Phương pháp Kjeldahl là gì? Nguyên lý và ứng dụng
PHƯƠNG PHÁP KJELDAHL LÀ GÌ? NGUYÊN LÝ ĐO VÀ ỨNG DỤNG
Phương pháp Kjeldahl là gì? Nguyên lý đo lường và ứng dụng thực tế
– Phương pháp Kjeldahl là kỹ thuật phân tích hàm lượng Nitơ tổng số phổ biến nhất trên thế giới, được nhà hóa học người Đan Mạch Johan Kjeldahl phát minh vào năm 1883.
– Johan Kjeldahl, lúc đó là quản lý tại phòng thí nghiệm Carlsberg, được giao cho nhiệm vụ quan sát khoa học của các quy trình liên quan đến sản xuất bia. Trong quá trình nghiên cứu protein trong quá trình sản xuất mạch nha, ông đã phát triển ra một phương pháp để xác định hàm lượng Nitơ nhanh và chính xác hơn bất kỳ phương pháp nào có sẵn vào thời điểm đó.
Nhà hóa học Johan Kjeldahl làm việc tại phòng thí nghiệm Carlsberg vào những năm 1880
– Đến nay, phương pháp này vẫn được xem là tiêu chuẩn vàng trong các phòng thí nghiệm ngành thực phẩm, nông nghiệp, thức ăn chăn nuôi, dược phẩm, hóa học, môi trường,…. do tính chính xác cao, độ lặp lại tốt và khả năng áp dụng cho nhiều loại mẫu phức tạp (rắn, lỏng, hữu cơ, vô cơ,…).
– Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu kỹ hơn về nguyên lý hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng thực tế của phương pháp Kjeldahl.
1. Phương pháp Kjeldahl là gì?
Phương pháp phân tích đạm Kjeldahl phòng thí nghiệm (Nitrogen analysis Kjeldahl Method)
– Phương pháp Kjeldahl (Kjeldahl method) là một kỹ thuật phân tích hóa học tiêu chuẩn, được dùng để định lượng Nitơ tổng có trong các mẫu thực phẩm, nước thải, phân bón,….
– Tổng Nitơ Kjeldahl (TKN) thường được sử dụng để làm chất thay thế cho protein có trong các mẫu thực phẩm. Việc chuyển đổi từ TKN sang protein phụ thuộc vào loại protein có trong mẫu và tỷ lệ axit amin Nitơ của protein.
– Có thể quy đổi ra hàm lượng protein dựa trên hệ số nhân tương ứng của từng loại mẫu (Ví dụ: 6.25 với thực phẩm nói chung, 6.38 với sữa, 5.7 với bột mì,…). Xem thêm bảng quy đổi tại đây.
2. Nguyên lý của phương pháp phân tích đạm Kjeldahl:
Nguyên lý đo của phương pháp kjeldahl
– Nguyên lý hoạt động của phương pháp Kjeldahl là phân hủy mẫu thử bằng dung dịch axit mạnh đậm đặc để chuyển hóa Nitơ thành Amoni Sunfat. Sau đó chưng cất Amoniac và chuẩn độ để tính toán lượng Nitơ. Từ đó tính toán gián tiếp bằng hệ số chuyển đổi để quy ra được hàm lượng protein có trong mẫu (xem thêm trong mục số 1).
– Phương pháp Kjeldahl gồm có ba bước chính là:
- Phân hủy (Digestion)
- Chưng cất (Distillation)
- Chuẩn độ (Titration)
2.1. Giai đoạn tiêu hóa – phân hủy – phá mẫu (Digestion):
– Mẫu chứa Nitơ hữu cơ được phân hủy bằng axit Sulfuric đặc (H2SO4) tại nhiệt độ cao với các chất xúc tác (CuSO4, K2SO4, Se,…). Nitơ trong hợp chất hữu cơ sẽ chuyển thành ion Amoni (NH4+).
– Phản ứng tổng quát: Organic-N → NH4+
– Kali Sunfat (K2SO4) làm tăng nhiệt độ sôi của hỗn hợp giúp việc phân hủy nhanh hơn. Xúc tác kim loại giúp đẩy quá trình Oxy hóa.
2.2. Giai đoạn kiềm hóa – chưng cất (Distillation):
– Dung dịch sau khi phân hủy sẽ được để nguội, pha loãng rồi kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 40%, giải phóng khí Amoniac theo phương trình sau: NH4+ + OH− → NH3 + H2O
– Sau đó, Amoniac bay hơi sẽ được thu hồi bằng cách chưng cất và hấp thụ vào dung dịch axit Boric (H3BO3) tạo thành dung dịch Borat Amoni.
2.3. Giai đoạn chuẩn độ (Titration):
– Dung dịch Borat Amoni được chuẩn độ bằng dung dịch HCl hoặc H2SO4, theo phương pháp chỉ thị hỗn hợp màu. Lượng axit tiêu tốn sẽ tỉ lệ thuận với hàm lượng Nitơ trong mẫu.
– Công thức tính như sau: %N = [(V1 – V0) x N x 14.007 x 100] / m
– Trong đó:
- V1: Thể tích axit chuẩn độ mẫu (ml)
- V0: Thể tích axit chuẩn độ mẫu trắng
- N: Nồng độ axit chuẩn độ
- m: Khối lượng mẫu (mg)
3. Các thiết bị dùng trong phương pháp phân tích đạm Kjeldahl:
3.1. Máy phá mẫu Kjeldahl:
Máy phá mẫu Kjeldahl 20 vị trí (Digestion Unit) DK20 hãng Velp
– Cung cấp nhiệt độ cao, ổn định và độ tái lặp tốt.
