วันเสาร์ที่ 22 สิงหาคม พ.ศ. 2552

Kjeldahl nitrogen determination method MO Memoir : วันเสาร์ที่ ๑ สิงหาคม ๒๕๕๒

ต้นฉบับเอกสารฉบับนี้ทำขึ้นสำหรับนิสิตปริญญาตรีชั้นปีที่ ๒ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ที่เรียนปฏิบัติการเคมีวิเคราะห์ เพื่อประกอบการเรียนเรื่องการวิเคราะห์หาปริมาณไนโตรเจน

การวิเคราะห์ปริมาณไนโตรเจนในตัวอย่างด้วยเทคนิคที่เรียกว่า Kjeldahl's method (อ่านออกเสียง Kel-dall)นั้นได้รับการพัฒนาขึ้นมาโดยนักเคมีชาวเดนมาร์กชื่อ Johan Kjeldahl ในปีค.ศ. 1883 (พ.ศ. 2426 หรือประมาณกลางสมัยรัชกาลที่ ๕) เทคนิคนี้ถูกจัดให้เป็นวิธีการวิเคราะห์มาตรฐานวิธีการหนึ่งในปัจจุบัน เทคนิคนื้ถูกนำไปใช้หาปริมาณไนโตรเจนในอาหาร (หาปริมาณโปรตีน) ตัวอย่างที่เป็นของแข็งและของเหลวต่าง ๆ เช่นปุ๋ยเคมี (หาปริมาณไนโตรเจนในปุ๋ย) ฯลฯ เทคนิคนี้ใช้หลักการไทเทรตกรด-เบสที่เรียนกันมาในวิชาเคมีทั่วไปหรือเคมีวิเคราะห์ จุดเด่นของวิธีการนี้หาสามารถหาปริมาณไนโตรเจนในตัวอย่างได้รวดเร็วและง่าย สามารถใช้อุปกรณ์ทั่วไปที่มีอยู่แล้วในห้องปฏิบัติการเคมีมาประกอบเป็นชุดเครื่องมือวิเคราะห์ได้ และไม่จำเป็นต้องใช้ผู้ที่ได้รับการฝึกฝนมาเป็นพิเศษ

ในที่นี้จะกล่าวสรุปถึงหลักการและวิธีการของเทคนิคดังกล่าว ส่วนรายละเอียดขอให้อ่านในไฟล์ "A guide to Kjeldahl nitrogen determination" ที่จัดทำโดย Labconco ที่แนบมาด้วย

ขั้นตอนหลัก ๆ ในการวิเคราะห์มีดังนี้

1. การย่อยสลาย (Digestion)

ขั้นตอนนี้เป็นการเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนที่อยู่ในตัวอย่างให้อยู่ในรูปของไอออน NH4+ (หรือสารละลาย (NH4)2SO4) ด้วยการนำไปต้มกับกรดกำมะถันเข้มข้น ระยะเวลาที่ต้องใช้ในการต้ม ปริมาณกรดกำมะถันที่ต้องใช้ จะขึ้นอยู่กับชนิดของสารตัวอย่าง อุปกรณ์ที่ใช้ต้มสารตัวอย่างนั้นมักจะมีการติดตั้งเครื่องควบแน่น (condenser) เอาไว้ด้วยเพื่อลดการระเหยของไอกรด

โดยปรกติแล้วถ้าต้มเพียงแค่ตัวอย่างที่เป็นสารอินทรีย์กับกรดกำมะถันเข้มข้นจะใช้เวลานาน แต่ถ้าเพิ่มเกลือบางชนิดเข้าไปจะทำให้ตัวอย่างที่เป็นสารอินทรีย์นั้นย่อยสลายได้เร็วขึ้น ในห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานของภาควิชานั้นจะใช้เกลือซีเลเนียม (Selenium) เติมลงไปประมาณ 1 ช้อน

2. การกลั่น (Distillation)

หลังจากที่ได้ทำการย่อยสลายตัวอย่างจนสมบูรณ์แล้ว ขั้นตอนต่อไปจะเป็นการแยก NH4+ ที่เกิดขึ้นออกจากตัวอย่างที่ต้มแล้วด้วยการกลั่นแยก ขั้นตอนนี้เริ่มด้วยการนำเอาตัวอย่างที่ต้มแล้วมาทำการสะเทินด้วยสารละลาย NaOH เข้มข้น 50 wt% (เอา NaOH 500 กรัมมาละลายน้ำแล้วทำให้มีปริมาตร 1 ลิตร) เพื่อทำลายกรดที่เหลือและทำให้สารละลายมีฤทธิ์เป็นด่างที่แรง

จากนั้นจึงนำสารตัวอย่างที่สะเทินแล้วไปต้มหรือทำการฉีดไอน้ำเข้าไป ในสภาพที่เป็นด่างที่แรง (pH > 11) NH4+ ที่อยู่ในสารละลายจะระเหยออกมาเป็นแก๊ส NH3 ร่วมกับไอน้ำ แก๊สNH3 และไอน้ำที่ระเหยออกมาจะผ่านเข้าเครื่องควบแน่นไหลลงสู่ภาชนะรองรับที่บรรจุสารละลายกรดเอาไว้

3. การไทเทรต (Titration)

