凯氏定氮与杜马斯定氮—概述和比较

2023/06/06   下载量： 8 次

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应用领域 食品/农产品
检测样本 小麦粉
检测项目 营养成分>蛋白质
参考标准 AOAC 992.23；AOAC 992.15；AOAC 992.03；ISO 14891：2008

常见的蛋白质测定方法是经典的湿化学凯氏定氮法和基于燃烧的杜马斯法。这两种方法实际上都决定了氮，而不是直接蛋白质值。蛋白质值是使用氮到蛋白质转换因子计算的，并假设生物基质中的氮源是蛋白质。氮-蛋白质因子因食品材料而异，本方案比较了两种方法的实验数据和区别。

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凯氏定氮与杜马斯定氮—概述和比较



蛋白质含量是食品和饲料分析中的关键参数之一，对于表征材料的营养价值至关重要，其他重要成分是脂肪、 果实、 碳水化合物以及水分和灰分含量。除了营养标签要求外，蛋白质含量在食品加工中也可以发挥重要作用。

例如，小麦中的蛋白质含量决定最佳用途，较低的蛋白质（~8%）通常用于蛋糕或糕点，而较高的蛋白质（~12%）用于面包。有一些光谱技术，包括NIR和NIT，可以预测蛋白质含量和其他成分; 然而，这些方法被认为是次要方法，需要大量的校准工作，并且对微小的基质变化也高度敏感，这限制了NIR校准的范围。更常见的蛋白质测定方法是经典的湿化学凯氏定氮法和基于燃烧的杜马斯法。这两种方法实际上都决定了氮，而不是直接蛋白质值。蛋白质值是使用氮到蛋白质转换因子计算的，并假设生物基质中的氮源是蛋白质。氮-蛋白质因子因食品材料而异，并且通常由政府和国际标准方法指定。例如：牛奶和乳制品的氮-蛋白质倍增因子为6.38，玉米和谷物为5.8，肉类和--sh为6.25，大豆为5.71，蘑菇为4.17。


图 1：LECO 的两种典型杜马斯仪器，828 和 928 系列


自 19 世纪末以来，凯氏定氮法一直是主要方法，当时它由管理哥本哈根嘉士伯啤酒厂实验室的 Johan Kjeldahl 开发，他希望有一种可靠的方法来测定和评估进料大麦酿造材料中的蛋白质含量。凯氏定氮测定法是一种经典的湿化学消解和滴定方法。自1883年该方法开发以来，它已被广泛接受用于饲料和食品材料中的总蛋白质测定。通常，该方法使用以下步骤：

1. 用催化剂将样品在浓硫酸中消解，将样品中的氮转化为硫酸铵（NH 4）2SO4。样本量通常在 100 毫克到 1 克之间。

2. 使用浓氢氧化钠（NaOH）中和消化物，将 硫酸铵转化为NH3。

3. 将NH3蒸馏成标准酸，用标准化碱进行定量滴定。

虽然凯氏定氮方法与几乎所有食品材料兼容，并且在 食品和饲料分析和监管界得到广泛认可，但该方法存在许多缺点。首先，凯氏定氮法不完全回收氮气。最好和最有效的凯氏定氮催化剂含有汞或硒，由于环境问题和当地法规，不再使用。通常使用效率较低的CuSO4/TiO4基凯氏定氮催化剂 ，导致消化步骤中的氮回收率较低。 分析时间很长，可能需要数小时，具体取决于所使用的确切程序和要测试的样品材料。该方法涉及使用浓酸和浓碱的几个步骤，需要训练有素的实验室技术人员配备适当的安全设备，使用通风柜和面临废物处理问题。

基于燃烧的杜马斯方法由法国化学家Jean-Baptist Dumas于19世纪初开发。尽管杜马斯方法更古老，但凯氏定氮法是 100年来的主要使用方法，因为与湿化学方法相比，燃烧方法需要更高水平的技术技能。随着现代分析仪器的进步，这种情况发生了变化，使燃烧氮测定成为一种成熟的参考方法。