– Gia nhiệt nhanh, đồng đều, chính xác.
– Cho phép thực hiện việc phân hủy nhiều mẫu cùng lúc.
– Máy hiện đại sẽ có các tính năng sau:
- Điều khiển nhiệt độ tự động, kỹ thuật số.
- Chương trình phá mẫu theo vật liệu.
- Kết hợp với hệ thống hút và trung hòa khí độc, bảo vệ người dùng và thân thiện môi trường.
3.2. Máy chưng cất đạm:
Máy chưng cất Kjeldahl dòng bán tự động (Kjeldahl Distillation Unit) UDK129 hãng Velp (Ý)
– Có hai dòng:
- Bán tự động
- Tự động hoàn toàn
– Máy chưng cất đạm Kjeldahl tự động sẽ có những ưu điểm sau:
- Thêm NaOH tự động
- Châm H2O, chất hấp thụ tự động
- Điều khiển thời gian chưng cất
- Tự động thu mẫu
- Bảo vệ người vận hành khỏi hơi hóa chất độc hại
3.3. Máy chuẩn độ tự động (tùy chọn):
Thiết bị chưng cất Nitơ có chuẩn độ tự động (Automatic Kjeldahl Nitrogen analyzer) K9860 Hanon
– Giúp tăng độ chính xác của việc kiểm tra.
– Rút ngắn thời gian phân tích mẫu.
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo Kjeldahl:
– Trong hầu hết các trường hợp, chìa khóa để phân tích Kjeldahl thành công nằm ở bước chuẩn bị mẫu (trước giai đoạn tiêu hóa).
– Một số các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo trong quá trình thực hiện phân tích Kjeldahl là:
- Chất xúc tác: Ảnh hưởng mạnh đến tốc độ phân hủy.
- Loại mẫu: Mẫu giàu chất béo hoặc Carbohydrate cần bổ sung xúc tác mạnh.
- Thời gian, nhiệt độ phân hủy: Không đủ sẽ làm Nitơ trong mẫu không chuyển hết thành NH4+.
- Kiềm hóa không đủ: NH3 giải phóng không hoàn toàn.
- Tốc độ chưng cất: Quá nhanh gây kéo bọt, quá chậm giảm hiệu suất.
- Chuẩn độ sai nồng độ axit: Ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo.
5. Ưu và nhược điểm của phương pháp Kjeldahl:
– Ưu điểm:
- Phương pháp phân tích Kjeldahl cực kỳ linh hoạt, vì nó có thể xử lý rất nhiều loại mẫu khác nhau. Dễ tự động hóa. Ít bị ảnh hưởng bởi cấu trúc protein.
- Phương pháp này có thể không phải là phương pháp nhanh nhất nhưng nhờ độ tin cậy cao, nó sẽ luôn cho kết quả khả quan nếu được thực hiện đúng cách.
- Là một phương pháp xác định Nitơ – Protein kinh điển, được rất nhiều tổ chức quốc tế công nhận như: AOAC, AACC, AOCS, EPA, ISO và nhiều tổ chức khác.
- Được xem là phương pháp tiêu chuẩn, làm cơ sở để so sánh – đánh giá với tất cả các phương pháp khác.
– Nhược điểm:
- Khó để thước đo chính xác Nitơ vì tất cả nitơ không ở dạng protein (Không đo được Nitơ vô cơ dạng Nitrate, Nitrite).
- Với các loại protein khác nhau thì cần các yếu tố hiệu chỉnh khác nhau do trình tự axit amin khác nhau.
- Việc sử dụng axit Sunfuric đậm đặc ở nhiệt độ cao sẽ ít nhiều gây ra một mối nguy hại đáng kể đến người vận hành và chất xúc tác cũng như vậy.
- Thời gian phân tích lâu hơn so với các phương pháp hiện đại. Nhiều thao tác thủ công, cần kỹ thuật viên có kinh nghiệm thực hiện (dòng máy tự động sẽ khắc phục được nhược điểm này).
6. Ứng dụng thực tế của phương pháp Kjeldahl:
Phương pháp ước tính hàm lượng protein có trong mẫu theo Kjeldahl
– Phương pháp Kjeldahl là tiêu chuẩn để phân tích Nitơ – Protein có trong mẫu.
– Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu, trung tâm phân tích,….
- Công nghiệp thực phẩm: Sữa và sản phẩm từ sữa, thịt, thủy sản, bột mì, ngũ cốc, đậu nành, hạt có dầu
- Thức ăn chăn nuôi: Premix, thức ăn hỗn hợp, bột cá, bột đậu, bột thịt xương
- Nông nghiệp – phân bón: Phân chuồng, phân hữu cơ, bùn thải
- Môi trường: Nước thải, bùn, mẫu đất, chất hữu cơ phân hủy,….. Ngày nay, tổng nitơ Kjeldahl là một thông số bắt buộc trong báo cáo được quy định tại nhiều nhà máy xử lý nước.
- Dược phẩm & hóa chất: Đối với các hợp chất chứa Nitơ trong các phản ứng tổng hợp.
Xem thêm:
– Thí nghiệm Jartest trong xử lý nước thải
– Ý nghĩa và phương pháp xác định BOD
– Máy đo đa chỉ tiêu nước để bàn phòng lab
Thông tin liên hệ:
Mr. Tiến – 0907 043 291 (Zalo)
Email: [email protected]
Để lại một bình luận