키엘달법

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1. 개요
2. 방법
3. 적용
4. 특징
- 4.1. 한계
참조

1. 개요

키엘달법은 시료를 농축 황산과 함께 가열하여 유기물을 분해하고 질소를 황산암모늄으로 전환하여 질소 함량을 측정하는 방법이다. 이 방법은 분해, 증류, 적정의 세 단계로 진행되며, 식품, 사료, 토양, 폐수 등 다양한 물질의 질소 함량 측정에 널리 사용된다. 키엘달법은 정확성과 재현성이 높지만, 특정 질소 화합물에는 적용할 수 없으며, 단백질 외 비단백질 질소도 함께 측정하여 실제 단백질 함량을 정확하게 나타내지 못한다는 한계가 있다. 최근에는 보다 간편한 듀마법이 널리 사용되고 있다.

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키엘달법
개요
명칭	킬달법
로마자 표기	Killdal-beop
분야	분석 화학
발견자	요한 킬달
발견 연도	1883년
목적	유기 물질 내 질소 정량 분석
방법	분해: 황산으로 시료를 가열하여 질소를 암모늄 이온으로 전환 증류: 알칼리 용액 첨가 후 증류하여 암모니아 가스 분리 적정: 분리된 암모니아를 산 용액으로 적정하여 질소량 측정
적용 분야	식품 분석 환경 분석 농업 화학
장점	비교적 간단한 방법 널리 사용됨
단점	전처리 과정 필요 일부 질소 화합물은 측정 불가
상세 정보
시약	황산 (H2SO4) 수산화 나트륨 (NaOH) 붕산 (H3BO3) 지시약 (혼합 지시약 또는 메틸 레드)
촉매	황산구리 (CuSO4) 셀렌 (Se)
원리	킬달법은 유기물 내 질소를 강산 (주로 황산) 존재 하에 고온에서 분해하여 암모늄 이온 형태로 전환시킨 후, 이를 증류하여 분리하고 적정하여 질소의 양을 정량하는 방법이다.
과정	분해: 시료를 진한 황산과 함께 가열하여 유기물을 분해하고 질소를 암모늄 이온 (NH4+) 형태로 전환시킨다. 촉매를 사용하여 분해 속도를 높일 수 있다. 중화 및 증류: 분해된 용액에 과량의 알칼리 (수산화나트륨)를 첨가하여 암모늄 이온을 암모니아 (NH3) 가스로 전환시킨 후 증류한다. 흡수 및 적정: 증류된 암모니아 가스를 붕산 용액에 흡수시킨 후, 표준 산 용액 (염산 또는 황산)으로 적정하여 암모니아의 양을 결정한다. 이로부터 시료 중의 질소 함량을 계산한다.
계산	질소 함량 (%) = (적정에 사용된 산의 몰수 × 질소의 원자량 × 100) / 시료의 무게
주의 사항	고농도 산 사용에 따른 안전 주의 필요 정확한 적정을 위한 표준 용액 관리 시료의 균질성 확보
변형 방법	자동 킬달 분석기: 자동화된 장치를 사용하여 분석 시간을 단축하고 정확도를 높인다. 마이크로 킬달법: 소량의 시료에 적용 가능한 방법

2. 방법

키엘달법은 시료를 황산과 함께 가열하여 유기물을 분해하고 질소를 황산 암모늄 형태로 전환하는 방법이다. 이 과정은 분해, 증류, 적정의 세 단계로 이루어진다.^[21]

분해: 셀레늄, 황산 수은, 황산 구리 등의 촉매를 첨가하여 분해 반응을 촉진하고, 황산 나트륨이나 황산 칼륨을 첨가하여 황산의 끓는점을 높인다.
증류: 분해된 용액에 수산화 나트륨을 넣어 암모니아 기체를 발생시킨 후, 냉각기를 통해 증류하여 붕산과 같은 약산 용액이나 묽은 황산, 염산 등의 표준 용액에 포집한다.
적정: 포집된 암모니아의 양을 산-염기 적정 또는 역적정을 통해 측정한다. 직접 적정 시에는 하나의 표준 용액(예: 염산)이, 역적정 시에는 두 개의 표준 용액(예: 염산 및 수산화 나트륨)이 필요하다.^[21]

