Vergleichende methodische Untersuchungen

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Vergleichende methodische Untersuchungen
Thüringer Landesanstalt
für Landwirtschaft
Vergleichende methodische Untersuchungen
zur Bestimmung von Stärke in Weizen und Triticale
unter dem Gesichtspunkt der Bioethanolproduktion
Thüringer Ministerium
für Landwirtschaft,
Naturschutz und Umwelt
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www.tll.de/ainfo
Impressum
Herausgeber:
Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft
Naumburger Str. 98, 07743 Jena
Tel.: (03641) 683-0, Fax: (03641) 683 390
e-Mail: [email protected]
Autor:
Dipl. Chem. Jürgen Bargholz, Dr. Jürgen Hornemann
ESW / Nordbrand Nordhausen GmbH,
Chem. Ing. FH. Christina Warsitzka
Mai 2004
- Nachdruck - auch auszugsweise - nur mit Quellenangabe gestattet. -
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Inhaltsverzeichnis
Seite
1
Einleitung
4
2
2.1
2.2
2.3
Methodische Verfahrensweise
Methodenübersicht
Beschreibung der Methoden
Auswahl der Proben und Durchführung der Analysen
4
4
5
6
3
3.1
3.2
3.3
Ergebnisvergleich der verschiedenen Methoden
Stärkebestimmung in Weizen
Stärkebestimmung in Triticale
Beziehungen zwischen Stärke- und Rohproteingehalten
7
7
9
10
4
Zusammenfassung
11
3
1 Einleitung
Durch die Südzucker AG wird in Zeitz im Jahr 2004 eine Anlage zur Bioethanolerzeugung aus Getreide errichtet. Als Rohstoffe für die Ethanolherstellung sind Weizen und Triticale vorgesehen. Die TLL hat die Aufgabe, die Landwirtschaftsbetriebe
bei der Produktion geeigneten Bioethanolgetreides hinsichtlich der Sortenauswahl
und der anbautechnischen Bedingungen zu beraten. Das Untersuchungswesen der
TLL soll die der Beratung zu Grunde liegenden Laboruntersuchungen durchführen.
Für die Branntweinindustrie bzw. Bioethanolherstellung hat der Stärkegehalt des
eingesetzten Rohstoffes eine existentielle Bedeutung. Beim technologischen Prozess der Gärung wird die Stärke mit Hilfe von Enzymen zu Glucose, Maltose und
Oligomaltose abgebaut. Durch Einsatz von Hefekulturen werden diese chemischen
Verbindungen enzymatisch zu Ethanol umgewandelt.
Aus diesem Grund ist die Bestimmung der Stärkegehalte von großer Bedeutung.
Von Interesse ist dabei die Frage nach der anzuwendenden Stärkebestimmungsmethode bzw. der Vergleich der unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Methoden. Die gebräuchlichen Methoden unterscheiden sich hauptsächlich durch das der
eigentlichen Bestimmung vorangestellte Aufschlussverfahren, welches auf einer
salzsauren- oder enzymatischen Hydrolyse beruhen kann. Die Dispersions- oder
Abbauprodukte können polarimetrisch, maßanalytisch, photometrisch, durch Destillation oder andere Verfahren bestimmt werden.
In Futtermitteln und Pflanzen ist unter dem Gesichtspunkt des Futterwertes die polarimetrische Bestimmung nach salzsaurer Hydrolyse (EWERS-Methode) die Methode der Wahl. In den Brennereien und bei den Bioethanolproduzenten wird die
vergärbare Stärke bestimmt, wobei die Labormethoden eng an den Produktionsprozess gekoppelt sind, das heißt an einen enzymatischen Stärkeabbau schließt sich
eine Vergärung mit Hefe und die anschließende quantitative Bestimmung des entstandenen Ethanols an.
Da durch die Südzucker AG zum jetzigen Zeitpunkt noch keine genauen Informationen zum technologischen Prozessablauf der Bioethanolherstellung in der neuen
Anlage und auch keine Anforderungen oder Hinweise für die spätere den Produktionsprozess begleitende Analytik gegeben werden konnten, nahmen wir Kontakt zur
Eckes Spirituosen und Wein GmbH (ESW) / Nordbrand Nordhausen GmbH auf.
