2種自動(dòng)凱氏定氮儀的對(duì)比分析

武寅

摘要從自動(dòng)凱氏定氮儀中挑選2種分別使用電位法和顏色法對(duì)于最終結(jié)果進(jìn)行判斷的儀器，介紹這2種凱氏定氮儀的工作原理及主要部件，使用這2種儀器分別對(duì)豆粕、大豆等進(jìn)行蛋白檢測(cè)與分析，并對(duì)2種儀器工作效率、試劑消耗及維護(hù)成本等方面進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：Vapodest 50s和KJELTEC 8400這2種儀器都能很好地進(jìn)行樣品粗蛋白含量的檢測(cè)試驗(yàn)。但是從工作效率和維護(hù)成本方面來看，KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀要相對(duì)優(yōu)于Vapodest 50s自動(dòng)凱氏定氮儀，后者蒸餾滴定時(shí)間較長(zhǎng)，人工參與度高，后期使用維護(hù)成本較高，不利于實(shí)驗(yàn)室工作優(yōu)化。

關(guān)鍵詞自動(dòng)凱氏定氮儀；電位滴定法；顏色法；蛋白檢測(cè)

中圖分類號(hào)S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）35-0006-03

AbstractTwo kinds of instruments used in the automatic Kjeldahl apparatus were selected to determine the final result by using potentiometry and color methods respectively. We introduced the working principle and main parts of the two Kjeldahl apparatus；the two instruments were used to detect the protein of soybean and soybean meal， and analyzed the result. Comprehensive analysis of the two instruments in work efficiency， reagent consumption and maintenance cost were carried out. The results showed that： the two kinds of instruments could be used to well determine sample crude protein content. However， seeing from work efficiency and maintenance cost， the KJELTEC 8400 automatic Kjeldahl apparatus was better than the Vapodest 50s automatic Kjeldahl apparatus. Because the Vapodest 50s automatic Kjeldahl apparatus needed longer Distillation titration time， high human participation and higher maintenance cost in late stage， the Vapodest 50s automatic Kjeldahl apparatus went against the laboratory work optimization.

Key wordsAutomatic Kjeldahl apparatus；Potentiometric titration；Color method；Protein detection

粗蛋白含量是油料作物營養(yǎng)成分中的一個(gè)主要營養(yǎng)指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)其營養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一，是作物中含氮物質(zhì)的總稱，包括純蛋白質(zhì)和其他含氮物質(zhì)[1]。目前，常用的檢測(cè)方法主要為凱氏定氮法（包括自動(dòng)儀器法和非儀器法）、分光光度法和燃燒法。這3種方法是2017年6月23日實(shí)施的GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中規(guī)定的檢測(cè)方法[2]。其中，凱氏定氮法和分光光度法適用于各種食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定，而在多數(shù)實(shí)驗(yàn)室中采用的均為凱氏定氮法，全自動(dòng)凱氏定氮儀在多數(shù)有條件的實(shí)驗(yàn)室都得到應(yīng)用。全自動(dòng)定氮儀成本較高，增加了前期投入[3]，但與傳統(tǒng)的凱氏定氮法相比，儀器法具有省時(shí)、省力、單次分析樣品數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，自動(dòng)凱氏定氮儀法也在不斷更新進(jìn)步中。全自動(dòng)凱氏定氮儀的終點(diǎn)判定方法主要有電位法和顏色法2種。筆者分析了2種不同廠家全自動(dòng)凱氏定氮儀的工作原理、主要部件的差異，對(duì)2種儀器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，比較了2種儀器及2種終點(diǎn)判定方法的性能情況，以期為凱氏定氮儀的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1試驗(yàn)樣品。玉米、大豆、豆粕各500 g。

1.1.2主要儀器。Vapodest 50s全自動(dòng)凱氏定氮儀；KJELTEC 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀；為避免使用不同消化爐帶來試驗(yàn)誤差，消化均使用Tecator Digestor 20消化爐。

