🍎 Gesamtstickstoff und Eiweiß in landwirtschaftlichen Lebensmitteln — Kjeldahl-Verfahren (Aufschluss, Destillation, Titration)

Lebensmittelchemie PN-A-04018

Übersicht

Das seit 1883 bekannte und seither kaum veränderte Kjeldahl-Verfahren ist das am häufigsten angewendete Referenzverfahren zur Bestimmung des Stickstoffs in Lebensmitteln. Es besteht im Aufschluss des Erzeugnisses mit konzentrierter Schwefelsäure („nass"), im Alkalisieren der Lösung, im Abdestillieren und in der quantitativen Bestimmung des entstandenen Ammoniaks. Auf diese Weise wird der Gesamtstickstoff bestimmt, zu dem neben dem Eiweißstickstoff auch der Stickstoff aus den Abbauprodukten der Eiweiße und aus anderen organischen Verbindungen gehört (Ammoniumionen, Amid-, Amino- und Iminogruppen); nicht bestimmt werden der Stickstoff aus Nitrit und Nitrat und der Stickstoff aromatischer heterocyclischer Ringe. Die Norm PN-A-04018:1975 mit der Änderung Az3:2002 wird in wissenschaftlichen Veröffentlichungen über die Zusammensetzung von Fleisch in Bezug genommen (Eiweiß = N × 6,25, Büchi-Gerät) sowie im Verzeichnis der Verfahren der Woiwodschaftsstationen für Sanitärepidemiologie (WSSE); ihr Text stand nicht zur Verfügung — die Beschreibung stützt sich auf Anleitungen der Technischen Universität Gdańsk und der Universität Gdańsk und ist vor der Einführung anhand der Norm zu prüfen.

Der durchschnittliche Stickstoffgehalt der Eiweiße beträgt etwa 16 %, deshalb wird für das sogenannte Rohprotein der Faktor 6,25 (100 : 16) verwendet; da sich die Eiweiße der einzelnen Erzeugnisse im Stickstoffgehalt unterscheiden, werden besondere Faktoren verwendet: Hühnereiweiß 6,67, Milch 6,38, Fleisch 6,25, Roggen, Weizen und Hafer 5,70 — der Faktor wird neben dem Ergebnis angegeben (z. B. für Milch N × 6,38). Indirekte Verfahren dürfen nur dann angewendet werden, wenn das Erzeugnis keine anderen Stickstoffverbindungen oder nur sehr wenig davon enthält. Für die Bestimmung wird eine so große Probe genommen, dass sie etwa 0,02 g Stickstoff enthält (in der Regel etwa 0,5–1,5 g Erzeugnis).

Das Prinzip des Verfahrens ist in automatischen Geräten umgesetzt worden (ein Aufschlussgerät, eine Einheit zur Destillation oder zur Destillation mit automatischer Titration), die über hundert Analysen am Tag ermöglichen.

Prinzip der Methode

Aufschluss: im Kjeldahl-Kolben oder -Röhrchen werden die organischen Verbindungen in konzentrierter Schwefelsäure in Gegenwart eines Katalysators (Kupfer(II)-sulfat, Quecksilber(II)-sulfat, Selen oder eine Selen-Kupfer-Mischung) oxidiert, oft unter Zugabe von Kalium- oder Natriumsulfat, das die Siedetemperatur der Säure erhöht, und gegebenenfalls eines Oxidationsmittels (Wasserstoffperoxid); der Stickstoff geht in Ammoniumsulfat über (in der Anleitung der TU Gdańsk: Ammoniumhydrogensulfat, Aufschluss bei 380–410 °C, die aufgeschlossene Probe hat eine dunkelbraune Farbe). Destillation: nach der Zugabe einer Lösung einer starken Base (30–33 % NaOH) wird der freigesetzte Ammoniak mit Wasserdampf in eine Vorlage mit einem Überschuss an Borsäure überdestilliert (25 cm³ einer gesättigten Lösung mit einem Mischindikator: Methylrot + Bromkresolgrün), wo er als Ammoniumsalz der Borsäure gebunden wird; ersatzweise in eine abgemessene Menge Schwefelsäure 0,1 N, deren Überschuss mit NaOH zurücktitriert wird. Titration: der gebundene Ammoniak wird mit einer eingestellten Lösung von Salzsäure (z. B. 0,01 M) oder Schwefelsäure bis zur Rückkehr der Indikatorfarbe von vor der Absorption des Ammoniaks titriert. Berechnung: %N = 14·V·c·100/(1000·m) (V — das Säurevolumen in cm³, c — die Konzentration in mol/dm³, m — die Masse der trockenen Einwaage in g), Eiweiß = %N × Faktor.

