Método Kjeldahl

Aparat original utilisat per a la destilació del amoniaco obtingut pel método Kjeldahl

El método Kjeldahl és un procediment d'anàlisis químic per a la determinació quantitativa de nitrogen orgànic i que s'utilisa habitualment per a estimar el contingut de proteïnes dels aliments. Este método o algunes de les seues modificacions i variants s'usa com a método de referència en anàlisis d'aliments i en materials biològics, ya que es tracta d'un método senzill que no requerix equip especial al mateix temps de que és fàcilment adaptable als anàlisis rutinaris d'un gran número de mostres.^[1] El método de Kjeldahl deu el seu nom al químic danés Johan Kjeldahl, qui primer ho va descriure en 1883.^[2]^[3] El método ho va desenrollar, quan treballava en el laboratori Carlsberg, per a determinar el contingut de proteïnes en varis grans utilisats en l'elaboració de cervesa. En l'anàlisis general de substàncies nitrogenades, el paràmetro "nitrogen Kjeldahl" s'utilisa per a descriure la suma del nitrogen orgànic i el nitrogen amoniacal presents en una mostra.És el método oficial, descrit en múltiples normatives: AOAC, USEPA, ISO, DIN, Farmacopees i distintes Directives Comunitàries. ^[4]

Etapes del método

La determinació del nitrogen orgànic pel método de Kjeldahl consta de tres etapes. En una primera etapa, la mostra és descomposta en àcit sulfúric calent i concentrat per a mineralizar la matèria orgànica i convertir el nitrogen que forma part de proteïnes o àcits nucleicos, en ion amoni. En la segona etapa, quan tota la matèria orgànica ha segut descomposta, la dissolució resultant és gelada, diluïda i es fa bàsica, un procés que convertix els ions amoni en amoniaco que deu ser destilat evitant qualsevol perduda d'esta substància volàtil, per lo que s'arreplega en una dissolució àcida. En la tercera etapa, una volta que el amoniaco ha segut destilat en la seua totalitat, la dissolució resultant es valora per a establir la cantitat de amoniaco. L'equivalència és d'un mol de nitrogen per cada mol de amoniaco trobat en el destilat, lo que permet conéixer el percentage de nitrogen en la mostra original.^[1]

Digestió

Kjeldahl digestion

Digestió Kjeldahl

És la primera etapa del procés i rep este nom per que el procés és similar al que es produïx durant el procés digestiu dels aliments. Per a esta digestió en el laboratori s'utilisa àcit sulfúric concentrat que és necessari elevar a altes temperatures, per lo que, generalment, s'afig sulfat de potassi. Ademés, s'afigen catalisadors que faciliten el procés de digestió. Com a catalisadors s'utilisen composts de mercuri, coure o seleni. ^[5]

Encara que no es coneix en detall el mecanisme de la digestió, són evidents algunes de les reaccions que tenen lloc. El carbono orgànic i l'hidrogen formen diòxit de carbono i aigua. En este procés la matèria orgànica es carboniza donant lloc a la formació d'una bromera negra. Durant la digestió, la bromera es descompon i finalment es convertix en un líquit clar que indica que la reacció química ha terminat.^[6] Les proteïnes es hidrolizan convertint-se en aminoàcits o en amina, les quals terminen com derivats de l'amoni.

$C, H, N-(proteína) + H_{2} S O_{4} ⟶ [400 ºC] (N H_{4})_{2} S O_{4} + C O_{2} + H_{2} O$

Este procés de digestió convertix de forma quantitativa, als composts nitrogenats derivats de amina i amidas (aminoàcits de les proteïnes) en amoni. En canvi, els composts en grups nitro, azo i azoxi són propensos a passar a l'estat elemental o als seus diversos òxits, sense convertir-se en ion amoni, lo que implica que este nitrogen no és contabilisat en l'etapa de valoració. Esta pèrdua pot evitar-se o minimisar-se pretratando la mostra en un agent reductor per a formar amidas o amina. ^[5]Esta etapa, freqüentment el que més temps consumix en una determinació de Kjeldahl. Algunes mostres poden requerir periodos de calfament superiors a una o dos hores.

Una volta la digestió ha finalisat, es deixa gelar la mostra a temperatura ambiente, es diluïx en aigua i es trascola a l'unitat de destilació.

Kjeldahl distillation

Destilació en el método Kjeldahl

Destilació

Durant el procés de destilació els ions amoni (NH₄⁺) es convertixen en amoniaco (NH₃ ) per mig de l'adició d'un álcali (NaOH). l'amoníac (NH₃) se separa de la dissolució de mostra digerida, per mig de destilació per arrastre de vapor, o alternativament, per mig de destilació simple amprant un dispositiu d'adició de la dissolució d'hidròxit de sodi de forma segura i una trampa de rocío en la boca del matraz de destilació, abans de la conexió en el condensador.