실제 분석에서는 자동화된 장비를 사용하며, 과거에는 산화수은이 촉매로 사용되었으나 건강 문제로 황산구리나 이산화티타늄으로 대체되었다.^[23]^[5] 질소 함유량이 낮은 시료는 켈달법 분해 후 수증기 증류를 거쳐 인도페놀법으로 암모니아를 정량한다.^[17]

2. 1. 분해 (소화)

키엘달법은 360~410°C에서 농축 황산(H₂SO₄)으로 시료를 가열하여 유기물을 산화 분해하고, 환원된 질소를 황산 암모늄 형태로 전환하는 방법이다.^[21]^[3]

분해를 촉진하기 위해 셀레늄(Se), 황산 수은(Hg₂SO₄), 황산 구리(CuSO₄) 등의 촉매를 첨가한다.^[21] 또한 황산(H₂SO₄)의 끓는점을 높이기 위해 황산 나트륨(Na₂SO₄) 또는 황산 칼륨(K₂SO₄)을 첨가한다.^[21]^[3] 분해가 완료되면 용액은 투명해진다.^[3]

뜨겁고 농축된 황산은 탄소(역청탄)와 황을 산화시킨다. (황산의 탄소와의 반응 참조)^[3]

:C + 2 H₂SO₄ → CO₂ + 2 SO₂ + 2 H₂O

:S + 2 H₂SO₄ → 3 SO₂ + 2 H₂O

ISO^[13], JIS^[14], 일본 약국방^[15] 등에서 켈달법의 구체적인 절차를 규정하고 있다.

켈달 플라스크에 시료를 정확하게 칭량하여 황산을 가한다. 액체의 끓는점을 상승시키기 위한 황산칼륨과 분해를 촉진하는 촉매로서 셀렌, 황산구리, 산화수은^[16] 중 하나를 가하고 잘 섞는다. 용액이 비등할 때까지 플라스크를 가열하여 반응을 진행시킨다. 액체가 투명해지면 가열을 멈추고 실온이 될 때까지 방치한다.

2. 2. 증류

분해된 용액에 수산화 나트륨(NaOH)을 첨가하여 알칼리성으로 만든다. 이때 암모늄(NH₄⁺)은 암모니아(NH₃) 기체로 변환된다.^[21]^[3] 적하 깔때기를 사용하여 수산화 나트륨을 추가할 수도 있다.^[22]^[4] 암모니아 기체는 냉각기를 통해 증류되어 수집된다.

증류된 암모니아는 붕산(H₃BO₃)과 같은 약산 용액이나, 묽은 황산, 염산 등 농도를 알고 있는 산성 용액에 포집한다.^[21]^[3] 붕산이 사용된 경우에는 직접 산-염기 적정을, 염산이나 황산이 사용된 경우에는 간접 역적정을 통해 암모늄 이온의 농도를 측정하여 시료 내 질소의 양을 계산한다.^[21]^[3]

2. 3. 적정

시료 내 질소량은 산 용액 중의 암모늄 이온 농도를 통해 측정되며, 이는 적정을 통해 이루어진다. 붕산 (또는 다른 약산)을 사용한 경우에는 직접 산-염기 적정을 실시한다. 염산이나 황산을 사용할 수 있다. 표준산 용액을 만들기 위해 강산을 사용한 경우에는 간접 역적정을 대신 사용한다. 이때 알려진 농도의 강염기(예: 수산화 나트륨)를 사용하여 용액을 중화한다. 암모니아의 양은 염산의 양과 수산화 나트륨의 양의 차이로 계산된다. 직접 적정의 경우, 적정에 영향을 주지 않으므로 정확한 양의 약산(붕산)을 알 필요가 없다. 따라서 직접 적정에서는 하나의 표준 용액(예: HCl)이 필요하고, 역적정에서는 두 개의 표준 용액(예: HCl 및 NaOH)이 필요하다.^[21] 이러한 적정 반응에 적합한 지시약 중 하나는 타시로 지시약이다.^[3]