Durch einen Diplomanden dieses Betriebes, der auch an der TLL Nahinfrarotspektroskopische(NIRS)-Messungen durchführte, gab es im Jahr 2003 erste Beziehungen
zur Qualitätssicherung der dortigen Getreidebrennerei. Von Seiten des Nordhäuser
Labors gab es sowohl Interesse, als auch die Bereitschaft im Rahmen von
Vergleichsuntersuchungen mitzuwirken und die Bestimmung der vergärbaren
Stärke zu übernehmen, wozu an der TLL noch keine Voraussetzungen bestehen.
Eine Bewertung der Eignung der verschiedenen Weizen- oder Triticalesorten zur
Bioethanolherstellung soll nicht Gegenstand dieser Voruntersuchungen sein.
2
Methodische Verfahrensweise
2.1 Methodenübersicht
Von der Vielzahl der Labormethoden zur Bestimmung von Stärkegehalten entschlossen wir uns die Stärkebestimmung nach EWERS mit salzsaurer Hydrolyse
und die Chemisch technische Bestimmungsmethode(CTB) mit enzymatischem Ab4
bau und anschließender Hefevergärung zu vergleichen. In diesen Vergleich sollten
zusätzlich existierende NIRS-Kalibrationen auf der Basis der unterschiedlichen Referenzmethoden mit einbezogen werden, da diese bei Eignung eine kostengünstige
und schnelle Analyse ermöglichen (Abb. 1).
Ziel war es, Aussagen zur Vergleichbarkeit der Methoden zu treffen.
Abbildung 1: Übersicht zur Stärkebestimmung in Weizen und Triticale
2.1 Beschreibung der Methoden
Stärkebestimmung nach EWERS (VDLUFA-MB Bd.III Pkt. 7.2.1; 1983):
Hydrolyse der Probe mit verdünnter Salzsäure in der Siedehitze. Vermessung der
polarimetrischen Drehung der Lösung, Berücksichtigung eines äthanolischen
Blindwertextraktes, spez. Drehvermögen für Weizen +182,7 °
sv = 1 % abs., sW = 0,3 % abs. (bei Gehalten > 20 %).
Stärkebestimmung durch Ermittlung der vergärbaren Substanz, CTB-Methode
(Bundesmonopolverwaltung für Branntwein Pkt. 10.5):
Die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Methode zur Analyse der vergärbaren Stärke
ist die sogenannte CTB-Methode. Dabei wird feingemahlenes Getreide mit Wasser
eingemaischt und die Stärke durch Druck aufgeschlossen. Mit Hilfe von Amylasen
(Alpha-Amylase u. Glucoamylase) wird die aufgeschlossene Stärke zu Zucker aufgespalten und durch Hefen vergoren. Unter Einhaltung der betrieblichen Praxis wird
die Menge Ethanol durch Destillation bestimmt, die aus einer äquivalenten Roh5
stoffmenge durch Vergärung der in Zucker umgewandelten Stärke zu erzielen ist.
Ausgehend vom analysierten Ethanolgehalt kann man den Stärkegehalt berechnen.
Die Zeitdauer für eine Analyse beträgt fünf Werktage.
SW = 0,2 % abs.
Stärkebestimmung mittels NIRS (Relative Analysenmethoden):
Die NIRS-Spektren der gemahlenen Proben werden mit scannenden (bestimmte
Wellenlängenbereiche) oder Filtergeräten (Messung an mehreren definierten Wellenlängen) aufgenommen. Die Spektren wurden mit produktspezifischen Kalibrierfunktionen ausgewertet, die auf der Grundlage der definierten Referenzanalytik erstellt wurden. Das heißt, NIRS (VDLUFA) liefert mit der Stärkebestimmung nach
EWERS vergleichbare Werte und analoges gilt für NIRS (CTB).
NIRS (VDLUFA):
Messung mit NIRS 5000 Fa. Foss, 1100 bis 2400 nm, Kalibrationen aus VDLUFANetzwerk
- Weizen:
Kalibriergleichung weiz.eqa, Gültigkeitsbereich: 61 bis 71 % in TS Stärke,
SEP (Standardfehler der Bestimmung): 1 % abs.
- Triticale:
Kalibriergleichung triti.eqa, Gültigkeitsbereich: 62 bis 72 % in TS Stärke,
SEP: 1 % abs.
