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凯氏定氮法与杜马斯定氮法的比较

测定样品中的氮和蛋白质含量有两种常用的参考方法,已共存超过 140 年:凯氏定氮法和杜马斯定氮法。

凯氏定氮法测定氮

凯氏定氮法由 Johan Kjeldahl于1883年在 Carlsberg实验室开发,大约在Jean-Baptiste Dumas提出其氮测定方法的50年后。由于杜马斯法的条件难以重现,湿化学凯氏定氮法长期以来一直受到人们的青睐,并已成为测定氮和蛋白质的经典方法。

凯氏定氮法是将样品在浓硫酸和催化剂的作用下,在420°C下进行90分钟的化学消解,将样品中的氮转化为硫酸铵。然后将氢氧化钠加入到硫酸铵溶液中。将释放出的氨蒸馏并转移到硼酸溶液中。然后用硫酸或盐酸滴定,定量测定氮含量。然后,可以使用特定的换算系数计算出蛋白质含量。

杜马斯法测定氮

Jean-Baptiste Dumas 于 1831 年提出了他的氮测定方法。尽管基于高温燃烧过程的 Dumas 法是测定氮和蛋白质含量的较老方法,但它直到最近几十年才成为氮测定的参考方法。原因在于:现代元素分析仪的发展使得实现一致的分析条件和可重复的结果成为可能。自 20 世纪 90 年代更严格的环境法规出台以来,环保的 Dumas 法越来越受欢迎,并逐渐取代了依赖有害化学物质的传统凯氏定氮法。

杜马斯氮测定法基于在富氧环境中以至少 950 °C 的温度燃烧样品。在燃烧过程中,样品中的所有氮都会转化为氮氧化物,然后氮氧化物被还原为氮气,并使用热导检测器进行定量分析。然后,可以使用特定的转换系数计算出蛋白质含量。

比较:凯氏定氮法 vs. 杜马斯定氮法

以下部分从分析时间、每次分析的成本和安全性方面对这两种方法进行了比较。

分析时间和人员部署

凯氏定氮法的分析时间至少为100分钟。使用批量方法,一天最多可分析100个样品,但分析单个样品所需的时间与分析整个批次样品的时间相同。由于样品制备和处理涉及许多手动步骤,该方法耗时耗力。

采用杜马斯定氮法,每个样品的分析时间为4-5分钟,也就是说,即使是单个样品,也能比凯氏定氮法更快地获得结果。这使得杜马斯定氮法更适合于监控和优化工艺流程,并及时做出决策。在正常工作日,杜马斯定氮法最多可测量200个样品,是凯氏定氮法样品数量的两倍(见图1)。由于自动化程度高,样品称重后即可进行无人值守运行:无人值守运行时间最长可达七小时,使操作员能够专注于实验室的其他工作。

每次分析成本

凯氏定氮法每次分析的成本约为 €6*。主要成本因素包括化学品成本、化学品的正确处置以及人员成本。此外,该方法需要通风橱空间,而通风橱空间通常有限且成本高昂。相比之下,杜马斯法每次分析的成本在€0.25* - €0.49*之间,具体取决于分析仪和所用的载气(氦气、氩气或二氧化碳,取决于仪器型号)。

* 费用因国家而异

安全环保

凯氏定氮法使用浓硫酸和催化剂,这些物质对操作人员和环境都具有危害性。分析过程中会产生有害气体,如果处理不当,会对人体造成危害。工作场所处理危险物质也存在风险。此外,分析过程中产生的废液对环境有害,需要昂贵的处理费用。每分析2,000个样品,就会产生约560升化学废物。

另一方面,杜马斯法无需使用任何有害或有毒化学品。分析过程安全无害,高度自动化几乎消除了操作员的错误。分析2,000个样品仅产生560克废弃物,且可直接常规处理。直接比较,凯氏法分析2,000个样品后产生的废液量是杜马斯法的1,000倍(使用rapid N exceed®杜马斯氮/蛋白质分析仪,凯氏法产生560升液体废液,而杜马斯法产生0.56千克固体废物)。

