Die Dumas Methode zur Stickstoff- und Proteinbestimmung

Die Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl mag zwar die am weitesten verbreitete Methode zur Bestimmung des Stickstoffes in organischen Körpern sein, sie ist aber nicht die Einzige Referenzmethode in der Stickstoffanalytik: Im Jahr 1831, also bereits 52 Jahre vorher, veröffentlichte der französische Chemiker Jean-Baptiste Dumas seine Verbrennungsmethode zur quantitativen Stickstoff- und Proteinbestimmung.

Die Dumas-Methode ist eine Elementaranalyse zur Stickstoffbestimmung, die weltweit anerkannt und durch internationale Organisationen wie AOAC, AACC, ISO, DIN, ASBC, AOCS oder OIV validiert ist.

Neben dem organischen Stickstoffgehalt, kann mithilfe der Verbrennungsmethode auch der Gesamtstickstoffgehalt einschließlich anorganischer Bestandteile analysiert werden. Mit der Dumas-Methode können also beispielsweise auch Nitrit (NO2) und Nitrat (NO3) bestimmt werden. Das macht die Stickstoffanalyse nach Dumas besonders für die Lebens- und Futtermittelbranche interessant, denn die Anforderungen an die Zusammensetzung von Lebens- und Futtermitteln wachsen stetig und eine ausführliche Analytik ist für die Qualitätskontrolle und Nährwertkennzeichnung wichtiger denn je.

Zusätzlich dazu sind die kurze Analysedauer, die einfache Bedienung und die hohe Sicherheit der Dumas-Methode von großem Vorteil, denn ein hoher Umsatz bei geringem Zeitaufwand ist für die meisten Industriesektoren heutzutage unabdingbar. Nicht nur in der Lebens- und Futtermittelindustrie, sondern auch in Bereichen wie der Umweltanalytik erfreuen sich automatisierte Laborgeräte zur Ausführung der Dumas-Methode daher immer größerer Beliebtheit. Ob es also um die Analyse von Düngermitteln in der Landwirtschaft, von Molkenprodukten in der Lebensmittelindustrie oder von nachhaltigen Trends wie Insektenprotein geht: Die Dumas-Methode ist vielseitig einsetzbar und liefert zuverlässige Ergebnisse.

Bei der manuellen Stickstoffbestimmung nach Dumas ist es sehr aufwendig, die Bedingungen für die Analyse zu reproduzieren. Dank der weit fortgeschrittenen Technik, sind moderne Verbrennungsgeräte jedoch vollautomatisiert. Dadurch ist die Dumas-Methode mittlerweile sicher und einfach in den Laboralltag integrierbar. Vollautomatisierte analytische Systeme wie der DUMATHERM nutzen zur Bestimmung von Stickstoff- und Proteingehalt in festen und flüssigen Proben im Prinzip aber dennoch die Grundlagen der Dumas-Methode.

Die Verbrennungsanalyse nach Dumas

Die klassische Verbrennungsmethode nach Dumas dient zur Bestimmung des Stickstoffgehalts von brennbaren, zumeist organischen Proben. Das zugrunde liegende Prinzip der manuellen Methode ist auch heute noch die Grundlage von modernen, automatisierten Analysensystemen.

Bei dem klassischen Dumas-Verfahren wird die Probe mit Kupfer gemischt und anschließend bei hohen Temperaturen und unter der Zugabe von Kohlendioxid (CO2) erhitzt. Das dabei entstehende Gasgemisch wird durch eine erneute Zugabe von Kupfer in die Nebenprodukte Wasser (H2O), Kohlendioxid, Stickstoff (N2) und Stickoxide (NOx) oxidiert. Über einen Kupferdraht werden die Stickoxide im Folgenden zu elementarem Stickstoff (N2) reduziert, der wiederum durch eine Kaliumhydroxid-Lösung geleitet und in einem Messzylinder aufgefangen wird. Die Nebenprodukte Kohlendioxid und Wasser werden abgeschieden. 

Im Anschluss an diesen Prozess kann der Stickstoffgehalt quantitativ abgelesen und der Stickstoffgehalt der Probe berechnet werden. 

Die Automatisierung der Dumas Methode

Die stetig voranschreitende Automatisierung von Laborgeräten hat auch das Dumas-Verfahren nicht unberührt gelassen: Mittlerweile gibt es vollautomatisierte Analysensysteme, die eine Stickstoffbestimmung nach Dumas fast komplett selbstständig durchführen können. Damit stellen sie nicht nur zeitlich, sondern auch sicherheitstechnisch eine große Erleichterung für das Laborpersonal dar.

Die analytischen Vorgänge haben sich mit diesen modernen Systemen leicht verändert, bedienen sich aber immer noch den Grundlagen der Dumas-Methode:

Die homogenisierte Probe wird unter der Zugabe von reinem Sauerstoff (O2) in einem Hochtemperaturofen bei ca. 1000 °C verbrannt (Schritt 1). Das dabei entstehende Gasgemisch, bestehend aus Wasser, Kohlendioxid, Stickoxiden und Stickstoff, wird durch ein Trägergas – meistens Helium – weiter durch das System geleitet. Dabei werden die Stickoxide an einer Kupferoberfläche zu elementarem Stickstoff reduziert (Schritt 2) und das Wasser und das Kohlendioxid durch dedizierte Fallen abgetrennt (Schritt 3 und 4). Das Trägergas fließt bei der Analyse von Anfang bis Ende durch das gesamte System und wird mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (Thermal Conductivity Detector, TCD) gemessen (Schritt 5). Am Ende der Analyse misst der TCD dann jedoch eine Mischung aus Trägergas und N2. Durch diesen Unterschied in der Gaszusammensetzung, entsteht ein für den TCD messbarer Spannungsunterschied, der anschließend zu der Berechnung des Stickstoffgehaltes der Probe verwendet wird. 

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