凱氏定氮法

凱氏定氮法（英語(yǔ)：Kjeldahl method，全稱凱耶達(dá)爾定氮法，簡(jiǎn)稱凱氮法）是分析化學(xué)中一種常用的確定有機(jī)化合物中氮含量的檢測(cè)方法。這種方法是由凱耶達(dá)爾于在1883年發(fā)明。凱氏定氮法是分析有機(jī)化合物含氮量的常用方法。要測(cè)定有機(jī)物含氮量，通常是設(shè)法使其轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)氮，再進(jìn)行測(cè)定。

一、原理：
凱氏定氮法首先將含氮有機(jī)物與濃硫酸共熱，經(jīng)一系列的分解、碳化和氧化還原反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程，最后有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮硫酸銨，這一過(guò)程稱為有機(jī)物的消化。為了加速和完全有機(jī)物質(zhì)的分解，縮短消化時(shí)間，在消化時(shí)通常加入硫酸鉀、硫酸銅、氧化汞、過(guò)氧化氫等試劑，加入硫酸鉀可以提高消化液的沸點(diǎn)而加快有機(jī)物分解，除硫酸鉀外，也可以加入硫酸鈉、氯化鉀等鹽類類提高沸點(diǎn)，但效果不如硫酸鉀。硫酸銅起催化劑的作用。凱氏定氮法中可用的催化劑種類很多，除硫酸銅外，還有氧化汞、汞、硒粉、鉬酸鈉等，但考慮到效果、價(jià)格及環(huán)境污染等多種因素，應(yīng)用最廣泛的是硫酸銅。使用時(shí)常加入少量過(guò)氧化氫、次氯酸鉀等作為氧化劑以加速有機(jī)物氧化。消化完成后，將消化液轉(zhuǎn)入凱氏定氮儀反應(yīng)室，加入過(guò)量的濃氫氧化鈉，將NH4+轉(zhuǎn)變成NH3，通過(guò)蒸餾把NH3驅(qū)入過(guò)量的硼酸溶液接受瓶?jī)?nèi)，硼酸接受氨后，形成四硼酸銨，然后用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定，直到硼酸溶液恢復(fù)原來(lái)的氫離子濃度。滴定消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸摩爾數(shù)即為NH3的摩爾數(shù)，通過(guò)計(jì)算即可得出總氮量。在滴定過(guò)程中，滴定終點(diǎn)采用甲基紅-次甲基藍(lán)混合指示劑顏色變化來(lái)判定。測(cè)定出的含氮量是樣品的總氮量，其中包括有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮。
以蛋白質(zhì)為例，反應(yīng)式如下：

消化：蛋白質(zhì) + H2SO4→（NH4）2SO4
+ SO2↑+ CO2 ↑+ H2O
蒸餾：（NH4）2SO4 + 2NaOH→ Na2SO4
+ 2 H2O + 2NH3 ↑

2NH3 + 4H3BO3→（NH4）2B4O7
+ 5H2O

滴定：（NH4）2B4O7
+ 2HCl + 5H2O→2NH4Cl + 4 H3BO3

蛋白質(zhì)是一類復(fù)雜的含氮化合物，每種蛋白質(zhì)都有其恒定的含氮量[約在14％~18％，平均為16％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）]。凱氏定氮法測(cè)定出的含氮量，再乘以系數(shù)6.25，即為蛋白質(zhì)含量。

本法適用于測(cè)定0.2～1.0mg氮的樣品測(cè)定。
通過(guò)本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能理解凱氏定氮法的原理，掌握凱氏定氮法的操作方法。

二、方法與步驟
將有機(jī)化合物與硫酸共熱使其中的氮轉(zhuǎn)化為硫酸銨。在這一步中，經(jīng)常會(huì)向混合物中加入硫酸鉀來(lái)提高中間產(chǎn)物的沸點(diǎn)（從169℃到189℃）。樣本的分解過(guò)程的終點(diǎn)很好判斷，因?yàn)檫@時(shí)混合物會(huì)變得無(wú)色且透明（開(kāi)始時(shí)很暗）。

