付宇新 胡燕 王莉 賀義昌 曹冰 王召瀅 華小菊 曾凡新

摘要 [目的]為了減少化學(xué)廢液排放，降低檢測(cè)成本，提高檢測(cè)效率，對(duì)測(cè)定植物、食品全氮或蛋白質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)方法提出改進(jìn)和優(yōu)化。[方法]選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)遼寧大米和芹菜作為檢測(cè)樣品，采用減少稱(chēng)樣量、硫酸、加速劑及蒸餾試劑量的改進(jìn)方法和現(xiàn)行植物食品全氮測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。[結(jié)果]使用改進(jìn)方法測(cè)定樣品中全氮含量，其結(jié)果的RSD值小于5%，與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)指定值的相對(duì)誤差均小于5%，說(shuō)明改進(jìn)優(yōu)化后的測(cè)定方法的精密度及準(zhǔn)確性符合檢測(cè)分析的要求。[結(jié)論]該方法減少了試劑藥品的試驗(yàn)用量，尤其是濃硫酸的使用量，降低了檢測(cè)成本，效率有所提升，對(duì)環(huán)境污染減少，適合植物、食品全氮或蛋白質(zhì)的測(cè)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(cè)定方法;改進(jìn)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào) TS207.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）04-0198-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.053

Improvement and Optimization of the Determination Method of Total Nitrogen in Plants and Food

FU Yu-xin1，2，HU Yan1，WANG Li1 et al （1.Jiangxi Academy of Forestry，Nanchang，Jiangxi 330013;2.College of Forestry，Jiangxi Agricultural University，Nanchang，Jiangxi 330045）

Abstract [Objective]In order to reduce the discharge of chemical waste liquid，reduce the cost of detection and improve the efficiency of detection，the improvement and optimization of the standard method for the determination of total nitrogen or protein content in plants and food were proposed.[Method]The national standard substances Liaoning rice and celery were selected as the test samples，and the improved method of reducing the sample amount，sulfuric acid，accelerant and distillation reagent，and the current standard method of determination of total nitrogen in plant food were used for the test，and the results were compared.[Result]The improved method was used to determine the total nitrogen content in the sample.The RSD value of the result was less than 5%，and the relative error with the standard material value was less than 5%，indicating that the precision and accuracy of the improved and optimized determination method met the requirements of detection and analysis.[Conclusion]The method reduces the test dosage of reagents and drugs，especially the use of concentrated sulfuric acid，reduces the detection cost，improves efficiency，reduces environmental pollution.It is suitable for the determination of total nitrogen or protein in plants and food，and can be popularized and used.

Key words Total nitrogen;Protein;Kjeldahl nitrogen;Plant;Food;Determination method;Improvement and optimization

基金項(xiàng)目 江西省林業(yè)科學(xué)院重大科技項(xiàng)目（2018512101）。

作者簡(jiǎn)介 付宇新（1983—），男，湖北黃岡人，助理研究員，碩士，從事森林培育研究。

收稿日期 2020-08-04;修回日期 2020-08-18

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的大量營(yíng)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(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。及時(shí)掌握植物的全氮或蛋白質(zhì)含量，在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(cè)定成為營(yíng)養(yǎng)分析和評(píng)價(jià)中最重要的項(xiàng)目之一。

