Необходимость определения содержания белка в зерновых культурах в нашей стране уже ни у кого не вызывает сомнений. Возникает вопрос: как это лучше сделать? По нашему мнению, содержание белка нужно определять только классическим методом.
Датский химик Иоганн Кьельдаль разработал метод анализа содержания азота в органических веществах, известный в настоящее время, как метод Кьельдаля.
Метод включает в себя три основных этапа: дигерирование, дистилляцию и титрование. В данной статье рассматривается наиболее важный и сложный этап - исходная процедура дигерирования.
Для упрощения процедуры анализа по Кьельдалю компанией Foss Tecator была разработана простая и надежная методика дигерирования, которую можно использовать практически для любых образцов. Эта базовая процедура позволяет анализировать более 90 % протеиносодержащих и более 60 % всех других азотосодержащих образцов. Вкратце процедуру дигерирования можно описать следующим образом:
Необходимое условие получения точных результатов анализа по Кьельдалю - тщательная подготовка образцов. Процедура подготовки проб проводится в один или несколько этапов и должна обеспечивать гомогенизацию образца, т. к. размер частиц в анализируемых пробах не должен превышать 1 мм. Однородность образца повышает воспроизводимость метода, а также позволяет уменьшить объём пробы. Обычно при использовании частиц малых размеров повышается скорость дигерирования. Поэтому для подготовки образцов необходима хорошая лабораторная мельница.
Взвешивание образцов для последующего анализа по Кьельдалю должно проводиться на аналитических весах с точностью до 0,1 мг.
Ориентировочный объём образца можно определить, руководствуясь следующими рекомендациями:
|
Важно знать влажность образца и всегда анализировать только предварительно высушенные образцы. Если влажность образца известна, то для вычисления содержания протеина в сухом образце можно воспользоваться такой формулой:
Р = А * 100 / (100 - В),
где А - измеренное содержание протеина в образце, (%)
В - содержание влаги в образце, (%).
Цель процедуры дигерирования - полное разрушение в образце химических связей азота и преобразование всего азота в ионы аммиака. До настоящего времени не найдена замена серной кислоте, которая используется для вышеуказанной цели. Однако использовать для дигерирования чистую серную кислоту нецелесообразно из-за низкой скорости протекания процесса. Скорость дигерирования и разрушения образца зависят не только от свойств кислоты, но и от температуры обработки. Чем выше температура, тем меньше времени уходит на дигерирование. При использовании чистой серной кислоты температура дигерирования ограничивается, в основном, её точкой кипения (338 оС). Необходимо отметить, что критическая температура, необходимая для разложения, также высока и равна 373 оС. Скорость дигерирования, можно значительно увеличить добавлением соли и катализаторов.
В классическом аналитическом приборе Кьельдаля на каждый грамм образца обычно необходимо 25 мл кислоты, в то время как в блочных дигесторах компании Foss Tecator благодаря оптимизации процесса на грамм вещества, как правило, требуется лишь 12 мл кислоты.
Объём серной кислоты, используемый для анализа, можно оптимизировать с учетом конкретного типа образца. Следует учитывать количество кислоты, которое будет потеряно на испарение, а также вступит в реакцию с другими реактивами и с образцом. Другой немаловажный фактор - потребление кислоты. При увеличении количества кислоты на стадии дигерирования необходимо пропорционально увеличить количество щелочи на этапе дистилляции.
Допустим, исследуемый образец пшеницы имеет такой состав:
Протеин 12,5 %
Углеводы 66,5 %
Жир 3,5 %
Для дигерирования 1 г такого образца потребуется такое количество кислоты:
Протеин 12,5% * 1,0 * 4,9 = 0,61 мл
Углеводы 66,5% * 1,0 * 4,0 = 2,66 мл
Жир 3,5% * 1,0 * 4,7 = 0,34 мл
Всего 3,61 мл
Замена классической системы дигерирования по Кьельдалю блочным дигестором с эффективной вытяжной системой позволяет минимизировать выделение в окружающую среду большей части газообразных продуктов реакции.
