eng
Описан подход к определению азота/белка по методу Дюма в анализаторе LECO FP628. Показано, что погрешность анализов с помощью LECO FP628 является допустимой при работе в высокопроизводительном режиме, с экономичной петлей малого объема и при использовании аргона в качестве газа-носителя.
Теги: dumas method nitrogen/protein determination the analyzer leco fp628 анализатор leco fp628 метод дюма определение азота/белка
Как правило, содержание белка в пищевых продуктах и кормах определяется не напрямую, а рассчитывается, исходя из концентрации азота. Для расчетов используются определенные для разных продуктов коэффициенты. Для большинства пищевых продуктов и кормов используется коэффициент 6,25.
Существует несколько методов определения азота в продуктах и кормах. Наибольшее распространение получил метод, разработанный датским химиком Йоханом Кьельдалем в 1883 году. Метод основан на минерализации органического вещества пробы в концентрированной серной кислоте в присутствии катализатора. При этом азот, входящий в состав органических соединений, количественно переходит в аммиак, образующий при взаимодействии с серной кислотой сернокислый аммоний. При прибавлении избытка щелочи сернокислый аммоний разлагается, а образовавшийся аммиак отгоняют, поглощают раствором H2SO4 или НСl, после чего избыток кислоты определяют титриметрически. На основании результатов титрования рассчитывают количество органического азота.
Метод Кьельдаля хорошо известен и применяется аналитиками на протяжении долгого периода времени. Однако при этом он имеет значительное число недостатков. Наиболее критичные из них – большая длительность процесса, низкая производительность, необходимость использования концентрированных кислот и щелочей и высокая стоимость анализа.
Всего этого лишен альтернативный метод определения азота – метод Дюма, в основе которого лежит превращение азота в N2 и оксиды при сжигании образца. Оксиды азота затем также каталитически восстанавливаются, как правило, медью или вольфрамом до молекулярного азота, суммарное содержание которого определяется измерением теплопроводности в токе гелия или аргона. При этом весь аналитический процесс занимает существенно меньшее время, чем по методу Кьельдаля (3–4 мин вместо 2–3 ч), здесь не используются едкие кислоты и щелочи и нет токсичных отходов, а стоимость проведения анализа не высока. Благодаря этому, метод Дюма с конца 90-х годов прошлого века был включен в большое число стандартов по определению азота / белка (ГОСТ, АОАС, ISO и т. д.).
Существует несколько вариантов приборной реализации метода Дюма. Один из них основан на хроматографическом разделении продуктов сжигания, второй – на использовании ловушек. Оба подхода имеют существенные недостатки. Во-первых, в обоих случаях необходимо производить разделение всего объема выделившегося газа, что увеличивает расход реагентов, повышает затраты на их приобретение и приводит к необходимости осуществлять более частое техническое обслуживание прибора. Во-вторых, имеет место проблема неполного сгорания проб. Не представляется возможным реализовать их полноценное сжигание в чистом кислороде, поскольку это ведет к уменьшению ресурса реагентов, нейтрализующих избыток этого газа для предотвращения его попадания в ячейку катарометра. Следствием же осторожной дозированной подачи О2 становится зависимость результатов анализа от однородности и типа образца.
В анализаторе азота / белка LECO FP628 реализован третий подход приборной реализации метода Дюма, лишенный приведенных выше недостатков. Здесь сжигание анализируемых проб происходит в вертикальной печи в атмосфере чистого кислорода при температуре до 1 050°С. Для большинства пищевых продуктов и кормов используется один и тот же метод и одна калибровка. При высокотемпературном сжигании в атмосфере чистого кислорода удается гарантированно свести на нет проблемы неполного сгорания проб и формирования метана. Образцы пищевых продуктов и кормов содержат значительное количество влаги, которая после сжигания проб попадает в аналитическую систему. Для удаления влаги из газовой смеси используется высокоэффективный термоэлектрический охладитель.
Вся образовавшаяся после сжигания образца газовая смесь (кислород, азот, оксиды азота, СО2 и другие газы) собирается в балластной емкости. После завершения процесса из балластной емкости отбирается представительная аликвота газовой смеси, которая в токе инертного газа проходит сначала через каталитическую печь для удаления остатков кислорода и восстановления оксидов азота. СО2 удаляется из газового тракта с помощью Лекосорб (Lecosorb), азот детектируется ячейкой теплопроводности. Газовая схема анализатора LECO FP628 показана на рисунке.
Пробы пищевых продуктов и кормов зачастую не являются гомогенными. Для получения точных и воспроизводимых результатов анализов по определению азота / белка в данных пробах масса образца варьируется от 100 мг до 1 г. Твердые образцы помещаются в оловянную фольгу или в оловянные капсулы. Жидкие образцы помещаются в большие оловянные капсулы.
