,, , ,*,,

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所,湖北武漢 430223; 2.農(nóng)業(yè)部風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(武漢),湖北武漢 430223)

響應(yīng)面法優(yōu)化克氏原螯蝦蝦殼中乙酸鈣的提取工藝

喻亞麗1,2,周運(yùn)濤1,2,文平1,2,何力1,2,*,周殿芳1,2,呂磊1,2

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所,湖北武漢 430223; 2.農(nóng)業(yè)部風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(武漢),湖北武漢 430223)

為進(jìn)一步利用蝦殼資源,以克氏原螯蝦蝦殼為原料,采用乙酸提取法從蝦殼中進(jìn)行乙酸鈣的提取,探討了乙酸濃度、液料比、溫度和時(shí)間4個(gè)因素對(duì)蝦殼鈣提取的影響,在此基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面法研究各自變量及其交互作用對(duì)蝦殼中鈣提取率的影響。結(jié)果表明,影響鈣提取率的因素大小順序?yàn)?液料比>溫度>乙酸的濃度>酸解時(shí)間。乙酸鈣提取最優(yōu)條件是乙酸濃度73.60 g/L,反應(yīng)時(shí)間3 h,反應(yīng)溫度65 ℃,液料比11.60∶1 (mL/g),在此條件下,得到克氏原螯蝦蝦殼中鈣的得率為20.45%。此工藝下鈣的得率較高,成本較低。本研究為以蝦殼為鈣源進(jìn)行乙酸鈣生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

克氏原螯蝦,乙酸,響應(yīng)面法,乙酸鈣

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)俗稱小龍蝦,隸屬甲殼綱(Crustacea),十足目(Decapoda),螯蝦科(Cambaridae),原螯蝦屬(Procambarus)[1]。克氏原螯蝦食性廣、生長(zhǎng)速度快、繁殖力和適應(yīng)能力強(qiáng),是目前我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)水產(chǎn)養(yǎng)殖品種之一[2]。據(jù)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì),2014年我國(guó)小龍蝦產(chǎn)量高達(dá)6.60萬(wàn)t,出口額達(dá)3.8億美元。

目前,克氏原螯蝦主要以加工成凍熟制蝦仁、凍熟整蝦的形式進(jìn)行生產(chǎn)、銷售。在加工和食用小龍蝦的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的固體廢棄物,這些廢棄物的直接丟棄不僅給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染,也是一種資源的巨大浪費(fèi)[4]。研究發(fā)現(xiàn),蝦殼中含有豐富的蝦青素、蛋白質(zhì)、甲殼素、鈣、不飽和脂肪酸、腦磷脂、卵磷脂等營(yíng)養(yǎng)成分[5-7]。蝦黃含有良好風(fēng)味物質(zhì),是提取風(fēng)味化合物的一種重要來(lái)源[8]。因此,充分利用蝦殼、蝦頭這些優(yōu)質(zhì)資源,開(kāi)發(fā)相關(guān)副產(chǎn)品,不僅可以增加產(chǎn)品的附加值,還對(duì)保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

蝦殼是含鈣量很高的天然食物成分之一,是一種優(yōu)質(zhì)的鈣源[9]。目前從蝦殼中提取鈣的方法主要有:煅燒法、直接中和法和酶法。利用煅燒法,能耗大,成本高,過(guò)程復(fù)雜,而且在煅燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣,帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染[10]。以直接中和法從蝦殼中提取鈣是使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿,該方法不僅會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染而且還會(huì)降低蝦殼中甲殼素的聚合度和質(zhì)量,最終會(huì)影響到蝦殼的綜合利用[11-12]。利用酶法提取對(duì)蝦蝦殼鈣,該方法反應(yīng)溫和,對(duì)環(huán)境污染較小,但該方法提取的蝦殼鈣含量較低,僅有12.33%[13]。因此,利用有機(jī)酸進(jìn)行鈣的提取備受關(guān)注,該方法不僅簡(jiǎn)單易操作,提取成本低,而且對(duì)環(huán)境影響較小,產(chǎn)物也具有廣泛的應(yīng)用前景[14]。乙酸鈣屬于有機(jī)酸鈣,具有溶解性比無(wú)機(jī)酸鈣要好、pH近中性、對(duì)胃腸刺激較小、吸收利用好等方面的優(yōu)點(diǎn)[15],在臨床、食品工業(yè)上都有廣泛的應(yīng)用。目前制備乙酸鈣主要通過(guò)直接法和間接法,間接法是經(jīng)高溫煅燒石灰石同乙酸進(jìn)行反應(yīng)[16];直接法是利用碳酸鈣與乙酸進(jìn)行反應(yīng)[17]。因此,利用蝦殼代替碳酸鈣開(kāi)發(fā)相關(guān)的乙酸鈣產(chǎn)品逐步成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有研究表明,酸的濃度、酸解的溫度、時(shí)間以及液料比對(duì)蝦殼鈣的酸解的工藝和鈣的提取率都有一定的影響。本文采用乙酸酸解的方法制備乙酸鈣,通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn),研究乙酸的濃度、酸解溫度和時(shí)間、液料比對(duì)蝦殼鈣的得率的影響,并通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化制備乙酸鈣的工藝條件。以期為克氏原螯蝦蝦殼綜合利用提供一種環(huán)保、高產(chǎn)、高附加值的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

