آشنایی مختصر با متد کجلدال/کلدال و چگونگی نام گذاری:

نیتروژن از آن دسته از عناصر است که به مقدار زیاد روی کره ی زمین یافت میشود و آن را میتوان در هوایی که تنفس میکنیم و یا بسیاری از واکنش های شیمیایی طبیعی و یا مصنوعی ببینیم. در بسیاری از صنایع این عنصر به عنوان یک واکنش دهنده یا یکی از فرآورده های اصلی بشمار میرود به همین دلیل طبیعی ست که ما نیازمند به یک روش دقیق برای تعیین غلظت آن باشیم.

متد کجلدال یک روش رایج برای تعیین میزان نیتروژن در مواد آلی و معدنی است. این روش مبتنی بر تبدیل نیتروژن به آمونیاک است که پس از آن با استفاده از تیتراسیون تبدیل به یک مقدار کمی می شود. متد کلدال به افتخار دانشمند دانمارکی S.P.J. Kjeldahl که این تکنیک را در دهه 1800 توسعه داد نام گذاری شد.

مثال هایی از کاربرد های متد کلدال/کجلدال :

در صنایع غذایی، آزمایش نیتروژن به تعیین مقدار پروتئین موجود در مواد غذایی برای اهداف کنترل کیفیت و برچسب گذاری کمک می‌کند. استانداردهای ISO که آنالیز Kjeldahl را مشخص می‌کند شامل آزمایش محصولات غذایی عمومی، غلات و حبوبات، محصولات شیر، دانه ‌های روغنی و خوراک دام است. بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب نیز باید سطح نیتروژن آب را قبل از تخلیه بررسی کنند. نیتروژن اضافی در آب های سطحی می تواند منجر به اوتروفیکاسیون شود، غنی شدن آب های سطحی باعث رشد بیش از حد جلبک ها و گیاهان می شود. استانداردهای بین المللی، مانند ISO 22447:2019 و دستورالعمل اتحادیه اروپا 91/271/EEC، تخلیه نیتروژن را تنظیم می کند.

چگونگی انجام آزمایش کلدال/کجلدال:

به طور کلی انجام عمل کانی زایی با استفاده از یک اسید قوی در حضور سلنیوم و مس روی نمونه باعث میشود تا تمامی مواد بر پایه ی نیتروژن از بنیان نیتروژن دار خود جدا شده و آن بخش شامل نیتروژن به آمونیوم سولفات تبدیل شود؛ این اصل، پایه و اساس متد کجلدال یا کلدال است. به منظور انجام صحیح تر عمل هضم در این آزمایش، به محیط نمونه مقداری سدیم سولفات نیز اضافه میشود

همانطور که گفته شد تقطیر مواد معدنی در یک محیط قلیایی در محلولی از اسید سولفوریک رقیق (از اسید بوریک نیز میتوان به عنوان جایگزین استفاده نمود) باعث آزاد شدن آمونیاک میشود. حال میتوان این آمونیاک را با استفاده از روش های مناسب مورد آنالیز قرار داد و میزان نیتروژن نمونه را بدست آورد.

نباید ها و محدودیت های آزمایش کلدال/کجلدال:

با استفاده از این روش، کاربر محدودیت هایی در سنجش نیتروژن موجود در نمونه دارد و اگر به هر کدام از شکل های آزید، آزین، آزو، هیدرازین، نیترات، نیتریت، نیتروزو، اکسیم، نیمه کاربازون و نیتریل در نمونه نیتروژن وجود داشته باشد از این روش قابل محاسبه نیست. کاربران در هنگام انجام این آزمایش باید توجه داشته باشند که قسمتی از نمونه باید در محیط مرطوب و همگن مورد آزمایش قرار گیرد زیرا خشک شدن نمونه میتواند باعث از بین رفتن قسمتی از آمونیاک آزاد را از بین ببرد (مقدار آمونیاک آزاد بسته به پی اچ محیط دارد).

تجهیزات و مواد لازم برای استفاده در آزمایش سنجش نیتروژن کجلدال/کلدال:

1. دستگاه هضم یا ترموراکتور : نکته مهم در هنگام خرید و استفاده از این دستگاه ها توجه به ظرفیت آن ها است. کاربران میتوانند برای انجام آزمایشات خود از دستگاه SH220F کمپانی Hanon استفاده نمایند که پاسخگوی غالب نیاز های آزمایشگاهی است و از ویژگی های آن میتوان به 20 خانه بودن و توانایی گرم کردن نمونه تا 650 درجه سانتیگراد با استفاده از تکنولوژی مادون قرمز اشاره داشت.
2. دستگاه تقطیر: دستگاه هضم یا همان ترموراکتور باید مستقیما به یک دستگاه تقطیر متشکل از یک سر ستون تقطیر بدون بازگشت، یک کندانسور و یک لوله خروجی که در ظرف محلول جاذب شناور است، متصل شود. کاربران میتوانند برای انجام عمل تقطیر از دستگاه تقطیر اتوماتیک K9840F کمپانی Hanon استفاده نمایند که دامنه ی نیتروژن آن برابر است با 1 تا 240mgN.
3. رگولاتور های نقطه جوش مانند گرانول
4. اسید سولفوریک (H₂SO₄)
5. کاتالیزور های کانی ساز مانند مس و سلنیوم که مس گزینه ی بهتری است
6. محلول هیدروکسید سدیم
7. اسید بوریک H₃BO₃

روند انجام آزمایش متد کجلدال

• هضم نمونه با اسید سولفوریک غلیظ برای تبدیل نیتروژن آلی به آمونیوم.
• افزودن هیدروکسید سدیم پس از «پاک شدن» نمونه برای آزادسازی نیتروژن به عنوان گاز آمونیاک (NH3).
• هدایت گاز به محلول اسید بوریک که گاز را دوباره به آمونیوم تبدیل می کند.
• تیتراسیون، به عنوان مثال با اسید سولفوریک، برای تعیین مقدار آمونیوم – و بنابراین مقدار کل نیتروژن آلی و آمونیوم – در نمونه اصلی.

