ケルダール法

分析化学におけるケルダール法（ケルダール法、またはケルダール分解、デンマーク語発音：[ˈkʰelˌtɛˀl]）は、試料中の有機窒素とアンモニア/アンモニウム（NH 3 /NH 4 +）を定量的に測定する方法である。そのままでは、硝酸塩などの他の形態の無機窒素はこの測定に含まれない。ケルダール窒素とタンパク質の経験的関係を用いて、試料中のタンパク質含有量を間接的に定量する重要な方法である。この方法は、 1883年にデンマークの化学者ヨハン・ケルダールによって開発された。[ 1 ] [ 2 ]

方法

この方法は、試料を濃硫酸（H 2 SO 4 ）で360～410℃に加熱し、有機試料を酸化分解（消化）して還元窒素を安定した硫酸アンモニウム（NH 4）2 SO 4として遊離させるというものである。[ 3 ]

高温の濃硫酸は炭素（瀝青炭として）と硫黄（硫酸と炭素の反応を参照）を酸化します。

C + 2 H 2 SO 4 → CO 2 + 2 SO 2 + 2H 2 O
S + 2 H 2 SO 4 → 3 SO 2 + 2 H 2 O

有機炭素と硫黄のほとんどは分解され、ガス状のCO 2とSO 2として排出されます。

有機炭素や硫黄とは対照的に、分解された有機窒素は濃硫酸中に安定なアンモニウム陽イオン（NH+4アンモニウムは、さらに酸化されて気体N 2になったり、例えばN 2 O、NO、NOなどの窒素のより高次の酸化形態になったりすることはありません。−2、NO 2、またはNO−3もしそうなら、ケルダール法は機能しないでしょう。

消化を促進するために、セレン、Hg 2 SO 4 、 CuSO 4などの触媒がしばしば添加されます。また、 H 2 SO 4の沸点を上げるためにNa 2 SO 4またはK 2 SO 4も添加されます。液が澄み渡り、煙が出れば消化は完了です。[ 3 ]

サンプルを完全に分解した後、硫酸アンモニウムからアンモニア（NH 3 ）を回収するために、まず残留硫酸に水酸化ナトリウム（NaOH）を加えて中和し、可溶性アンモニウムイオンを揮発性アンモニアに変換します。

NH+4+ OH − → NH 3 + H 2 O

そして、下のシステム（図の右側）を使って 蒸留してアンモニアを回収します。

ケルダール消化ケルダール蒸留

凝縮器 の端を既知量の標準酸（濃度が既知の酸）に浸します。ホウ酸（H 3 BO 3 ）などの弱酸をアンモニア過剰量でよく使用します。標準化されたHCl、H 2 SO 4、またはその他の強酸を使用することもできますが、あまり一般的ではありません。次に、サンプル溶液を少量過剰の水酸化ナトリウム（NaOH）で蒸留します。[ 3 ] NaOHは滴下漏斗を使用して追加することもできます。[ 4 ] NaOHは溶解したアンモニウム（NH 4 + ）をガス状のアンモニア（NH 3 ）に変換し、サンプル溶液を蒸発させます。アンモニアは標準酸溶液を通して泡立ち、弱酸または強酸と反応してアンモニウム塩に戻ります。[ 3 ]

酸性溶液中のアンモニウムイオン濃度、ひいてはサンプル中の窒素量は、滴定によって測定されます。ホウ酸（またはその他の弱酸）を使用した場合は、濃度既知の強酸を用いて直接酸塩基滴定を行います。HCl または H 2 SO 4を使用できます。強酸を使用して標準の酸溶液を調製した場合は、間接逆滴定が使用されます。つまり、濃度既知の強塩基（NaOH など）を使用して溶液を中和します。この場合、アンモニアの量は HCl と NaOH の量の差として計算されます。直接滴定の場合、弱酸（例：ホウ酸）は滴定を妨げないため、その正確な量を知る必要はありません（アンモニアを効率的に捕捉するには、アンモニアより過剰である必要があります）。したがって、直接滴定では 1 つの標準溶液（例：HCl）が必要ですが、逆滴定では 2 つの標準溶液（例：HCl と NaOH）が必要です。これらの滴定反応に適した指示薬の一つに田代指示薬がある。[ 3 ]

実際には、この分析は大部分が自動化されており、特定の触媒が分解を促進します。当初、触媒として酸化第二水銀が使用されていました。しかし、非常に効果的であったものの、健康への懸念から硫酸第二銅に置き換えられました。硫酸第二銅は酸化第二水銀よりも効率が悪く、タンパク質分析結果も低かったため、すぐに二酸化チタンが補助触媒として使用されるようになりました。二酸化チタンは、AOACインターナショナルの公式分析法および推奨基準において、すべてのタンパク質分析法で承認されている触媒です。[ 5 ]

アプリケーション

ケルダール法は、その汎用性、精度、再現性の高さから、食品中のタンパク質含有量を推定する国際的に認められた方法となっています。他のすべての方法の基準となる標準法であり、土壌、廃水、肥料、その他の物質の分析にも用いられています。しかし、タンパク質中の窒素に加えて非タンパク質窒素も測定するため、真のタンパク質含有量を判定することはできません。これは、2007年のペットフード事件や、高タンパク質含有量を偽装するために窒素を多く含む化学物質であるメラミンが原料に添加された2008年の中国の粉ミルク事件によって証明されています。また、異なるアミノ酸配列を考慮するために、タンパク質ごとに異なる補正係数が必要です。さらに、高温で濃硫酸を使用する必要があることや、比較的長い試験時間（1時間以上）など、粗タンパク質含有量の測定におけるデュマ法に比べて不利な点もあります。[ 6 ]