分析天平（感量 0.000 1 g）、KJELTEC保水磨、分樣篩、橫格式分樣器、鐘鼎式分樣器。

1.1.3試劑。濃硫酸：分析純，含量98%，無氮；混和催化劑：0.4 g無水硫酸銅，6.0 g硫酸鉀均為分析純，磨碎混勻；氫氧化鈉：分析純，40%水溶液；硼酸（GB-628）：分析純，1%水溶液和2%水溶液；混合指示劑：0.1%甲基紅-乙醇溶液，0.1%溴甲酚綠-乙醇溶液，2種溶液與硼酸溶液按照硼酸∶甲基紅∶溴甲酚綠=1 000∶7∶10比例混合；0.05 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液（無水碳酸鈉法標(biāo)定0.1 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行2倍稀釋）；蔗糖：分析純；硫酸銨：基準(zhǔn)[4]。

1.22種儀器工作原理

2種自動(dòng)凱氏定氮儀的工作原理主要依據(jù)凱氏定氮法進(jìn)行，待測(cè)樣品在溫度420 ℃，在催化劑的作用下，使得待測(cè)樣品中的蛋白氮及其他有機(jī)氮被濃硫酸分解生成硫酸銨，再在儀器上通過加入過量的堿液加熱蒸餾，形成氨氣釋放出來，經(jīng)過冷凝進(jìn)入滴定缸，被接收液接收，再用已知濃度的標(biāo)液進(jìn)行滴定，從而根據(jù)所消耗的標(biāo)液體積計(jì)算出待測(cè)樣品的粗蛋白含量。2種凱氏定氮儀除了在終點(diǎn)判定檢測(cè)器上有區(qū)別，終點(diǎn)判定所使用的方法不同，其他工作程序基本一致。

1.2.1Vapodest 50s全自動(dòng)凱氏定氮儀。

Vapodest 50s是由德國Gerhardt公司生產(chǎn)，采用的是自動(dòng)電位滴定法對(duì)滴定終點(diǎn)進(jìn)行判斷。電位滴定法是在滴定過程中通過實(shí)時(shí)測(cè)量電位變化以確定滴定終點(diǎn)的方法，電位滴定法依靠電極電位的突躍來指示滴定終點(diǎn)。在滴定接近終點(diǎn)時(shí)，滴液中的待測(cè)離子濃度往往連續(xù)變化n個(gè)數(shù)量級(jí)，引起電位的突躍，從而可以確定終點(diǎn)，再根據(jù)消耗滴定溶液的量來計(jì)算待測(cè)成分的含量。并且，自動(dòng)電位滴定儀在滴定過程中可以自動(dòng)繪出滴定曲線，自動(dòng)找出滴定終點(diǎn)、給出體積并且計(jì)算出最終結(jié)果，減少了人為因素和環(huán)境因素造成的誤差。

1.2.2 KJELTEC 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀。

KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀是由丹麥福斯（FOSS）分析儀器公司生產(chǎn)，采用的是顏色法對(duì)滴定終點(diǎn)進(jìn)行判斷。隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步和日益發(fā)展，顏色的測(cè)定可以不再是僅僅只能采用肉眼觀察判定，而是能夠借用顏色傳感器來完成終點(diǎn)顏色的判定，又進(jìn)一步減小了人為誤差，提高了凱氏定氮儀的檢測(cè)精度。顏色法是科技發(fā)展帶來的新的判定方法，利用光學(xué)傳感技術(shù)進(jìn)行電腦編程，通過高科技光學(xué)傳感器捕捉滴定缸中添加了指示劑的接收液的顏色變化，并建立以“紅綠藍(lán)”色光三原色為三系坐標(biāo)軸的坐標(biāo)圖，從而根據(jù)滴定最終顏色坐標(biāo)位置反饋確定滴定終點(diǎn)，再根據(jù)消耗滴定溶液的量來計(jì)算待測(cè)成分的含量。

1.3方法

按照GB 5009.5—2016第一法進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)儀器作業(yè)指導(dǎo)書對(duì)試劑用量進(jìn)行增減。

