Что такое метод Кьельдаля?

В первой части мы познакомились с общими характеристиками Кьельдаля и его объектами. Пришло время посмотреть, из каких основных частей состоит этот аналитический метод. Чаще всего говорят о трех основных стадиях процесса, разделяя их по характеру протекающих химических реакций и условиям (а также аппаратурному оформлению) их проведения: минерализации, дистилляции и титровании. Мы будем описывать процесс на примере пищевых образцов как самых распространенных.

Но любому аналитическому методу предшествует и нулевая стадия, пробоподготовка. В методе Кьельдаля она не очень сложная, поскольку концентрированная серная кислота с добавленными катализаторами чуть позже всё равно полностью разрушит матрицу. Пробоподготовка, как правило, заключается в измельчении и должна решить следующие две основные задачи:

• Исследуемые образцы могут содержать довольно крупные частицы, что удлиняет время проведения минерализации, а это, в первую очередь, неудобно и экономически не выгодно, а также приводит к снижению точности результатов из-за протекания побочных процессов и потерь азота (в виде аммиака).
• Самые частые объекты исследования — пищевые, а они как правило очень неоднородные (гетерогенные). Представим, что нам нужно определить общее содержание белка в мюсли с шоколадной крошкой и сухофруктами. Концентрация в шоколаде, зерновых и фруктах разная, поэтому, отобрав произвольно 1 г, мы можем захватить два кусочка шоколада и совсем не взять изюм — получим совершенно неверный результат. В этом случае надо предварительно состав усреднить, а это как раз решается перемолом большого количества продукта и отбором образца уже оттуда.

Итак, образец мы измельчили и усреднили, теперь переходим к первой стадии — минерализации. Здесь наша основная задача — перевести белковый азот из амидных, дополнительных аминных групп и некоторых других специфических форм (см. Часть 1) в неорганическую, сульфат аммония, попутно полностью разрушив матрицу образца и разорвав все прежние связи азота. Достигается это кипячением при довольно высоких температурах (360—420 °C) в присутствии катализаторов.

В колбу загружают 0,5—1,5 г образца (в зависимости от ожидаемого содержания белка; в некоторых случаях образец может быть гораздо больше, например при анализе цельного молока, где азота мало), добавляют 10—20 мл концентрированной серной кислоты и 5—10 г катализатора. При использовании таблеток отпадает необходимость взвешивания и смешения компонентов, поскольку производитель в них сразу закладывает оптимальный состав. На стадии минерализации надо быть особо осторожным и соблюдать требования по безопасности: концентрированная серная кислота при 400 °C не тот компонент, с которым хочется контактировать одеждой и особенно своим телом. Подробнее о соотношении реагентов мы рассказываем в статье по оптимизации минерализации.

Далее колбу подвергают нагреву; сегодня для этого используют специальные приборы, дигесторы, позволяющие проводить процесс в воспроизводимых условиях, отводить кислотные пары в ходе кипячения и удобно охлаждать образцы по завершении минерализации. Типичное время кипячения составляет около 1—1,5 ч. Конечная цель — получить абсолютно прозрачные растворы без видимых включений. Для некоторых типов образцов в момент просветления степень извлечения азота составляет около 95 %, так что необходимо покипятить еще какое-то время. После охлаждения до 30—50 °C можно переходить к следующей стадии, дистилляции.

Теперь наша задача — высвободить аммиак из солей аммония. Аммиак летуч и при обычных условиях является газом, но очень хорошо растворяется в воде (поэтому существуют такие продукты, как аммиачная вода или нашатырь). Тем не менее, его можно удалить при помощи перегонки с паром. По сути, нам нужно нейтрализовать кислоту избытком щелочи, но если её добавить сразу, будет очень сильный разогрев и возможно вскипание смеси, потеря аммиака и это, в лучшем случае, небезопасно. Стадия в подробностях выглядит следующим образом:

1. Разбавление водой. В остывший раствор после минерализации добавляют воду (чистую – без примеси азота!), примерно 4 мл на 1 мл исходной кислоты).
2. В приемную колбу или сосуд дозируют поглотитель, борную кислоту, 50—70 мл с концентрацией 4 %. Это нужно сделать уже сейчас, поскольку во время нейтрализации часть аммиака полетит сразу, не дожидаясь перегонки.
3. Нейтрализация щелочью. После разбавления дозируется концентрированная щелочь в избытке для нейтрализации оставшейся серной кислоты и высвобождения аммиака из сульфата аммония. Это примерно 4,5 мл NaOH на 1 мл кислоты.
4. Дистилляция с паром. Во время перегонки свободный аммиак мигрирует в приёмный сосуд и поглощается борной кислотой. В результате взаимодействия pH поглотителя увеличивается. Полученный раствор затем отправляется на титрование.

По мере протекания дистилляции в приемном сосуде борная кислота поглощает аммиак и переводит его опять в солевую форму, из которой он может быть количественно оттитрован. При связывании аммиака pH в приемном сосуде увеличивается, а затем при прямом титрованиина третьей стадии его возвращают в исходное состояние (стандартным в отрасли является использование 4 %-го раствора H₃BO₃ c pH 4,65 в качестве поглотителя и соляной кислоты как титранта). Сегодня редко уже можно встретить ручное титрование с индикаторами, но это по-прежнему возможно, и опытный химик-аналитик получит результаты с приемлемой погрешностью. Все чаще встречаются автоматические титраторы, при этом в методе Кьельдаля автоматизированное определение конечной точки титрования может быть колориметрическим или потенциометрическим, причем последний — наиболее распространенный вариант. Стоит отметить, что в современных приборах стадии дистилляции и титрования совмещены в одной установке и даже могут проводиться одновременно. Кроме того, в некоторых методиках встречается техника обратного титрования: используется избыток сильной кислоты, который затем титруется стандартным раствором щелочи.

Заключение

Метод Кьельдаля состоит из трех основных стадий: минерализации, дистилляции и титрования, при этом не стоит забывать о важности пробоподготовки.

Каждую из этих стадий можно проводить в «классическом» лабораторном оформлении, то есть в обычных колбах, получая результаты с относительно большой погрешностью и большим влиянием человеческого фактора, а можно использовать современные автоматизированные решения.

Самой долгой стадией является минерализация, требующая осмысленного сочетания реагентов в нужной пропорции, использования катализаторов и высоких температур. О том, как оптимизировать параметры на этой стадии, можно прочитать в специальной статье. Мы также готовы проконсультировать вас в выборе таблеток катализаторов среди нашего портфолио.