克氏原螯蝦 武漢市新竹路菜市場(chǎng);去離子水 實(shí)驗(yàn)室自制;乙酸、氨水、乙二胺基四乙酸二鈉、鉻黑T、氯化銨 國(guó)藥集團(tuán),分析純?cè)噭?/p>

DHG-9003BS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗;滴定儀 瑞士萬(wàn)通;HH6電熱恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司;粉碎機(jī) 上海頂帥電器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蝦殼粉的制備 取克氏原螯蝦除去全部肉質(zhì),蝦殼用蒸餾水反復(fù)清洗,直至無(wú)浮液,置于100 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干24 h。將干燥好的蝦殼用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎,過(guò)100目篩,貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 蝦殼營(yíng)養(yǎng)成分分析 水分含量測(cè)定:采用常壓干燥法(GB 5009.3-2010),粗蛋白含量測(cè)定:采用凱氏定氮法(GB 5009.5-2010),粗脂肪含量測(cè)定:采用索氏抽提法(GB/T 5009.6-2003),灰分含量測(cè)定:采用灼燒稱重法(GB 5009.4-2010)。

1.2.3 制備乙酸鈣的工藝流程 稱取一定量粉碎后的蝦殼粉,按比例加入乙酸混合均勻,置于水浴鍋上,在不同的酸解溫度、酸解時(shí)間、乙酸濃度、液料比條件下進(jìn)行酸解反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束后,用蒸餾水定容酸解液至25 mL。然后進(jìn)行鈣得率的測(cè)定。

1.2.4 鈣得率的測(cè)定 取酸解液1 mL于錐形瓶中,加入9 mL去離子水,再分別加入3 mL三乙醇胺和4 mL氨性溶液,加入鉻黑T指示劑約0.05 g,再用標(biāo)定過(guò)的EDTA溶液滴定至溶液由紫紅色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色。記錄EDTA的消耗量,并計(jì)算鈣的得率w。鈣的得率計(jì)算公式[18]:

式中:C-標(biāo)準(zhǔn)EDTA溶液的濃度,mol/L；V-滴定鈣元素總量消耗的EDTA溶液的體積,mL；M-鈣的相對(duì)分子質(zhì)量,g/mol；m-稱取的樣品量,g。

1.3單因素實(shí)驗(yàn)

1.3.1 溫度對(duì)鈣得率的影響 取0.50 g蝦殼粉,按照10∶1 (mL/g)的液料比,加入50 g/L的乙酸5 mL。分別置于45、55、65、75、85 ℃的水浴鍋中進(jìn)行酸解反應(yīng)1 h,將酸解液定容,測(cè)定鈣的得率。

1.3.2 酸解時(shí)間對(duì)鈣得率的影響 取0.50 g蝦殼粉,按照10∶1 (mL/g)的液料比,加入50 g/L的乙酸5 mL,置于75 ℃水浴鍋中進(jìn)行酸解反應(yīng),分別反應(yīng)2、3、4、5、6 h,將酸解液定容,測(cè)定鈣的得率。

1.3.3 液料比對(duì)鈣得率的影響 取0.50 g蝦殼粉,分別按照6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1 (mL/g)的液料比,加入50 g/L的乙酸3、4、5、6、7 mL,置于75 ℃的水浴鍋進(jìn)行酸解反應(yīng)3h,將酸解液定容,測(cè)定鈣的提取率。

