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啤酒好不好喝與河川乾不乾淨--竟維繫在一項相同的實驗檢測上

「氮」是生物體中的一個主要元素,也是生物生存、代謝所需的營養份。但是氮太多,也會造成問題,例如取含太多氮的水灌溉,植物會生長過高,不會結果實;湖泊含氮過高,容易滋生藻類,水色混濁;河川含氮過高,水中的氧氣降低,產生惡臭;飲用水中含氮量太高,將影響嬰孩的呼吸,甚至增加癌症的風險。

一個啤酒商的夢想
有趣的是,世界上最早關心含氮量是否偏高,是丹麥首府哥本哈根的一個釀裝啤酒商,他名叫傑克布森(Jacob Christran Jacobsen, 1811-1887)。傑克布森年輕時所受的教育不多,曾上過著名電學與化學家奧斯特(Hans Christian Orsted,1777-1851)的幾次課。1844年,傑克布森為了改善釀造商品質的啤酒,他成立「嘉士伯(Carlsberg)釀酒廠」,生產啤酒。他逐漸知道,麥類的含氮量愈低,所釀出的啤酒就愈好,但是當時不容易測定麥類含氮量。
嘉士伯啤酒後來受到歡迎,傑克布森賺了許多錢。但是他沒有忘記他起初的理想,1876年,他與丹麥皇家科學會合作成立「嘉士伯實驗室」(Carlsberg laboratory),支持科學的研究。嘉士伯實驗室的第一屆主任名叫凱傑勒達許(Johan Kjeldahl, 1849-1900),他的第一個任務就是要研發出快速且準確量測氮的方法。

特殊的文化背景
凱傑勒達許出生在丹麥南部與德國相鄰的一個小鎮,自中古世紀以來,這地區就是歐洲製藥的中心,有許多小型、簡陋的製藥實驗室,替各地精製藥品。這成為當地一種特殊的文化,許多年輕人在一起就比較誰能把藥製的更純,藥品能夠製造的更純,就愈能發揮藥效。這裡的學生,幾乎每個都想唸與化學相關的科系,例如當時有一個年輕人名叫默克(Henrich Zmanel Merck, 1794-1855),就以能夠製精製生物鹼,而開設公司。默克公司後來成為世界上最大的化學製藥廠。
凱傑勒達許從小就喜於化學分析,而且能夠吹製所需實驗的玻璃,迄今,化學實驗室裡有一種長頸圓桶的玻璃器皿稱為「凱氏瓶」(Kjeldahl flask),就是他首先製造出來的。他認為化學分析的技術不只可以用來製藥,也可以用來鑑定農產製品的純度。丹麥是一個農產豐富的國家,如果能夠製造高品質的農產品加工,就可以幫助農民。因此他大學時唸農產加工學系,專門研究葡萄酒釀造的科學技術。

凱氏法分析的由來
畢業後,他擔任嘉士伯實驗室主任時,經過七年的研究,他才提出量化含氮量的化學分析法:在強酸與高溫將檢測物中的氮轉化成氨氣,再於鹼性狀態下讓氨氮揮發,冷凝後以硼酸吸收中和,而後以弱酸去滴定中和的硼酸量,這方法是普世第一個快速、又準確分析氮含量的方式。成為世界各檢測氮含量的標準方法,為了紀念他,就稱這種方法為「凱氏法」。
環境的保護必須建立在客觀、準確的科學量測上,凱氏法也用來分析水中的含氮量,凱氏法分析出來的氮,就稱為「凱氏氮」,是水污染的一項指標。
很可惜的是,這位認真的科學家在五十一歲時,死於突破的心臟病,他的助手索蘭森(Soren Sorensen,1968~1939)接續他的工作,後來索蘭森也非常有名,他在1907年發現水中氫離子濃度,能影響水中的許多化學反應,而定出pH值(p是potential潛在的意思),pH成為普世共用的化學符號。
氮與pH值的實驗,現在仍然是保衛環境的重要的項目。有誰想到背後的支持者,竟是來自一位生產啤酒的企業家呢?

問題:
1.氮是營養份,為何也是污染的項目?
2.pH值測定為何很重要?
3.化學分析對於環境保護有什麼重要性?

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