Визначення білка у харчових продуктах: порівняння методів Дюма та К’єльдаля

Який спосіб визначення білка кращий? Щоб дати обґрунтовану відповідь на це питання у статті, детально порівняємо методи, зокрема, за критеріями точності, безпеки, продуктивності, вартості та особливостей експлуатації. Також можете подивитись відео.

Класика чи популярність?

Вміст білка є одним з найважливіших показників якості продукції, що визначає його харчову цінність. Класичним способом визначення білка є метод К’єльдаля, але останнім часом все більшої популярності набуває метод Дюма. Отже, Дюма чи К’єльдаль? Сьогодні ми спробуємо знайти відповідь на це питання.

Який із методів арбітражний?

Обидва цих методи – і Дюма, і К’єльдаль – є офіційними, тобто арбітражними методами. Що це означає? Що вони визнані та схвалені провідними світовими органами та організаціями і що їхні результати не підлягають сумніву.

Але тут необхідно зробити одне уточнення. В Україні на сьогоднішній день для більшості харчових продуктів арбітражним вважається все ж таки метод К’єльдаля. У той час як в Європі та Штатах в останні десятиріччя все більшої популярності набуває саме метод Дюма, поступово витісняючи метод К’єльдаля. Чому – Ви зрозумієте далі. На сьогоднішній день в Україні відбувається активна гармонізація наших методик із європейськими та американськими. Тому є впевненість в тому, що найближчим часом і у нас метод Дюма буде визнаний арбітражним.

Дюма: історія методу

Метод був розроблений французьким хіміком Жаном-Батистою Дюма. Вчений винайшов його в 1831 році під час навчання. Згодом метод був названий на його честь. Що цікаво: метод був винайдений набагато раніше, ніж метод К’єльдаля, та через складнощі з його реалізацією – відсутність газів належної чистоти, необхідних реагентів та каталізаторів – не отримав популярності. Поступово метод був модифікований та автоматизований. Були розроблені автоматичні прилади для його реалізації. Із цього моменту метод Дюма і почав конкурувати з методом К’єльдаля як з арбітражним методом визначення білка в харчових продуктах.

Із яких же етапів складається метод Дюма?

• Починається, відповідно, із пробопідготовки. Цей етап достатньо простий. Для твердих зразків – їх необхідно просто розмолоти до крупності помелу 0,5 мм. Для рідких – перемішати.
• Далі ідуть основні етапи. Це спалювання зразка при температурі більше 1000 ^оС. Після чого зразок розпадається на елементарні частинки, такі як оксиди азоту, вода та вуглекислий газ.
• Далі настає етап відновлення, під час якого оксиди азоту окисляються, і на виході залишається чистий азот, вода і вуглекислий газ.
• Потім із отриманої суміші вилучається вуглекислий газ і вода. Залишається чистий азот, який, власне кажучи, і визначається. Знаючи кількість азоту, ми можемо дізнатись кількість білка, помноживши кількість азоту на відповідний коефіцієнт.

Як це реалізовано в приладі виробництва Velp Scientifica?

• Проба, загорнута в алюмінієву фольгу, потрапляє в реактор згоряння, який представляє собою кварцеву трубку, заповнену каталізатором. У реакторі знаходиться збірник золи, в якому, власне, і відбувається згоряння зразку.
• Далі продукти згоряння проходять через пастку води, де залишається понад 90% води, і потрапляють в реактор відновлення.
• Реактор відновлення заповнений спеціальним каталізатором (активованою алюмінієвою стружкою). Оксиди азоту окислюються, і на виході залишається чистий азот із вуглекислим газом і водою.
• Далі газ потрапляє в ще одну пастку води та пастку для вуглекислого газу.
• Після чого ми отримуємо чистий азот, який і визначається детектором теплопровідності.

Лінійка приладів для реалізації методу Дюма від Velp Scientifica

Італійська компанія Velp Scientifica має майже 40-річний досвід розробки, виробництва та дистрибуції високоякісного аналітичного лабораторного обладнання на міжнародному ринку і представлена мережею дистриб’юторів у більш ніж 90 країнах по всьому світу.