通常，杜马斯方法通过以下步骤测定氮气：

1. 样品用氧气燃烧，将蛋白质 - 氮转移到N2 / NOx气体的混合物中。

2. Nox转化成N 2，其他燃烧气体（如过量的O2，CO 2和水蒸气）被去除。

3. 氮气用热导率（TC）检测器检测。从这一点开始，使用确定的氮含量和蛋白质因子计算蛋白质含量与凯氏定氮方法相同。

LECO 828 和 928 系列等现代杜马斯分析仪使用锡箔、胶囊或燃烧舟进行样品导入。无需更改设置即可输入固体、液体或浆状样品;无需额外的液体采样器或特殊程序。由于样品燃烧是在纯氧环境中进行的，因此系统运行时没有基质依赖性。 典型的分析时间为~3分钟，氮氧化物还原试剂化学品可以持续多达4000次分析，具体取决于系统的配置方式。


图 2：燃烧胶囊、箔和舟



多年来，杜马斯和凯氏定氮方法在许多研究和论文中进行了比较。 表 1显示了比较测试中的一些典型值。（从比较和调试测试中收集的示例数据）。



表1：典型食品的杜马和凯氏定氮结果比较


食物类型

杜马斯氮含量 [%]

氮含量凯氏定氮 [%]

奶粉

4.98

4.96

原奶

3.58

3.55

血粉

14.44

14.39

小麦面粉

2.66

2.67

婴儿食品

1.98

1.96

火腿

3.17

3.12

米粉

1.48

1.49



如 表 1所示，杜马和凯氏定氮值与测试的各种食品材料一致。对于某些样品，凯氏定氮方法显示的值略低于杜马斯。典型食品和饲料样品的总体差异通常小于1-2%。

许多食品实验室正在使用杜马斯法代替凯氏定氮法或作为凯氏定氮法的补充，作为测定食品和饲料中蛋白质的极好方法。 表2显示了在食品分析中使用杜马斯方法的一小部分方法示例，表明与凯氏定氮方法相比，杜马斯方法越来越重要。与凯氏定氮方法相比，使用杜马斯方法的唯一缺点是杜马斯法仪器的成本高于凯氏定氮方法仪器，但是当考虑到运行成本时，差异很快就会平衡。


表2：杜马斯方法的部分国际标准清单


标准

描述

发行机构

AOAC 992.23

谷物和油中的粗蛋白

AOAC

AOAC 992.15

肉类和肉制品中的粗蛋白

AOAC

AOAC 992.03

动物饲料中的粗蛋白

AOAC

BA4E-93

油籽中的粗蛋白

AOCS

ISO 14891：2008

氮含量的测定 — 使用燃烧的常规方法

.ISO

ISO 16634-1：2008

通过燃烧测定总氮含量 ...油籽和动物饲料

.ISO

ICC Norm 167

杜马斯食品和饲料谷物和谷物产品中粗蛋白的测定

国际商会

OIV-MA-AS323-02A

根据杜马斯方法对总氮进行 定量（葡萄汁和葡萄酒）

OIV

BVL L 03.00-27：及其他

§ 64 LFGB 德国食品法

德国的教学方法


杜马斯燃烧法的优点可以概括为以下 几类：

速度： 杜马斯3分钟，凯氏定氮数小时

每次分析成本： 与经典湿化学凯氏定氮法相比，燃烧杜马斯仪器的运行成本将大大降低

环境和安全问题： 燃烧杜马斯仪器消除了浓酸和浓碱的使用、处理废物的需要以及湿化学凯氏定氮法的通风柜要求

效率和自动化：称量样品放入燃烧杜马斯仪器自动进样器后，分析的所有后续阶段都是自动化的，结果由仪器软件计算并准备传输到实验室信息管理系统（LIMS）

符合标准：燃烧杜马斯法是一种成熟的参考方法，如表2中的示例所示。

这些优势将继续推动未来在食品和饲料工业中用燃烧杜马斯法取代湿化学凯氏定氮法。


文献贡献者

美国力可公司
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