植物和食品全氮含量測定方法改進優(yōu)化
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摘要:［目的］為了減少化學(xué)廢液排放，降低檢測成本，提高檢測效率，對測定植物、食品全氮或蛋白質(zhì)含量的標準方法提出改進和優(yōu)化。［方法］選擇國家標準物質(zhì)遼寧大米和芹菜作為檢測樣品，采用減少稱樣量、硫酸、加速劑及蒸餾試劑量的改進方法和現(xiàn)行植物食品全氮測定標準方法進行試驗，并對結(jié)果進行比較。［結(jié)果］使用改進方法測定樣品中全氮含量，其結(jié)果的RSD值小于5%，與標準物質(zhì)指定值的相對誤差均小于5%，說明改進優(yōu)化后的測定方法的精密度及準確性符合檢測分析的要求。［結(jié)論］該方法減少了試劑藥品的試驗用量，尤其是濃硫酸的使用量，降低了檢測成本，效率有所提升，對環(huán)境污染減少，適合植物、食品全氮或蛋白質(zhì)的測定，可以推廣使用。
關(guān)鍵詞:全氮;蛋白質(zhì);凱氏定氮;植物;食品;測定方法;改進優(yōu)化
氮是植物生長發(fā)育過程中必不可少的大量營養(yǎng)元素，是構(gòu)成蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素及各種酶等的重要成分，一般占植物組織干物重的0．3%～5．0%，它直接影響到植物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)［1－2］。及時掌握植物的全氮或蛋白質(zhì)含量，在生產(chǎn)經(jīng)營和科學(xué)研究上有著非常重要的意義［3－6］。因此，植物或食品樣品中氮含量的測定成為營養(yǎng)分析和評價中最重要的項目之一。目前，關(guān)于氮含量測定的方法主要有蒸餾法［7－10］、分光光度法和燃燒法等［11－17］，其中凱氏定氮法是目前各實驗室測定樣品氮或蛋白質(zhì)含量最主要的方法。該方法是丹麥人開道爾1883年研究蛋白質(zhì)時提出來的，主要原理是用濃硫酸消煮，借助催化劑加速有機質(zhì)的分解，使有機氮轉(zhuǎn)化為無機態(tài)的銨態(tài)氮，最后用標準酸滴定蒸餾出的氨［8］。我國現(xiàn)行有效的GB5009．5—2016、LY/T1228—2015、NY/T2017—2011等標準方法選擇采用凱氏定氮法作為第一法或主要方法，但這些標準方法都有不同的適用范圍，針對的樣品類型有所不同。在GB5009．5—2016標準方法中，試樣處理過程對于硫酸、硫酸銅和硫酸鉀的消耗大，不僅增加檢測成本，而且由于試劑藥品的消耗多，必定對環(huán)境造成一定程度的影響［17］。因此，該研究通過試驗，對植物或食品凱氏定氮法的氮含量測定方法進行改進和優(yōu)化，嘗試減少稱樣量，減少硫酸、硫酸銅、硫酸鉀及蒸餾反應(yīng)試劑的加入量，以縮短消解時間，減少化學(xué)廢液產(chǎn)生，提高檢測效率，以期探尋更為高效、準確、低污染測定植物和食品氮或蛋白質(zhì)含量的測定方法。
1材料與方法
1．1試驗材料
國家標準物質(zhì)芹菜GBW10048(GSB－26)、遼寧大米GBW10043(GSB－21)，生物成分分析標準物質(zhì)，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。
1．2儀器與試劑
全自動凱氏定氮儀(瑞士步琪，K－360);自動電位滴定儀(瑞士萬通，877);電子天平(梅特勒，ME104E);石墨消解儀(濟南精銳，JKXZ10－20B)。硫酸、硼酸、氫氧化鈉等購自南昌華科化玻生物儀器有限公司;去離子水為實驗室純水儀自制。
1．3試驗方法
1．3．1試驗原理。樣品中的含氮有機化合物在加速劑的催化加熱下被分解，產(chǎn)生的氨與硫酸結(jié)合生成硫酸銨。堿化蒸餾使氨游離，用硼酸吸收后以硫酸或鹽酸標準滴定溶液滴定，根據(jù)酸的消耗量計算氮含量，即為樣品中全氮的含量。1．3．2試驗處理。1．3．2．1方法一(改進方法)。分別精確稱取0．1～0．2g(精確至0．0001g)的標準物質(zhì)芹菜(GSB－26)和遼寧大米(GSB－21)，加入開氏消解管中。每個消解管內(nèi)加入加速劑(混合加速劑配制:硫酸鉀100g、硫酸銅10g，研磨成粉，混合均勻)2g，緩慢加入濃硫酸5mL。放入石墨消解儀中，按照設(shè)定消解程序(表1)進行消解，消解完全后，取出，待冷卻至室溫后，上機備測。1．3．2．2方法二(國標方法)。參考《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》GB5009．5—2016中第一法自動凱氏定氮法的分析方法，分別精確稱取0．1～0．2g(精確至0．0001g)的標準物質(zhì)芹菜(GSB－26)和遼寧大米(GSB－21)，加入開氏消解管中。每個消解管內(nèi)加入加速劑(硫酸鉀6g、硫酸銅0．4g)，緩慢加入濃硫酸20mL。放入石墨消解儀中，按照設(shè)定消解程序(表1)進行消解，消解完全后，取出，待冷卻至室溫后，上機備測。1．3．3全氮測定。參考《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》GB5009．5—2016中第一法自動凱氏定氮法的分析方法，全自動凱氏定氮儀參數(shù)設(shè)置為氫氧化鈉溶液70mL、純水10mL、硼酸溶液50mL，蒸餾時間5min。
