Быстрый и экономичный анализ азота или протеина в крахмале

Быстрый и экономичный анализ азота или протеина в крахмале

От Татьяны Адамек и доктора Вернера Кюпперс, Кёнигсвинтер, Германия

 

1. Введение и представление проблемы

Крахмальные продукты содержат очень низкую концентрацию протеина в результате их производства. Таким образом, анализ отвечающий требованиям, возможен только с учетом образцов большого веса и продолжительного времени анализа. Благодаря инновационному методу обнаружения, быстрому и полному сгоранию, система DUMATHERM® от C. Gerhardt, предназначена для обнаружения азота методом Дюма, что предлагает быструю и удобную альтернативу классической системе по методу Кьельдаля.

1.1 Использование крахмала и крахмалосодержащих продуктов

Крахмалосодержащие продукты их производные широко используются в пищевой промышленности при производстве кондитерских, хлебобулочных изделий, молочных продуктов, а также напитков на основе крахмального сахара (особенно крахмальной патоки, декстрозы и изоглюкозы). Благодаря таким свойствам крахмала, как модифицируемый полимер и смеси сбраживаемого сахара, крахмал также широко используется в качестве возобновляемого сырья в химической промышленности. Многочисленное применение объясняется высоким спросом на крахмальные продукты и одновременно потребность в быстром и надежном анализе.

1.2 Производство крахмала

В наших краях крахмал обычно получают из картофеля или злаков. Однако, крахмал также получают из многих других важных растений, такие как рис (рисовая сечка, заводская рисовая шелуха) и кукуруза помимо пшеницы и картофеля.

На международном уровне маниока (тапиока) по-прежнему остается важным сырьем для производства крахмала. Экстракция роизводится путем вымывания крахмала из частей растения с использованием солевого раствора.

2. Анализ протеина в крахмале

Количественно проверить содержание протеина в крахмале достаточно трудно из-за его низкой концентрации. Для метода DIN согласно Кьельдалю образцы большого размера (приблизительно 10 г) взвешиваются, выщелачиваются серной кислотой и затем подвергают дальнейшим стадиям анализа. Смесь разложения трудно быстро нагреть до 400 °C, если имеются образцы, которые подвергаются сильному пенообразованию в начале процесса по методу Кьельдаля. Для этого необходимы увеличенные пробирки для образцов и продолжительное время разложения. Следствием этого является низкая пропускная способность образца за рабочий день.

Таблица 1: Содержание протеина в крахмале и вес образцов в системах разложения Кьельдаля 3

Тип образца Стандартный вес
образца [г]
Теоретичсекое содержание
протеина [%]
Теоретичсекое
содержание азота [%]
Картофельный крахмал 5–10 0.08 – 0.90 0.0128-0.1441
Кукурузный крахмал 5–10 0.24 – 0.63 0.0384-0.1008
Рисовый крахмал 5–10 0.76 0.1216
Тапиоковый крахмал 5–10 0.05 – 0.87 0.0080-0.1392
Пшечный крахмал 5–10 0.21 – 0.50 0.0368-0.0877

В Таблице 1 указано ожидаемое содержание протеина в различных крахмалосодержащих образцах. Можно заметить, что анализ азота / протеина в крахмале представляет собой почти анализ на микропримеси, используя умножение N на коэффициент пересчета азота на белок (например, 6,25 для продуктов из кукурузы и картофеля или 5,7 для пшеницы).

По методу Кьельдаля, вес образца около 10 г в абсолютном выражении составляет только 1 мг N (для содержания 0,01% N). Сжигание по методу Дюма с использованием 100-300 мг в абсолютном выражении составляет 0,01 мг азота для обнаружения во время анализа.

Следующие принятые методы используются для сравнения результатов, полученные в этой статье:

  • EN ISO 3188: 1994 Крахмал и продукты переработки. Определение содержания азота по методу Кьельдаля. Титриметрический метод (ISO 3188: 1978); Дата выпуска (немецкая версия): 10/1994
  • AOAC 992,23, Сырой протеин в злаковых зернах и масличных семенах
  • Стандартный метод ICC № 167, 2000.

Однако ожидаемые значения точности не исключаются из вышеизложенного, поэтому используется метод Дюма DIN EU 16634 «Определение общего содержания азота при сжигании в соответствии с методом Дюма и расчет содержания сырого белка».