فرمول ها و محاسبات مورد نیاز برای بدست آوردن نتیجه در متد کلدال (کجلدال):

NH3 دارای جرم مولی معادل با 17 گرم بر مول است. و یک مول از آمونیاک (NH3) حاوی 14 گرم نیتروژن است. در نتیجه می توان از فرمول زیر برای محاسبه درصد نیتروژن استفاده کرد: 1.4×V×NW

در این فرمول W برابر است با وزن نمونه (بر حسب گرم)، V برابر است با حجم اسید مورد استفاده در تیتراسیون (با واحد میلی لیتر) و N نیز با نرمالیته ی اسید معادل میباشد.

فرمول واکنش های شیمیایی انجام شده در مراحل مختلف آزمایش متد کجلدال:

• مرحله ی هضم

H₂SO₄ + 2NaoH ——> Na₂So₄ + H₂O

ازت آلی + H₂SO₄ ——>(NH₄)₂SO₄ (سولفات آمونیوم)

• مرحله ی تقطیر

(NH₄)₂SO₄ + 2NaoH ——> 2NH₃ + Na₂So₄ + H₂O

NH₃ + H₃BO₃ ——> NH₄H₂BO₃

• مرحله ی تیتراسیون

NH₃H₂BO₃ + H₂SO₄ ——> (NH₄)₂SO₄ + H₃BO₃

از دیگر کاربرد های روش کلدال یا کجلدال علاوه بر سنجش میزان نیتروژن میتوان به تعیین میزان پروتئین یک نمونه نیز اشاره داشت. همانطور که دیدیم در این روش از اسیدهای قوی برای تجزیه مواد غذایی استفاده می شود که پس از آن نمونه نیتروژن آزاد می کند که می تواند با استفاده از روش تیتراسیون مناسب اندازه گیری شود. سپس از محتوای نیتروژن نمونه میتوان برای تعیین میزان پروتئین موجود در آن استفاده کرد.

فواید استفاده از متد کجلدال:

• دقت و تکرارپذیری بالا برای تعیین پروتئین در غذاها
• تکنیک استاندارد برای ارزیابی تمام تکنیک های دیگر

اشکالات استفاده از متد کجلدال :

• فقط آمونیوم و نیتروژنی که به مواد آلی (پروتئین ها، اسیدهای آمینه و اسیدهای نوکلئیک) متصل هستند با این روش اندازه گیری می شوند
• از این روش نمی توان برای اندازه گیری سایر اشکال نیتروژن مانند نیترات و نیتریت استفاده کرد

جهت آگاهی بیشتر:

افزایش تقاضا برای تعیین مقدار نیتروژن (N)، و در نتیجه پروتئین خام (CP)، منجر به استفاده گسترده ‌تر از روش جدید دوما به جای روش‌های سنتی متد کجلدال شده است. اگرچه روش های Kjeldahl (از این جا به بعد آن را با KN نشان میدهیم که همان متد کجلدال) و Dumas (از این جا به بعد آن را با DN نشان میدهیم) بخش‌های مختلف نیتروژن را نشان می‌دهند، مطالعات منتشر شده در مورد شیر خشک، خوراک دام و محصولات گوشتی نشان داده ‌اند که DN می‌تواند با دقت بیشتری که در محاسبات دارد جایگزین KN شود. این مطالعه برای تعیین اینکه آیا روش DN می‌تواند جایگزین KN در طیف وسیع‌تری از غذاها برای محاسبه CP (پروتئین خام) شود، انجام شد.

تجزیه و تحلیل آماری بر روی مقادیر KN و DN سنجش شده داخلی همراه با مقادیر KN و DN منتشر شده برای محصولات غذایی انتخاب شده انجام شد. در محدوده 0.05 تا 6.8% ، مقداری که از روش KN  به دست می آید را می توان از DN با معادله روبرو تخمین زد: KN=1·00(P<0·01)×DN-0·09(P=0·50) (n =101، R2=0·98، P-رگرسیون<0.01). پروتئین خام به طور مستقل از دو معادله ی CP1=H×KN یا CP2=H×KN:DN×DN، محاسبه شد که در آن H عامل تبدیل نیتروژن به پروتئین برای گروه غذایی است.

میانگین تفاوت بین مقادیر CP1 و CP2 برای لبنیات، دانه‌های روغنی، خوراک، شیر خشک و غذاهای کودک، غلات، گوشت و فرآورده‌های گوشتی، سبزیجات و محصولات گیاهی و میوه 0% و برای ماهی 1% بود. این نتایج نشان می‌دهد که در صورت استفاده از ضرایب مناسب، DN ممکن است جایگزین متد کجلدال برای تعیین N و CP در گروه‌های غذایی شود.