Nel 1883, Johan Kjeldahl ha presentato il suo “Nuovo metodo per la determinazione dell’azoto nei corpi organici” con il quale ha rivoluzionato l'analisi dell'azoto e ha definito nuovi metri di riferimento. Da allora, questo metodo è diventato indispensabile nelle applicazioni quali l’analisi alimentari e dei mangimi e l’analisi del suolo e delle acque.
Il campo di applicazione però è molto più ampio: questo metodo versatile può essere adottato anche nel settore industriale o in quello farmaceutico e in tutte le applicazioni nelle quali il contenuto di azoto è importante.
Grazie all’ampia gamma di applicazioni possibili, l’elevata precisione e la semplicità di esecuzione, l’analisi Kjeldahl è considerata ancora oggi il metodo di riferimento per eccellenza, dato che può essere impiegata per determinare tutti i componenti dell’azoto. Oltre al contenuto di azoto totale, è possibile anche determinare da un’ampia gamma di matrici campioni anche i singoli componenti quali ammonio, nitrato, nitrito e azoto legato organicamente.
Il vantaggio specifico di questo metodo è la versatilità delle matrici da analizzare. Ad esempio, oltre a cereali, mangimi, latticini o altri alimenti, è possibile analizzare anche il contenuto di azoto di slurry, fanghi da depurazione, compost, suolo, estratti acquosi e acque di scarico. Dato il diverso peso dei campioni il metodo Kjeldahl è perfetto soprattutto in caso di materiali campione fortemente non omogenei.
Analisi Kjeldahl di azoto e proteine
Nell’applicazione tradizionale vengono impiegati riscaldatori da laboratorio manuali, palloni per la digestione e matracci di Erlenmeyer per la distillazione. Dopo la pubblicazione del metodo Kjeldahl, l’azienda C. Gerhardt si è posta come obiettivo l’ottimizzazione di questa applicazione tradizionale. Nel corso degli ultimi decenni sono stati sviluppati per questa applicazione svariati tipi di strumentazioni. All’inizio erano i grandi rack in ghisa, oggi invece vengono impiegate unità di digestione in bloccho altamente precise e unità di distillazione a vapore con calcolo del risultato e caricamento automatico dei campioni.
Sostanzialmente l’analisi Kjeldahl può essere suddivisa in 3 fasi, che costituiscono la base dell’applicazione classica:
- Digestione dei campioni con acido solforico
- Distillazione della soluzione di digestione con vapore
- Titolazione del distillato e calcolo del risultato
I cambiamenti a livello della chimica sono stati minimali, ma il processo complessivo ora è completamente automatizzato e adattato alle condizioni dei laboratori di oggi. L’impiego di un digestore a blocco e di un sistema di distillazione a vapore con titolazione integrata rappresenta notevoli vantaggi per l’operatore.
Le operazioni quotidiane del personale del laboratorio sono molto più sicure, il tempo passato davanti all’attrezzatura è molto minore e sono presenti svariate funzioni di sicurezza. Inoltre con l’automatizzazione dei processi è aumentato sensibilmente il flusso di campioni. Al contempo è migliorata anche la sicurezza dell’analisi.
L’immagine che segue spiega quali sono le varie fasi che compongono l’analisi Kjeldahl nei sistemi di analisi automatici:
Azoto totale Kjeldahl vs. azoto totale
I due termini “azoto Kjeldahl (azoto totale Kjeldahl, TKN)” e “azoto totale (N totale)” vengono spesso fraintesi o considerati equivalenti, ma per la determinazione del contenuto di azoto rappresentano valori completamente differenti.
Il fatto che esistano due diversi nomi spesso fa pensare che TKN e N totale siano due forme diverse di composti dell’azoto. Difatti i due termini descrivono parametri somma diversi dell’analisi dell’azoto.
Mentre il TKN descrive la proporzione di azoto organico legato totale e ammonio (NH4) in un campione, il valore N totale aggiunge anche nitrito (NO2) e nitrato (NO3).
Il termine “azoto totale Kjeldahl” (TKN) o “azoto Kjeldahl” pertanto non deriva da un composto dell’azoto specifico, ma dal metodo analitico impiegato, ovvero il metodo Kjeldahl.
