FDSC 4763Analysis of Food Products

AshAsh refers to the inorganic residues that remain after the complete oxidation of all of the organic matter in a foodstuff.

This residue consists of minerals that have generally been converted to oxides and salts by the ashing process Phosphates, chlorides, sulfates, and silicates as well as salts of sodium, potassium, calcium, magnesium, iron, and manganese will be created.  Trace elements will also be present.

AshingAshing refers to process of oxidizing organic matter to produce ash.

Oxidation may be accomplished several ways.Different sample preparation techniques may be required based on sample moisture content and/or fat content.

High‐moisture samples such as fresh fruits and vegetables will usually need to be dried prior to ashing.High‐fat samples such as meats will usually need to be dried and fat‐extracted prior to ashing.Dry samples such as grains and dried vegetables need little or no sample preparation other than size reduction.

Dry AshingDry Ashing refers to the use of a muffle furnace at temperatures of 500 to 600°C to burn off organic matter and volatilize water vapor and other volatile components.

Note that some minerals, such as Fe (iron), Pb (lead), Se (selenium), and Hg (mercury) may be partially volatilized at these temperatures.  The amount lost is usually not considered significant for calculating total ash content, but may render the results inaccurate for specific elemental analysis.

Wet AshingWet Ashing refers to a process whereby samples are oxidized by strong acids and/or other oxidizing agents.

May require a mixture or sequential use of different chemical agents.

May require special equipment (some chemicals such as perchloric acid may produce highly toxic and/or corrosive fumes).

Is preferred for specific elemental analysis because mineral constituents are not volatilized.

Reasons for measuring ash content

The ash content represents the total mineral content of a food.

We may want to know ash content as a part of proximate analysis.

Carbohydrates are usually determined by subtraction, thus accurate ash determination is important.

We may want to measure ash as a part of elemental analysis in order to determine the content of mineral nutrients such as calcium, iron, etc.

Ash content in foodsFoods of animal origin are usually fairly constant in ash content.Foods of plant origin are often somewhat variable in ash content.Ash content of fresh foods rarely tops 5%; ash content of dried foods may exceed 10% (wet weight basis).Pure fats and oils contain little or no ash.Meat is typically around 1‐2% ash.Cereal products contain from around 0.5% to around 4% (higher bran content equals higher ash content).Fruits and vegetables (including nuts) range from less than 0.5 to more than 3% ash.

General considerationsNote that relatively small sample sizes (2‐10 g) are typically used for ash determination.

This makes insuring that the samples are representative all the more critical.

Note that milling, grinding, etc. with metal implements may introduce elemental materials into the sample such as iron.

Not likely to affect total ash content significantly, but could significantly alter elemental analyses.

Water, dirty glassware, crucibles, etc. can introduce mineral contaminants into the samples.

Always use distilled‐deionized (dd) water for washing, dilutions, etc.

Preparing plant materialsPlant materials should be about 15% moisture or less for ashing to help avoid spattering.Plant materials are generally dried before ashing, but previously‐dried materials may be used as‐is.Drying temperature is not critical if the sample will be used only for ashing.

If the sample will have multiple analytical uses, e.g. fiber determination, then lower temperature or multi‐stage drying may be needed to avoid biochemical reactions such as lignin formation.

Preparing animal products and other high‐fat and/or high‐sugar samples

Products high in moisture and/or fat will tend to spatter and/or swell during ashing.Products high in sugar will tend to foam during ashing.Spattering, swelling, and foaming increase the risk of losing sample from the crucible during the ashingprocess.

Evaporating high‐moisture samplesSamples such as fresh meats, syrups, milk, juices, etc. should be evaporated to dryness prior to ashing.

May be done using an infrared lamp (heat lamp) or a steam or water bath drier.

Note: a few drips of olive oil can help prevent sample spatter/loss as the sample dries.

Hot plates may be used, but extreme care must be taken to avoid burning the material or losing material through bubbling over.