2.1 Анализ процесса сжигания крахмала по методу Дюма

Для проведения анализов, представленных в данной статье, применялся анализатор DUMATHERM® от C. Gerhardt, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1: DUMATHERM® от C. Gerhardt с пневматическим автосамплером и контроллером ПК

2.2 Теория: метод сжигания для анализа азота / протеина

2.2.1 Подача образцов и процесс сжигание

В то время как разложение кислотой в соответствии с методом Кьельдаля разрушает образец довольно устаревшим способом, процесс сжигания является более простым и экономичным по времени альтернативым методом классической системе. Образец окисляется контролируемым образом, и полученные газообразные продукты подвергаются дальнейшему анализу. Главной задачей является полное превращение образца в первичные продукты двуокиси углерода, воды и двуокиси азота (уравнение 1) без вторичных продуктов за счет неполного сгорания, такие как окись углерода (СО) и монооксид азота (NO).

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

Поскольку в воздухе содержание азота превышает 70%, по этой причине необходима эффективная изоляция против окружающего воздуха в сочетании с эффективной функцией продувки. Исходя из этого, производительный автосамплер исключает взаимодействие между образцом и воздухом. На рисунке 2 показаны две модели.

Рисунок 2: Автосамплер с функцией продувки - камера непрерывно продувается гелием до того, как образец будет механически или вручную подаваться с помощью ползунка для процесса горения.

 

Рисунок 3

Современные приборы для выполнения процесса сжигания используют гелиевую технологию, чтобы извлечь атмосферный азот для достижения максимально возможной точности анализа.

На рисунке 3 подробно показан пример такого анализа с помощью системы DUMATHERM® от компании C. Gerhardt. Основываясь на классическом принципе анализа сжигания в соответствии с методом Жана Дюма3, ПО системы управления обеспечивает эксплуатацию прибора без технического обслуживания.

Пневматический автосамплер (AS) подает твердые или жидкие образцы (показанные красными точками), завернутые в оловянную фольгу в печь для сжигания (CF). В то же время сжигание начинается переключением потока газа на кислород. Образец сжигается, а полученная зола собирается в специальной вставке для пепла (AI). Газообразные продукты сгорания в присутствии катализаторов полностью воздействуют на требуемые оксиды и после сгорания переносятся через весь прибор потоком гелия. Оксиды азота сначала восстанавливаются до элементарного азота в реакторе восстановления (RF), а вторичные продукты, вода и диоксид углерода разделяются в специальных ловушках (от F1 до F3). Поток газа, состоящий из оставшегося гелия и азота, измеряется с помощью детектора теплопроводности. Компьютерное управление обеспечивает одновременную оценку данных анализа.

2.2.2 Обнаружение и оценка

Для ультранизкого уровня анализа азота - особенно в применении крахмала - рекомендуется использовать гелий в качестве газа-носителя, так как он является единственным газом, который показывает достаточно различную теплопроводность по сравнению с азотом, Табл. 2.

Таблица 2: Теплопроводность различных газов при 300 К6. Чем больше разница в значениях теплопроводности, тем лучше вероятность обнаружения и точность прибора.

Название газа λ 300 K, W/m · K
Гелий, He 156.7
Двуокись углерода, CO2 16.8
Азот, N2 26.0
Окись углерода, CO 16.8

Гелий в качестве газа-носителя и азот в качестве аналитического вещества являются подходящим соединением в качестве эталонного потока газа в детекторе (используется в классических детекторах на основе моста Уитстона) и не является необходимым.

Для проведения запланированного анализа необходимо использовать гелий, в качестве газа-носителя, поскольку в крахмальных образцах присутствует минимальное количество азота.

2.3 Практика: выполнение анализа методом сжигания образца

В дополнение к действующему анализу с помощью прибора DUMATHERM®, для нормальной и воспроизводимой работы также учитываются:

  • Подготовка образца
  • Вес образца
  • Калибровка детектора
  • Обеспечение качества пользователей
  • Правильный выбор условий измерения
  • Анализ и оценка результатов

Оловянная фольга используется для взвешивания образцов, из которой изготавливаются шарики с образцом, которые затем хранятся в лотке для проб до анализа.

Образцы, обернутые фольгой, помещают в лоток для образцов и затем закрывают крышку автосамплера перед началом анализа (рисунок 4).

