W 1883 roku Johan Kjeldahl przedstawił swoją "Nową metodę oznaczania azotu w ciałach organicznych", rewolucjonizując analizę azotu i ustanawiając nowe standardy. Od tego czasu metoda ta stała się niezbędna w takich dziedzinach jak analiza żywności, analiza pasz, analiza gleby i analiza wody. Nie ogranicza się ona jednak wyłącznie do tych obszarów: Tę wszechstronną metodę można również znaleźć w sektorze przemysłowym lub farmaceutycznym oraz wszędzie tam, gdzie ważna jest zawartość azotu.
Dzięki szerokiemu zakresowi możliwych zastosowań, wysokiej precyzji i prostocie wykonania, analiza Kjeldahl'a jest nadal uważana za metodę referencyjną. Analiza Kjeldahl'a może być stosowana do oznaczania wszystkich składników azotu. Oprócz całkowitej zawartości azotu, poszczególne składniki, takie jak amon, azotany, azotyny i azot związany organicznie, mogą być oznaczane z szerokiej gamy matryc próbek.
Szczególną zaletą jest wszechstronność analizowanych matryc. Na przykład oprócz zbóż, paszy dla zwierząt, produktów mlecznych lub innych środków spożywczych, osady ściekowe, komposty i gleby, a także ekstrakty wodne i ścieki mogą być również analizowane pod kątem zawartości azotu. Zwłaszcza w przypadku wysoce niejednorodnego materiału próbki nie ma prawie żadnej alternatywy dla metody Kjeldahla ze względu na jej dużą masę.
Analiza Kjeldahl'a dla azotu i białka
W tradycyjnym zastosowaniu używane są manualne grzejniki laboratoryjne, a także kolby okrągłodenne do mineralizacji i kolby Erlenmeyera do destylacji. Po opublikowaniu metody Kjeldahla, C. Gerhardt postawił sobie za cel optymalizację tego klasycznego zastosowania. W ciągu ostatnich dziesięcioleci opracowano w tym celu wiele różnych typów przyrządów. Wszystko zaczęło się od dużych żeliwnych stelaży; dziś dostępne są wysoce precyzyjne instrumenty do mineralizacji blokowej jak i instrumenty do destylacji parą wodną z obliczaniem wyników i automatycznym podawaniem próbek.
Zasadniczo jednak analizę Kjeldahla można nadal podzielić na 3 etapy robocze, które stanowią również podstawę klasycznego zastosowania:
- Mineralizację próbek kwasem siarkowym
- Destylację parą wodną
- Miareczkowanie i obliczanie wyniku
W związku z tym proces zmienił się tylko nieznacznie, ale całość jest teraz w pełni zautomatyzowana i dostosowana do warunków panujących w nowoczesnych laboratoriach. Zastosowanie bloku mineralizacyjnego i systemu destylacji z parą wodną ze zintegrowanym miareczkowaniem ma wiele zalet dla użytkownika.
Codzienna praca personelu laboratoryjnego jest znacznie bezpieczniejsza, ponieważ czas spędzany przy sprzęcie został skrócony i dodane zostały dodatkowe funkcje zabezpieczające. Ponadto przepustowość próbek została znacznie zwiększona dzięki zautomatyzowanym procesom. Jednocześnie zwiększono również bezpieczeństwo analizy
Aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób analiza Kjeldahla działa z automatycznymi systemami analitycznymi, poniżej przedstawiono schemat wyjaśniający proces krok po kroku:
Azot Całkowity Kjeldahla vs. Azot Całkowity
Dwa terminy azot Kjeldahla (całkowity azot Kjeldahla, TKN) i azot całkowity (całkowity N) są często mylone lub nawet uważane za to samo, ale przy określaniu zawartości azotu reprezentują różne wartości.
Różne nazwy często prowadzą do założenia, że TKN i Total N to dwie różne formy związku azotu. W rzeczywistości jednak te dwa terminy opisują różne parametry sumaryczne w analizie azotu.
Podczas gdy TKN opisuje proporcję całkowitego związanego azotu organicznego i amonu (NH4) w próbce, Całkowity N obejmuje dodatkowo azotyn (NO2) i azotan (NO3).
Termin całkowity azot Kjeldahla (TKN) lub azot Kjeldahla nie pochodzi zatem od konkretnego związku azotu, ale od zastosowanej metody analitycznej: innymi słowy, metody Kjeldahla.