Anwendungen

• Bestimmung des Gesamteiweißes in Fleisch und Fleischerzeugnissen, Milch, Getreide, Futtermitteln und anderen landwirtschaftlichen Lebensmitteln
• Nährwertdeklaration (Eiweiß = N × Faktor) und Kontrolle der Übereinstimmung mit der Spezifikation
• Referenzverfahren zur Kalibrierung indirekter Analysatoren (NIR, Infrarotspektrometrie)
• Chemische Grundzusammensetzung der Rohstoffe in wissenschaftlichen Untersuchungen (Eiweiß N × 6,25)
• Übungen in der Lebensmittelanalytik und der analytischen Chemie (Elementaranalyse des Stickstoffs)

Schlüsselparameter

Norm

Normnummer

PN-A-04018:1975 (+Az3:2002)

Titel (PL)

Produkty rolniczo-żywnościowe — Oznaczanie azotu metodą Kjeldahla i przeliczanie na białko

Title (EN)

Agricultural food products — Determination of nitrogen by the Kjeldahl method and conversion to protein (working translation)

Schritt-für-Schritt-Verfahren

1. Einwaage

   In das Aufschlussröhrchen eine Probe mit etwa 0,02 g Stickstoff einwägen (gewöhnlich 0,5–1,5 g); bei trockenen Erzeugnissen parallel den Feuchtegehalt bestimmen, um auf die Trockenmasse umzurechnen.

2. Aufschluss

   Den Katalysator (Se oder CuSO4 mit K2SO4) und 5 cm³ konzentrierte Schwefelsäure zugeben; die Röhrchen in das Aufschlussgerät stellen, die leeren Öffnungen verschließen, den mit der Wasserstrahlpumpe verbundenen Absaugaufsatz aufsetzen und erhitzen (Temperaturregler auf voller Leistung). Nach etwa 10 min prüfen, ob die Probe aufgeschlossen ist; nach dem Ende die Röhrchen mit dem Aufsatz herausnehmen und etwa 10 min abkühlen lassen, dann die Wände mit etwa 10 cm³ Wasser abspülen.

   ⏱ Zeit: etwa 10 min + Abkühlen • 🌡 Temperatur: 380–410 °C

3. Prüfung des Destillationsapparates

   Die Behälter für Wasser und Lauge füllen, das Kühlwasser öffnen, ein leeres Röhrchen und die Vorlage einsetzen, etwa 100 cm³ Wasser überdestillieren (Spülen), den Dampf abstellen.

4. Destillation

   Das Röhrchen mit der Probe und die Vorlage mit 25 cm³ gesättigter Borsäure mit Indikator einsetzen; etwa 20 cm³ Lauge 30 % NaOH dosieren, den Dampf einschalten und destillieren, bis etwa 100 cm³ Destillat gesammelt sind; das Ende des Kühlers mit Wasser abspülen.

   ⏱ Zeit: bis etwa 100 cm³ Destillat

5. Titration

   Den Inhalt der Vorlage mit Salzsäure 0,01 M bis zur Rückkehr der Indikatorfarbe von vor der Aufnahme des Ammoniaks titrieren (eine Vergleichslösung ist hilfreich). In der Variante mit Schwefelsäure in der Vorlage — die nicht gebundene Säure mit 0,1 N NaOH bis zur grünen Färbung des Tashiro-Indikators zurücktitrieren.

6. Kontrollprobe

   Eine Blindprobe mit allen Reagenzien ohne Probe ausführen und in den Berechnungen berücksichtigen.

7. Berechnungen

   %N = 14·V·c·100/(1000·m) (V — das Säurevolumen in cm³, c — die Konzentration in mol/dm³, m — die Masse der trockenen Einwaage in g; 1 cm³ HCl 0,1 M entspricht 0,0014 g N); in der Rücktitrationsvariante %N = (M1 − M2)·n·0,014·100/m. Eiweiß = %N × Faktor (6,25 allgemein; 6,38 Milch; 5,70 Getreide; 6,67 Ei). Die Unsicherheit aus den Wiederholungen angeben (RSD, k = 2).

8. Prüfbericht

   Den Stickstoff- und den Eiweißgehalt mit dem verwendeten Faktor, die Masse der Einwaage, den Katalysator und die Variante des Verfahrens (von Hand/automatisch) angeben.

Erforderliche Geräte und Apparatur

Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien

Arbeitsschutz und Sicherheit

• Konzentrierte Schwefelsäure bei 380–410 °C — der Aufschluss ausschließlich unter dem Abzug mit Absaugung der Dämpfe (SO2, Säurenebel), Schutzbrille, Kittel, säurebeständige Handschuhe
• Selen und Kupfer-/Quecksilberverbindungen als Katalysatoren sind giftig — mit Handschuhen abwägen, die Abfälle als chemische Abfälle behandeln
• Konzentriertes NaOH 30–33 % und die heiße Wasserdampfdestillation — Gefahr von Verätzungen und Herausschleudern; die Lauge automatisch dosieren, den Apparat nicht unter Dampfdruck öffnen
• Salzsäure und Borsäure — die üblichen Schutzmaßnahmen (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel)

Häufige Fragen