Метод Кьельдаля или разложение по Кьельдалю ( датское произношение: [ˈkʰelˌtɛˀl] ) в аналитической химии — это метод количественного определения органического азота образца плюс аммиак / аммоний . (NH 3 /NH 4 + ). Без модификации другие формы неорганического азота, например нитрат , не включены в это измерение. Используя эмпирическую связь между азотом Кьельдаля и белком, это важный метод для косвенного количественного определения содержания белка в образце. Этот метод был разработан Йоханом Кьельдалем в 1883 году. [1] [2]
Метод заключается в нагревании образца до 360–410 °C с концентрированной серной кислотой (H 2 SO 4 ), которая разлагает («переваривает» или «разрушает») органический образец путем окисления с высвобождением восстановленного азота в виде сульфата аммония . [3] Горячая концентрированная серная кислота окисляет углерод (как битуминозный уголь) и серу (см. реакции серной кислоты с углеродом ):
Катализаторы, такие как селен , Hg2SO4 или CuSO4 , часто добавляются для ускорения процесса пищеварения. Na2SO4 или K2SO4 также добавляются для повышения температуры кипения H2SO4 . Пищеварение завершается , когда жидкость становится прозрачной с выделением паров. [ 3 ] Создается система дистилляции, изображенная ниже .
Конец конденсатора погружают в известный объем стандартной кислоты (т. е. кислоты известной концентрации). Часто используют слабую кислоту , например борную кислоту (H 3 BO 3 ) в избытке аммиака. Вместо этого можно использовать стандартизированную HCl , H 2 SO 4 или какую-либо другую сильную кислоту, но это встречается реже. Затем раствор образца перегоняют с небольшим количеством гидроксида натрия (NaOH). [3] NaOH также можно добавлять с помощью капельной воронки . [4] NaOH реагирует с аммонием (NH 4 + ) до аммиака (NH 3 ), который выкипает из раствора образца. Аммиак барботирует через стандартный раствор кислоты и реагирует обратно с солями аммония со слабой или сильной кислотой. [3]
Концентрация ионов аммония в растворе кислоты и, следовательно, количество азота в образце измеряется с помощью титрования. Если использовалась борная кислота (или какая-либо другая слабая кислота), прямое кислотно-основное титрование выполняется с сильной кислотой известной концентрации. Можно использовать HCl или H 2 SO 4. Вместо этого используется непрямое обратное титрование , если для приготовления стандартного раствора кислоты использовались сильные кислоты: для нейтрализации раствора используется сильное основание известной концентрации (например, NaOH). В этом случае количество аммиака рассчитывается как разница между количеством HCl и NaOH. В случае прямого титрования нет необходимости знать точное количество слабой кислоты (например, борной кислоты), поскольку она не мешает титрованию (она должна быть в избытке по отношению к аммиаку, чтобы эффективно его улавливать). Таким образом, для прямого титрования необходим один стандартный раствор (например, HCl), в то время как для обратного титрования необходимы два (например, HCl и NaOH). Одним из подходящих индикаторов для этих реакций титрования является индикатор Таширо . [3]
На практике этот анализ в значительной степени автоматизирован; определенные катализаторы ускоряют разложение. Первоначально катализатором выбора был оксид ртути. Однако, хотя он был очень эффективен, проблемы со здоровьем привели к тому, что его заменили на сульфат меди. Сульфат меди был не таким эффективным, как оксид ртути, и давал более низкие результаты по белку. Вскоре его дополнили диоксидом титана, который в настоящее время является одобренным катализатором во всех методах анализа белка в официальных методах и рекомендуемых практиках AOAC International. [5]
Универсальность, точность и воспроизводимость метода Кьельдаля сделали его международно признанным методом оценки содержания белка в пищевых продуктах, и это стандартный метод, по которому оцениваются все другие методы. Он также используется для анализа почв, сточных вод, удобрений и других материалов. Однако он не дает измерения истинного содержания белка, поскольку измеряет небелковый азот в дополнение к азоту в белках. Об этом свидетельствуют инцидент с кормом для домашних животных в 2007 году и скандал с китайским сухим молоком в 2008 году , когда меламин , богатый азотом химикат, был добавлен в сырье для имитации высокого содержания белка. Кроме того, для разных белков необходимы разные поправочные коэффициенты, чтобы учесть разные аминокислотные последовательности. Дополнительные недостатки, такие как необходимость использования концентрированной серной кислоты при высокой температуре и относительно длительное время тестирования (час или более), невыгодно сравниваются с методом Дюма для измерения содержания сырого белка. [6]
Общий азот по Кьельдалю или TKN представляет собой сумму азота , связанного в органических веществах, азота в аммиаке (NH 3 -N) и азота в аммонии (NH 4 + -N) при химическом анализе почвы, воды или сточных вод (например, стоков очистных сооружений).
Сегодня TKN является обязательным параметром для нормативной отчетности на многих очистных сооружениях, а также средством мониторинга работы предприятий.
TKN часто используется в качестве заменителя белка в образцах пищевых продуктов . Преобразование из TKN в белок зависит от типа белка, присутствующего в образце, и от того, какая часть белка состоит из азотистых аминокислот , таких как аргинин и гистидин . Однако диапазон коэффициентов преобразования относительно узок. Примеры коэффициентов преобразования, известных как коэффициенты N, для пищевых продуктов варьируются от 6,38 для молочных продуктов и 6,25 для мяса, яиц, кукурузы (кукурузы) и сорго до 5,83 для большинства зерновых; 5,95 для риса, 5,70 для пшеничной муки и 5,46 для арахиса. [7] На практике 6,25 используется почти для всех пищевых продуктов и кормов независимо от применимости. Коэффициент 6,25 специально требуется правилами этикетки пищевых продуктов США при отсутствии другого опубликованного коэффициента. [8]
Метод Кьельдаля в оригинальной версии малочувствителен. Для количественного определения NH 4 + после минерализации и дистилляции использовались другие методы обнаружения, достигающие улучшенной чувствительности: встроенный генератор гидрида, соединенный с плазменным атомно-эмиссионным спектрометром (ICP-AES-HG, 10–25 мг/л), [10] потенциометрическое титрование (>0,1 мг азота), зональный капиллярный электрофорез (1,5 мкг/мл азота), [11] и ионная хроматография (0,5 мкг/мл). [12]
Метод Кьельдаля неприменим к соединениям, содержащим азот в нитро- и азогруппах , а также азот, присутствующий в кольцах (например, пиридин , хинолин , изохинолин ), поскольку азот этих соединений не превращается в сульфат аммония в условиях этого метода.