3. 적용

키엘달법은 식품, 사료의 단백질 함량, 토양, 비료, 폐수 등 다양한 물질의 질소 함량을 측정하는 데 사용된다.^[24] 이 방법은 식품의 단백질 함량을 추정하는 국제적으로 인정된 방법이며, 다른 모든 방법을 평가하는 기준 방법으로 사용된다.^[6]

단백질 함량은 질소 함량에 특정 환산 계수(conversion factor)를 곱하여 추정한다. 식품별 환산 계수는 다음과 같다.^[7]

질소 함량을 단백질 함량으로 변환하기 위한 특정(존스) 인자(선택된 식품)^[9]
동물 기원	인자	목초 종자	인자	콩 및 땅콩	인자
계란	6.25	보리	5.83	피마자	5.30
육류	6.25	옥수수(옥수수)	6.25	잭빈	6.25
우유	6.38	좁쌀	5.83	리마콩	6.25
			귀리	5.83	네이비빈	6.25
			쌀	5.95	녹두	6.25
			호밀	5.83	대두	5.71
			수수	6.25	벨벳빈	6.25
			밀: 통곡물	5.83	땅콩	5.46
			밀: 밀기울	6.31
			밀: 배유	5.70

한국 식품공전 및 미국 영양 라벨 규정은 대부분의 식품에 6.25를 사용한다.^[8]

총 켈달 질소(Total Kjeldahl Nitrogen, TKN)는 유기물에 결합된 질소, 암모니아(NH₃-N) 및 암모늄(NH₄⁺-N)의 질소를 합한 값으로,^[24] 수질 오염 지표 중 하나로 사용된다. TKN은 많은 처리 공장에서 규제 보고를 위한 필수 매개변수이며, 공장 운영을 모니터링하는 수단으로 사용된다.

하지만 키엘달법은 단백질 내 질소 외에 비단백질 질소도 측정하기 때문에 실제 단백질 함량을 정확하게 측정하는 것은 아니다. 2007년 애완동물 사료 리콜 사태 및 2008년 중국 유제품 파동에서 멜라민이 첨가되어 단백질 함량이 높은 것처럼 조작된 사례가 있었다.^[6]

4. 특징

키엘달법은 보편성, 정밀성, 재현성이 높아 식품, 토양, 폐수, 비료 등 다양한 물질의 단백질 및 질소 함량을 분석하는 데 국제적으로 인정받는 방법이다.^[24] 그러나 단백질 질소 외에 비단백질 질소도 함께 측정하기 때문에 정확한 단백질 함량을 나타내지 못하는 경우가 있다. 예를 들어, 2007년 애완 동물 사료 사건과 2008년 중국산 유제품 멜라민 오염사건에서는 질소가 풍부한 멜라민을 첨가하여 단백질 함량을 높인 것처럼 조작하기도 했다.^[24] 아미노산 서열이 다르면 보정 인자도 달라져야 한다.^[24]

키엘달법은 정확하고 재현성이 높지만, 황산이나 중금속 촉매 등 위험하고 환경 부담이 큰 시약을 사용하며, 분석 시간이 길다는 단점이 있다. 이러한 이유로 최근에는 듀마법과 같이 보다 간편하고 친환경적인 방법이 널리 사용되고 있다.^[18]

