Cuantificación Rápida y Confiable de Nitrógeno / Proteína Total con el Analizador Elemental Thermo Scientific™ FlashSmart™
El método Dumas
A mediados del Siglo XIX, el químico francés Jean Baptiste Dumas desarrolló un método de combustión que permitía analizar el contenido de Carbono, Hidrógeno y Nitrógeno en materia orgánica. La técnica consistía en incinerar la muestra en un recipiente cerrado y recoger los gases producidos (CO2, H2O y N2) en esferas de vidrio con distintos reactivos. Luego cada esfera era pesada para calcular el porcentaje de cada gas. A pesar de la sencillez del experimento, la falta de instrumental adecuado hizo que este método cayera en desuso al propagarse el Método de Kjeldhal, desarrollado en 1883.
Dumas Vs. Kjeldhal
Uno de los parámetros más importantes en cualquier alimento, es sin duda el porcentaje de Proteínas: Por ejemplo un exceso de proteína en alimento de forraje puede ser perjudicial para el ganado, pero una deficiencia puede ser mortal. El precio de la soja y otros granos se determina en base al porcentaje de Proteína. Ciertos productos alimenticios, por ejemplo las formulaciones infantiles, deben cumplir con un contenido mínimo de proteína.
Actualmente el método más utilizado para determinar contenido de Nitrógeno y Proteína Total es el Kjeldahl: una extensa digestión y retro-titulación, que genera una gran cantidad de residuos tóxicos, especialmente de Mercurio. Incluso con el avenimiento de autotituladores, el tiempo de análisis y cantidad de masa requerida son mucho mayores respecto del Método Dumas.
Analizando Nitrógeno y Proteínas con el FlashSmart
El Analizador Elemental Orgánico FlashSmart™ utiliza el método Dumas modificado, que permite cuantificar el porcentajes de cada elemento en distintos tipos de muestras, ya sean orgánicas o no. Para medir el porcentaje de Proteína de una muestra, una pequeña masa (alrededor de 100 – 500 mg) se coloca en una cápsula de estaño, dentro del Analizador Elemental Orgánico FlashSmart. Este lleva a la muestra a combustión a 1800°C por unos segundos, descomponiendola rápida y completamente. Los gases producidos pasan por un reactor con distintos catalizadores para convertirse completamente en CO2, H2O, N2, y SO2; por lo que también es posible medir el porcentaje de Azufre. Una columna cromatográfica separa eficientemente los gases, que son detectados mediante una TCD, y en menos de 10 minutos se obtiene el porcentaje de Nitrógeno en la muestra y por lo tanto, de Proteínas.
Cereales y Legumbres
Introducción
Los Cereales y las Legumbres son dos de los cultivos más ampliamente plantados en el mundo ya que son el principal componente de la dieta humana y forrajería para ganado. Uno de los nutrientes más importantes es la proteína y el monitoreo del contenido de nitrógeno debe ser exacto para determinar la calidad nutricional de estos productos. Además de su importancia en la dieta, el contenido de proteína es un indicador de calidad y por lo tanto precio para la compra-venta de granos en el mercado internacional. La globalización del mercado alimenticio requiere entonces un control exacto y confiable de las características del producto tanto por su valor comercial como para resguardar la salud del consumidor y la reputación del vendedor: dadas las regulaciones existentes en distintos mercados para el rotulado y el contenido de proteína, el cliente es quien compara calidad y define el precio basado en ese porcentaje de proteína declarada. Por estas razones, es necesario el uso de una técnica sencilla y automatizada que permita un analisis rápido con excelente reproducibilidad, y evite el riesgo asociado a la manipulación de sustancias químicas tóxicas. Una alternativa al clásico método Kjeldahl, basado en el método Dumas (por combustion), ha sido desarrollado y aprobado por varias asociaciones como la AOCA, AOAC, AACC, AOCS, ASBC, ISO, IFFO, IDF y otras.
Objetivo
Demostrar la performance analítica del Analizador Elemental Thermo Scientific™ FlashSmart™ en calidad de alimentos, rotulado de cereales y leguminosas; y cumplimiento de las normas internacionales. El Analizador Elemental FlashSmart™ basa su operación en la Combustión Dinámica (Método Dumas) del material, por lo que no requiere digestión previa ni químicos tóxicos, a la vez que provee una importante ventaja en cuanto al tiempo, automatización y determinación cuantitativa del Nitrógeno en un amplio rango de concentraciones.
Método
El Analizador Elemental FlashSmart™ utiliza muestras pesadas en contenedores de Estaño que son introducidas dentro del reactor de combustión desde el automuestreador Thermo Scientific MAS Plus. Las muestras líquidas pueden introducirse con el automuestreador Thermo Scientific Al/AS 1310 o en forma manual mediante una jeringa. Una cantidad de oxígeno precisamente determinada por la función OxyTune® es agregada y la combustión llega a 1800°C brevemente, por lo que es posible analizar cualquier sustancia que se descomponga por debajo de esa temperatura (incluso aleaciones metálicas).