1.3.4 乙酸濃度對(duì)鈣得率的影響 取0.50 g蝦殼粉,按照10∶1 (mL/g)的液料比,分別加入10、30、50、70、90、110 g/L的乙酸5 mL,置于75 ℃的水浴鍋進(jìn)行酸解反應(yīng)3 h,將酸解液定容,測(cè)定鈣的得率。

1.4響應(yīng)面法優(yōu)化鈣得率工藝的實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇乙酸濃度、液料比、酸解溫度、酸解時(shí)間4個(gè)因素與鈣的得率進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),優(yōu)化蝦殼中乙酸鈣的提取工藝,設(shè)計(jì)因素水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素與水平表Table 1 Factors and levels table of response surface methodology

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理,利用Design Expert 8.0.5b對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1基本營(yíng)養(yǎng)成分

表2 克氏原螯蝦蝦殼基本營(yíng)養(yǎng)成分(以鮮重計(jì)%)Table 2 The general nutritional of the shrimp shell(by wet weight %)

克氏原螯蝦蝦殼中的基本營(yíng)養(yǎng)成分如表2所示,其中水分含量為36.21%、灰分含量高達(dá)31.74%、粗蛋白含量為4.92%、粗脂肪含量為6.57%。克氏原螯蝦蝦殼中的灰分高達(dá)31.74%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南極磷蝦蝦頭和蝦殼中的12.48%、14.26%[19],凡納對(duì)蝦蝦殼中的灰分含量較高有20.11%[20]。克氏原螯蝦蝦殼中灰分含量較高,蝦殼灰分中的主要成分是碳酸鈣[21]。因此提取蝦殼中的鈣成分,充分利用克氏原螯蝦蝦殼中的鈣資源,是開(kāi)展克氏原螯蝦蝦殼廢棄物綜合利用的有效途徑。

2.2蝦殼中鈣提取單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 酸解溫度對(duì)鈣得率的影響 溫度影響化學(xué)反應(yīng)的速率,隨著溫度的上升,分子運(yùn)動(dòng)加劇,加大了分子間的碰撞幾率,從而影響鈣的得率。由圖1可知,隨著酸解溫度的上升,鈣的得率也不斷的升高。當(dāng)酸解溫度達(dá)到75 ℃時(shí),鈣的得率達(dá)到最大,此時(shí)鈣的得率為12.34%。繼續(xù)增加酸解溫度,鈣的得率反而會(huì)下降。這可能是由于隨著溫度繼續(xù)的升高,乙酸分子的運(yùn)動(dòng)速度加快,導(dǎo)致乙酸大量的揮發(fā),從而使得乙酸的實(shí)際濃度下降,進(jìn)而影響鈣的得率[22]。

圖1 酸解溫度對(duì)鈣得率的影響Fig.1 Effect of temperature on extraction yield of calcium

2.2.2 酸解時(shí)間對(duì)鈣得率的影響 由圖2可知,蝦殼粉中鈣的得率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,當(dāng)酸解反應(yīng)達(dá)到4 h時(shí),鈣的得率達(dá)到最大,為18.02%。隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng),鈣的得率開(kāi)始下降。這可能是由于隨著酸解反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí),乙酸也有一定的揮發(fā),從而使反應(yīng)系統(tǒng)中的乙酸濃度下降,使反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行,從而使鈣的得率有下降的趨勢(shì)。

圖2 酸解時(shí)間對(duì)鈣得率的影響Fig.2 Effect of time on extraction yield of calcium

2.2.3 液料比對(duì)鈣得率的影響 由圖3可知,當(dāng)蝦殼粉的量一定時(shí),隨著反應(yīng)體系中乙酸用量的增加,鈣的得率隨之變大,當(dāng)液料比達(dá)到12∶1時(shí),鈣的得率達(dá)到最大,為20.11%。繼續(xù)增加乙酸的用量,鈣的得率呈下降趨勢(shì)。這可能是由于在液料比達(dá)到12∶1時(shí),用乙酸從克氏原螯蝦蝦殼中提取乙酸鈣已經(jīng)達(dá)到了一種平衡狀態(tài),繼續(xù)增加乙酸的量對(duì)鈣的提取影響不大。因此,液料比最佳為12∶1。