Dato che il metodo Kjeldahl può essere impiegato per determinare non solo l’azoto Kjeldahl ma anche l’ammonio (NH4), il nitrito (NO2) e il nitrato (NO3), è possibile anche determinare i due parametri somma TKN e N totale oltre ai singoli composti dell’azoto. I diversi valori sono pertinenti per le varie aree di analisi: Azoto totale Kjeldahl (TKN)
Azoto totale Kjeldahl (TKN)
L’azoto Kjeldahl è particolarmente rilevante nel trattamento delle acque di scarico in quanto la determinazione del TKN è obbligatoria in molti regolamenti internazionali. Durante le singole fasi del processo, ad esempio nell’ambito del trattamento delle acque di scarico, viene eseguito il monitoraggio costante di questo parametro. Ciò significa che è possibile monitorare costantemente (e se necessario regolare) la qualità dell’intero processo. Il contenuto di proteine può essere calcolato a partire dall’azoto Kjeldahl del campione (vedere la sezione Proteine).
Azoto ammoniacale
L’azoto che raggiunge l’ambiente tramite gli escrementi e la decomposizione delle materie organiche è presente inizialmente soprattutto sotto forma di azoto organico legato. Durante la mineralizzazione viene dapprima convertito in ammonio (NH4). In termini tecnici questo processo si chiama “ammonificazione”. Successivamente l’ammonio viene convertito in nitrato (NO3) attraverso la fase intermedia del nitrito (NO2): questa fase si chiama “nitrificazione”.
La mineralizzazione è un processo naturale che avviene nel suolo quando viene estratto azoto da composti organici complessi non disponibili alle piante e convertiti in specie di azoto minerale.
Tuttavia questo processo viene impiegato anche nelle analisi ambientali, ad esempio negli impianti di trattamento delle acque reflue, dove viene utilizzato per purificare l’acqua. Nell’acqua potabile ad esempio il livello di ammonio fornisce informazioni sul grado di inquinamento dell’acqua.
L’ammonio è rilevante anche per l’agricoltura, in quanto l’azoto contenuto può essere assorbito e processato dalle piante. Dato che ciò ha un effetto positivo sulla crescita delle piante nei campi, le aree agricole vengono trattate con i fertilizzanti, con il quale viene apportato alle piante azoto ammoniacale rapidamente disponibile.
Azoto nitrico
Simile all’azoto ammoniacale (NH4), l’azoto nitrico (NO3) può essere assorbito molto bene dalle piante favorendone la crescita. Nell’agricoltura moderna i fertilizzanti a base di nitrati vengono impiegati per incrementare l’efficienza dei terreni agricoli.
Dato però che il nitrato è innocuo solo entro una certa misura esistono dei limiti rigorosi in tutto il mondo, ad esempio per la presenza nell’acqua potabile. I nitrati in eccesso possono penetrare nella falda acquifera e altri corsi d’acqua a seguito di un’eccessiva fertilizzazione dei terreni agricoli. Pertanto nelle aree a forte sfruttamento agricolo è necessario controllare regolarmente il rispetto dei valori limite.
Proteine (calcolate con il fattore di conversione)
La determinazione del contenuto proteico è particolarmente rilevante nel settore alimentare e dei mangimi. L’azoto organico legato (ad esempio in amminoacidi, proteine, acidi nucleici (DNA), ...) riveste un ruolo centrale nella struttura e nel metabolismo degli esseri viventi.
Dato che nella maggior parte dei cibi è presumibile che l’azoto Kjeldahl proviene principalmente dalle proteine, il contenuto di azoto di un campione è correlato direttamente al contenuto di proteine. Per la maggior parte dei campioni, il contenuto di azoto nelle proteine è del 16%, che si traduce in un fattore di conversione di 6,25 (contenuto di azoto [%] x fattore di conversione = contenuto di proteine [%]). Tuttavia per alcuni campioni la proporzione è differente, e di conseguenza il fattore di conversione (vedere la tabella sottostante).
Fattore di conversione (esempi)
| Latte | 6,25 |
| Carne | 6,25 |
| Cereali (tranne il grano) | 6,25 |
| Grano | 5,7 |