En esta configuración del FlashSmart™, como se ve en la Figura 3, luego de la combustión los gases producidos son arrastrados por un flujo de Helio hacia un segundo reactor lleno con cobre, luego sendas trampas para CO2 and H2O, una columna de GC, y finalmente un Detector de Conductividad Térmica (TCD). El reporte completo de la corrida analítica se genera automáticamente desde el Software Thermo Scientifc™ EagerSmart™, que controla íntegramente el instrumento.
Figura 3. Configuración “Nitrógeno/Proteína” del Analizador Elemental FlashSmart™.
Resultados
Las muestras se homogeneizaron con un Molino hasta un tamaño de partícula de 1 mm, y se secaron en horno a 130°C durante 1 hora. La calibración se realizó con Ácido Aspártico con el factor K como método. El contenido de proteína se calculó utilizando un factor de 6.25. En la Tabla 1 se reporta la reproducibilidad obtenida analizando una muestra de Soja, no hay cambios significativos observables en el valor de Nitrógeno y Proteína al cambiar la masa de la muestra de 100 a 300 mg.
Tabla 1. Reproducibilidad del porcentaje de Nitrógeno/Proteína en una muestra de Soja para distintas masas.
Figura 4. Gráfico Estadístico para los datos reportados en la Tabla 1.
La Figura 4 muestra el gráfico estadístico de la dispersión de los datos de la corrida reportada en la Tabla 1. La excelentemente baja fluctuación obtenida demuestra la estabilidad del sistema y por lo tanto la reproducibilidad de los resultados, para una corrida de 22 muestras, con un valor Promedio para Nitrógeno de 7.90% y 0.06 para la RSD.
Por otra parte, en la Tabla 3 se muestra la determinación de Nitrógeno y Proteína en varias muestras de cereales y legumbres, para validar el sistema en distintas condiciones de contenido total de Nitrógeno y Proteína. Los datos muestran una excelente reproducibilidad: en todos los casos, la desviación estándar fue menor que 2%, en cumplimiento de la normativa AOAC 990.03 para alimento animal. No se observó ningún efecto memoria al cambiar la muestra, lo que significa una completa detección del Nitrógeno presente en la muestra.
Tabla 2. Condiciones de la corrida Analítica utilizada para las mediciones realizadas.
Tabla 3. Determinación del porcentaje de Nitrógeno/Proteína en distintos Cereales y Legumbres.
Tabla 4. Comparativa entre el Método Kjeldhal y el Analizador FlashSmart™ para distintas muestras:Soja, Lentejas, Arroz, Trigo y Porotos.
Otros Productos Alimenticios
Exactitud y Precisión del Analizador FlashSmart™
La Exactitud y Precisión del FlashSmart™ se evaluaron analizando materiales de referencia certificados. En el primer caso, se analizó la Muestra de Referencia de Pasta Seca Thermo Scientific en cinco instrumentos en simultáneo. Luego de una calibración con 50 a 100 mg de Ácido Aspártico, se testeó por triplicado 200 a 300 mg del material. Los resultados se muestran en la Tabla 5: los valores de nitrógeno y su incerteza caen dentro de los valores esperados, confirmando la repetitividad y reproducibilidad de la técnica.
Tabla 5. Datos para Nitrógeno obtenidos para el Material de Referencia de Pasta Seca.
Por otra parte, se analizaron algunos Materiales de Referencia BIPEA (Bureau Inter Professionnel d’Etudes Analytiques, Francia) con distintos porcentajes de Nitrógeno. La Tabla 6 muestra los datos provistos en los certificados de referencia, mientras que los resultados obtenidos con el FlashSmart™ se encuentran en la Tabla 7.
Tabla 6. Datos certificados para los Materiales de Referencia BIPEA: Alimento para Porcinos, Alfalfa Deshidratada y Polvo Hiperproteico.
Tabla 7. Datos para los Materiales de Referencia BIPEA obtenidos por el FlashSmart™.
Finalmente, se analizaron en una única corrida varias muestras de distintos tipos de alimentos, con porcentajes de Nitrógeno entre 0.06 y 8 %. Se utilizó un factor apropiado para calcular el porcentaje de Proteína total según cada alimento. Por ejemplo, en la mayoría se utilizó el factor 6.25, pero para derivados lácteos se utilizó 6.38. La Tabla 8 muestra los resultados obtenidos:
Tabla 8. Datos de porcentaje de Nitrógeno / Proteína para distintos alimentos: cárnicos, semillas, nueces, quesos, etc.
Conclusiones
El Analizador Elemental FlashSmart™ basado en el método Dumas es una excelente solución para la determinación de Nitrógeno y Proteína totales, dada la superior repetitividad y reproducibilidad, ausencia de efecto memoria al cambiar de tipo de muestras, total automatización, y menor costo de análisis dada la casi total ausencia de reactivos. El tipo de muestras que se puede analizar es amplio: granos, carne, alimentos para animales, etc.; con un tiempo de análisis de 5 minutos por muestra, y sin generar desechos tóxicos (El único residuo generado en la operatoria son las cenizas y capsulas de estaño).