NIRS (CTB):
Messung mit NIR Infra Alyzer 450, Fa. Bran + Luebbe, 1445 bis 2348 nm,
19 def. Wellenlängenfiler, Kalibrationen auf Grundlage der CTB-Bestimmungen im
Betriebslabor Nordbrand
- Weizen:
Kalibriergleichung (A. HENNING, 2003), Gültigkeitsbereich: 62 bis 67 % in TS Stärke, SEP: 0,3 % abs.
- Triticale:
Keine NIRS-Kalibration vorhanden
Rohproteinbestimmung mittels NIRS (VDLUFA)
- Weizen:
Kalibriergleichung weiz.eqa, Gültigkeitsbereich: 8,8 bis 20,2 % in TS Rohprotein,
SEP: 0,3 % abs.
- Triticale:
Kalibriergleichung triti.eqa, Gültigkeitsbereich: 10 bis 17 % in TS Rohprotein,
SEP: 0,3 % abs.
Trockenmassebestimmung nach VDLUFA-Methodenbuch Bd. III Pkt. 3.1:
Bestimmung des Gewichtsverlustes nach zwei Stunden Trocknung bei 130 °C.
2.2 Auswahl der Proben und Durchführung der Analysen
Vom Referat Pflanzenbau der Abteilung Pflanzenproduktion der TLL wurden für die
Vergleichsuntersuchungen ausgewählte Weizen- und Triticaleproben aus den Landessortenversuchen des Jahres 2003 zur Verfügung gestellt.
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Dabei handelte es sich um 16 verschiedene Weizensorten mit hohen Stärkeerwartungswerten aus parallelen Anbauversuchen an zwei verschiedenen Thüringer
Standorten, sowie 11 verschiedene Triticalesorten von einem Standort. Insgesamt
also 32 Weizen- und 11 Triticaleproben.
Zuerst erfolgte die Probenteilung.
An der TLL in Jena führten wir die folgenden analytischen Arbeiten aus:
- mit der Fallzahlmühle erfolgte die Vermahlung einer Teilmenge jeder Probe
- im Anschluss wurden die NIR-Spektren am NIRS 5000 gemessen und unter
Nutzung des NIRS-Netzwerkes des VDLUFA für beide Getreidearten die
Stärkegehalte berechnet
- danach bestimmten wir in den gleichen Proben die Stärkegehalte nach
EWERS nasschemisch sowie die Trockenmasse
- zusätzlich berechneten wir in beiden Getreidearten den Rohproteingehalt aus
den NIRS-Spektren
Im Labor der Nordbrand Nordhausen GmbH wurden parallel dazu diese analytischen Arbeiten durchgeführt:
- unter Benutzung der Pulverisette der Fa. Fritsch erfolgte die Vermahlung einer weiteren Teilmenge jeder Probe auf eine Korngröße < 1,0 mm
- von den Weizenproben wurden die NIR-Spektren am Infra Alyzer 450 gemessen und die Stärkegehalte mittels Kalibration auf CTB-Basis berechnet
- stichprobenartig bestimmte das Labor zusätzlich den Stärkegehalt von zwei
Proben mit der CTB-Methode
- für die Triticaleproben wurden die Gehalte an Stärke mittels CTB-Methode
bestimmt
3 Ergebnisvergleich der verschiedenen Methoden
3.1 Stärkebestimmung in Weizen
Unter Verwendung der 32 bereitgestellten Weizenproben wurden die Ergebnisse
folgender Methoden verglichen (Tab. 1):
Tabelle 1: Beziehungen zwischen unterschiedlichen Stärkebestimmungsmethoden bei Weizen
Signifikanz des Unterschieds Korrelation zur EWERSMittelwert (Probeim Vergleich zu EWERSMethode,
satz)
Methode,
Prüfgröße:
in % OS
Prüfgröße: t (0,99;31) > 2,75 r (0,99;30) > 0,45
NIRS (CTB)
58,68
ja; t = 10,1
ja; r = 0,72
EWERS
60,26
NIRS (VDLUFA)
60,06
nein; t = 2,21
ja; r = 0,91
7
Abbildung 2: Vergleich unterschiedlicher Methoden zur Stärkebestimmung anhand von 32 Weizenproben
Stärkebestimmung nach EWERS-Stärkebestimmung NIRS (VDLUFA)
Der Mittelwert beider Analysenserien differiert um 0,2 % Stärke abs., die Korrelation
beider Messwertreihen beträgt r = 0,91, der Mittelwert-t-Test bestätigt keinen nachweisbaren Unterschied. Unser Ergebnis zeigt, dass das referenzanalytische Verfahren an der TLL und das NIRS(VDLUFA)-Verfahren für Weizen im Rahmen des analytischen Fehlers vergleichbare Werte liefern.