目前，關(guān)于氮含量測(cè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)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(kāi)道爾1883年研究蛋白質(zhì)時(shí)提出來(lái)的，主要原理是用濃硫酸消煮，借助催化劑加速有機(jī)質(zhì)的分解，使有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)的銨態(tài)氮，最后用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定蒸餾出的氨[8]。我國(guó)現(xiàn)行有效的GB 5009.5—2016、LY/T 1228—2015、NY/T 2017—2011等標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)方法都有不同的適用范圍，針對(duì)的樣品類(lèi)型有所不同。在GB 5009.5—2016標(biāo)準(zhǔn)方法中，試樣處理過(guò)程對(duì)于硫酸、硫酸銅和硫酸鉀的消耗大，不僅增加檢測(cè)成本，而且由于試劑藥品的消耗多，必定對(duì)環(huán)境造成一定程度的影響[17]。因此，該研究通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)植物或食品凱氏定氮法的氮含量測(cè)定方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，嘗試減少稱(chēng)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(shí)間，減少化學(xué)廢液產(chǎn)生，提高檢測(cè)效率，以期探尋更為高效、準(zhǔn)確、低污染測(cè)定植物和食品氮或蛋白質(zhì)含量的測(cè)定方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)芹菜GBW10048（GSB-26）、遼寧大米GBW10043（GSB-21），生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，中國(guó)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(dòng)凱氏定氮儀（瑞士步琪，K-360）;自動(dòng)電位滴定儀（瑞士萬(wàn)通，877）;電子天平（梅特勒，ME104E）;石墨消解儀（濟(jì)南精銳，JKXZ10-20B）。硫酸、硼酸、氫氧化鈉等購(gòu)自南昌華科化玻生物儀器有限公司;去離子水為實(shí)驗(yàn)室純水儀自制。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)原理。

樣品中的含氮有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，根據(jù)酸的消耗量計(jì)算氮含量，即為樣品中全氮的含量。

1.3.2 試驗(yàn)處理。

1.3.2.1 方法一（改進(jìn)方法）。分別精確稱(chēng)取0.1～0.2 g（精確至 0.000 1 g）的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)芹菜（GSB-26）和遼寧大米（GSB-21），加入開(kāi)氏消解管中。每個(gè)消解管內(nèi)加入加速劑（混合加速劑配制：硫酸鉀100 g、硫酸銅10 g，研磨成粉，混合均勻）2 g，緩慢加入濃硫酸 5 mL。放入石墨消解儀中，按照設(shè)定消解程序（表1）進(jìn)行消解，消解完全后，取出，待冷卻至室溫后，上機(jī)備測(cè)。

1.3.2.2 方法二（國(guó)標(biāo)方法）。參考《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》GB 5009.5—2016中第一法自動(dòng)凱氏定氮法的分析方法，分別精確稱(chēng)取0.1～0.2 g（精確至 0.000 1 g）的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)芹菜（GSB-26）和遼寧大米（GSB-21），加入開(kāi)氏消解管中。每個(gè)消解管內(nèi)加入加速劑（硫酸鉀6 g、硫酸銅0.4 g），緩慢加入濃硫酸20 mL。放入石墨消解儀中，按照設(shè)定消解程序（表1）進(jìn)行消解，消解完全后，取出，待冷卻至室溫后，上機(jī)備測(cè)。

1.3.3 全氮測(cè)定。參考《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》GB 5009.5—2016中第一法自動(dòng)凱氏定氮法的分析方法，全自動(dòng)凱氏定氮儀參數(shù)設(shè)置為氫氧化鈉溶液70 mL、純水10 mL、硼酸溶液50 mL，蒸餾時(shí)間5 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)方法的精密度和準(zhǔn)確度分析

選擇芹菜和遼寧大米2種高氮含量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為代表性樣品進(jìn)行研究，采用上述方法一（改進(jìn)方法）和方法二（國(guó)標(biāo)方法）分別試驗(yàn)4次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2～3。

通過(guò)減少硫酸和加速劑使用量進(jìn)行樣品全氮消解，即方法一，并進(jìn)行全自動(dòng)凱氏定氮結(jié)合全自動(dòng)電位滴定分析，遼寧大米和芹菜的檢測(cè)結(jié)果分別為1.23%、2.63%（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)），而用國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.8—2016的凱氏定氮法，即方法二，檢測(cè)結(jié)果分別為1.22%和2.68%。從兩者的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，方法一和方法二測(cè)定結(jié)果基本一致。在2種方法處理下，每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，說(shuō)明2種方法的精密度均良好。

