Что такое метод Кьельдаля?

Коротко о методе

Коротко говоря, метод Кьельдаля — это аналитический химический метод определения концентрации белков (протеинов) в образце. Впервые он был опубликован в 1883 году Йоханом Кьельдалем, работавшим в то время главой химического департамента в одной известной до сих пор датской пивоваренной компании. Перед ним стояла задача разработать анализ, позволяющий проследить изменение содержания белка в зернах в процессе прорастания, а затем ферментации, поскольку из сырья с меньшим содержанием протеина получалось больше пива. Уже в первое десятилетие появились первые работы по улучшению метода: использованию солей для повышения температуры кипения на первой стадии, а затем предложены ртутные катализаторы.

История

Метод был быстро подхвачен другими учёными и распространён на различные пищевые матрицы, а в XX веке нашёл своё применение в смежных областях. Сегодня Кьельдаль (а это давно стало нарицательным именем) остаётся самым распространённым способом определения белка и считается референсным, то есть на основе него проверяются (верифицируются) данные других методов, например спектроскопических, или строятся первичные калибровочные зависимости. Это говорит о его большой надёжности, точности и воспроизводимости. На протяжении почти 150 лет Кьельдаль совершенствовался: подбирались новые катализаторы, специальные добавки, дополнительные окислители — но базовый «химизм» остался тем же. Основные результаты модернизации сейчас заключаются в аппаратурном оформлении и автоматизации. Кроме того, для анализа стали доступны другие формы азота в матрице.

Сферы применения

Сейчас можно выделить три основные сферы применения метода Кьельдаля:

• пищевые продукты — классическая основная область;
• фармацевтика и БАДы;
• экология (сточные воды, почвы, удобрения) — здесь определяют не белок, а различные формы азота, по аналогии.

Значительное отличие структуры объектов исследования преодолеваются выбором катализаторов, объёмов реагентов и пробоподготовкой, при этом аппаратурное оформление и общие подходы остаются почти такими же.

В пищевой промышленности готовый продукт по международным соглашениям и локальным правилам должен содержать сведения о составе. Абсолютно все видели наносимые на упаковку таблички с составом по белкам, жирам и углеводам, а в последние тренды потребления полезной и здоровой пищи подталкивают производителей выносить содержание протеинов даже на «фасад». Таким образом, определять белок нужно каждому пищевому производству.

Азот и белок

Надо сказать пару слов про то, как же в конце XIX века научились определять содержание таких сложных белковых молекул. На самом деле Кьельдаль определяет не белок, а содержащийся в нём азот в определённых формах. Все белки состоят из последовательности связанных друг с другом аминокислот. В месте соединения — пептидная (с химической точки зрения амидная) группа, в каждой из них — один атом азота, который и определяется после некоторых химических преобразований.

Подробнее о химических преобразованиях матрицы и трёх стадий анализа: минерализации, дистилляции и титровании — рассказываем в Часть 2. Три стадии процесса, а сейчас отметим только, что на выходе мы получаем концентрацию азота. Тут возникает несколько вопросов:

• доля амидных групп в остатках разных аминокислот отличается;
• некоторые аминокислоты содержат «лишний» азот, например в лизине две аминогруппы, а в глутамине — «своя» амидная.

Решение оказывается очень простым: содержание белка получают умножением на коэффициент, который выбирается из справочников. За 140+ лет было накоплено огромное количество данных по различным пищевым матрицам, поэтому мы уверены в среднем аминокислотном составе и, как следствие, переводном коэффициенте — например, для молока можно использовать 6,38, а для соевых бобов и кормов — 6,25. И нельзя забывать, как и в любом аналитическом методе, что данные нужно верифицировать по эталонным образцам (модельной аминокислоте) и измерять холостые пробы.

Заключение

• Метод Кьельдаля был опубликован в 1883 году и по сей день остаётся важнейшим для определения белка (или азота) в различных матрицах, в первую очередь в пищевой промышленности.
• Он надёжен, точен и хорошо воспроизводим, поэтому считается референсным в своей области.
• Фундаментальная основа — разрушение матрицы образца и высвобождение азота в виде аммиака за счёт химических реакций, определение его концентрации и дальнейший пересчёт на белок.

Далее — Часть 2. Три стадии процесса, а про роль таблеток катализатора — в статье «Для чего нужны таблетки».