ケルダール法

分析化学におけるケルダール法またはケルダール分解（デンマーク語の発音： [ˈkʰelˌtɛˀl]）は、サンプルの有機窒素とアンモニア/アンモニウム（NH ₃ /NH ₄ ^{+ ）を定量的に測定する方法です。修正を加えなければ、}硝酸塩などの他の形態の無機窒素はこの測定には含まれません。ケルダール窒素とタンパク質の経験的関係を使用して、サンプルのタンパク質含有量を間接的に定量する重要な方法です。この方法は、1883年にヨハン・ケルダールによって開発されました。^{[1] [2]}

この方法は、サンプルを濃硫酸（H ₂ SO ₄ ）で360～410℃に加熱し、有機サンプルを酸化分解（「消化」または「破壊」）して、還元された窒素を硫酸アンモニウムとして放出するものである。^[3]高温の濃硫酸は炭素（瀝青炭など）と硫黄（硫酸と炭素の反応を参照）を酸化する。

C + 2 H ₂ SO ₄ → CO ₂ + 2 SO ₂ + 2H ₂ O

S + 2 H ₂ SO ₄ → 3 SO ₂ + 2 H ₂ O

分解を早めるために、セレン、Hg ₂ SO ₄、CuSO ₄などの触媒がよく添加されます。Na ₂ SO ₄やK ₂ SO ₄も添加され、H ₂ SO ₄の沸点を上げます。液体が透明になり煙が出たら分解は完了です。^[3]以下に示す蒸留システムが構築されます。

コンデンサーの端を既知量の標準酸（濃度が既知の酸）に浸します。ホウ酸（H ₃ BO ₃ ）などの弱酸をアンモニアより過剰に使用してよく使用されます。標準化されたHCl、H ₂ SO ₄、またはその他の強酸を代わりに使用することもできますが、これはあまり一般的ではありません。次に、サンプル溶液を少量の水酸化ナトリウム（NaOH）で蒸留します。^{[3] NaOHは}滴下漏斗を使用して追加することもできます。^[4] NaOHはアンモニウム（NH ₄ ⁺）をアンモニア（NH ₃）に反応させ、サンプル溶液を蒸発させます。アンモニアは標準酸溶液に泡立ち、弱酸または強酸と反応してアンモニウム塩に戻ります。^[3]

酸溶液中のアンモニウムイオン濃度、ひいてはサンプル中の窒素量は滴定によって測定されます。ホウ酸（または他の弱酸）を使用した場合は、濃度が既知の強酸を使用して直接酸塩基滴定を行います。HCl または H ₂ SO _{4 を}使用できます。強酸を使用して標準酸溶液を作成した場合は、間接逆滴定が使用されます。つまり、濃度が既知の強塩基（NaOH など）を使用して溶液を中和します。この場合、アンモニアの量は HCl と NaOH の量の差として計算されます。直接滴定の場合、弱酸（ホウ酸など）は滴定を妨げないため、その正確な量を知る必要はありません（アンモニアを効率的に捕捉するには、アンモニアより過剰である必要があります）。したがって、直接滴定では 1 つの標準溶液（HCl など）が必要ですが、逆滴定では 2 つの標準溶液（HCl と NaOH など）が必要です。これらの滴定反応に適した指示薬の一つは田代指示薬である。^[3]

実際には、この分析は大部分が自動化されており、特定の触媒が分解を加速します。当初、触媒として選択されたのは酸化第二水銀でした。しかし、非常に効果的であったものの、健康上の懸念から硫酸第二銅に置き換えられました。硫酸第二銅は酸化第二水銀ほど効率的ではなく、タンパク質の結果も低かったです。すぐに二酸化チタンが補充され、現在ではAOACインターナショナルの公式方法と推奨方法に記載されているタンパク質分析のすべての方法で承認された触媒となっています。^[5]

ケルダール法は、その普遍性、精度、再現性から、食品中のタンパク質含有量を推定する方法として国際的に認められており、他のすべての方法の基準となる標準法となっている。また、土壌、廃水、肥料、その他の物質の分析にも使用されている。しかし、タンパク質中の窒素に加えて非タンパク質窒素も測定するため、真のタンパク質含有量の測定値は得られない。これは、2007年のペットフード事件や、高タンパク質含有量を偽装するために窒素を多く含む化学物質であるメラミンが原材料に添加された2008年の中国の粉ミルクスキャンダルによって証明されている。また、異なるアミノ酸配列を考慮するには、異なるタンパク質に対して異なる補正係数が必要である。さらに、高温で濃硫酸を使用する必要があることや、比較的長い試験時間（1時間以上）などの欠点があり、粗タンパク質含有量の測定にはデュマ法よりも不利である。 ^[6]

総ケルダール窒素（TKN）は、土壌、水、または廃水（下水処理場の排水など）の化学分析における有機物に結合した窒素、アンモニア中の窒素（NH ₃ -N）、およびアンモニウム中の窒素（NH ₄ ⁺ -N）の合計です。

現在、TKN は多くの処理施設における規制報告の必須パラメータであり、また施設の運用を監視する手段としても使用されています。

TKNは食品サンプル中のタンパク質の代用としてよく使用される。TKNからタンパク質への変換は、サンプル中に存在するタンパク質の種類と、タンパク質の何パーセントがアルギニンやヒスチジンなどの窒素含有アミノ酸で構成されているのかによって決まる。しかし、変換係数の範囲は比較的狭い。食品の変換係数の例はN係数と呼ばれ、乳製品では6.38、肉、卵、トウモロコシ、モロコシでは6.25、ほとんどの穀物では5.83、米では5.95、小麦粉では5.70、ピーナッツでは5.46である。^[7]実際には、適用性に関係なく、ほとんどすべての食品と飼料に6.25が使用されている。係数6.25は、他の公表された係数がない場合に、米国の栄養表示規則で特に要求されている。^[8]

ケルダール法は、元のバージョンでは感度が低い。鉱化および蒸留後のNH ₄ ^{+の定量には、}プラズマ原子発光分光計（ICP-AES-HG、10〜25 mg / L）に接続されたインライン水素化物発生器、 ^[10]、電位差滴定（窒素0.1 mg超）、ゾーンキャピラリー電気泳動（窒素1.5μg / mL）、^[11]およびイオンクロマトグラフィー（0.5μg / mL）などの他の検出方法が使用され、感度が向上した。^[12]

ケルダール法は、ニトロ基やアゾ基に窒素を含む化合物、および環に存在する窒素（ピリジン、キノリン、イソキノリンなど）には適用できません。これらの化合物の窒素は、この方法の条件下では 硫酸アンモニウムに変換されないためです。

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• 廃水工学：処理と再利用、Metcalf & Eddy、McGraw-Hill Higher Education、第 4 版、2002 年 5 月 1 日、ISBN 978-0071241403 

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