Stärkebestimmung nach EWERS-Stärkebestimmung NIRS (CTB)
Die Analysenserie nach EWERS liefert einen um 1,58 % abs. höheren Mittelwert. Der
Mittelwert-t-Test bestätigt den Unterschied zwischen den Analysenserien (DOERFFEL, 1987).
Gleichzeitig gibt es jedoch einen funktionellen Zusammenhang, der durch die Gleichung y = 0,3902 x + 35,17, r = 0,72 (y = Stärke-EWERS; x = Stärke-NIRS (CTB)) beschrieben wird (Abb. 2). Dieser Zusammenhang scheint statistisch gesichert zu
sein, wobei jedoch das Bestimmtheitsmaß von r2 = 0,52 auf einen lockeren Zusammenhang hindeutet.
Diese Beziehung gilt nur für den Bereich von ca. 57 bis 62 % Stärkegehalt in der OS.
Die Möglichkeit der gegenseitigen Umrechnung von Analysenwerten der beiden
Methoden soll an dieser Stelle nicht weiter erörtert werden. Vorher ist zu klären,
welche Referenzmethode zur Stärkebestimmung angepasst an die Produktionstechnologie der Südzucker AG geeignet ist.
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3.2 Stärkebestimmung in Triticale
Die folgenden Methoden wurden mit Hilfe der Untersuchung von 11 Triticaleproben
verglichen (Tab. 2):
Tabelle 2: Beziehungen zwischen unterschiedlichen Stärkebestimmungsmethoden für Triticale
Mittelwert (Proben- Signifikanz des Unterschieds Korrelation zur EWERSsatz)
im Vergleich zu EWERSMethode,
in % OS
Methode,
Prüfgröße:
Prüfgröße: t (0,99;10) > 3,17 r (0,99;9) > 0,74
CTB-Methode
61,65
nein; t = 1,70
ja; r = 0,77
EWERS
61,98
NIRS (VDLUFA)
62,14
nein; t = 1,49
ja; r = 0,94
Abbildung 3: Vergleich unterschiedlicher Stärkebestimmungsmethoden für 11 Triticaleproben
Stärkebestimmung nach EWERS-Stärkebestimmung NIRS (VDLUFA)
Der Mittelwert beider Analysenserien differiert um 0,16 % Stärke abs.. Die Korrelation beider Messwertreihen beträgt r = 0,94. Der Mittelwert-t-Test bestätigt keinen
nachweisbaren Unterschied. Damit wird das schon beim Weizen erhaltene Ergebnis
bestätigt, dass das an der TLL verwendete referenzanalytische Verfahren und das
NIRS(VDLUFA)-Verfahren im Rahmen des analytischen Fehlers vergleichbare Werte
liefern.
9
Stärkebestimmung nach EWERS-Stärkebestimmung CTB-Methode
Die Analysenserie nach EWERS liefert einen um 0,33 % abs. höheren Mittelwert. Der
Unterschied ist jedoch nicht signifikant (Mittelwert-t-Test nach DOERFFEL, 1987).
Ähnlich wie beim Weizen kann der Zusammenhang zwischen den beiden Größen
durch folgende lineare Funktion beschrieben werden (Abb. 3): y = 0,6564 + 20,969,
r = 0,77 (y = Stärke-EWERS; x = Stärke-NIRS (CTB)).
Das Bestimmtheitsmaß von r2 = 0,59 deutet darauf hin, dass hier, ähnlich wie beim
Weizen, ein lockerer Zusammenhang vorliegt. Auch diese Beziehung gilt nur für
Stärkegehalte von 60,5 - 63,5 % Stärke in der OS. Zur Möglichkeit der gegenseitigen
Umrechnung von Analysenwerten gelten die schon beim Weizen gemachten Bemerkungen.
3.3
Beziehungen zwischen Stärke- und Rohproteingehalten
Ein interessanter Aspekt ergab sich beim Vergleich der Stärkewerte der Proben, die
mit auf der CTB Methode basierenden Verfahren bestimmt wurden, mit den zugehörigen Rohproteinwerten nach NIRS (VDLUFA) (Abb. 4).