Лінійка Velp Scientifica представлена приладом NDA702 – аналізатором загального вмісту азота/білка за методом Дюма, в якості газу-носія використовується гелій і аргон.

Також виробник пропонує всі необхідні аксесуари та реагенти, необхідні для проведення аналізу. Це олов’яна фольга, кварцеві реактори, збірники золи, кварцева вата, каталізатори, калібрувальні стандарти, а також додаткові аксесуари для полегшення роботи оператора.

Кварцеві реактори – одноразові. Тому оператору просто необхідно через певну кількість аналізів замінити той чи інший реактор, попередньо заповнений певним каталізатором. Усі реагенти, які використовуються під час аналізу, нетоксичні.

Як бачимо, аналізатори дуже зручні та безпечні для роботи. Не вимагають високої кваліфікації оператора. 
А головне, прилади компанії Velp Scientifica на сьогодні є найдоступнішим рішенням для реалізації методу Дюма на українському ринку. 

К’єльдаль: історія методу

Переходим до методу К’єльдаля. Метод був розроблений датським хіміком Йоханом К’єльдалем в кінці XVIII ст., коли він працював у лабораторії Карлсберга. Перед ним було поставлено завдання розробити швидкий, з хорошою відтворюваністю метод визначення білка в зерні. Це було необхідно для усунення певних технологічних проблем у процесі пивоваріння, пов’язаних із різним вмістом білка у вихідній сировині. Він із цим завданням успішно впорався і винайшов метод, який пізніше також було названо на його честь. Завдяки високій точності, відтворюваності та легкості реалізації метод одразу набув популярності та широкого застосування. І на сьогоднішній день є найбільш відомим та широко застосовуваним методом з визначення білка в харчових продуктах в усьому світі.

Із яких етапів складається метод К’єльдаля?

Як і метод Дюма, метод К’єльдаля складається з трьох основних етапів: мінералізація, дистиляція, титрування. І для кожного із цих етапів необхідні окремі прилади, а саме: мінералізатор, паровий дистилятор та титратор. Але вже сьогодні є прилади, які об’єднують у собі процес дистиляції та титрування.

Зразок кипить в концентрованій сірчаній кислоті (96–98%) за температури понад 400 ⁰С у присутності каталізатора. У результаті чого весь органічний азот перетворюється на сульфат амонію. Надалі нас буде цікавити саме ця складова нашої суміші. Справа в тому, що метод К’єльдаля, як і метод Дюма, визначає безпосередньо вміст азоту. І тільки дізнавшись вміст азоту, ми можемо порахувати вміст білка.

Далі переходимо до етапу дистиляції, який полягає в тому, що до пробірки з мінералізованим зразком додається луг, який реагує із сульфатом амонію, в результаті чого утворюється аміак, який у газоподібній формі за допомогою пари відганяється із пробірки в прийомну колбу, заповнену борною кислотою з індикаторами. Борна кислота зв’язує весь аміак, що до неї потрапляє. Утворюється так звана боратна сіль.

І тепер можна переходити до етапу титрування. Його суть полягає в наступному. В прийомній колбі є індикатори, що реагують на зміну кислотності розчину. Ми починаємо додавати в прийомну колбу кислоту, яка своєю чергою починає зв’язуватися з аміаком. Доки аміаку достатньо, для того щоб зв’язувати всю кислоту, що додається, кислотність розчину не змінюється. Коли весь аміак зв’язаний, подальше додавання кислоти призводить до підвищення кислотності розчину, на що реагують індикатори, які змінюють його колір. Оператор розуміє, що процес титрування необхідно завершувати.

За кількістю кислоти, що була витрачена на титрування, вираховують вміст азоту, а потім і вміст білка, помноживши кількість азоту на певний коефіцієнт.

Обладнання для реалізації методу К’єльдаля від компанії Velp Scientifica

Перелік достатньо великий. Є дві серії мінералізаторів: напівавтоматичний та автоматичний. Місткістю від 6 до 20 колб. Усі мінералізатори завдяки наявності мікропроцесора забезпечують рівномірне нагрівання зразків.

