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Método Kjeldahl

El método Kjeldahl o digestión Kjeldahl ( pronunciación danesa: [ ˈkʰelˌtɛˀl ] ) en química analítica es un método para la determinación cuantitativa del nitrógeno orgánico más ...

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El método Kjeldahl o digestión Kjeldahl ( pronunciación danesa: [ ˈkʰelˌtɛˀl ] ) en química analítica es un método para la determinación cuantitativa del nitrógeno orgánico más amoníaco / amonio (NH₃ / NH₄⁺ ) de una muestra . Sin modificaciones, otras formas de nitrógeno inorgánico, como el nitrato , no se incluyen en esta medición. Utilizando una relación empírica entre el nitrógeno Kjeldahl y la proteína, es un método importante para cuantificar indirectamente el contenido proteico de una muestra. Este método fue desarrollado por el químico danés Johan Kjeldahl en 1883. [ 1 ] [ 2 ]

Método

El método consiste en calentar una muestra a 360–410 °C con ácido sulfúrico concentrado ( H₂SO₄ ), que descompone o digiere la muestra orgánica por oxidación para liberar el nitrógeno reducido como sulfato de amonio estable : ( NH₄ ) ₂SO₄ . [ 3 ]

El ácido sulfúrico concentrado caliente oxida el carbono (como el carbón bituminoso ) y el azufre (véanse las reacciones del ácido sulfúrico con el carbono ):

C + 2 H 2 SO 4 → CO 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O
S + 2 H₂SO₄ → 3 SO₂ + 2 H₂O

La mayor parte del carbono orgánico y del azufre se descomponen y se eliminan como CO 2 y SO 2 gaseosos .

A diferencia del carbono orgánico y el azufre, el nitrógeno orgánico digerido se conserva en el ácido sulfúrico concentrado como catión amonio estable ( NH₄⁺ ) . El amonio no se oxida posteriormente a N₂ gaseoso ni a una forma de nitrógeno más oxidada, como por ejemplo N₂O , NO, NO⁻² , NO₂ o NO⁻³ . Si así fuera, el método Kjeldahl no funcionaría.

A menudo se añaden catalizadores como el selenio , el Hg₂SO₄ o el CuSO₄ para acelerar la digestión. También se añade Na₂SO₄ o K₂SO₄ para aumentar el punto de ebullición del H₂SO₄ . La digestión se completa cuando el líquido se clarifica y se desprenden vapores. [ 3 ]

Después de la digestión completa de la muestra, para recuperar el amoníaco ( NH₃ ) del sulfato de amonio, primero se agrega hidróxido de sodio ( NaOH) al ácido sulfúrico residual para neutralizarlo y convertir el ion amonio soluble en amoníaco volátil :

NH + 4 + OH − → NH 3 + H 2 O

A continuación, el amoníaco se recupera por destilación utilizando el sistema que se muestra a continuación (lado derecho de la figura).

El extremo del condensador se sumerge en un volumen conocido de ácido estándar (es decir, ácido de concentración conocida). A menudo se utiliza un ácido débil como el ácido bórico (H₃BO₃) en exceso de amoníaco. También se puede utilizar HCl estandarizado, H₂SO₄ u otro ácido fuerte , pero esto es menos común . La solución de muestra se destila con un pequeño exceso de hidróxido de sodio (NaOH). [ 3 ] El NaOH también se puede añadir con un embudo de goteo . [ 4 ] El NaOH convierte el amonio disuelto (NH₄⁺ ) en amoníaco gaseoso (NH₃ ) , que se evapora de la solución de muestra. El amoníaco burbujea a través de la solución de ácido estándar y reacciona para formar sales de amonio con el ácido débil o fuerte. [ 3 ]

La concentración de iones amonio en la solución ácida, y por lo tanto la cantidad de nitrógeno en la muestra, se mide mediante titulación. Si se utilizó ácido bórico (u otro ácido débil), se realiza una titulación ácido-base directa con un ácido fuerte de concentración conocida. Se puede utilizar HCl o H₂SO₄. En cambio, se utiliza una retrotitulación indirecta si se utilizaron ácidos fuertes para preparar la solución ácida estándar: se utiliza una base fuerte de concentración conocida (como NaOH) para neutralizar la solución. En este caso, la cantidad de amoníaco se calcula como la diferencia entre la cantidad de HCl y NaOH. En el caso de la titulación directa, no es necesario conocer la cantidad exacta de ácido débil (por ejemplo, ácido bórico) porque no interfiere con la titulación (debe estar en exceso de amoníaco para atraparlo eficazmente). Por lo tanto, se necesita una solución estándar (por ejemplo, HCl) en la titulación directa, mientras que se necesitan dos (por ejemplo, HCl y NaOH) en la retrotitulación . Uno de los indicadores adecuados para estas reacciones de titulación es el indicador de Tashiro . [ 3 ]

En la práctica, este análisis está en gran medida automatizado; catalizadores específicos aceleran la descomposición. Originalmente, el catalizador de elección era el óxido mercúrico . Sin embargo, si bien era muy eficaz, las preocupaciones sobre la salud llevaron a su sustitución por sulfato cúprico . El sulfato cúprico era menos eficiente que el óxido mercúrico y producía resultados proteicos inferiores. Pronto se complementó con dióxido de titanio , el catalizador aprobado en todos los métodos de análisis de proteínas en los Métodos Oficiales y Prácticas Recomendadas de AOAC International. [ 5 ]