Весь цикл анализа от ввода образца для получения результата занимает при использовании стандартной методики не более 4 мин. В данной методике используется гелий в качестве газа-носителя и аликвотный объем взятого из балластной емкости газа, равный 10 мл. Далее в статье будут рассмотрены варианты изменения параметров стандартного метода для достижения более высокой производительности и сокращения расходов на проведение анализов без ухудшения при этом основных метрологических характеристик, включая воспроизводимость и точность.
Рассмотрены три основных параметра.
1) Размер аликвоты
Очевидно, что использование меньшей аликвоты приведет к двум последствиям: 1) некоторому уменьшению чувствительности из-за сокращения количества анализируемого газа и 2) снижению расходования таких материалов, как Медные палочки (Copper Sticks) и Лекосорб (Lecosorb). Изменение аликвоты никак не повлияло на время анализа. Стандартная петля аликвоты объемом 10 мл была заменена на петлю аликвоты объемом 3 мл. Благодаря этому в три раза было увеличено время жизни расходуемых материалов и, как следствие, межсервисный интервал (например, Медные палочки будут обеспечивать проведение 2 000 анализов вместо ~ 600).
2) Тип газа-носителя
Обычно в качестве газа-носителя используются такие газы как гелий или аргон. Чувствительность измерительной ячейки катарометра зависит от разности в теплопроводностях газа-носителя и измеряемого газа, в данном случае от разницы в теплопроводности азота (измеряемого газа) и гелия / аргона (газа-носителя). В случае использования гелия в качестве газа-носителя чувствительность ячейки возрастает более чем в пять раз по сравнению с аргоном. Преимуществом использования аргона может являться его низкая стоимость и неограниченная доступность. При использовании аргона слегка увеличивается время анализа и немного снижается чувствительность. При этом разница в чувствительности и точности измерения не существенны, поэтому аргон может применяться для анализа реальных образцов.
3) Настройки прибора
В настройках прибора существует несколько устанавливаемых временных интервалов, которые могут быть оптимизированы для ускорения процесса измерения. В результате был создан специальный метод, ускоряющий процесс анализа для увеличения производительности. Он получил название "высопроизводительный" и был сравнен с другим, названным "высокоточным" (табл.1*).
Из всех возможных изменяемых параметров были проверены три: а) газ-носитель гелий с объемом аликвоты 10 мл; б) газ-носитель гелий с объемом аликвоты 3 мл; в) газ-носитель аргон с объемом аликвоты 10 мл. Все три конфигурации были протестированы как на высокопроизводительном режиме, так и на высокоточном. В сравнительных тестах использовались различные образцы муки, фуража и кормов для животных. Результаты представлены в табл.2 и 3.
Продукты питания были представлены четырьмя образцами муки: пшеницы, ржи, риса и кукурузы. Все четыре образца являются калибровочными образцами LECO с аттестованными значениями азота / белка.
Очевидно, что использование различных настроек дает расхождение в результатах, которое укладывается в пределы, допускаемые для измерений в одной лаборатории. Необходимая точность измерения была достигнута для образцов фуража и муки. Причем сравнивая высокоточный и высокоскоростной методы, можно увидеть, что по точности они сопоставимы. Сопоставление измерений с использованием 10 мл и 3 мл аликвотной петли при использовании гелия и 10 мл аликвотной петли при использовании аргона позволяет отметить, что точность во втором случае немного снижается, но в целом остается в рамках 1% ОСКО за некоторыми исключениями.
Использование высокоскоростного метода приводит к сокращению времени анализа и увеличению производительности на 13%. Примерно на ту же величину последняя снижается при замене гелия более дешевым аргоном. Переход с петли для аликвоты 10 мл на аликвоту 3 мл при использовании газа-носителя гелия ведет к снижению стоимости анализа на 15%. При одинаковой петле для аликвоты 10 мл замена гелия на аргон снижает стоимость анализа на 7%.
Выводы
Оптимизирован режим работы анализатора общего азота / белка LECO FP628. При этом производительность анализатора была увеличена без какого-либо ухудшения результатов анализа. Как при работе с малой аликвотой, так и при использовании более дешевого аргона анализатор демонстрировал допустимую точность для всех видов пищевых продуктов и кормов. При анализе в оптимизированном режиме средние значения азота / белка не обнаруживали каких-либо отклонений. При использовании предлагаемых изменений настроек и замене газа-носителя точность измерений (ОСКО) незначительно снижается, однако остается приемлемой для всех видов продуктов, то есть за некоторым исключением, в рамках 1%.
Анализаторы LECO FP628 позволяют определять азот / белок методом Дюма по ГОСТ Р ИСО 16634 и ГОСТ Р 54390 в продуктах питания и кормах. Минимальное время анализа, отсутствие пробоподготовки, полная автоматизация цикла и применимость для разнородных образцов обеспечивают максимально возможную в отрасли производительность при высокой точности и низкой стоимости анализа.