$(N H_{4})_{2} S O_{4} (a q) + 2 N a O H (a q) \overset{- ⇀}{↽ -} 2 N H_{3} (g) + 2 H_{2} O$

Donada la volatilitat del amoniaco (és un gas), per a evitar pèrdues, l'eixida del condensador se sumergix en el matraz receptor del destilat, que conté una dissolució àcida, en la que reacciona immediatament, formant novament ion amoni (NH₄⁺) , no volàtil, en lo que queda absorbit en la dissolució àcida. L'absorció de l'amoníac (NH₃) pot fer-se en àcit fort en excés i de concentració coneguda, o be, en àcit bórico en excés no medit.

Valoració

En l'etapa final, és necessari determinar la cantitat d'àcit neutralisat pel amoníac dissolt, lo que, indirectament indica la cantitat de nitrogen present en la mostra inicial. Depenent de que el amoniaco s'haja arreplegat sobre àcit fort o dèbil, la concentració dels ions amoni capturats pot determinar-se per mig de dos tipos de valoració:

Valoració per reculada. S'utilisa quan el amoniaco destilat s'ha arreplegat en dissolució d'àcit àcit fort. Generalment s'utilisa l'àcit sulfúric o l'àcit clorhídric en dissolució de concentració coneguda, que deurà estar en excés. Part d'este àcit quedarà sense neutralisar pel amoniaco. La part no neutralisada es valora en una solució estandardisada d'hidròxit de sodi. ya que es partix d'una cantitat d'àcit coneguda, la cantitat de amoniaco es calcula per diferència. Encara que en la valoració intervé un àcit fort i una base forta, la dissolució en el punt final no és neutra, puix conté ions amoni, NH₄⁺, que en tindre reacció àcida dèbil, fa que el pH siga llaugerament àcit. És per això que en esta valoració s'utilisa com a indicador roig de metilo o vert de bromocresol o qualsevol un atre indicador l'interval del qual de virage este comprés entre pH 4 i 6 aproximadament.^[7]

H C l (e x c e s o) + N a O H + N H_{4}^{+} ⟶ N a C l + H_{2} O + N H_{4}^{+}

Si s'utilisara un indicador en interval de virage bàsic, com la fenolftaleína o el roig de cresol, es cometria un important error de valoració, ya que el canvi de color de l'indicador es produiria quan part de el NH₄⁺ ya s'haguera neutralisat pel NaOH afegit.^[5]

Valoració directa. La valoració directa és una modificació introduïda posteriorment i en ella s'utilisa l'àcit bórico com a absorbent. En este cas no és necessari conéixer la concentració exacta de l'àcit, solament assegurar-se de que hi ha suficient excés. Per a això el destilat s'arreplega sobre àcit bórico de concentració entre 2-4%. El amoniaco després reacciona en dit àcit:

N H_{3} + H B O_{2} ⟶ N H_{4}^{+} + B O_{2}^{-}

ya que el borat format és una base conjugada d'un àcit dèbil, pot valorar-se utilisant un àcit fort de concentració coneguda, com per eixemple àcit sulfúric o àcit clorhídric.

B O_{2}^{-} + H_{3} O^{+} ⟶ H B O_{2} + H_{2} O

Els indicadors més utilisats per a esta valoració són el vert de bromocresol i el roig de metilo. Si es utilisa este últim indicador mesclat en blau de metileno (indicador Shiro-Tashiro) es obtenen virages molt nets, ya que passa del vert inicial, que originen el groc junt en el blau, al violeta final, suma del roig i el blau. Els moles d'àcit consumit en la valoració equivalen a igual número de moles de amoniaco obtingut i, per tant, als moles de nitrogen en la mostra presa.

Aplicacions

Melamina

Fòrmula estructural de la melamina

La determinació del nitrogen Kjeldahl es realisa en aliments i begudes, carn, pensos, cereals i forrajes per al càlcul del contingut en proteïna. També s'utilisa el método Kjeldahl per a la determinació de nitrogen en aigües residuals, sols, fertilisants i atres materials.^[4]

L'universalitat, precisió i reproducibilidad del método Kjeldahl han convertit este método, o alguna de les seues modificacions, en el método internacionalment reconegut per a estimar el contingut de proteïnes en els aliments i és el método de referència en el que es comparen tots els demés métodos. Ya que la majoria de les proteïnes contenen aproximadament el mateix percentage de nitrogen, la multiplicació d'este percentage per un factor adequat (6.25 per a carn, 6.38 per a productes làcteus i 5.70 per a cereals) proporciona el percentage de proteïna en una mostra.^[1] No obstant, cal ternar en conte que el método Kjeldahl medix el nitrogen no proteic ademés del nitrogen present en les proteïnes, lo que ha donat lloc a alguns intents d'adulterament d'aliments, com l'escàndal de la llet en pols chinenca de 2008, en el que es va afegir melamina, una substància química rica en nitrogen, a les matèries primeres per a simular un alt contingut de proteïnes.