Aplicaciones

La universalidad, precisión y reproducibilidad del método Kjeldahl lo han convertido en el método reconocido internacionalmente para estimar el contenido de proteínas en los alimentos. Es el método estándar con el que se comparan todos los demás. También se utiliza para analizar suelos, aguas residuales, fertilizantes y otros materiales. Sin embargo, no permite determinar el contenido real de proteínas, ya que mide el nitrógeno no proteico además del nitrógeno presente en las proteínas. Esto se evidencia en el incidente de los alimentos para mascotas de 2007 y el escándalo de la leche en polvo china de 2008 , cuando se añadió melamina , una sustancia química rica en nitrógeno, a las materias primas para falsificar altos contenidos de proteínas. Además, se necesitan diferentes factores de corrección para diferentes proteínas para tener en cuenta las diferentes secuencias de aminoácidos. Otras desventajas, como la necesidad de utilizar ácido sulfúrico concentrado a alta temperatura y el tiempo de análisis relativamente largo (una hora o más), lo hacen menos favorable en comparación con el método Dumas para medir el contenido de proteína bruta. [ 6 ]

Nitrógeno total Kjeldahl

El nitrógeno total Kjeldahl o NTK es la suma del nitrógeno ligado a sustancias orgánicas, el nitrógeno en amoníaco (NH 3 -N) y en amonio (NH 4 + -N) en el análisis químico del suelo, el agua o las aguas residuales (por ejemplo, el efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales).

Actualmente, el TKN es un parámetro obligatorio para la presentación de informes reglamentarios en muchas plantas de tratamiento y para el monitoreo de las operaciones de la planta.

Factores de conversión

El TKN se utiliza a menudo como sustituto de la proteína en muestras de alimentos . La conversión de TKN a proteína depende del tipo de proteína presente en la muestra y de la fracción de proteína compuesta por aminoácidos nitrogenados , como la arginina y la histidina . Sin embargo, el rango de factores de conversión es relativamente estrecho. Los factores de conversión de ejemplo, conocidos como factores N, para alimentos varían desde 6,38 para productos lácteos y 6,25 para carne, huevos, maíz y sorgo hasta 5,83 para la mayoría de los cereales; 5,95 para el arroz, 5,70 para la harina de trigo y 5,46 para los cacahuetes. [ 7 ] En la práctica, se utiliza 6,25 para casi todos los alimentos y piensos, independientemente de su aplicabilidad. El factor 6,25 es un requisito específico de la normativa de etiquetado nutricional de EE. UU. en ausencia de otro factor publicado. [ 8 ]

Sensibilidad

El método Kjeldahl es poco sensible en su versión original. Se han utilizado otros métodos de detección para cuantificar NH₄⁺ después de la mineralización y destilación, logrando una sensibilidad mejorada: generador de hidruro en línea acoplado a un espectrómetro de emisión atómica de plasma (ICP-AES-HG, 10–25 mg/L), [ 10 ] titulación potenciométrica (> 0,1 mg de nitrógeno), electroforesis capilar de zona (1,5 μg/mL de nitrógeno), [ 11 ] y cromatografía iónica (0,5 μg/mL). [ 12 ]     

Limitaciones

El método Kjeldahl no se aplica a compuestos que contienen nitrógeno en grupos nitro y azo , ni nitrógeno presente en anillos (por ejemplo, piridina , quinolina , isoquinolina ), ya que el nitrógeno de estos compuestos no se convierte en sulfato de amonio en las condiciones de este método.

Véase también

Referencias

  1. ^ Kjeldahl, J. (1883). "Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern" (Nuevo método para la determinación de nitrógeno en sustancias orgánicas), Zeitschrift für analytische Chemie , 22 (1) : 366–383.
  2. ↑ Cohen, Julius B. (1910). "Química orgánica práctica" .
  3. 1 2 3 4 5 Michałowski, T; Asuero, AG; Wybraniec, S (12 de febrero de 2013). "La valoración en el método Kjeldahl de determinación de nitrógeno: ¿base o ácido como valorante?". Revista de Educación Química . 90 (2): 191– 197. Bibcode : 2013JChEd..90..191M . doi : 10.1021/ed200863p . ISSN 0021-9584 . 
  4. ↑ "Almidón internacional: ISI 24 Determinación de proteínas por Kjeldahl" . www.starch.dk . Archivado del original el 26 de abril de 2018. Consultado el 21 de marzo de 2019 .
  5. ↑ AOAC Internacional
  6. ↑ D. Julian McClements. "Análisis de proteínas" . Universidad de Massachusetts Amherst . Consultado el 27 de abril de 2007 .
  7. ↑ "Capítulo 2: Métodos de análisis de alimentos" . FAO.org . Consultado el 30 de diciembre de 2017 .
  8. ↑ "21 CFR 101.9 (c)(7)" .
  9. ↑ "Capítulo 2: Métodos de análisis de alimentos" . FAO.org . 14 de noviembre de 2020. Archivado del original el 14 de noviembre de 2020. Consultado el 5 de febrero de 2021 .
  10. ↑ AMY Jaber; NA Mehanna; SM Sultan (2009). "Determinación de amonio y nitrógeno orgánico ligado mediante espectroscopia de emisión de plasma acoplado inductivamente" . 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 (méthode de Kjeldahl) – Blog Pharma Physic» . Blog.pharmaphysic.fr . 5 de abril de 2012 . Consultado el 30 de diciembre de 2017 .
  12. ^ "¿Peut-on éviter l'étape de distillation dans la méthode Kjeldahl ? - Blog Pharma Physic" . Blog.pharmaphysic.fr . 26 de abril de 2012 . Consultado el 30 de diciembre de 2017 . 

Bibliografía

  • Ingeniería de aguas residuales: tratamiento y reutilización , Metcalf & Eddy, McGraw-Hill Higher Education; 4.ª edición, 1 de mayo de 2002, ISBN 978-0071241403
  • Soluciones para la automatización del método Kjeldahl
  • Guía de competencia de Kjeldahl