Laboratory steam driers

Preparing high‐fat samplesSamples that are high in fat may spatter, but may also can emit a combustible mixture of fumes in the muffle furnace when being ashed.Two options for dealing with high fat content:1. Fat may be extracted prior to ashing using a basic fat 

extraction procedure.Ether extraction is commonly used – be careful not to place sample in furnace until ether is completely evaporated.

2. Fat may be burned off in the presence of oxygen by keeping the door of the muffle furnace open during preliminary heating, before beginning the normal ashing procedure.

Dry ashing is typically done using a muffle furnace

A muffle furnace is defined as a furnace or kiln in which the material being heated is isolated from direct contact with the heating fuel and any products created by fuel combustion, including gases and ash.

Modern muffle furnaces generally use electric heating elements to reach temperatures of 500°C or higher.

Muffle Furnaces

Crucible selection

A crucible is a vessel used to hold a sample subjected to high temperatures.

Many types and sizes of crucibles exist; some are better suited for testing different types of products. 

Quartz cruciblesCan withstand high temperatures (~1100 to 1500°C), are resistant to acids and halogens, but not alkali.

Ceramic (porcelain) Crucibles

Similar physical properties to quartz crucibles, but much more susceptible to cracking with temperature changes.

Steel Crucibles

Resistant to acids and alkalines, but can contribute metal contaminants to samples. Maximum temperature range is from about 500 to 800 °C.

Platinum Crucibles

Resistant to almost all chemicals. Maximum temperature range is from about 1000 to 1600 °C. Very expensive.

Specialty silica (glass) Crucibles

Vycor®

Good to about 900°C

Pyrex®

Good to about 500°C

Inert and non-porous, clear, but susceptible to cracking.

Quartz fiber crucibles

Disposable, unbreakable, allow better air circulation during ashing, cool very quickly. Not readily reusable.

Advantages and disadvantages of dry ashing

Advantages: relatively safe; few if any reagents are required; many samples can be analyzed at one time; procedure is not labor intensive and does not require close supervision; and ash can be used for other analyses such as specific element contents, water‐soluble ash, etc. Disadvantages: requires a relatively long time (12‐24 hours); muffle furnaces are expensive to purchase and can be costly to operate; volatile minerals will be lost at high temperatures, e.g., As, B, Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Hg, Ni, P, V, and Zn. 

Basic dry ashing procedure1. Wash, dry, and pre‐fire crucibles as needed.  Store in 

dessicator prior to use.2. Weigh prepared crucibles to get tare weigh. 3. Weigh 5‐10 g sample into tared crucible (pre‐treat 

samples as necessary).4. Place crucibles into cool muffle furnace.  Use personal 

protective equipment (PPE) as required, e.g. gloves, goggles, etc.  Use tongs to move crucibles if furnace is warm.

5. Ignite furnace and ash samples, e.g. at 550°C for 12‐18 hours.

6. Turn off furnace and allow it to cool to at least 250°C.7. Use tongs to transfer crucibles quickly into dessicator.  

Allow crucibles to cool to room temperature.8. Weigh cooled crucibles to calculate % ash.

Considerations when dry ashingAir currents may disrupt samples if the door of the muffle furnace is opened suddenly after ashing. Try to place samples at least 1.5 inches from the front of the furnace and 1 inch from the rear wall of the furnace.

Beware that a vacuum may form in the dessicator as samples cool after ashing.  Slide the cover off to the side to gradually release the vacuum if this occurs.

Ash content on a wet weight basis

Formula for calculating ash content on a wet weight basis:

Mini quiz:  Assume for a sample of apple

wt of ashed sample = 56.381 gtare wt of crucible = 56.359 goriginal sample weight = 9.398 g

What is the % ash?

% ash =(wt of ashed sample – tare wt of crucible)

original sample wt x 100

0.234 %

Ash content on a dry weight basis

Formula for calculating ash content on a dry weight basis:

where:  dry matter coefficient equals (% solids/100)

Mini quiz:  If a sample of apple is 80% moisture (dry basis), what is the dry matter coefficient?

