El método Kjeldahl para la determinación de nitrógeno y proteínas

En 1883, Johan Kjeldahl revolucionó el análisis del nitrógeno con su «Nuevo método para la determinación del nitrógeno en cuerpos orgánicos» y estableció nuevos estándares. Desde entonces, el método se ha hecho indispensable en ámbitos como el análisis de alimentos, el análisis de piensos, el análisis del suelo y el análisis del agua.

Sin embargo, no se limita en absoluto a estos ámbitos: Este método de aplicación universal también puede encontrarse en la industria general o farmacéutica y en cualquier lugar donde el contenido de nitrógeno sea importante.

Gracias a su amplia gama de aplicaciones, su alta precisión y su facilidad de ejecución, el análisis Kjeldahl sigue considerándose hoy en día el método de referencia. El análisis Kjeldahl permite registrar todos los componentes del nitrógeno.

Además del contenido total de nitrógeno, pueden determinarse componentes aislados como el amonio, el nitrato, el nitrito y el nitrógeno ligado orgánicamente a partir de una amplia variedad de matrices de muestras.

La ventaja particular en este caso es la versatilidad de las matrices a examinar. Por ejemplo, además de los cereales,los piensos, los productos lácteos u otros alimentos, también pueden analizarse los purines, los lodos de depuradora, los abonos y los suelos, así como los extractos acuosos y las aguas residuales para determinar su contenido en nitrógeno.

Sobre todo en el caso de un material de muestra muy inhomogéneo, apenas hay alternativa al método Kjeldahl debido a los elevados pesos de muestras que conlleva.

El análisis Kjeldahl para nitrógeno y proteínas

Cuando se aplica de forma clásica, se utilizan calentadores de laboratorio manuales, así como balones de destilación para la digestión y matraces Erlenmeyer para la destilación. Tras la publicación del método Kjeldahl, C. Gerhardt se propuso optimizar esta aplicación clásica.

Para ello, en las últimas décadas se han desarrollado multitud de tipos de dispositivos. Al principio, eran grandes bastidores de hierro fundido; hoy son unidades de digestión en bloque de alta precisión y unidades de destilación de arrastre de vapor con cálculo del resultado y alimentación automática de muestras.

No obstante, en esencia, el análisis Kjeldahl puede seguir dividiéndose en las 3 etapas de trabajo que también constituyen la base de la aplicación clásica:

  • Digestión de muestras con ácido sulfúrico
  • Destilación de la solución digerida con vapor de agua
  • Valoración del producto destilado y cálculo del resultado

Por consiguiente, la química solo ha cambiado ligeramente, pero el proceso general está ahora totalmente automatizado y adaptado a las condiciones de los laboratorios modernos.

El uso de un bloque de digestión y un sistema de destilación por arrastre de vapor con valoración integrada crea muchas ventajas para el usuario.

El trabajo diario del personal del laboratorio es mucho más seguro, ya que el tiempo de presencia en el aparato se ha reducido considerablemente y está dotado de diversos elementos de seguridad. Asimismo, el rendimiento de las muestras podría aumentar considerablemente gracias a los procesos automatizados. Al mismo tiempo, también aumenta la repetibilidad del análisis.

Para comprender mejor cómo funciona el análisis Kjeldahl con los sistemas de análisis automatizados, a continuación se presenta un diagrama que explica el proceso paso a paso:

La automatización del análisis Kjeldahl

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Nitrógeno Kjeldahl total frente a nitrógeno total

Los dos términos nitrógeno Kjeldahl (nitrógeno total Kjeldahl, TKN) y nitrógeno total (N total) se confunden a menudo o incluso se perciben como lo mismo, pero representan valores diferentes a la hora de determinar el contenido de nitrógeno. 

Las diferentes denominaciones suelen conducir a la suposición de que el TKN y el N total son dos formas diferentes de un compuesto de nitrogenado. En realidad, sin embargo, los dos términos describen parámetros de suma diferentes en el análisis de nitrógeno.  

Mientras que el TKN describe la proporción de nitrógeno orgánico total ligado y de amonio (NH4) en una muestra, el N total incluye además el nitrito (NO2) y el nitrato (NO3). 

El término nitrógeno total Kjeldahl (TKN) o nitrógeno Kjeldahl no deriva, por tanto, de un compuesto de nitrogenado específico, sino del método analítico utilizado: el método Kjeldahl. 

