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    凱氏定氮法與杜馬斯燃燒法測定大豆粗蛋白的比較研究

    [導讀]在本試驗中所選定的樣品范圍內,作為測定飼料原料粗蛋白含量的方法,兩種方法可以相互替 代,其中杜馬斯燃燒法的穩定性優于凱式定氮法;至于 2 種方法的準確性比較需要進一步的研究。

    文章作大豆是一種富含蛋白質的豆科植物,目前廣泛 用于畜禽飼料生產,因此,準確測定飼料原料粗蛋白 含量對于合理配制動物飼料有重要作用,也是研究 動物營養的重要內容之一。目前,最常用的定氮方 法是 Kjeldahl 于 1883 年提出的凱氏定氮法,但該方 法測定時間長,且需要使用危險試劑,易造成環境的 污染和人員的安全隱患。因而,隨著設備的不斷改 進,杜馬斯燃燒法又逐漸代替傳統的凱氏定氮法。 1833 年,Jean Baptiste Dumas 就開發出燃燒定氮法[1], 但由于早期的杜馬斯法只能檢測幾個微克的樣品, 故其實際應用受到了極大的限制。如今,杜馬斯燃 燒法測定設備先進,操作簡單、方便,其封閉的反應 體系對環境不造成污染,并可以在很大程度上消除 人工造成的誤差,因而應用范圍較為廣泛。 雖然目前測定蛋白含量的方法很多,但凱氏定 氮法和杜馬斯燃燒法最為常用。測定嬰兒食品[2]、動 物飼料[3,4]、魚粉[5]、奶制品[6]等產品中的蛋白時,常常 用到凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法。2 種方法均能較
    為準確的測定樣品中的含氮量,農業部也分別有相 應的檢測標準。但問題也隨之而來,對同一物質的 蛋白含量測定,兩種方法的檢測結果不可避免的會 存在差異,究竟哪一種更為準確和穩定?所以,迫切 需要對兩種檢測方法的優劣進行評估[7]。理論上而 言,由于杜馬斯燃燒法能夠測定出凱氏定氮法不能 測定的硝態氮等含氮物質,因此一般杜馬斯燃燒法 的測定值略大于凱氏定氮法。本實驗通過對來自中 國不同地區的 162 種大豆樣品的檢測,分別應用凱 氏定氮法和杜馬斯燃燒法來測定粗蛋白含量,并通 過統計分析進行 2 種方法的比較。
    1 材料與方法
    1.1 材料來源與前處理 162 種來自中國不同地區 的種植大豆樣本各 100 g,由農科院作物科學研究所 惠贈;所有樣品均在 110℃烘箱內干燥 4 h,用 40 目 篩片式粉碎機粉碎,并置于塑料袋中。分別用凱氏 定氮法和杜馬斯燃燒法測定樣品的粗蛋白含量。 1.2 凱氏定氮法 取 0.3 g 左右大豆樣品于消化管 中,加入催化劑(高效凱氏定氮催化劑片,北京金元 興科科技有限公司)2 片、濃硫酸 15 mL,在 420℃下 消化 1~1.5 h,至消化液澄清為止。用半自動定氮儀 (Kjeltec TM 2100,FOSS,Danmark)蒸餾 5 min,用標準 鹽酸溶液滴定硼酸吸收液。計算大豆粗蛋白含量[8]。1.3 杜馬斯燃燒法 采用德國 Elementar 大進樣量 元素分析儀(Vario MACRO, elementar, Germany),稱 取 100 mg 大豆樣品于錫箔紙中,壓實,置于自動落 樣器上。樣品落入燃燒反應爐,在 800~1 200℃的高 溫下燃燒分解,生成的氣體隨后被凈化,除雜;燃燒 生成的氣體用氦氣作載氣傳送;在氮氧化物被還原 后,混合氣體被吸附;根據不同的組分分離,并分別 依次通過檢測器(TCD)檢測;隨后,根據樣品的重量 和存儲的校正曲線形成的檢測信號,儀器給出元素 的百分比含量值。計算機自動輸出結果。由于大豆的 粗蛋白系數是 5.71,因此 2 種方法檢測出的氮含量 分別乘以系數 5.71,得出粗蛋白含量[9]。 1.4 統計分析 利用 SAS[10]統計軟件進行統計描述 和配對 t 檢驗。 P < 0.05 認為統計學檢驗有顯著性差 異。
    2 結 果
    2.1 2 種方法對大豆樣品檢測的基本結果 由表 1 可知,不同測定方法得出的粗蛋白含量有差異,但樣 本大豆的粗蛋白含量平均在 37%左右,最高含量可 達 49%以上。其中,SaiKai 大豆粗蛋白含量用 2 種方 法測定值均為最高,說明 SaiKai 是樣本中粗蛋白含 量最高的大豆;而由 2 種方法測定的最低值不一致, 凱氏法測得鐵豐 18 粗蛋白含量最低,杜馬斯法測得 紅豐 11 號大豆粗蛋白含量最低,測定方法的差異、 樣品的因素、試劑因素、操作人員的誤差等都可能導 致結果的差異。