Ponieważ metodę Kjeldahla można stosować do oznaczania nie tylko azotu Kjeldahla, ale także azotu amonowego (NH4), azotu azotynowego (NO2) i azotu azotanowego (NO3), możliwe jest również określenie dwóch sumarycznych parametrów TKN i N całkowitego, oprócz poszczególne związki azotu. Różne wartości są istotne dla różnych obszarów analitycznych:
Całkowity azot Kjeldahla (TKN)
Całkowity Azot Kjeldahla (TKN)
Azot Kjeldahla jest szczególnie istotny w kontekście oczyszczania ścieków, ponieważ oznaczanie TKN jest obowiązkowe w wielu przepisach międzynarodowych. Podczas poszczególnych etapów procesu, m.in. w kontekście biologicznego oczyszczania ścieków parametr ten jest stale monitorowany. Oznacza to, że cały proces można zawsze monitorować pod kątem jakości i w razie potrzeby korygować. Zawartość białka można również obliczyć na podstawie azotu Kjeldahla zawartego w próbce (patrz część Białko).
Azot amonowy
Azot przedostający się do środowiska poprzez wydaliny i rozkład materiału organicznego występuje początkowo głównie w postaci azotu związanego organicznie. Podczas mineralizacji jest on w pierwszym etapie przekształcany w amon (NH4). Z technicznego punktu widzenia proces ten nazywany jest także „amonifikacją”. Następnie amon przekształca się w azotan (NO3) poprzez pośredni etap azotynu (NO2), co nazywa się nitryfikacją.
Mineralizacja to naturalny proces zachodzący w glebie, gdy azot jest ekstrahowany ze złożonych związków organicznych niedostępnych dla roślin i przekształcany w mineralne formy azotu.
Jednak proces ten jest również stosowany w analizach środowiskowych, na przykład w oczyszczalniach ścieków podczas oczyszczania ścieków, ponieważ w ten sposób woda jest oczyszczana. Na przykład w wodzie pitnej wartość amoniaku dostarcza informacji o stopniu zanieczyszczenia wody.
Amon ma również znaczenie w rolnictwie, ponieważ azot zawarty w tym związku może być wchłaniany i przetwarzany przez rośliny. Ponieważ ma pozytywny wpływ na wzrost roślin na polach, obszary rolne są nawożone nawozami. W ten sposób do roślin dodawany jest szybko dostępny azot amonowy.
Azot azotanowy
Podobnie jak azot amonowy (NH4), również azot azotanowy (NO3) jest szczególnie dobrze wchłaniany przez rośliny i wspomaga ich wzrost. Nawozy azotowe stosowane są we współczesnym rolnictwie w celu efektywniejszego wykorzystania dostępnych gruntów rolnych.
Ponieważ jednak azotany są nieszkodliwe dla zdrowia tylko w określonych ilościach, na przykład dla wody pitnej na całym świecie obowiązują rygorystyczne limity. Nadmiar azotanów może przedostać się do wód gruntowych i innych zbiorników wodnych w wyniku nadmiernego nawożenia gruntów rolnych. Dlatego na obszarach o intensywnym rolnictwie należy regularnie sprawdzać przestrzeganie wartości dopuszczalnych.
Białko (obliczone ze współczynnikiem białka)
Oznaczanie zawartości białka jest szczególnie istotne w przypadku żywności i pasz. Azot związany organicznie (np. w aminokwasach, białkach, kwasach nukleinowych (DNA), ...) odgrywa kluczową rolę w strukturze i metabolizmie organizmów żywych.
Ponieważ w przypadku większości produktów spożywczych można założyć, że azot Kjeldahla pochodzi głównie z białek, zawartość azotu w próbce jest bezpośrednio powiązana z zawartością białka. W przypadku większości próbek zawartość azotu w białkach wynosi 16%, dlatego wynika przelicznik wynoszący 6,25 (zawartość azotu [%] * współczynnik białkowy = zawartość białka [%]). Jednakże w przypadku niektórych próbek proporcja jest inna, co skutkuje innym współczynnikiem białkowym (patrz tabela poniżej).
Mnożnik białkowy (przykłady)
| Mleko | 6,25 |
| Mięso | 6,25 |
| Zboża (z wyjątkiem pszenicy) | 6,25 |
| Pszenica | 5,7 |