4. 1. 한계

키엘달법은 피리딘, 퀴놀린, 아이소퀴놀린과 같은 질소 고리 화합물이나 니트로기, 아조기를 포함하는 화합물 내의 질소는 정량할 수 없다. 이러한 화합물의 질소는 이 방법의 조건 하에서 황산 암모늄으로 전환되지 않기 때문이다.^[18]

켈달법은 많은 물질에 적용할 수 있지만, 정확하게 검출할 수 있는 것은 아미노태 질소 또는 켈다르 질소라고 불리는 3가 질소에 한정된다. 아조 화합물이나 니트로 화합물에 포함된 질소는 황산과 반응하여 암모니아 외에 질소 분자나 질소 산화물로 유리되기 때문에 켈다르법으로는 정량할 수 없다. 이러한 화합물을 측정할 때는 미리 환원제로 아미노태 질소로 환원하는 전처리 과정이 필요한데, 이를 '''거닝 변법'''이라고 한다.^[18]

참조

_[1] 논문 Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern https://books.google[...] Zeitschrift für analytische Chemie 1883
_[2] 서적 Practical Organic Chemistry https://archive.org/[...] 1910
_[3] 논문 The Titration in the Kjeldahl Method of Nitrogen Determination: Base or Acid as Titrant? 2013-02-12
_[4] 웹사이트 International Starch: ISI 24 Determination of Protein by Kjeldahl. http://www.starch.dk[...] 2019-03-21
_[5] 문서 AOAC International
_[6] 웹사이트 Analysis of Proteins http://www-unix.oit.[...] University of Massachusetts Amherst 2007-04-27
_[7] 웹사이트 CHAPTER 2: METHODS OF FOOD ANALYSIS http://www.fao.org/d[...] 2017-12-30
_[8] 웹사이트 21 CFR 101.9 (c)(7) https://www.ecfr.gov[...]
_[9] 웹사이트 Chapter 2: methods of food analysis http://www.fao.org/3[...] 2021-02-05
_[10] 논문 Determination of ammonium and organic bound nitrogen by inductively coupled plasma emission spectroscopy http://yadda.icm.edu[...] 2009
_[11] 웹사이트 Intérêt de l'ECZ pour le dosage de l'azote total (méthode de Kjeldahl) - Blog Pharma Physic http://blog.pharmaph[...] 2012-04-05
_[12] 웹사이트 Peut-on éviter l'étape de distillation dans la méthode Kjeldahl ? - Blog Pharma Physic http://blog.pharmaph[...] 2012-04-26
_[13] 문서 適用する試料・分野によって幾つかの異なる指針がある。食品に関する ISO 1871:1975、水質に関する ISO 5663:1984 など. http://www.iso.org/i[...]
_[14] 문서 JIS K 0400-44-40「水質－ケルダール窒素の定量－セレンを用いる無機質化後の方法」 https://www.jisc.go.[...]
_[15] 문서 第十四改正日本薬局方第一部　36. 窒素定量法（セミミクロケルダール法） https://jpdb.nihs.go[...]
_[16] 문서 毒性のため、現在では水銀はほとんど用いられることはない。 http://www.famic.go.[...]
_[17] 문서 JISK-0102 44 有機体窒素 https://www.jisc.go.[...]
_[18] 논문 改良デュマ法によるしょうゆの全窒素定量社団法人日本分析化学会 2007-03-05
_[19] 논문 Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern https://books.google[...] Zeitschrift für analytische Chemie 1883
_[20] 서적 Practical Organic Chemistry https://archive.org/[...] 1910
_[21] 저널 The Titration in the Kjeldahl Method of Nitrogen Determination: Base or Acid as Titrant?
_[22] 웹인용 International Starch: ISI 24 Determination of Protein by Kjeldahl. http://www.starch.dk[...] 2019-03-21
_[23] 문서 AOAC International
_[24] 웹인용 Analysis of Proteins http://www-unix.oit.[...] University of Massachusetts Amherst 2007-04-27

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