* Все экспериментальные данные взяты из работы "Optimizing a Total Protein Combustion Instrument", Dennis Lawrenz, Mason Marsh, Jeffery Gast, Fred Schultz – LECO Corporation, St. Joseph, MI.
Существует несколько методов определения азота в продуктах и кормах. Наибольшее распространение получил метод, разработанный датским химиком Йоханом Кьельдалем в 1883 году. Метод основан на минерализации органического вещества пробы в концентрированной серной кислоте в присутствии катализатора. При этом азот, входящий в состав органических соединений, количественно переходит в аммиак, образующий при взаимодействии с серной кислотой сернокислый аммоний. При прибавлении избытка щелочи сернокислый аммоний разлагается, а образовавшийся аммиак отгоняют, поглощают раствором H2SO4 или НСl, после чего избыток кислоты определяют титриметрически. На основании результатов титрования рассчитывают количество органического азота.
Метод Кьельдаля хорошо известен и применяется аналитиками на протяжении долгого периода времени. Однако при этом он имеет значительное число недостатков. Наиболее критичные из них – большая длительность процесса, низкая производительность, необходимость использования концентрированных кислот и щелочей и высокая стоимость анализа.
Всего этого лишен альтернативный метод определения азота – метод Дюма, в основе которого лежит превращение азота в N2 и оксиды при сжигании образца. Оксиды азота затем также каталитически восстанавливаются, как правило, медью или вольфрамом до молекулярного азота, суммарное содержание которого определяется измерением теплопроводности в токе гелия или аргона. При этом весь аналитический процесс занимает существенно меньшее время, чем по методу Кьельдаля (3–4 мин вместо 2–3 ч), здесь не используются едкие кислоты и щелочи и нет токсичных отходов, а стоимость проведения анализа не высока. Благодаря этому, метод Дюма с конца 90-х годов прошлого века был включен в большое число стандартов по определению азота / белка (ГОСТ, АОАС, ISO и т. д.).
Существует несколько вариантов приборной реализации метода Дюма. Один из них основан на хроматографическом разделении продуктов сжигания, второй – на использовании ловушек. Оба подхода имеют существенные недостатки. Во-первых, в обоих случаях необходимо производить разделение всего объема выделившегося газа, что увеличивает расход реагентов, повышает затраты на их приобретение и приводит к необходимости осуществлять более частое техническое обслуживание прибора. Во-вторых, имеет место проблема неполного сгорания проб. Не представляется возможным реализовать их полноценное сжигание в чистом кислороде, поскольку это ведет к уменьшению ресурса реагентов, нейтрализующих избыток этого газа для предотвращения его попадания в ячейку катарометра. Следствием же осторожной дозированной подачи О2 становится зависимость результатов анализа от однородности и типа образца.
В анализаторе азота / белка LECO FP628 реализован третий подход приборной реализации метода Дюма, лишенный приведенных выше недостатков. Здесь сжигание анализируемых проб происходит в вертикальной печи в атмосфере чистого кислорода при температуре до 1 050°С. Для большинства пищевых продуктов и кормов используется один и тот же метод и одна калибровка. При высокотемпературном сжигании в атмосфере чистого кислорода удается гарантированно свести на нет проблемы неполного сгорания проб и формирования метана. Образцы пищевых продуктов и кормов содержат значительное количество влаги, которая после сжигания проб попадает в аналитическую систему. Для удаления влаги из газовой смеси используется высокоэффективный термоэлектрический охладитель.
Вся образовавшаяся после сжигания образца газовая смесь (кислород, азот, оксиды азота, СО2 и другие газы) собирается в балластной емкости. После завершения процесса из балластной емкости отбирается представительная аликвота газовой смеси, которая в токе инертного газа проходит сначала через каталитическую печь для удаления остатков кислорода и восстановления оксидов азота. СО2 удаляется из газового тракта с помощью Лекосорб (Lecosorb), азот детектируется ячейкой теплопроводности. Газовая схема анализатора LECO FP628 показана на рисунке.
Пробы пищевых продуктов и кормов зачастую не являются гомогенными. Для получения точных и воспроизводимых результатов анализов по определению азота / белка в данных пробах масса образца варьируется от 100 мг до 1 г. Твердые образцы помещаются в оловянную фольгу или в оловянные капсулы. Жидкие образцы помещаются в большие оловянные капсулы.
Весь цикл анализа от ввода образца для получения результата занимает при использовании стандартной методики не более 4 мин. В данной методике используется гелий в качестве газа-носителя и аликвотный объем взятого из балластной емкости газа, равный 10 мл. Далее в статье будут рассмотрены варианты изменения параметров стандартного метода для достижения более высокой производительности и сокращения расходов на проведение анализов без ухудшения при этом основных метрологических характеристик, включая воспроизводимость и точность.