Nitrogen total Kjeldahl

Degut a que pel método de Kjeldahl solament és possible determinar part del nitrogen present en les mostres, s'utilisa el paràmetro nitrogen total Kjeldahl per a indicar que el contingut del nitrogen de l'anàlisis es referix a la suma del nitrogen lligat a substàncies orgàniques, el nitrogen amoniacal i el nitrogen present en les sals d'amoni. Este paràmetro s'utilisa principalment en l'anàlisis químic del sol, l'aigua o les aigües residuals (per eixemple, els efluents de les plantes de tractament d'aigües residuals). En l'actualitat, el TKN és un paràmetro obligatori per a la presentació d'informes reglamentaris en moltes plantes de tractament i com a mig de seguiment de les operacions de la planta.

Factors de conversió

El nitrogen total Kjeldahl s'utilisa a sovint com a substitut del contingut de proteïnes en les mostres d'aliments. La conversió del nitrogen total Kjeldahl en contingut de proteïna depén de l'orige de la proteïna present en la mostra i de quina fracció de la proteïna està composta d'aminoàcits nitrogenats, com la arginina i la histidina. No obstant, el ranc de factors de conversió és relativament estret. Els factors de conversió, coneguts com a factors N, per als aliments varien de 6,38 per als productes làcteus i 6,25 per a la carn, els ous, la dacsa i el sorgo, fins a 5,83 per a la majoria dels cereals; 5,95 per a l'arròs, 5,70 per a la farina de blat i 5,46 per als cacaus.^[8]

Factors de Jones per a la conversió de nitrogen en proteïna present en l'aliment
Orige animal	Factor	Cereals	Factor	Frijoles i cacaus	Factor
Ous	6.25	Ordi	5.83	Llavor de ricino	5.30
Carn	6.25	Maiz	6.25	Judeua de canavalia	6.25
Llet	6.38	Dacseta	5.83	Judeua de Madagascar	6.25
		Avena	5.83	Judeua comuna	6.25
		Arròs	5.95	Soja verda	6.25
		Centeno	5.83	Fava de soja	5.71
		Sorgo	6.25	Frijol vellut	6.25
		Blat (gra sancer)	5.83	Cacau	5.46
		Blat (salvat)	6.31
		Blat (endospermo)	5.70

Referències

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler and Stanley R. Crouch. (2015). «Cap. 16B. APLICACIONES TÍPICAS DE LAS VALORACIONES DE NEUTRALIZACIÓN», Fonaments de química analítica, Cengage Learning, pp. 388-389. ISBN 978-607-519-937-6.
↑ Kjeldahl, J. (1883) "Neue Methode zur Bestimmung dones Stickstoffs in organischen Körpern" (New method for the determination of nitrogen in organic substances), Zeitschrift für analytische Chemie, 22 (1) : 366-383.
↑ Julius B. Cohen Practical Organic Chemistry 1910 Link to online text
↑ ^4,0 ^4,1 PanReac AppliChem.. «Determinació de Nitrogen pel Método Kjeldahl». Consultat el 2024-10-10.
↑ ^5,0 ^5,1 ^5,2 Harris, Daniel C. (1992). «Cap 25-6. Anàlisis de nitrogen pel método Kjeldahl», Anàlisis Químic Quantitatiu, Grup Editorial Iberoamericana. ISBN 970-625-003-4.
↑ Journal of Chemical Education.90(2)
191–197.ISSN 0021-9584.doi:10.1021/ed200863p.Consultat el 2024-10-11.
↑ Ayres, Gilbert H. (1974). Anàlisis químic quantitatiu, Madrit: Alhambra, pp. 343. ISBN 84-219-0280-6.
↑ «CHAPTER 2: METHODS OF FOOD ANALYSIS». www.fao.org. Consultat el 2024-10-12.

Este artícul conté una traducció derivada de «Método Kjeldahl» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[:0-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler and Stanley R. Crouch. (2015). «Cap. 16B. APLICACIONES TÍPICAS DE LAS VALORACIONES DE NEUTRALIZACIÓN», Fonaments de química analítica, Cengage Learning, pp. 388-389. ISBN 978-607-519-937-6.

[2] Kjeldahl, J. (1883) "Neue Methode zur Bestimmung dones Stickstoffs in organischen Körpern" (New method for the determination of nitrogen in organic substances), Zeitschrift für analytische Chemie, 22 (1) : 366-383.

[3] Julius B. Cohen Practical Organic Chemistry 1910 Link to online text

[:2-4] 4,0 ^4,1 PanReac AppliChem.. «Determinació de Nitrogen pel Método Kjeldahl». Consultat el 2024-10-10.

[:1-5] 5,0 ^5,1 ^5,2 Harris, Daniel C. (1992). «Cap 25-6. Anàlisis de nitrogen pel método Kjeldahl», Anàlisis Químic Quantitatiu, Grup Editorial Iberoamericana. ISBN 970-625-003-4.

[6] Journal of Chemical Education.90(2)
191–197.ISSN 0021-9584.doi:10.1021/ed200863p.Consultat el 2024-10-11.

[7] Ayres, Gilbert H. (1974). Anàlisis químic quantitatiu, Madrit: Alhambra, pp. 343. ISBN 84-219-0280-6.

[8] «CHAPTER 2: METHODS OF FOOD ANALYSIS». www.fao.org. Consultat el 2024-10-12.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]