% ash =(wt of ashed sample – tare wt of crucible)

(original sample wt x dry matter coefficient) x 100

0.2

Uses of wet ashingSometimes called wet oxidation or wet digestion.Is primarily used to prepare samples for further mineral analysis.

Hence, not often used for basic proximate analysis.Usually employs a combination of acids/oxidizers to get complete sample digestion.

Nitric acid + sulfuric acid and/or hydrochloric acid and/or hydrogen peroxide is commonly used.  Varies by sample type.Nitric acid + perchloric acid is very effective for many types of samples, but…

Perchloric acid fumes and some perchlorates are highly explosive. 

Advantages and disadvantages of wet ashing

Advantages: volatile minerals are not lost because of the lower temperatures used; requires significantly less time than dry ashing; may not require special equipment above and beyond laboratory glassware, a hot plate, and a fume hood. Disadvantages: requires near‐constant attention during digestion; requires a special fume hood if perchloric acid is used; low sample throughput. 

Basic wet ashing procedure1. Acid wash and dry suitable Pyrex flasks (e.g. 125 ml 

Erlenmeyer).2. Weigh about 1 g of sample into the prepared flasks.3. Prepare a suitable blank containing the digestion mixture in a 

separate flask.4. Add the digestion mixture to the samples in the flasks (e.g. 3 

ml of sulfuric acid followed by 5 ml of nitric acid).5. Heat the samples in a fume hood to around 200°C (boiling), 

until brown‐yellow fumes cease and white fumes are observed.6. Remove flask from heat, slowly add 3‐5 ml of nitric acid and 

re‐heat.  Repeat as needed until the solution is clear to straw‐yellow.

7. Reduce sample with heat as needed, transfer cooled sample to volumetric flask, and make to volume with ultra‐pure water.

Microwave wet ashingPrinciple: use microwave radiation to heat acid digestion mixtures.Advantages: ashing procedures can be more or less automated in terms of dispensing reagents, heating samples, etc.; digestions may be accelerated; multiple samples may be run at the same time depending on the equipment.Disadvantages: equipment is relatively costly to purchase and maintain.

Types of microwave wet ashingequipment

Closed vessel: samples are held in sealed vessels that are usually designed to withstand pressures up to 1500 psi.

This allows digestion mixtures to be heated beyond their boiling point at atmoshperic pressures, thus cutting digestion times significantly.

Open vessel: samples are held in vessels that are not sealed.  Units are designed to contain fumes, will often recirculate acid via a reflux system.

Used with samples that will generate significant volumes  of fumes during digestion or when larger sample sizes are needed.

Microwave wet ashing units

Open Vessel SystemClosed Vessel Systems

Microwave dry ashingPrinciple: use microwave radiation – s0metimes in combination with conventional electrical resistance heating – to heat samples up to ashing temperatures, as high as 1200°C.Advantages: ashing procedures can be more or less automated in terms of heating profiles; ashing time may be cut to under half an hour as opposed to several hours in a conventional muffle furnace.Disadvantages: equipment is relatively costly to purchase and maintain.

Microwave dry ashing units

Low Temperature Plasma AshingPrinciple: samples are placed into a sealed chamber which is evacuated using a vacuum pump. Gaseous oxygen is introduced into the chamber and broken down to ionized oxygen using an electromagnetic field. The organic matter in the sample is rapidly oxidized and the moisture is evaporated.Advantages: Lower ashing temperatures (< 150oC) result in less volatilization than other methods.Disadvantages: Relatively expensive equipment; small sample throughput. 

Low‐temperature plasma ashingunit

Comparisons of major ashingtechniques

Dry ashing:Useful for a variety of samples.Relatively easy.Relatively high sample throughput.Usually used for total mineral content, but ash may be used for subsequent analysis such as water‐soluble ash, acid‐soluble ash, etc.

Wet ashing:Method usually more tailored to specific sample types.Typically less sample throughput, more labor.Usually used as a way to prepare sample for subsequent elemental analyses.