Малюнку 8. 2.6

2.6 Висновок

На сьогоднішній день надійною альтернативою процесу кислотного розкладання методом К'єльдаля є застосування приладів спалювання для аналізу азоту/протеїну відповідно до методу Дюма. Незважаючи на зменшену вагу зразків, при цьому все ж таки досягається чудова відтворюваність і повторюваність. Калібрувальний метод, який розглядався, забезпечує надійний аналіз вмісту азоту за абсолютної межі виявлення 0,01 мг N до зразків глютену з високим вмістом протеїну (60-80% протеїну).

Оскільки крохмаль, що досліджується, має чудову гомогенність, найкращі результати аналізу можливі навіть при вазі зразка 100 мг.

Завдяки цьому не виникає проблем із сильним піноутворенням зразків та витратою хімічних речовин, як при процесі розкладання по К'єльдалю, а кількісний аналіз можна отримати швидко та точно з використанням приладів для спалювання. Отже, метод спалювання дедалі частіше стає другим еталонним методом, який доповнює метод К'єльдаля.