结论

样品处理量高的实验室将受益于更快的杜马斯法定氮法,因为与凯氏定氮法相比,杜马斯法在同一时间内可以分析的样品数量大约是凯氏定氮法的两倍。在人工成本方面,杜马斯法更具优势,因为分析过程基本无人值守,从而解放了实验室人员,使其可以专注于其他工作。由于更高的人工和材料成本,以及耗时的废弃物处理,凯氏定氮法的单次分析成本明显高于杜马斯法。此外,企业需要考虑,危险废弃物的产生(这些可以通过其他技术避免)是否仍然符合时代发展及其企业理念。

杜马斯法定氮标准

杜马斯法取代凯氏定氮法,也解释了为什么全球越来越多的标准规定采用杜马斯法进行氮测定。以下是按样品类型分组的杜马斯法定氮标准摘录。

以下标准根据 Dumas 方法规定了食品和饮料的氮测定方法(节选):

标准年份标题
AOAC 992151996肉和肉制品中的粗蛋白
AOAC 992231998谷物和油籽中的粗蛋白
AOAC 997092008啤酒、麦汁和酿造谷物中的氮。蛋白质(总)计算。燃烧法。
ASBC 蛋白质方法2010蛋白质方法
DIN EN ISO 148912002乳和乳制品-氮含量的测定-根据DUMAS原则使用燃烧的常规方法
DIN EN ISO 16634-22016谷物、豆类、谷物制品、油籽和动物饲料--根据杜马斯原理通过燃烧测定总氮含量并计算粗蛋白含量
EBC2016使用凯氏定氮法和杜马斯法测定啤酒、麦汁和麦芽中的总氮
欧盟药典05 TNb2005总蛋白质
ICC 1672000用杜马斯燃烧原理测定食品和饲料用谷物及谷物制品中的粗蛋白质
ISO 148912002奶和奶制品-氮含量的测定-根据杜马斯原理采用燃烧的常规方法

以下标准根据 Dumas 方法规定了动物饲料的氮测定方法(节选):

标准年份标题
AOAC 990031998动物饲料中的蛋白质(粗蛋白
AOCS Ba 4e931999测定粗蛋白的通用燃烧法
DIN EN ISO 16634-12008食品-根据杜马斯原理通过燃烧测定总氮含量并计算粗蛋白含量-第 1 部分:油籽和动物饲料

以下标准规定了根据 Dumas 方法对土壤样品、植物样品和肥料(节选)进行的氮测定:

标准年份名称
AOAC 993131997肥料中的氮(总氮
DIN EN 13654-22002土壤改良剂和生长介质--氮的测定--第 2 部分:杜马斯法
DIN ISO 138781998土壤质量-通过干燃烧(元素分析)测定总氮含量

以下标准规定了根据 Dumas 法测定废弃物中氮含量的方法(节选):

标准年份标题
DIN EN 161682016污泥、经处理的生物废料和土壤--采用干燃烧法测定总氮

以下标准根据 Dumas 方法规定了液体燃料的氮测定方法(节选):

标准年份标题
ISO 18611-22014船舶与海洋技术--船用氮氧化物还原剂 AUS 40--第 2 部分:测试方法
ISO 22241-22019柴油发动机-氮氧化物还原剂 AUS 32

以下标准根据 Dumas 方法规定了橡胶的氮测定方法(节选):

标准年份标题
ISO 24698-12018生橡胶 - 确定丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)中的结合丙烯腈含量 - 第 1 部分:燃烧(杜马斯)法

更多信息

有关凯氏定氮法和杜马斯定氮法区别的更多信息,请下载下面的技术说明

杜马斯-氮/蛋白质分析的有效方法
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"运用杜马斯定氮法测定乳制品中的氮/蛋白质 "的应用简报中,您可以了解杜马斯法和凯氏定氮法在乳和乳制品分析中的比较。

杜马斯法分析奶制品
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阅读我们的 "焦点客户",了解慕尼黑工业大学魏恩斯泰芬酿造和食品质量研究中心为何决定进行技术变革,以及该团队现在如何通过改用杜马斯定氮仪来提高食品和饮料质量控制的效率和可持续性。

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