В табл. 1 приведен краткий обзор общего потребления кислоты при дигерировании.
| ||||||||||||||||||||||||
Таблица наглядно иллюстрирует два основных преимущества блочного дигестора (если рассматривать экологический аспект): минимизацию потерь кислоты при испарении и сокращение объёма гидроксида натрия, добавляемого на этапе дистилляции.
Время дигерирования можно уменьшить путем увеличения температуры кипения серной кислоты, выбирая оптимальное соотношение кислота/соль. Типичное исходное соотношение кислота/соль лежит в диапазоне от 1,4 до 2,0.
Лучший способ избежать вариаций при добавлении соли - использовать стандартизированные изделия, например, таблетки Кьельтабз.
Скорость и эффективность дигерирования зависят не только от температуры. Добавление соответствующего катализатора также помогает оптимизировать эти параметры. Сегодня всё большее распространение получают катализаторы на основе меди и, до некоторой степени, селена.
Уменьшить время дигерирования также возможно при помощи введения в реакционную смесь окислителей. В современных методиках дигерирования в качестве окислителей обычно используют персульфат калия или перекись водорода.
Из этих двух веществ более широко используется перекись водорода, выполняющая две основные функции:
1.Является очистителем, ускоряет разложение органического материала.
2.Подавляет пенообразование, регулируя выделение пены в ходе дигерирования.
Добавлять перекись водорода рекомендуется в малых количествах (не более 5 мл) так, чтобы она медленно стекала по внутренней поверхности пробирки для дигерирования.
Полное время, необходимое для дигерирования, как отмечалось выше, зависит от многих факторов: типа образца, объёма кислоты, количества соли, катализатора, окислителя, реагента, используемого для разложения, восстанавливающего реагента, температуры блочного дигестора.
Существует также понятие "время кипячения", которое включает в себя два этапа обработки образца.
На первом этапе дигестат осветляется или становится бесцветным. Продолжительность этого этапа обычно называют "временем дигерирования". На втором этапе оставшийся азот преобразуется в кипящей кислоте в форму, доступную для дистилляции. Это - так называемый "период кипячения".
Легко проследить ход дигерирования, регулярно прерывая процесс и определяя содержание азота в дигестате. Процесс восстановления азота при дигерировании можно представить на графике (рис. 1).
График показывает, что образцы различных типов ведут себя по-разному. Для одних полное дигерирование достигается в точке осветления (вещество В), другие нуждаются в длительном периоде дигерирования (вещество А). Для вещества А процесс восстановления азота идет медленно, время дигерирования сравнительно велико и для 99-процентного восстановления азота полная продолжительность обработки образца должна составить около 60 мин. В точке осветления обычно достигается восстановление до 95-100% азота.
Одной из проблем, которые могут возникнуть при анализе по методу Кьельдаля, является пенообразование, возникающее иногда на начальной стадии дигерирования.
Эта проблема решается двумя способами:
- используются стеклянные стерженьки для кипячения;
- добавляется перекись водорода.
Если пенообразование - единственная возникающая проблема, то лучше добавить 1-3 капли октанола или соответствующую подавляющую пенообразование эмульсию.
Итак, нами рассмотрен ряд факторов, влияющих на определение содержания азота в образцах как с помощью классического, так и усовершенствованного метода. Усовершенствованный метод компании Foss Tecator позволяет повысить скорость и точность процедуры дигерирования, уменьшить габариты оборудования, сократить потребление энергии и химических реагентов.
В табл. 2 классическая процедура дигерирования по Кьельдалю сравнивается с работой блочного дигестора компании Foss Tecator.
Как видно из табл. 2, использование блочной системы Foss Tecator сокращает общее время дигерирования в три раза, потребляемую мощность на 95 %, а также на 50 % снижает количество реагентов, необходимых для анализа. Всё это существенно улучшает параметры классической процедуры.
Ковтонюк Е. Н., генеральный директор НА "Укрзернопродукт"
Острик Н. М., кандидат сельскохозяйственных наук