1.3.1樣品制備。選擇合適的分樣器將樣品進(jìn)行縮分至約200 g，粉碎過篩，裝入密封袋留存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2樣品的消化。稱取0.5～1.0 g樣品（精確至0.000 1 g），置于消化管中，添加6.4 g硫酸銅、硫酸鉀混合催化劑，移入12 mL濃硫酸，置于Tecator Digestor 20消化爐加熱，設(shè)定溫度為420 ℃，當(dāng)消化爐溫度達(dá)到 420 ℃時(shí)繼續(xù)消化1 h，此時(shí)消化管中的液體呈綠色透明狀。

1.3.3蒸餾滴定。將試樣消煮液冷卻，然后分別使用Vapodest 50s和KJELTEC 8400儀器自帶程序進(jìn)行蒸餾和滴定，并記錄結(jié)果。

1.3.4空白試驗(yàn)。稱取等重蔗糖代替試樣，進(jìn)行空白測(cè)定，并記錄消耗滴定液體積。

1.3.5回收率驗(yàn)證試驗(yàn)。

稱取0.2 g已烘至恒重的硫酸銨，代替試樣，按“1.3.3”分別在2臺(tái)儀器上進(jìn)行操作，測(cè)得硫酸銨含氮量見表1，二者回收率分別為99.85%和100.04%，符合回收率（21.19%±0.2%）的要求[5]。

1.3.6數(shù)據(jù)處理。

粗蛋白質(zhì)含量計(jì)算公式：

X=（V1-V0）×c×0.014 0m×F×100

式中，X為試樣中蛋白質(zhì)的含量，g/100 g；

V1為試液消耗硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；

V0為試劑空白消耗硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；

c為硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，mol/L；

0.014 0為1.0 mL硫酸[c（1/2 H2SO4）=1.000 mol/L]或鹽酸[c（HCl）=1.000 mol/L] 標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液相當(dāng)?shù)牡馁|(zhì)量，g；

m為試樣的質(zhì)量，g；

F為氮換算為蛋白質(zhì)的系數(shù)；

100為換算系數(shù)。

精密度：

在重復(fù)條件下獲得的2次獨(dú)立測(cè)定結(jié)果的絕對(duì)差值不得超過算術(shù)平均值的 10%。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

2結(jié)果與分析

2.12種儀器測(cè)定的粗蛋白含量

3種蛋白含量不同的樣品在Vapodest 50s自動(dòng)凱氏定氮儀和KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)得的粗蛋白含量結(jié)果見表2。前者測(cè)得的結(jié)果普遍比后者偏高，而同一樣品的2組測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，二者穩(wěn)定性均十分良好，且均在國標(biāo)要求的2個(gè)平行樣品測(cè)定允許范圍之內(nèi)，說明Vapodest 50 s全自動(dòng)凱氏定氮儀和KJELTEC 8400測(cè)定的粗蛋白結(jié)果具有相同準(zhǔn)確性[6]。

2.22種儀器測(cè)定結(jié)果差異性分析

分別對(duì)3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。玉米在2種儀器上所測(cè)得的粗蛋白含量有顯著差異，大豆和豆粕在2種儀器上所測(cè)得的粗蛋白含量均無顯著差異。

玉米在2種儀器上所測(cè)得的粗蛋白含量的t檢驗(yàn)存在顯著差異，可能由于滴定體積較少對(duì)最終結(jié)果影響較大所致；在今后的試驗(yàn)中可以選擇增加稱樣量、使用測(cè)定精密度更高的儀器等方法減小誤差。