2結(jié)果與分析
2．1試驗方法的精密度和準確度分析
選擇芹菜和遼寧大米2種高氮含量的國家標準物質(zhì)作為代表性樣品進行研究，采用上述方法一(改進方法)和方法二(國標方法)分別試驗4次，測定結(jié)果見表2～3。通過減少硫酸和加速劑使用量進行樣品全氮消解，即方法一，并進行全自動凱氏定氮結(jié)合全自動電位滴定分析，遼寧大米和芹菜的檢測結(jié)果分別為1．23%、2．63%(以質(zhì)量分數(shù)計)，而用國家食品安全標準GB5009．8—2016的凱氏定氮法，即方法二，檢測結(jié)果分別為1．22%和2．68%。從兩者的檢測結(jié)果來看，方法一和方法二測定結(jié)果基本一致。在2種方法處理下，每組試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的相對標準偏差均小于5%，說明2種方法的精密度均良好。每組試驗獲得的遼寧大米和芹菜樣品全氮含量與國家標準物質(zhì)證書認定值進行相對誤差的計算，遼寧大米的全氮含量與標準物質(zhì)認定值之間的相對誤差分別是3．59%(方法一)和4．76%(方法二)，芹菜的分別為1．33%和3．08%，方法一所測的數(shù)據(jù)結(jié)果相對誤差均小于方法二所測得的數(shù)據(jù)結(jié)果，可見改進后的樣品處理方法稍好于國家食品標準方法。同時它們的相對誤差均在5%以下，由此可以說明2種方法的檢測準確性較高，滿足檢測分析的質(zhì)量要求。以上結(jié)果表明，在植物和食品中全氮或蛋白質(zhì)含量檢測工作中，針對全氮或蛋白質(zhì)含量較高的樣品或一般樣品，通過減少稱樣量和硫酸用量的處理方法，或者在不改變稱樣量的前提下，減少硫酸使用量，均能獲得準確的檢測結(jié)果，證明這樣的改進和優(yōu)化是可行的。
2．22種方法試劑和耗時比較
方法一和方法二對樣品的前處理過程是相同的，不同的是所加試劑藥品用量。對2種方法的試劑和耗時進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表4)，方法一即改進優(yōu)化方法，試樣處理僅需要加5mL硫酸、2．0g加速劑(硫酸銅和硫酸鉀);而方法二即國標方法，則需要加入20mL硫酸、6．4g加速劑，其硫酸用量是方法一的4倍，加速劑用量也相差3倍。目前，對樣品氮含量測定的消解儀以20孔為主，那么完成一批(以20支消解管算)試驗則可以直接減少硫酸用量300mL，減少加速劑(硫酸鉀和硫酸銅)用量88．0g。通過比較可以明顯看出，改進方法后，極大減少了硫酸和加速劑的使用量，降低了檢測成本。同時，方法一蒸餾檢測過程，氫氧化鈉溶液使用量是40mL/支消解管和硼酸溶液的用量是30mL/支消解管，均比方法二減少近50%，如果按照每批試驗使用20支消解管計算，則可以減少氫氧化鈉溶液和硼酸溶液分別為600和400mL，能夠有效減少化學(xué)廢液的產(chǎn)生和排放，一定程度上可以減少對環(huán)境的污染。試樣消解處理時間上進行比較，方法一每批樣品(以20支消解管)所需時間是150min，比方法二縮短了30min。而上機測試時間，方法一比方法二節(jié)省1min左右，這主要是由于酸量減少，最終蒸餾液中游離的NH4+/H+增大，能夠迅速進入中和滴定階段，縮短了到達滴定電位等電點時間，快速獲得結(jié)果。整體上來看，方法一在檢測效率上會有一定的提升，不僅減少了能源和水的消耗，而且有效地降低了人員勞動強度。
3結(jié)論與討論
目前，檢測土壤、植物和食品中全氮或蛋白質(zhì)含量時，一般采用凱氏定氮法，即通過加入加速劑和硫酸消解后進行滴定的方法。國內(nèi)根據(jù)凱氏定氮法制定了GB5009．5—2016、LY/T1228—2015、NY/T2017—2011等標準方法，這些標準方法適用范圍雖然不同，但全氮含量測定均涉及消解、蒸餾和滴定等關(guān)鍵分析步驟。針對植物和食品類樣品測定全氮或蛋白質(zhì)含量，可以通過減少稱樣量、減少硫酸和加速劑的使用量，且優(yōu)化樣品前處理過程，縮短試驗時間，降低勞動強度，達到檢測結(jié)果的準確性。通過這樣的方法改進和優(yōu)化，進而實現(xiàn)硫酸使用量的極大減少，加上優(yōu)化消解測試程序后，縮短整個分析測試時間，不僅降低了試驗成本，節(jié)約時間和能耗，而且減少試劑藥品的使用量，從而有效減少對環(huán)境的污染。
作者：付宇新 胡燕 王莉 賀義昌 曹冰 王召瀅 華小菊 曾凡新 單位：江西省林業(yè)科學(xué)院