Рассмотрены три основных параметра.
1) Размер аликвоты
Очевидно, что использование меньшей аликвоты приведет к двум последствиям: 1) некоторому уменьшению чувствительности из-за сокращения количества анализируемого газа и 2) снижению расходования таких материалов, как Медные палочки (Copper Sticks) и Лекосорб (Lecosorb). Изменение аликвоты никак не повлияло на время анализа. Стандартная петля аликвоты объемом 10 мл была заменена на петлю аликвоты объемом 3 мл. Благодаря этому в три раза было увеличено время жизни расходуемых материалов и, как следствие, межсервисный интервал (например, Медные палочки будут обеспечивать проведение 2 000 анализов вместо ~ 600).
2) Тип газа-носителя
Обычно в качестве газа-носителя используются такие газы как гелий или аргон. Чувствительность измерительной ячейки катарометра зависит от разности в теплопроводностях газа-носителя и измеряемого газа, в данном случае от разницы в теплопроводности азота (измеряемого газа) и гелия / аргона (газа-носителя). В случае использования гелия в качестве газа-носителя чувствительность ячейки возрастает более чем в пять раз по сравнению с аргоном. Преимуществом использования аргона может являться его низкая стоимость и неограниченная доступность. При использовании аргона слегка увеличивается время анализа и немного снижается чувствительность. При этом разница в чувствительности и точности измерения не существенны, поэтому аргон может применяться для анализа реальных образцов.
3) Настройки прибора
В настройках прибора существует несколько устанавливаемых временных интервалов, которые могут быть оптимизированы для ускорения процесса измерения. В результате был создан специальный метод, ускоряющий процесс анализа для увеличения производительности. Он получил название "высопроизводительный" и был сравнен с другим, названным "высокоточным" (табл.1*).
Из всех возможных изменяемых параметров были проверены три: а) газ-носитель гелий с объемом аликвоты 10 мл; б) газ-носитель гелий с объемом аликвоты 3 мл; в) газ-носитель аргон с объемом аликвоты 10 мл. Все три конфигурации были протестированы как на высокопроизводительном режиме, так и на высокоточном. В сравнительных тестах использовались различные образцы муки, фуража и кормов для животных. Результаты представлены в табл.2 и 3.
Продукты питания были представлены четырьмя образцами муки: пшеницы, ржи, риса и кукурузы. Все четыре образца являются калибровочными образцами LECO с аттестованными значениями азота / белка.
Очевидно, что использование различных настроек дает расхождение в результатах, которое укладывается в пределы, допускаемые для измерений в одной лаборатории. Необходимая точность измерения была достигнута для образцов фуража и муки. Причем сравнивая высокоточный и высокоскоростной методы, можно увидеть, что по точности они сопоставимы. Сопоставление измерений с использованием 10 мл и 3 мл аликвотной петли при использовании гелия и 10 мл аликвотной петли при использовании аргона позволяет отметить, что точность во втором случае немного снижается, но в целом остается в рамках 1% ОСКО за некоторыми исключениями.
Использование высокоскоростного метода приводит к сокращению времени анализа и увеличению производительности на 13%. Примерно на ту же величину последняя снижается при замене гелия более дешевым аргоном. Переход с петли для аликвоты 10 мл на аликвоту 3 мл при использовании газа-носителя гелия ведет к снижению стоимости анализа на 15%. При одинаковой петле для аликвоты 10 мл замена гелия на аргон снижает стоимость анализа на 7%.
Выводы
Оптимизирован режим работы анализатора общего азота / белка LECO FP628. При этом производительность анализатора была увеличена без какого-либо ухудшения результатов анализа. Как при работе с малой аликвотой, так и при использовании более дешевого аргона анализатор демонстрировал допустимую точность для всех видов пищевых продуктов и кормов. При анализе в оптимизированном режиме средние значения азота / белка не обнаруживали каких-либо отклонений. При использовании предлагаемых изменений настроек и замене газа-носителя точность измерений (ОСКО) незначительно снижается, однако остается приемлемой для всех видов продуктов, то есть за некоторым исключением, в рамках 1%.
Анализаторы LECO FP628 позволяют определять азот / белок методом Дюма по ГОСТ Р ИСО 16634 и ГОСТ Р 54390 в продуктах питания и кормах. Минимальное время анализа, отсутствие пробоподготовки, полная автоматизация цикла и применимость для разнородных образцов обеспечивают максимально возможную в отрасли производительность при высокой точности и низкой стоимости анализа.
* Все экспериментальные данные взяты из работы "Optimizing a Total Protein Combustion Instrument", Dennis Lawrenz, Mason Marsh, Jeffery Gast, Fred Schultz – LECO Corporation, St. Joseph, MI.
Отзывы читателей