総ケルダール窒素

総ケルダール窒素またはTKNは、土壌、水、または廃水（下水処理場の排水など）の化学分析における有機物に結合した窒素、アンモニア中の窒素（NH 3 -N）およびアンモニウム中の窒素（NH 4 + -N）の合計です。

現在、TKN は多くの処理施設における規制報告や施設運営の監視に必要なパラメータとなっています。

変換係数

TKNは食品サンプル中のタンパク質の代替としてよく使用されます。TKNからタンパク質への変換は、サンプル中に存在するタンパク質の種類と、タンパク質のうちアルギニンやヒスチジンなどの窒素含有アミノ酸が占める割合によって異なります。ただし、変換係数の範囲は比較的狭いです。食品の変換係数の例はN係数と呼ばれ、乳製品では6.38、肉、卵、トウモロコシ、モロコシでは6.25ですが、ほとんどの穀物では5.83、米では5.95、小麦粉では5.70、ピーナッツでは5.46です。[ 7 ]実際には、適用性に関係なく、ほとんどすべての食品と飼料に6.25が使用されています。係数6.25は、米国栄養成分表示規則により、他に公表されている係数がない場合に特に必要とされています。[ 8 ]

特定の食品中の窒素含有量からタンパク質含有量への変換に関する特定の（ジョーンズ）係数[ 9 ]
動物由来要素草の種要素豆とピーナッツ要素
卵6.25大麦5.83ヒマ豆5.30
肉6.25トウモロコシ​​6.25ジャック豆6.25
牛乳6.38キビ5.83リマ豆6.25
オート麦5.83ネイビービーン6.25
米5.95緑豆6.25
ライ麦5.83大豆5.71
ソルガム6.25ベルベットビーン6.25
小麦：全粒5.83ピーナッツ5.46
小麦：ふすま6.31
小麦：胚乳5.70

感度

ケルダール法は、元のバージョンでは感度が低い。鉱化および蒸留後のNH4 +の定量には、感度向上を達成した他の検出法が用いられてきた。具体的には、プラズマ原子発光分光計（ICP-AES-HG、10～25 mg/L）に連結したインライン水素化物発生器、[ 10 ]、電位差滴定（窒素0.1 mg以上）、ゾーンキャピラリー電気泳動（窒素1.5 μg/mL）、[ 11 ] 、イオンクロマトグラフィー（0.5 μg/mL）などである。 [ 12 ]

制限事項

ケルダール法は、ニトロ基およびアゾ基に窒素を含む化合物、および環に存在する窒素（ピリジン、キノリン、イソキノリンなど）には適用されません。これらの化合物の窒素は、この方法の条件下では 硫酸アンモニウムに変換されないためです。

参照

参考文献

  1. ^ケルダール、J. (1883)。「Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs inorganischen Körpern」（有機物質中の窒素を定量するための新しい方法）、 Zeitschrift für Analytische Chemie、 22 (1) : 366–383。
  2. ^コーエン、ジュリアス・B.（1910年）「実用有機化学」。
  3. ^ a b c d e Michałowski、T;アスエロ、AG;ウィブラニエック、S (2013-02-12)。 「窒素定量のケルダール法における滴定: 滴定剤としての塩基または酸?」。化学教育ジャーナル。90 (2): 191–197。書誌コード: 2013JChEd..90..191M。土井：10.1021/ed200863p。ISSN  0021-9584。
  4. ^ 「International Starch: ISI 24 ケルダール法によるタンパク質測定」www.starch.dk . 2018年4月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年3月21日閲覧。
  5. ^ AOACインターナショナル
  6. ^ D. Julian McClements. 「タンパク質の分析」 .マサチューセッツ大学アマースト校. 2007年4月27日閲覧。
  7. ^ 「第2章 食品分析法」 FAO.org 2017年12月30日閲覧。
  8. ^ 「21 CFR 101.9 (c)(7)」。
  9. ^ 「第2章 食品分析法」 FAO.org 2020年11月14日. 2020年11月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年2月5日閲覧。
  10. ^ AMY Jaber; NA Mehanna; SM Sultan (2009). 「誘導結合プラズマ発光分光法によるアンモニウムおよび有機結合窒素の測定」 . Talanta . 78 ( 4–5 ): 1298–1302 . doi : 10.1016/j.talanta.2009.01.060 . PMID 19362191 . 
  11. ^ “Intérêt de l'ECZ pour le dosage de l'azote total (methode de Kjeldahl) – Blog Pharma Physic” . Blog.pharmaphysics.fr。 2012 年 4 月 5 日。2017 年12 月 30 日に取得。
  12. ^ “Peut-on éviter l'étape de distillation dans la methode Kjeldahl ? – Blog Pharma Physic” . Blog.pharmaphysics.fr。 2012 年 4 月 26 日。2017 年12 月 30 日に取得。

参考文献

  • 廃水工学：処理と再利用、メトカーフ＆エディ、マグロウヒル高等教育、第4版、2002年5月1日、ISBN 978-0071241403
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