Wissenschaftler verwenden die Kjeldahl-Methode, um den Prozentsatz an organischem Stickstoff in einer Substanz zu analysieren. Der Stickstoffgehalt kann dann verwendet werden, um die Proteinmenge zu bestimmen. Der vollständige Name der Methode ist die Kjeldahl-Methode der Stickstoffanalyse – manchmal wird die Proteinanalyse anstelle der Stickstoffanalyse verwendet, aber die Begriffe beziehen sich auf dieselbe Methode.
Der Chemiker Johan Kjeldahl stellte seine Methode erstmals 1883 der dänischen Chemischen Gesellschaft vor. Er stellte fest, dass die Stickstoffanalyse verwendet werden kann, um die Proteinmenge in einer Substanz zu bestimmen, da Stickstoff ein Hauptelement von Proteinen ist. Seine Erkenntnisse wurden seitdem verbessert, aber die grundlegende Methode bleibt bestehen.
Die Kjeldahl-Methode besteht aus drei Schritten, die allgemein als Aufschluss, Destillation und Titration bezeichnet werden. Bei der Verdauung wird der Stickstoff in Ammoniak zerlegt und durch Destillation wird das Ammoniak von anderen Bestandteilen getrennt. Die Ammoniakmenge wird durch Titration berechnet, dann können die Stickstoff- und Proteinmengen basierend auf der Ammoniakmenge berechnet werden.
Beim Aufschluss wird eine kleine Probe der zu analysierenden Substanz mit Schwefelsäure, Kaliumsulfat und einem die Reaktion beschleunigenden Katalysator vermischt. Diese Mischung wird etwa eine Stunde lang auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt – bis zu 750°F (ca. 400°C) – und dann abgekühlt. Die Reaktionen, die in der erhitzten Mischung stattfinden, zerlegen große Moleküle in kleinere Bestandteile, darunter Ammoniumionen.
Der Destillationsschritt wandelt die Ammoniumionen in Ammoniakgas um, indem dem Gemisch Natriumhydroxid zugesetzt wird. Dann wird die Temperatur der Lösung erhöht, wodurch das Ammoniak in ein flüchtiges Gas umgewandelt wird, das in Dampf aufsteigt. Die Dämpfe werden in einer Lösung wie Salzsäure oder Borsäure aufgefangen.
In einer Säure eingeschlossenes Ammoniak neutralisiert einen Teil der Säure, was bedeutet, dass es den pH-Wert senkt. Die nach dieser Neutralisation verbleibende Säuremenge wird mit einer Base wie Natriumhydroxid titriert. Der Säure- und Ammoniaklösung wird ein Farbstoff zugesetzt, der sich bei pH-Änderung verfärbt. Dann werden der Säure geringe Mengen der Base zugesetzt, bis die Lösung ihre Farbe ändert. Die zum Erreichen dieses Endpunkts benötigte Basenmenge kann verwendet werden, um die Ammoniakmenge in der ursprünglichen Lösung zu berechnen.
Um die Stickstoffmenge zu berechnen, muss ein Wissenschaftler zunächst die Anzahl der Mole Säure und Base kennen, die in der endgültigen Lösung vorhanden waren. Subtrahiert man die Mole Base von den Molen Säure, erhält man die Mole Ammoniak. Die Mole Ammoniak in der endgültigen Lösung sind die gleichen Mole Stickstoff, daher wird diese Zahl mit 14 – der Atommasse von Stickstoff – multipliziert, um die Gramm Stickstoff zu finden.
Prozent Stickstoff wird gefunden, indem die Gramm Stickstoff durch die Gesamtgramm in der ursprünglichen Probe geteilt und mit 100 multipliziert wird. Der Prozent Protein der Kjeldahl-Methode wird durch Multiplizieren des Prozent Stickstoffs mit einem Umrechnungsfaktor ermittelt. Dieser Umrechnungsfaktor beträgt in der Regel 6.25, mit Ausnahme einiger weniger Stoffe wie Weizen und Milchprodukte.