การไทเทรตหาปริมาณแอมโมเนียที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับชนิดกรดที่อยู่ในภาชนะที่รองรับแก๊สNH3 และไอน้ำที่ควบแน่นมาจากเครื่องควบแน่น ในกรณีของการไทเทรตย้อนกลับ (Back titration) นั้น จะใช้สารละลายกรด H2SO4 ที่ทราบความเข้มข้นและปริมาตรที่แน่นอน (ในปริมาณที่มากเกินพอ) เติมลงไปในภาชนะที่รองรับ แอมโมเนียที่ควบแน่นลงมากับไอน้ำจะสะเทินกรด H2SO4 ที่อยู่ในภาชนะรองรับ เมื่อระเหยแอมโมเนียจนหมดก็จะทำการไทเทรตหาว่าเหลือกรด H2SO4 อยู่เท่าใดด้วยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐานเบส (เช่นสารละลาย NaOH) จากปริมาณกรดที่ใช้ตอนเริ่มต้นและที่เหลือ ก็จะคำนวณหาได้ว่ามีแอมโมเนียเกิดขึ้นในปริมาณเท่าใด และแอมโมเนียจำนวนนั้นมาจากการใช้สารตัวอย่างในปริมาณ xx กรัม/มิลลิลิตร ก็จะทำให้สามารถคำนวณหาปริมาณไนโตรเจนในสารตัวอย่างได้

อีกวิธีการหนึ่งที่เรียกว่าการไทเทรตโดยตรง (Direct titration) นั้นจะใช้สารละลายกรดบอริก (H3BO3) ในปริมาณที่มากเกินพอเป็นตัวดักจับแอมโมเนีย กรดบอริกจะทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเป็นสารประกอบเชิงซ้อน ammonium borate complex NH4+:H2BO3- จากนั้นจึงทำการไทเทรตหาปริมาณแอมโมเนียที่ดักจับไว้ด้วยการไทเทรต กับสารละลายมาตรฐานกรด H2SO4

ในอาหารที่เราบริโภคนั้น สารอาหารที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบคือโปรตีน แต่การวิเคราะห์หาปริมาณไนโตรเจนด้วยเทคนิค Kjeldahl นั้นไม่ได้สนใจว่าไนโตรเจนนั้นเป็นไนโตรเจนที่เป็นของโปรตีนหรือเป็นไนโตรเจนของสารอินทรีย์ตัวอื่น (ที่ไม่เหมาะแก่การบริโภค) หรือเป็นไนโตรเจนของสารอนินทรย์ (เช่นเกลือแอมโมเนียมหรือเกลือไนเทรตต่าง ๆ) ดังนั้นถ้ามีการปลอมปนสารประกอบไนโตรเจนบางชนิดลงไปในอาหาร (เช่นเมลามีนที่เคยตกเป็นข่าวว่ามีการผสมลงไปในนมที่เป็นอาหารเด็กและใช้ทำขนมต่าง ๆ) และนำไปวัดปริมาณไนโตรเจนด้วยเทคนิคนี้ ก็จะทำให้เห็นว่าในอาหารนั้นมีไนโตรเจนสูง ทำให้หลงเชื่อได้ว่าอาหารชนิดนั้นมีปริมาณโปรตีนสูง ทั้ง ๆ ที่ไนโตรเจนที่เห็นนั้นมีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่มาจากโปรตีน

คนที่ทำหน้าที่วิเคราะห์โปรตีนในอาหารคงนึกไม่ถึงว่าจะมีคนที่มีความคิดเลวร้ายขนาดจงใจเอาสารที่เป็นพิษต่อร่างกายของเด็กผสมลงไปในนมสำหรับให้เด็กทารกกิน เพียงเพื่อแค่ให้ผลิตภัณฑ์ของตัวเองผ่านเกณฑ์มาตรฐานและขายได้เท่านั้น (น้ำนมที่นำมาใช้ทำนมเลี้ยงเด็กมีการกำหนดปริมาณโปรตีนขั้นต่ำในน้ำนม แต่พอน้ำนมที่ผลิตได้มีโปรตีนไม่ผ่านมาตรฐานก็เลยเล่นผสมเมลามีนลงไป) ผลกระทบที่เกิดขึ้นไม่ได้มีเฉพาะในประเทศจีนที่เป็นต้นเรื่องของปัญหา แต่ยังลามไปถึงประเทศอื่นที่ซื้อผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ใช้นมเป็นส่วนประกอบหรือเป็นวัตถุดิบในการผลิตด้วย


เกร็ดเล็กน้อยเกี่ยวกับ Kjeldahl

Johan Kjeldahl เกิดเมื่อวันที่ 16 สิงหาคมปีค.ศ. 1849 ถึงแก่กรรมเมื่อวันที่ 18 กรกฎาคมปีค.. 1900 รวมอายุ 50 ปี ภาพจาก (http://en.wikipedia.org/wiki/Johan_Kjeldahl)

Kjeldahl ทำงานในกรุงโคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก ณ ห้องปฏิบัติการ Carlsberg ที่ซึ่งเขาทำหน้าที่เป็นหัวหน้าภาควิชาเคมีในระหว่างปีค.ศ. 1876 ถึงปีค.ศ. 1900 (ห้องปฏิบัติการดังกล่าวงทำงานร่วมกับบริษัท Carlsberg Brewery)

Kjedahl ได้รับมอบหมายงานให้หาปริมาณโปรตีนที่อยู่ในธัญพืชที่ใช้ในอุตสาหกรรมผลิตมอล์ต (malt) ซึ่งถ้าธัญพืชมีโปรตีนน้อยเท่าใดก็จะทำให้ได้ปริมาณเบียร์มากขึ้นเท่านั้น ในวันที่ 7 มีนาคมปีค.. 1883 Kjeldahl ได้นำเสนอเทคนิคของเขาต่อสมาคมเคมีเดนมาร์ก

ไม่มีความคิดเห็น: