La méthode Kjeldahl pour la détermination de l'azote et des protéines

En 1883, Johan Kjeldahl révolutionna l'analyse de l'azote par sa « nouvelle méthode de détermination de l'azote dans les corps organiques » et établit ainsi de nouvelles normes. Depuis, cette méthode est devenue incontournable dans des domaines tels que l'analyse des produits alimentaires, l'analyse de l'alimentation animale, l'analyse des sols ou encore l'analyse de l'eau.

Mais elle ne se limite pas à ces domaines : on retrouve également cette méthode universelle dans l'industrie générale ou pharmaceutique et partout où la teneur en azote est importante.

Grâce à ses nombreuses possibilités d'application, à sa grande précision et à sa simplicité d'exécution, l'analyse selon Kjeldahl est aujourd'hui encore considérée comme la méthode de référence. En effet, l'analyse selon Kjeldahl permet de détecter tous les composants de l'azote.

Outre la teneur totale en azote, il est ainsi possible de déterminer des composants individuels tels que l'ammonium, le nitrate, le nitrite et l'azote organiquement lié à partir des matrices d'échantillons les plus diverses.

L'avantage particulier réside dans la polyvalence des matrices à analyser. Outre les céréales, l'alimentation animale, les produits laitiers ou d'autres produits alimentaires, il est par exemple possible d'analyser la teneur en azote du lisier, des boues d'épuration, des composts et des sols ainsi que des extraits aqueux et des eaux usées.

En particulier lorsque le matériau de l'échantillon est inhomogène, il n'y a guère d'alternative à la méthode Kjeldahl en raison des grandes différences de pesée des échantillons.

L'analyse Kjeldahl pour l'azote et les protéines

Dans l'application classique, on utilise des plaques chauffantes manuelles de laboratoire, ainsi que des fioles à fond rond pour la minéralisation et des erlenmeyer pour la distillation. C. Gerhardt s'est fixé pour objectif, après la publication de la méthode selon Kjeldahl, d'optimiser précisément cette application classique.

Pour ce faire, une multitude de types d'appareils différents ont vu le jour au cours des dernières décennies. Au début, il s'agissait de grands supports en fonte ; aujourd'hui, ce sont des blocs de chauffage de haute précision et des distillateurs à vapeur d'eau avec calcul des résultats et alimentation automatique en échantillons.

Mais pour l'essentiel, l'analyse Kjeldahl peut encore aujourd'hui être divisée en 3 étapes de travail, qui sont également à la base de l'application classique :

  • Minéralisation des échantillons avec de l'acide sulfurique 
  • Distillation de la solution de minéralisation avec de la vapeur d'eau
  • Titration du distillat et calcul des résultats 

La chimie n'a donc que peu changé, mais l'ensemble du processus est désormais entièrement automatisé et adapté aux conditions des laboratoires modernes.

L'utilisation d'un bloc de minéralisation et d'un système de distillation à la vapeur d'eau avec titration intégrée présente de nombreux avantages pour l'utilisateur.

Le travail quotidien du personnel de laboratoire est beaucoup plus sûr, car le temps de présence devant les appareils a été fortement réduit et ceux-ci sont équipés de diverses fonctions de sécurité. De plus, le débit d'échantillons a pu être nettement augmenté grâce aux processus automatisés. Dans le même temps, la répétabilité de l'analyse augmente.

Pour mieux comprendre comment se déroule l'analyse selon Kjeldahl avec des systèmes d'analyse automatisés, voici un schéma qui explique le processus étape par étape :

L'automatisation de l'analyse selon Kjeldahl

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Azote total Kjeldahl vs. azote total

Les deux termes azote Kjeldahl (Total Kjeldahl Nitrogen, TKN) et azote total (Total Nitrogen, Total N) sont souvent confondus ou même perçus comme étant identiques, mais ils représentent des valeurs différentes lors de la détermination de la teneur en azote. 

Les différences de dénomination conduisent souvent à penser que le TKN et le Total N sont deux formes différentes d'un composé azoté. En réalité, ces deux termes décrivent des paramètres totaux différents dans l'analyse de l'azote.  

Alors que TKN décrit la part de l'azote organique total lié et de l'ammonium (NH4) dans un échantillon, Total N comprend en plus le nitrite (NO2) et le nitrate (NO3). 

Le terme Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) ou azote Kjeldahl ne résulte donc pas d'un composé azoté spécifique, mais de la méthode analytique utilisée : à savoir la méthode selon Kjeldahl. 

Comme la méthode selon Kjeldahl permet de déterminer, outre l'azote Kjeldahl, l'azote ammoniacal (NH4), l'azote nitrique (NO2) et l'azote nitrique (NO3), il est possible de déterminer, outre les différents composés azotés, les deux paramètres totaux TKN et N total. Les différentes valeurs sont pertinentes pour différents domaines analytiques :

Azote total Kjeldahl (TKN)  

L'azote Kjeldahl est particulièrement pertinent dans le cadre du traitement des eaux usées, car la détermination du TKN est obligatoire dans de nombreux règlements internationaux. Lors des différentes étapes du processus, par exemple dans le cadre du traitement biologique des eaux usées, la valeur est surveillée en permanence. Cela permet de vérifier constamment la qualité de l'ensemble du processus et de l'adapter si nécessaire. L'azote Kjeldahl contenu dans l'échantillon permet également de calculer la teneur en protéines (voir la section Protéines).

Azote ammoniacal

L'azote libéré dans l'environnement par les déjections et la mort de la matière organique se présente au début surtout sous forme d'azote organiquement lié. Dans le cadre de la minéralisation, celui-ci est d'abord transformé en ammonium (NH4). Dans le langage technique, ce processus est également appelé « ammonification ». Ensuite, l'ammonium se transforme en nitrate (NO3) en passant par l'étape intermédiaire du nitrite (NO2), c'est ce qu'on appelle la nitrification.  

La minéralisation est un processus naturel qui se produit dans le sol lorsque l'azote est extrait de composés organiques complexes non assimilables par les plantes et transformé en une espèce minérale azotée. 

Ce processus est également utilisé dans l'analyse environnementale, par exemple dans les stations d'épuration lors du traitement des eaux usées, car il permet de purifier l'eau. Dans l'eau potable, la valeur de l'ammonium fournit par exemple des informations sur le degré de pollution de l'eau. 

L'ammonium est également important pour l'agriculture, car l'azote contenu dans ce composé peut être absorbé et assimilé par les plantes. Comme il a un effet positif sur la croissance des plantes dans les champs et les cultures, les surfaces agricoles sont traitées avec des engrais. De l'azote ammoniacal rapidement disponible est ainsi fourni aux plantes.

Azote nitrique 

Tout comme l'azote ammoniacal (NH4), l'azote nitrique (NO3) est particulièrement bien absorbé par les plantes et favorise leur croissance. Les engrais à base de nitrate sont utilisés dans l'agriculture moderne afin de rendre plus efficace la culture de la surface agricole disponible. 

Mais comme les nitrates ne sont inoffensifs pour la santé que jusqu'à certaines quantités, il existe dans le monde entier des valeurs limites strictes, pour l'eau potable, par exemple. En raison d'une fertilisation excessive des surfaces agricoles, des nitrates excédentaires peuvent se retrouver dans les eaux souterraines et dans d'autres cours d'eau. C'est pourquoi le respect des valeurs limites doit être régulièrement contrôlé dans les zones d'agriculture intensive.

Protéines (calculées à l'aide du facteur de protéine)  

La détermination de la teneur en protéines est surtout pertinente pour les produits alimentaires et l'alimentation animale. L'azote organiquement lié (par exemple dans les acides aminés, les protéines, les protides, les acides nucléiques (ADN), ...) joue un rôle central dans la structure et le métabolisme des organismes vivants. 

Comme on peut supposer que, pour la plupart des aliments, l'azote Kjeldahl provient principalement des protéines, la teneur en azote d'un échantillon est directement liée à sa teneur en protéines. Dans la plupart des échantillons, la part d'azote dans les protéines est de 16 %, ce qui donne un facteur de conversion de 6,25 (teneur en azote [%] * facteur de protéine = teneur en protéines [%]). Cependant, pour certains échantillons, la proportion diffère, ce qui donne un facteur de protéine différent (voir tableau ci-dessous). 

Facteur de protéine (exemples) 

Lait6,25
Viande6,25
Céréales (à l'exception du blé)6,25
Blé

5,7

Le cycle de l'azote

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