Почему мы используем оловянную фольгу?

Олово, при сильной экзотермической реакции сжигается к оксиду олова (IV). Энергия, выделяемая во время этого процесса, способствует полному сгоранию образца.

Как альтернативный вариант, для обертывания образцов можно использовать бумагу для взвешивания без содержания азота, хотя следует учитывать дополнительное количество золы из бумаги.

2.4. Новый тип калибровки для анализа крахмала с использованием DUMATHERM®

Для DUMATHERM® было разработано новое применение крахмала. Главной составляющей для успешного проведения анализа является калибрование для определения небольших азотных площадей пика образцов крахмала.

Рисунок 4: Взвешивание образца в оловянной фольге (изображение слева) и размещение образцов в лотке до подачи их в автосамплер (изображение справа).

Для расчета результатов анализа необходимо использовать калибровку, которая полностью покрывает уровни сигналов неизвестных образцов.

Уровни сигнала около 150 - 500 мВ достигаюся при весе образца прибл. 150 мг. Поскольку уровни сигнала находятся на пределе абсолютного обнаружения, многоэтапное калибрование с твердым стандартом рекомендуется использовать также как и с жидким стандартом. На рисунке 5 показана такая калибровочная кривая, расширенная сверху при помощи точек измерения с твердым стандартом ЭДТА (EDTA).

Для анализа неизвестных образцов первоначально использовались стандартные условия, т. е. около 100 - 200 мг веса образца, дозировка кислорода при 400 мл / мин, температура горения 990 ° С.

На следующих рисунках 6 и 7 показаны результаты анализа на примере картофельного и пшеничного крахмала.

Рисунок 5: THAM (Трис (Гидроксиметил) аминометан) и ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота) с 9,57% N) калибровка для DUMATHERM® с 20 точками измерения.

 

Рисунок 6: Результаты анализа картофельного крахмала с весом образцов в диапазоне от 100 до 200 мг.

 

Рисунок 7: Пшеничный крахмал с постоянным весом образца прибл. 150 мг.

 

Рисунок 8: Долговременная стабильность калибрования за весь 2-х месячный период, измеренная за 24 разных рабочих днях.

Характерной особенностью является то, что картофельный крахмал также измеряли с разным весом образцов, при которых были получены отличные относительные стандартные отклонения менее 0,6%. Это свидетельствует о том, что для анализа необходимо всего 100 мг образца. Площадь пиков, полученные прибл. при показании 200 мВ достаточно близки к пределу абсолютного обнаружения 0,01 мг N.

2.5 Долговременная стабильность калибрования

Данное калибрование имело показательную стабильность. Используя картофельный крахмал и пшеничный крахмала в качестве образца, которые непрерывно ежедневно анализировались в течение почти 2 месяцев в общей сложности за 24 рабочих дня, можно заметить, что недавно разработанная калибровка обеспечивает стабильную высокую точность анализа в диапазоне менее 0,25% протеина с использованием системы DUMATHERM® Полученные результаты приведены на Рисунке 8. 2.6

2.6 Вывод

На сегодняшний день надежной альтернативой процессу кислотного разложения по методу Кьельдаля является применение приборов сжигания для анализа азота/протеина в соответствии методом Дюма. Несмотря на уменьшенный вес образцов, при этом все же достигается превосходная воспроизводимость и повторяемость. Калибровочный метод, который рассматривался,обеспечивает надежный анализ содержания азота при абсолютном пределе обнаружения 0,01 мг N до образцов глютена с высоким содержанием протеина (60-80% протеина). Поскольку исследуемый крахмал имеет превосходную гомогенность, наилучшие результаты анализа возможны даже при весе образца 100 мг.

Благодаря этому не возникает проблем с сильным пенообразованием образцов и расходом химических веществ, как при процессе разложения по Кьельдалю, а количественный анализ можно получить быстро и точно с использованием приборов для сжигания.

Таким образом, метод сжигания все чаще становится вторым эталонным методом, дополняющий метод Кьельдаля.

Предыдущая статья Диспергирование - фрезами
Следующая статья Существуют ли издержки от массы макро образцов на сегодняшний день?

Оставить отзыв

Отзывы должны пройти проверку модератором перед публикацией

* Обязательные поля