每組試驗(yàn)獲得的遼寧大米和芹菜樣品全氮含量與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)認(rèn)定值進(jìn)行相對(duì)誤差的計(jì)算，遼寧大米的全氮含量與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值之間的相對(duì)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(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)誤差均小于方法二所測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果，可見(jiàn)改進(jìn)后的樣品處理方法稍好于國(guó)家食品標(biāo)準(zhǔn)方法。同時(shí)它們的相對(duì)誤差均在5%以下，由此可以說(shuō)明2種方法的檢測(cè)準(zhǔn)確性較高，滿(mǎn)足檢測(cè)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(cè)工作中，針對(duì)全氮或蛋白質(zhì)含量較高的樣品或一般樣品，通過(guò)減少稱(chēng)樣量和硫酸用量的處理方法，或者在不改變稱(chēng)樣量的前提下，減少硫酸使用量，均能獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，證明這樣的改進(jìn)和優(yōu)化是可行的。

2.2 2種方法試劑和耗時(shí)比較

方法一和方法二對(duì)樣品的前處理過(guò)程是相同的，不同的是所加試劑藥品用量。對(duì)2種方法的試劑和耗時(shí)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表4），方法一即改進(jìn)優(yōu)化方法，試樣處理僅需要加5 mL硫酸、2.0 g加速劑（硫酸銅和硫酸鉀）;而方法二即國(guó)標(biāo)方法，則需要加入20 mL硫酸、6.4 g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(duì)樣品氮含量測(cè)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(yàn)則可以直接減少硫酸用量300 mL，減少加速劑（硫酸鉀和硫酸銅）用量88.0 g。通過(guò)比較可以明顯看出，改進(jìn)方法后，極大減少了硫酸和加速劑的使用量，降低了檢測(cè)成本。同時(shí)，方法一蒸餾檢測(cè)過(guò)程，氫氧化鈉溶液使用量是40 mL/支消解管和硼酸溶液的用量是30 mL/支消解管，均比方法二減少近50%，如果按照每批試驗(yàn)使用20支消解管計(jì)算，則可以減少氫氧化鈉溶液和硼酸溶液分別為600和400 mL，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(duì)環(huán)境的污染。

試樣消解處理時(shí)間上進(jìn)行比較，方法一每批樣品（以20支消解管）所需時(shí)間是150 min，比方法二縮短了30 min。而上機(jī)測(cè)試時(shí)間，方法一比方法二節(jié)省1 min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(jìn)入中和滴定階段，縮短了到達(dá)滴定電位等電點(diǎn)時(shí)間，快速獲得結(jié)果。整體上來(lái)看，方法一在檢測(cè)效率上會(huì)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(dòng)強(qiáng)度。

3 結(jié)論與討論

目前，檢測(cè)土壤、植物和食品中全氮或蛋白質(zhì)含量時(shí)，一般采用凱氏定氮法，即通過(guò)加入加速劑和硫酸消解后進(jìn)行滴定的方法。國(guó)內(nèi)根據(jù)凱氏定氮法制定了GB 5009.5—2016、LY/T 1228—2015、NY/T 2017—2011等標(biāo)準(zhǔn)方法，這些標(biāo)準(zhǔn)方法適用范圍雖然不同，但全氮含量測(cè)定均涉及消解、蒸餾和滴定等關(guān)鍵分析步驟。針對(duì)植物和食品類(lèi)樣品測(cè)定全氮或蛋白質(zhì)含量，可以通過(guò)減少稱(chēng)樣量、減少硫酸和加速劑的使用量，且優(yōu)化樣品前處理過(guò)程，縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)這樣的方法改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硫酸使用量的極大減少，加上優(yōu)化消解測(cè)試程序后，縮短整個(gè)分析測(cè)試時(shí)間，不僅降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約時(shí)間和能耗，而且減少試劑藥品的使用量，從而有效減少對(duì)環(huán)境的污染。

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