植物和食品全氮含量測定方法的改進和優(yōu)化

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行植物食品全氮測定標準方法進行試驗，并對結果進行比較。[結果]使用改進方法測定樣品中全氮含量，其結果的RSD值小于5%，與標準物質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、食品全氮或蛋白質的測定，可以推廣使用。

關鍵詞 全氮;蛋白質;凱氏定氮;植物;食品;測定方法;改進優(yōu)化

中圖分類號 TS207.3? 文獻標識碼 A

文章編號 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

基金項目 江西省林業(yè)科學院重大科技項目（2018512101）。

作者簡介 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

氮是植物生長發(fā)育過程中必不可少的大量營養(yǎng)元素，是構成蛋白質、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、產量和品質[1-2]。及時掌握植物的全氮或蛋白質含量，在生產經營和科學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的分解，使有機氮轉化為無機態(tài)的銨態(tài)氮，最后用標準酸滴定蒸餾出的氨[8]。我國現行有效的GB 5009.5—2016、LY/T 1228—2015、NY/T 2017—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GB 5009.5—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、硫酸鉀及蒸餾反應試劑的加入量，以縮短消解時間，減少化學廢液產生，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 國家標準物質芹菜GBW10048（GSB-26）、遼寧大米GBW10043（GSB-21），生物成分分析標準物質，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所。

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，產生的氨與硫酸結合生成硫酸銨。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0.1～0.2 g（精確至 0.000 1 g）的標準物質芹菜（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 食品中蛋白質的測定》GB 5009.5—2016中第一法自動凱氏定氮法的分析方法，分別精確稱取0.1～0.2 g（精確至 0.000 1 g）的標準物質芹菜（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 食品中蛋白質的測定》GB 5009.5—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設置為氫氧化鈉溶液70 mL、純水10 mL、硼酸溶液50 mL，蒸餾時間5 min。

2 結果與分析

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合全自動電位滴定分析，遼寧大米和芹菜的檢測結果分別為1.23%、2.63%（以質量分數計），而用國家食品安全標準GB 5009.8—2016的凱氏定氮法，即方法二，檢測結果分別為1.22%和2.68%。從兩者的檢測結果來看，方法一和方法二測定結果基本一致。在2種方法處理下，每組試驗數據結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%，方法一所測的數據結果相對誤差均小于方法二所測得的數據結果，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，滿足檢測分析的質量要求。

以上結果表明，在植物和食品中全氮或蛋白質含量檢測工作中，針對全氮或蛋白質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果，證明這樣的改進和優(yōu)化是可行的。

2.2 2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，結果發(fā)現（表4），方法一即改進優(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）;而方法二即國標方法，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300 mL，減少加速劑（硫酸鉀和硫酸銅）用量88.0 g。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400 mL，能夠有效減少化學廢液的產生和排放，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150 min，比方法二縮短了30 min。而上機測試時間，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 結論與討論

目前，檢測土壤、植物和食品中全氮或蛋白質含量時，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。國內根據凱氏定氮法制定了GB 5009.5—2016、LY/T 1228—2015、NY/T 2017—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、蒸餾和滴定等關鍵分析步驟。針對植物和食品類樣品測定全氮或蛋白質含量，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，達到檢測結果的準確性。通過這樣的方法改進和優(yōu)化，進而實現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。

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