3結(jié)論與討論

3.12種儀器工作效率比較

由于取樣、烘干、粉碎、稱量以及加入催化劑的各步驟操作完全相同，故略去，不計(jì)入總耗時(shí)中，試驗(yàn)采用同一消化爐進(jìn)行消化，僅比較不同自動(dòng)凱氏定氮儀蒸餾滴定所耗時(shí)間。Vapodest 50s自動(dòng)凱氏定氮儀蒸餾滴定完成1根消化管的時(shí)間大約為8 min，20根消化管的樣品的檢測(cè)時(shí)間大約為2.5 h，且不具備外置的自動(dòng)進(jìn)樣器，每完成1根消化管的蒸餾滴定需人工進(jìn)行消化管的更換；KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀蒸餾滴定完成1根消化管的時(shí)間大約為6 min，20根消化管的樣品的檢測(cè)時(shí)間大約為2 h，8400支持8460等型號(hào)的自動(dòng)進(jìn)樣裝置，整個(gè)蒸餾滴定過程可全部提前進(jìn)行程序編輯控制完成，最多可以順序進(jìn)行3組60根消化管的連續(xù)工作，人員中途空余時(shí)間可以完成其他工作，大大節(jié)約了時(shí)間。因此，選用KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀在工作效率上要優(yōu)于Vapodest 50s自動(dòng)定氮儀。

3.22種儀器消耗試劑比較

兩者所需大部分試劑基本相同，相對(duì)于Vapodest 50s僅需配制2%濃度的硼酸標(biāo)液，KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀需要在1%硼酸接收液中加入混合指示劑，配制時(shí)需另行配制混合指示劑，但因加入指示劑量較少，對(duì)于消耗試劑成本并無太大影響，基本可以忽略不計(jì)。在試劑消耗上，Vapodest 50s略優(yōu)于KJELTEC 8400定氮儀。

3.32種儀器檢測(cè)粗蛋白結(jié)果比較

2種儀器雖然使用不同的終點(diǎn)判定方法和檢測(cè)器，但是電位法和顏色法分析2種方法都能夠很好地在自動(dòng)凱氏定氮儀上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行終點(diǎn)判定，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2種自動(dòng)定氮儀二者穩(wěn)定性均十分良好，檢測(cè)結(jié)果能夠滿足檢測(cè)精密度的要求。因此，2種儀器在日常對(duì)于樣品的粗蛋白的檢測(cè)中，都能夠很好地完成檢測(cè)任務(wù)。

3.42種儀器檢測(cè)及維護(hù)成本比較

Vapodest 50s使用玻璃電極作為終點(diǎn)判定檢測(cè)器，因此平時(shí)檢測(cè)完畢后需放置于保護(hù)液中保存，且定期需進(jìn)行pH緩沖液校準(zhǔn)，如果校準(zhǔn)不通過，不能維修，只能及時(shí)更換電極，進(jìn)口電極價(jià)格較高，維護(hù)成本高。而且，電極出現(xiàn)偏差，如果未進(jìn)行校準(zhǔn)且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。KJELTEC 8400自動(dòng)定氮儀使用高分辨率可編程光學(xué)傳感器作為終點(diǎn)判定檢測(cè)器，光學(xué)鏡頭位于儀器內(nèi)部，日常無需進(jìn)行維護(hù)，僅需定期對(duì)滴定缸進(jìn)行清洗，且檢測(cè)器每次開機(jī)時(shí)均會(huì)進(jìn)行顏色檢測(cè)器的自檢，如顏色檢測(cè)器終點(diǎn)判定出現(xiàn)問題時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警提醒，不會(huì)影響已出結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是KJELTEC 8400對(duì)于接收液顏色有較高要求，每次配制硼酸接收液中需按比例配制混合指示劑?？傮w來說，從維護(hù)成本上，KJELTEC 8400要大大低于Vapodest 50s在電極損耗更換上的成本。

綜上所述，Vapodest 50s和KJELTEC 8400 2種儀器都能很好地進(jìn)行樣品粗蛋白含量的檢測(cè)試驗(yàn)。但是從工作效率和維護(hù)成本方面來看，KJELTEC 8400自動(dòng)凱氏定氮儀要相對(duì)優(yōu)于Vapodest 50s自動(dòng)凱氏定氮儀，后者蒸餾滴定時(shí)間較長(zhǎng)，人工參與度高，后期使用維護(hù)成本較高，不利于實(shí)驗(yàn)室工作優(yōu)化。

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