在得到的溶液中加入少量氫氧化鈉，然后蒸餾。這一步會(huì)將銨鹽轉(zhuǎn)化成氨。而總氨量（由樣本的含氮量直接決定）會(huì)由反滴定法確定：冷凝管的末端會(huì)浸在硼酸溶液中。氨會(huì)和酸反應(yīng)，而過(guò)量的酸則會(huì)在甲基橙的指示下用碳酸鈉滴定。滴定所得的結(jié)果乘以特定的轉(zhuǎn)換因子就可以得到結(jié)果。

通過(guò)凱氏定氮法測(cè)得的含氮量一般被稱作總凱氮量頁(yè)面總凱氮量并不存在，英語(yǔ)維基百科對(duì)應(yīng)頁(yè)面為Total Kjeldahl Nitrogen。�？倓P氮量有時(shí)并不能真正地反映樣本中的蛋白質(zhì)含量，因?yàn)樗鶞y(cè)定的部分含氮量可能不是由蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化來(lái)的。

（一）消化
1、準(zhǔn)備6個(gè)凱氏燒瓶，標(biāo)號(hào)。1、2、3號(hào)燒瓶中分別加入適當(dāng)濃度的蛋白溶液1.0mL，樣品要加到燒瓶底部，切勿沾在瓶口及瓶頸上。再依次加入硫酸鉀-硫酸銅接觸劑0.3g，濃硫酸2.0mL，30%過(guò)氧化氫1.0mL。4、5、6號(hào)燒瓶作為空白對(duì)照，用以測(cè)定試劑中可能含有的微量含氮物質(zhì)，對(duì)樣品測(cè)定進(jìn)行校正。4、5、6號(hào)燒瓶中加入蒸餾水1.0mL代替樣液，其余所加試劑與1、2、3號(hào)燒瓶相同。
2、將加好試劑的各燒瓶放置消化架上，接好抽氣裝置。先用微火加熱煮沸，此時(shí)燒瓶?jī)?nèi)物質(zhì)炭化變黑，并產(chǎn)生大量泡沫，務(wù)必注意防止氣泡沖出管口。待泡沫消失停止產(chǎn)生后，加大火力，保持瓶?jī)?nèi)液體微沸，至溶液澄清后，再繼續(xù)加熱使消化液微沸15min。在消化過(guò)程中要隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)燒瓶，以使內(nèi)壁粘著物質(zhì)均能流入底部，以保證樣品完全消化。消化時(shí)放出的氣體內(nèi)含SO2，具有強(qiáng)烈刺激性，因此自始自終應(yīng)打開(kāi)抽水泵將氣體抽入自來(lái)水排出。整個(gè)消化過(guò)程均應(yīng)在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。消化完全后，關(guān)閉火焰，使燒瓶冷卻至室溫。

（二）蒸餾和吸收
蒸餾和吸收是在微量凱氏定氮儀內(nèi)進(jìn)行的。凱氏定氮蒸餾裝置種類甚多，大體上都由蒸氣發(fā)生、氨的蒸餾和氨的吸收三部分組成。
1、儀器的洗滌
儀器安裝前，各部件需經(jīng)一般方法洗滌干凈，所用橡皮管、塞須浸在10%NaOH溶液中，煮約10min，水洗、水煮10min，再水洗數(shù)次，然后安裝并固定在一只鐵架臺(tái)上。
儀器使用前，微量全部管道都須經(jīng)水蒸氣洗滌，以除去管道內(nèi)可能殘留的氨，正在使用的儀器，每次測(cè)樣前，蒸氣洗滌5min即可。較長(zhǎng)時(shí)間未使用的儀器，重復(fù)蒸氣洗滌，不得少于三次，并檢查儀器是否正常。仔細(xì)檢查各個(gè)連接處，保證不漏氣。