Також представлено 5 видів дистиляторів: від напівавтоматичних до автоматичних, обладнаних колориметричним титратором та автосамплером для забезпечення максимальної продуктивності. Дані прилади мають ряд унікальних особливостей, а саме:

1. Титановий конденсатор, що забезпечує температуру дистиляту завжди нижче порогового значення, що становить 35 ⁰С. Порушення цієї вимоги може напряму впливати на результати аналізу.
2. Запатентований парогенератор, що не потребує технічного обслуговування.
3. Фторопластовий каплевідбійник, що працює значно довше, ніж скляний.

Усе обладнання вирізняється високими експлуатаційними характеристиками, що можуть підтвердити наші клієнти! Адже щороку ми реалізуємо десятки систем для реалізації методу К’єльдаля від компанії Velp Scientifica в лабораторіях підприємств харчової галузі.

Давайте порівняємо ці два методи

Проаналізуємо такі критерії: точність, безпека, продуктивність, інвестиції та експлуатація.

Точність

Якщо говорити про точність, то ми бачимо, що межа виявлення краща у метода Дюма. У той же час обидва методи забезпечують відмінну відтворюваність.

Також слід зазначити, що метод К’єльдаля визначає лише органічний азот, в той час як метод Дюма – і органічний, і неорганічний. Тому, як правило, метод Дюма дає вищі результаті, ніж метод К’єльдаля. Хоча не завжди. Адже якщо ми говоримо про неорганічний азот, то це, як правило, нітрати та нітрити. А їх у досліджуваному зразку може або не бути зовсім, або можуть бути у дуже невеликих кількостях. Наприклад, якщо ми говоримо про зернові культури, то нітрати та нітрити концентруються в стеблі рослини, а в зерні присутні в дуже невеликій кількості або відсутні взагалі.

Безпека

Якщо говорити про безпеку, то тут безперечна перевага на боці Дюма. Адже реалізація цього методу не потребує використання прекурсорів, так званої мокрої хімії. Усі реагенти є нетоксичними та не потребують спеціальних дозволів для їх використання. Щоправда для реалізації цього методу Вам необхідні будуть гази високої чистоти, а саме – кисень для спалювання зразка та гелій або аргон в якості газу-носія.

Час аналізу та продуктивність

Що стосується часу аналізу, то ми бачимо, що використовуючи метод К’єльдаля, перші результати ми отримуємо лише за дві години. Використовуючи метод Дюма – через 3-4 хвилини. Але тут слід зазначити, що використовуючи, наприклад, 20-позиційний мінералізатор, менш ніж за 4 години можна проаналізувати 20 зразків. Використовуючи метод Дюма, нам знадобиться всього 3-4 хвилини для аналізу одного зразка.

Щодо продуктивності. Якщо говорити про метод К’єльдаля, то вона напряму залежить від місткості мінералізатора та ступеню автоматизації дистилятора і може коливатись в межах від 18 до 60 аналізів в день. Наприклад, використовуючи мінералізатор DK6 та дистилятор UDK129 – це буде 18 аналізів в день, використовуючи DKL20 та UDK159 – до 60 аналізів в день. Метод Дюма дозволяє проводити до 120 аналізів в день. Також слід звернути увагу на те, що метод К’єльдаля дозволяє одночасно аналізувати лише зразки з однаковою матрицею в партії, у той час як метод Дюма – із різними матрицями.

Інвестиції

На рисунку Ви можете порівняти цифри. Але слід зазначити, що вартість автоматичної системи для реалізації методу К’єльдаля може сягати 26 тис. євро, а обладнана автосамплером буде навіть дорожча за аналізатор Дюма.

Експлуатація

Тут також повна перевага на боці Дюма.

• Реалізація методу К’єльдаля складається з декількох послідовних операцій. Працює тільки в серіях. Не можна одночасно мінералізувати різні види зразків. Навіть найбільш автоматизована система потребує втручання оператора.
• Якщо ми говоримо про Дюма, то оператору необхідно лише підготувати та зважити зразок. Усі етапи аналізу відбуваються в автоматичному режимі. Прилад може працювати безперервно і одночасно з різними типами зразків. Не потребує нагляду оператора.

Якщо у Вас виникли запитання, звертайтеся до спеціалістів ХЛР: info@apk.hlr.ua, +380 (67) 218-71-98.