Abbildung 4: Zusammenhang zwischen den mittels CTB- und NIRS(CTB)-Methode analysierten
Stärke- und den Rohproteingehalten in Triticale und Weizen
Bei den ausgewählten 32 Weizenproben gibt es einen gesicherten Zusammenhang,
dass mit steigenden Rohproteingehalten die zugehörigen Stärkegehalte geringer
werden, der folgendermaßen zu beschreiben ist:
(y = 75,677 – 0,7283 x; r = 0,92; y = Stärkegehalt NIRS CTB); x = Rohprotein NIRS
(VDLUFA)).
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Bei den untersuchten 11 Triticaleproben kann ein derartiger Zusammenhang höchstens als Tendenz ohne statistische Absicherung erkannt werden (Abb. 4). Die Ursache für die im Widerspruch zur Literatur (KRATSCH, 2003) stehende, nicht signifikante Beziehung bei Triticale könnte in der geringeren Datenmenge begründet sein.
Da in Triticale die Stärkegehalte höher und die Rohproteingehalte niedriger sind als
beim Weizen, sowie die Gehaltsbereiche geringer variieren, verschlechtert sich bei
gleichem analytischen Fehler die Korrelation bzw. tritt nicht so deutlich in Erscheinung. Zusätzlich müssen hier jedoch noch andere Faktoren einfließen.
Ein Vergleich der auf dem EWERS-Verfahren basierenden Stärkewerte mit den entsprechenden Rohproteinwerten ergab für beide Getreidearten einen ähnlichen Zusammenhang, jedoch mit etwas niedrigerer Korrelation.
4 Zusammenfassung
Der Vergleich der Stärkebestimmung nach EWERS mit der NIRS(CTB)-Methode
zeigte, dass bei der Untersuchung von Weizen die EWERS-Methode statistisch gesichert, höhere Werte in der Größenordnung von 1 bis 2 % abs. lieferte.
Bei der Untersuchung von Triticale ergaben sich für die EWERS-Methode im Vergleich zu den nach CTB-Methode bestimmten Stärkegehalten nur leicht erhöhte
Werte (im Mittel 0,3 %), wobei der Unterschied jedoch nicht statistisch abzusichern
war.
Die Ursache für das unterschiedliche Ergebnis zwischen Weizen und Triticale könnte im Analysenverfahren nach EWERS begründet liegen. Bei dieser Methode wird bei
der Gehaltsberechnung ein Faktor für das spezifische Drehvermögen der reinen
Stärken verwandt, der bei unterschiedlichen Getreidesorten voneinander verschieden ist. Für Triticale ist dieser Faktor im Gegensatz zum Weizen jedoch nicht methodisch festgelegt. So wird üblicherweise bei der EWERS-Methode für Triticale der
Faktor von Weizen genutzt, was unter Umständen nicht korrekt deren Stärkebeschaffenheit beschreibt.
Wenn die Information vorliegt, welches analytische Verfahren der Stärkebestimmung zur von der Südzucker AG angewendeten Produktionstechnologie passt,
können weitere Überlegungen angestellt werden. Falls das Verfahren der CTBMethode geeignet ist, um die Technologie des neuen Werkes zu begleiten, wäre die
Möglichkeit der Umrechnung von EWERS- in CTB-Stärkegehalte ein lohnenswerter
Ansatzpunkt um mit geringerem analytischem Aufwand nutzbare Stärkewerte für
die Bioethanolherstellung zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit sehen wir im Aufbau einer NIRS-Kalibration zur Stärkebestimmung in den beiden Getreidesorten an der TLL in Jena. Vorraussetzung dafür
ist jedoch die vorhergehende Entscheidung für ein bestimmtes Referenzverfahren
zur Stärkebestimmung, mit Hilfe dessen die Proben zur Erstellung der NIRSKalibration zu untersuchen wären.
Der beim Weizen gefundene signifikante Zusammenhang zwischen abnehmenden
Stärkegehalten (nach NIRS(CTB)) und steigenden Rohproteingehalten sollte unter
Einbeziehung von Sorten mit hohen und niedrigen Rohproteingehalten überprüft
werden.
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5 Literatur
VDLUFA-Methodenbuch Bd. III (1. Erg. 1983)
Bundesmonopolverwaltung für Branntwein, Chemisch Technische Bestimmungen
HENNING, A. (2003): Diplomarbeit, FSU Jena
DOERFFEL, K. (1966): Statistik in der Analytischen Chemie
KRATSCH, G. (2003): Neue Landwirtschaft, 7-2003
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