    2.2 2 種檢測方法結果的相關性分析 在對樣品 檢測值的統計描述基礎上,本研究對 2 種檢測方法 的相關性進行分析。圖 1 所示,兩種測定方法測定值 之間存在顯著線性相關(r = 0.9789),擬合直線與 Y=X 不存在顯著差異(P = 0.21 > 0.05)。因此,凱氏 定氮法和杜馬斯燃燒法可以相互替代測定大豆粗蛋 白含量。 2.3 2 種方法檢測結果的準確性和穩定性比較 為進一步比較 2 種檢測方法檢測結果的穩定性,以其中 10 種大豆為代表,分別用凱氏定氮法和杜馬斯 燃燒法測定大豆粗蛋白含量的具體結果見表 2。 利用凱氏定氮法測定大豆中粗蛋白含量時, 50%左右的平行樣之間相差在允許范圍之內。凱氏 定氮法存在諸多的誤差來源,試劑的量取、實驗人員 操作誤差等都會導致實驗結果的不穩定性。而由杜 馬斯燃燒法測定的大豆粗蛋白含量結果顯示,平行 大豆樣品測定相差都在誤差允許范圍之內,其相對 誤差均在 0.4%以下,因而可直接測定單樣品,這樣 則減輕了測定大量樣品實驗的負擔。杜馬斯燃燒法 的變異系數也遠小于凱氏定氮法的變異系數,所以, 燃燒法的測定結果比凱氏法更為穩定。 而且,雖然在測定大部分種類的大豆粗蛋白時, 2 種測定方法沒有顯著性差異(P > 0.05,D/K=0.98~ 1.02),但 Clark、Fayette、Williams 大豆測定結果中存 在顯著性差異(P < 0.05),且杜馬斯燃燒法的測定值 比凱氏定氮法的要高(D/K=1.00~1.02)。根據 Watson
    等[11]報道,可能是大豆中存在的硝態氮導致差異的 出現。硝態氮是導致燃燒法測定值高于凱氏定氮法 測定值的原因之一,但不是唯一原因[7]?梢,不能 因為杜馬斯燃燒法的測定值普遍略高于凱式定氮 法,就認為前者明顯優于后者。
    3 討 論
    凱氏定氮法是利用硫酸及催化劑與樣品加熱消 化,使蛋白質分解,其中 C、 H 形成 CO2 和 H2O 逸出, 而蛋白質中的 N 則轉化成(NH4) 2SO4,在強堿條件下 加熱蒸餾,其中 NH3 被硼酸吸收為(NH4) 2B4O7,然后 用標準的鹽酸溶液滴定,根據鹽酸的消耗量和濃度 計算出氮的含量,再乘以蛋白質系數 6.25,即為蛋 白質含量。因而可知,凱氏定氮法測定樣品粗蛋白 時使用了硫酸、強堿、鹽酸等危險性試劑,容易對操 作人員和環境等造成潛在危害;實驗過程中逸出的 CO2、少量的 NH3 等氣體不僅會危害操作人員健康, 也會造成環境污染;而且每個樣品需要 5 min 左右 測定,在測定大樣本實驗中需花費很多時間和人力; 不僅如此,該方法在很大程度上受到檢測人員的影 響,存在較大的隨機誤差。

    本實驗的杜馬斯燃燒法采用德國 Elementar 大 進樣量元素分析儀進行檢測。樣品在 800~1 200℃的 高溫下燃燒分解,生成的氣體被凈化后,用氦氣作載 氣體傳送,混合氣體被吸附 / 脫附柱根據不同的組 分進行分離,并依次通過檢測器檢測,隨后,根據樣 品的重量和已存儲的校正曲線形成檢測信號,儀器 自動給出元素的百分比含量。使用該法測定氮元素 含量的測量精度高,測定時只需 100 mg 左右樣品即 可,并且可以測定凱氏定氮法不能測出的硝態氮等 氮元素,因而可以很準確地反映樣本的含氮量;杜馬 斯燃燒法整個過程在儀器內部完成,不會對環境造 成污染,同時具有自動加樣功能,可節省人力和時 間;但杜馬斯燃燒法所用儀器成本高,維修繁瑣,故 其送檢樣品檢測成本相對較高,一般應用范圍不廣。

    從 2 種不同粗蛋白測定方法的檢測結果得出,本實 驗測定的 162 種大豆樣品粗蛋白含量在 37%左右, 超過了進出口貿易中大豆粗蛋白最低值 34.5%。其 中,27%左右的大豆樣品粗蛋白含量在 34.5%以下, 最低為 27.27%(由凱氏定氮法測得)。而進出口貿易 中,美國大豆粗蛋白均值為 35.7%,其最低值一般是34.0%,由此可見,中國大豆粗蛋白含量有待提高, 不僅是測定方法的準確性,更重要的是新品種開發 技術。 在本實驗檢測結果顯示,杜馬斯燃燒法測定大 豆粗蛋白與凱氏定氮法沒有顯著性差異,可以相互 替代。但是,杜馬斯燃燒法測定值的穩定性比凱氏 定氮法強,操作簡單,能夠在更短的時間內測定大量 樣品蛋白含量,并且能夠不造成環境污染和避免操 作人員的危險,因此,杜馬斯燃燒法可以作為常規蛋 白分析的優選方法。

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