Анализ органического азота по методу Кьельдаля

Метод Кьельдаля представляет собой многостадийный анализ, позволяющий количественно определять содержание связанного азота в органических соединениях. Условно его проведение можно разделить на три этапа.

Разложение пробы для анализа по методу Кьельдаля

На первой стадии необходимо перевести весь белковый азот, который имеется в пробе в сульфат аммония. Этот этап называется минерализацией. Для этих целей образец взвешивают, помещают в колбу Кьельдаля и кипятят несколько часов в присутствии серной кислоты:

[белок] + H₂SO₄₍_изб₎ → CO₂ + SO₂ + H₂O + (NH₄)₂SO₄

В ходе реакции большая часть органического азота (кроме нитритного и нитратного) разлагается с образованием аммиака, который, взаимодействуя с серной кислотой, превращается в аммонийную соль. Чтобы процесс проходил более эффективно, к реакционной смеси добавляют катализаторы: медные, селеновые, титановые или ртутные.

Эта стадия процесса может быть автоматизирована и масштабирована. Многие производители предлагают автоматические печи для минерализации азотсодержащих образцов – дигесторы.

Например, компания BIOBASE предлагает две модели печей: на 8 и на 20 пробирок. Модель BKD-20F позволяет осуществлять нагрев до 450 °С, а дигестор BKD-8B имеет температуру нагрева до 400 °С.

В комплекте с печью предлагаются специальные термостойкие пробирки совместимые с другим оборудованием BIOBASE для анализа проб по методу Кьельдаля.

Нейтрализация реакционной смеси и перегонка с водяным паром

На этом этапе к минерализованной пробе добавляют раствор щелочи, чтобы сульфат аммония превратился в неустойчивый гидрат аммония:

(NH₄)₂SO₄ + 2NaOH →2NH₄OH + Na₂SO₄

Это соединение легко распадается на аммиак и воду при перегонке с водяным паром:

NH₄OH → NH₃ + H₂O

На данной стадии важно избежать потери аммиачных паров. Весь объем должен оказаться в приемной колбе, заполненной поглотительным раствором. Для максимально качественного проведения дистилляции рекомендованы различные автоматические системы. Предлагаемые компанией BIOBASE установки для дистилляции BKN-983 и BKN-984 позволяют быстро и безопасно провести перегонку аммиачных паров с водяным паром.

В качестве поглотительного раствора можно взять различные кислоты. От выбранной кислоты будет зависеть способ титрования на следующем этапе. Это может быть соляная или серная кислота, в этом случае количество иона аммония в растворе определяют обратным титрованием избытка кислоты щелочью. Однако чаще в методиках в качестве поглощающего раствора рекомендовано использовать борную кислоту. Взаимодействие происходит с образованием солей метаборной и тетраборной кислот:

NH_3(газ) + H₃BO_{3 (р-р)} → NH₄BO₂ + H₂O

2NH_3(газ) + 4H₃BO_{3 (р-р)} → (NH₄)₂B₄O₇ + 5H₂O

Для последующего определения количества ионов аммония в растворе в качестве титранта берут серную, соляную или другую сильную кислоту.

Определение содержания азота методом кислотно-основного титрования

Проведение титриметрического анализа можно выполнить вручную в присутствии катализатора, изменяющего свою окраску при достижении точки эквивалентности, но гораздо быстрей и эффективней выполнить измерение с помощью автоматического титратора в комплектации для кислотно-основного титрования. Если в качестве титранта взять соляную кислоту, то уравнение реакции будет выглядеть следующим образом:

NH₄ВO₂+ НСl + H₂O → NH₄Сl + Н₃ВО₃

(NH₄)₂В₄O₇ + 5Н₂O + 2НСl → 2NH₄Сl + 4Н₃ВO₃

Компания Nittoseiko Analytech недавно представила современный потенциометрический титратор GT-310, который можно совместить с дистилляторами и дигесторами производства BIOBASE, что позволит полностью автоматизировать методику определения азота по методу Кьельдаля.

Содержание азота в исходной пробе рассчитывают исходя из результатов титрования. При прямом титровании смотрят, сколько кислоты ушло в ходе анализа и это значение пересчитывают на массовую долю азота в минерализованной пробе.

Определение общего азота по методу Кьельдаля

Метод распространяется на азотсодержащие молекулы, содержащие трехвалентный отрицательно заряженный азот. Другие формы азота (гетероциклы, устойчивые третичные амины, нитросоединения и пр.) в данной методике не учитываются, поскольку во время минерализации они не окисляются до аммонийной соли серной кислоты. Таким образом, величина общего азота по Кьельдалю (TKN) включает суммарное содержание органического азота, аммиака и солей аммония в исходном образце. Чтобы определить суммарный азот (TN) в образце, необходимо к величине TKN прибавить количество азота в составе нитратов и нитритов, измеренное другими методами.

Расчет содержания белка в образцах, анализируемых по методу Кьельдаля

Важным критерием оценки пищевой ценности продуктов питания и животных кормов служит наличие в них протеина. Метод Кьельдаля позволяет определять белковый азот в образце, а для его пересчета на количество белка используют эмпирические коэффициенты. Их значения зависят от типа исследуемого продукта и лежат в диапазоне от 5,26 до 7,69.

Области применение метода Кьельдаля

Метод определения общего азота по Кьельдалю получил широкое распространение в различных отраслях. Наиболее часто его применяют для определения пищевой ценности продуктов питания и сельскохозяйственной продукции:

комбикормов: ГОСТ 13496.4-2019, ГОСТ 32044.1-2012;
зерен: ГОСТ 10846-91;
продуктов пищевых и вкусовых: ГОСТ 26889-86;
сыров и сырных продуктов: ГОСТ ISO/TS 17837-2013, ГОСТ Р 54662-2011;
молочной продукции: ГОСТ Р 55246-2012, ГОСТ 34454-2018, ГОСТ 34536-2019;
мясной продукции: ГОСТ 25011-2017;
соков: ГОСТ 34111-2017;

Существуют методики определения азота:

в медицинских препаратах: Фармакопея XIV издание (раздел ОФС.1.2.3.0011.15);
в воде на наличие азотсодержащих органических соединений: ПНД Ф 14.1:2:4.277-2013;
в твердом минеральном топливе: ГОСТ 28743-93;
в почвах: ПНД Ф 16.1:2:2.3.82-2013;
в удобрениях: ГОСТ 26715-85.

В представленных выше ГОСТах предложены практические методики анализа по методу Кьельдаля как с автоматизацией, так и без.

Применение специализированных приборов на каждой стадии анализа позволяет:

сократить время минерализации за счет одновременной обработки нескольких образцов;
повысить точность определение азота, минимизировав потери паров аммиака при перегонке;
упростить количественное определение азота, упростив процедуру титрования и автоматизировав расчетную часть.

Компания «АВРОРА» является официальным представителем продукции BIOBASE и Nittoseiko Analytech в России, обеспечивая полное сопровождение поставляемого оборудования, начиная от комплектования заказа и заканчивая пуско-наладочными работами и обучением сотрудников на месте.