Dado que el método Kjeldahl puede utilizarse para determinar no solo el nitrógeno Kjeldahl, sino también el nitrógeno amoniacal (NH4), el nitrógeno nítrico (NO2) y el nitrógeno nitrato (NO3), también es posible determinar los dos parámetros de suma TKN y N total, además de los compuestos de nitrogenado individuales. Los diferentes valores son relevantes para diferentes áreas analíticas:

Nitrógeno total Kjeldahl (TKN)  

El nitrógeno Kjeldahl es especialmente relevante en el contexto del tratamiento de aguas residuales, ya que la determinación del TKN es obligatoria en muchas normativas internacionales. Durante las distintas fases del proceso, por ejemplo en el contexto del tratamiento biológico de las aguas residuales, el valor se controla constantemente. Esto significa que siempre se puede comprobar la calidad del proceso global y ajustarlo si es necesario. El contenido de proteínas también puede calcularse a partir del nitrógeno Kjeldahl contenido en la muestra (véase la sección Proteínas).

Nitrógeno amoniacal 

El nitrógeno que entra en el medio ambiente a través de las excreciones y la muerte de la materia orgánica se encuentra inicialmente en su mayoría en forma de nitrógeno ligado orgánicamente. Durante la mineralización, éste se convierte en amonio (NH4) en el primer paso. En lenguaje técnico, este proceso también se denomina «amonificación». El amonio se convierte entonces en nitrato (NO3) a través del paso intermedio nitrito (NO2), lo que se denomina nitrificación.  

La mineralización es un proceso natural que tiene lugar en el suelo cuando el nitrógeno se extrae de los compuestos orgánicos complejos que no están disponibles para las plantas y se convierte en una especie de nitrógeno mineral. 

Este proceso también se utiliza en los análisis medioambientales, por ejemplo en las plantas de tratamiento de agua residual, ya que el agua se purifica de este modo. En el agua potable, por ejemplo, el valor del amonio aporta información sobre el grado de contaminación de la masa de agua. 

El amonio también es relevante para la agricultura, ya que el nitrógeno de este compuesto puede ser absorbido y procesado por las plantas. Como tiene un efecto positivo en el crecimiento de las plantas en los campos y en los terrenos agrícolas, éstos se tratan con fertilizantes. Esto añade nitrógeno amoniacal rápidamente disponible para las plantas.

Nitrógeno nítrico 

Al igual que el nitrógeno amoniacal (NH4), el nitrógeno nítrico (NO3) también puede ser absorbido especialmente bien por las plantas y favorece su crecimiento. Los fertilizantes a base de nitrato se utilizan en la agricultura moderna para un uso más eficiente de las tierras agrícolas existentes. 

Sin embargo, como el nitrato solo es inofensivo para la salud hasta ciertas cantidades, existen valores límite estrictos en todo el mundo para el agua potable, por ejemplo. El exceso de nitrato puede entrar en las aguas subterráneas y en otras masas de agua a través de la sobrefertilización de las tierras agrícolas. Así pues, en las zonas con agricultura intensiva, debe comprobarse periódicamente el cumplimiento de los valores límite.

Proteína (calculada con el factor proteico) 

La determinación del contenido de proteínas es especialmente relevante para los alimentos y los piensos. El nitrógeno ligado orgánicamente (por ejemplo, en los aminoácidos, las proteínas, los ácidos nucleicos (ADN), etc.) desempeña un papel fundamental en la estructura y el metabolismo de los organismos vivos. 

Dado que para la mayoría de los alimentos se puede suponer que el nitrógeno Kjeldahl procede principalmente de las proteínas, el contenido de nitrógeno de una muestra está directamente relacionado con el contenido de proteínas. En la mayoría de las muestras, el contenido de nitrógeno en las proteínas es del 16 %, por lo que resulta un factor de conversión de 6,25 (contenido de nitrógeno [%] * factor de proteínas = contenido de proteínas [%]). Sin embargo, para determinadas muestras, la proporción se aparta, lo que da lugar a un factor proteico desviado (véase la tabla siguiente). 

Factor proteico (ejemplos) 

Leche6,25
Carne6,25
Cereales (excepto el trigo)6,25
Trigo

5,7

El ciclo del nitrógeno

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