首先在蒸氣發(fā)生器中加約2/3體積蒸餾水，加入數(shù)滴硫酸使其保持酸性，以避免水中的氨被蒸出而影響結(jié)果，并放入少許沸石（或毛細(xì)管等），以防爆沸。沿小玻杯壁加入蒸餾水約20mL讓水經(jīng)插管流入反應(yīng)室，但玻杯內(nèi)的水不要放光，塞上棒狀玻塞，保持水封，防止漏氣。蒸氣發(fā)生后，立即關(guān)閉廢液排放管上的開(kāi)關(guān)，使蒸氣只能進(jìn)入反應(yīng)室，導(dǎo)致反應(yīng)室內(nèi)的水迅速沸騰，蒸出蒸氣由反應(yīng)室上端口通過(guò)定氮球進(jìn)入冷凝管冷卻，在冷凝管下端放置一個(gè)錐形瓶接收冷凝水。從定氮球發(fā)燙開(kāi)始計(jì)時(shí)，連續(xù)蒸煮5min，然后移開(kāi)煤氣燈。沖洗完畢，夾緊蒸氣發(fā)生器與收集器之間的連接橡膠管，由于氣體冷卻壓力降低，反應(yīng)室內(nèi)廢液自動(dòng)抽到反應(yīng)室外殼中，打開(kāi)廢液排出口夾子放出廢液。如此清洗2～3次，再在冷凝管下?lián)Q放一個(gè)盛有硼酸-指示劑混合液的錐形瓶使冷凝管下口完全浸沒(méi)在溶液中，蒸餾1～2min，觀察錐形瓶?jī)?nèi)的溶液是否變色。如不變色，表示蒸餾裝置內(nèi)部已洗干凈。移去錐形瓶，再蒸餾1～2min，用蒸餾水沖洗冷凝器下口，關(guān)閉煤氣燈，儀器即可供測(cè)樣品使用。

2、無(wú)機(jī)氮標(biāo)準(zhǔn)樣品的蒸餾吸收

由于定氮操作繁瑣，為了熟悉蒸餾和滴定的操作技術(shù)，初學(xué)者宜先用無(wú)機(jī)氮標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，再進(jìn)行有機(jī)氮未知樣品的測(cè)定。常用巳知濃度的標(biāo)準(zhǔn)硫酸銨測(cè)試三次。

取潔凈的100mL錐形瓶五只，依次加入2%硼酸溶液20mL，次甲基藍(lán)-甲基紅混合指示劑（呈紫紅色）3～4滴，蓋好瓶口待用。取其中一只錐形瓶承接在冷凝管下端，并使冷凝管的出口浸沒(méi)在溶液中。注意：在此操作之前必須先打開(kāi)收集器活塞，以免錐形瓶?jī)?nèi)液體倒吸。準(zhǔn)確吸取2mL硫酸銨標(biāo)準(zhǔn)液加到玻杯中，小心提起棒狀玻塞使硫酸銨溶液慢慢流入蒸餾瓶中，用少量蒸餾水沖洗小玻杯3次，一并放人蒸餾瓶中。然后用量筒向小玻杯中加入10 mL 30％NaOH溶液，使堿液慢慢流入蒸餾瓶中，在堿液尚未完全流入時(shí)，將棒狀玻塞蓋緊。向小玻杯中加約5mL蒸餾水，再慢慢打開(kāi)玻塞，使一半水流入蒸餾瓶，一半留在小玻杯中作水封。關(guān)閉收集器活塞，加熱蒸氣發(fā)生器，進(jìn)行蒸餾。錐形瓶中的硼酸-指示劑混合液由于吸收了氨，由紫紅色變成綠色。自變色時(shí)起，再蒸餾3～5min，移動(dòng)錐形瓶使瓶?jī)?nèi)液面離開(kāi)冷凝管下口約lcm，并用少量蒸餾水沖洗冷凝管下口，再繼續(xù)蒸餾1min，移開(kāi)錐形瓶，蓋好，準(zhǔn)備滴定。

在一次蒸餾完畢后，移去煤氣燈，夾緊蒸氣發(fā)生器與收集器間的橡膠管，排除反應(yīng)完畢的廢液，用水沖洗小玻杯幾次，并將廢液排除。如此反復(fù)沖洗干凈后，即可進(jìn)行下一個(gè)樣品的蒸餾。按以上方法用標(biāo)準(zhǔn)硫酸銨再做兩次。另取2mL蒸餾水代替標(biāo)準(zhǔn)硫酸銨進(jìn)行空白測(cè)定二次。將各次蒸餾的錐形瓶一起滴定。

3、未知樣品及空白的蒸餾吸收

將消化好的蛋白樣品三支，空白對(duì)照液三支，依次作蒸餾吸收。

加5mL熱的蒸餾水至消化好的樣品或空白對(duì)照液中，通過(guò)小玻杯加到反應(yīng)室中，再用熱蒸餾水洗滌小玻杯3次，每次用水量約3mL，洗滌液一并倒入反應(yīng)室內(nèi)。其余操作按標(biāo)準(zhǔn)硫酸銨的蒸餾進(jìn)行。

由于消化液內(nèi)硫酸鉀濃度高而呈粘稠狀，不易從凱氏燒瓶?jī)?nèi)倒出，必須加入熱蒸餾水5 mL稀釋之，如果有結(jié)晶析出，必須微熱溶解，趁熱加入玻杯，使其流入反應(yīng)室。此外，還應(yīng)當(dāng)注意趁儀器洗滌尚未完全冷卻時(shí)立即加入樣品或空白對(duì)照液，否則消化液通過(guò)冷卻的管道容易析出結(jié)晶，造成堵塞。
（三）滴定
樣品和空白蒸餾完畢后，一起進(jìn)行滴定。
打開(kāi)接受瓶蓋，用酸式微量滴定管以0.0100mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液進(jìn)行滴定。待滴至瓶?jī)?nèi)溶液呈暗灰色時(shí)，用蒸餾水將錐形瓶?jī)?nèi)壁四周淋洗一次。若振搖后復(fù)現(xiàn)綠色，應(yīng)再小心滴入標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液半滴，振搖觀察瓶?jī)?nèi)溶液顏色變化，暗灰色在一二分鐘內(nèi)不變，當(dāng)視為到達(dá)滴定終點(diǎn)。若呈粉紅色，表明已超越滴定終點(diǎn)，可在已滴定耗用的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液用量中減去0.02mL，每組樣品的定氮終點(diǎn)顏色必須完全一致。空白對(duì)照液接受瓶?jī)?nèi)的溶液顏色不變或略有變化尚未出現(xiàn)綠色，可以不滴定。記錄每次滴定耗用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液毫升數(shù)，供計(jì)算用。

三、結(jié)果與計(jì)算

運(yùn)算下列公式計(jì)算出每次無(wú)機(jī)氮標(biāo)準(zhǔn)樣品和未知樣品的總含氮量。

式中
WN——每毫升樣品的含氮毫克數(shù)；

A——滴定樣品消耗的鹽酸量（mL）；

B——滴定空白消耗的鹽酸量（mL）；

C——測(cè)定樣品所取用量（mL）；

0.0100——標(biāo)準(zhǔn)鹽酸物質(zhì)的量濃度（mol/L）；

14.008——每摩爾氮原子質(zhì)量（g/mol）。

三次樣品測(cè)定的含氮量相對(duì)誤差應(yīng)小于±2%。

樣品粗蛋白含量＝總氮量× 6.25
6.25為含氮量換算為蛋白質(zhì)含量的系數(shù)。.這個(gè)系數(shù)來(lái)自蛋白質(zhì)平均含氮量為16％，實(shí)際上各種蛋白質(zhì)因氨基酸組成不同，含氮量不完全相同。

四、應(yīng)用

凱氏定氮法的普遍適用性、精確性和可重復(fù)性已經(jīng)得到了國(guó)際的廣泛認(rèn)可。它已經(jīng)被確定為檢測(cè)食品中蛋白質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)方法。