圖3 液料比對(duì)鈣得率的影響Fig.3 Effect of ratio of liquid to solid on extraction yield of calcium

2.2.4 乙酸濃度對(duì)鈣得率的影響 由圖4可知,當(dāng)乙酸濃度增加到70 g/L時(shí),鈣的得率增加到最大。繼續(xù)增大乙酸濃度,鈣的得率呈下降的趨勢(shì)。這可能是由于當(dāng)乙酸濃度不斷增大時(shí),乙酸中的氫離子不能完全游離出來(lái)與碳酸鈣進(jìn)行反應(yīng)[23],從而導(dǎo)致蝦殼粉中鈣的得率下降。因此,乙酸的最佳濃度為70 g/L。

圖4 乙酸濃度對(duì)鈣得率的影響Fig.4 Effect of acetic acid concentration on extraction yield of calcium

2.3響應(yīng)面法優(yōu)化鈣提取率工藝

2.3.1 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表3列出了乙酸進(jìn)行酸解提取鈣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果及其預(yù)測(cè)值。利用Design-Expert 8.05b對(duì)表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到鈣的得率(Y)對(duì)自變量乙酸濃度(A)、酸解時(shí)間(B)、酸解溫度(C)、料液比(D)的二次回歸模擬方程:

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

Y=19.87+0.245A-0.005B-0.534C-0.668D-0.123AB+0.085AC+0.218AD+0.495BC-0.508BD-0.408CD-0.910A2-0.1620B2-0.009C2-0.686D2。

對(duì)該回歸模擬方程進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知模型的F=14.262,p<0.0001,表明該實(shí)驗(yàn)的二次回歸模型是極顯著的;失擬項(xiàng)F=0.8442,p=0.625>0.05,該失擬項(xiàng)不顯著;實(shí)驗(yàn)無(wú)失擬因素存在,能充分反映實(shí)際情況;決定系數(shù)R2=0.9345,表明響應(yīng)值表中93.45%來(lái)源于所選因素;精密度是有效信號(hào)與噪聲的比值,大于4.0視為合理,本實(shí)驗(yàn)精密度達(dá)到15.765。因此,該模型的擬合度較好,能充分反映出各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系,可以用該模型對(duì)鈣的得率結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

回歸方程中的一次項(xiàng)C、D,交互項(xiàng)BC、BD及二次項(xiàng)A2、D2對(duì)鈣的得率影響極顯著(p<0.01),一次項(xiàng)A、交互項(xiàng)CD對(duì)鈣的得率影響較顯著(p<0.05)。因此,實(shí)驗(yàn)因素對(duì)鈣的得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。各因素對(duì)響應(yīng)值的影響的順序?yàn)镈>C>A>B,即液料比對(duì)鈣的得率影響最大,其次是溫度和乙酸的濃度,酸解時(shí)間對(duì)鈣的得率的影響最小。

2.3.2 響應(yīng)面結(jié)果分析 根據(jù)多元二次回歸模型得到響應(yīng)面和等高線圖,響應(yīng)面圖是響應(yīng)值對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)因素A、B、C、D所構(gòu)成的三維空間曲線圖。將兩個(gè)因素固定在零水平,考察另外兩個(gè)因素交互對(duì)鈣得率的影響。曲線的走勢(shì)能反映因素對(duì)鈣得率的影響,曲線走勢(shì)越陡峭,表明響應(yīng)值對(duì)因素改變?cè)矫舾?該因素對(duì)鈣得率的影響越大;反之則越小[24-26]。

表4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方差分析Table 4 The variance analysis of response surface

注：*表示p<0.05,差異顯著;**表示p<0.01,差異極顯著。

2.3.2.1 乙酸濃度和酸解時(shí)間的交互作用對(duì)蝦殼中鈣得率的影響 由圖5可知,酸解時(shí)間相同,當(dāng)乙酸濃度在50～70 g/L時(shí),隨著乙酸濃度的升高,鈣的得率增大。因?yàn)橐宜崤c蝦殼粉的反應(yīng)為非均相反應(yīng),隨著乙酸濃度的增加,蝦殼中碳酸鈣單位表面積上的乙酸濃度也隨之增大,單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增加,蝦殼中鈣的得率不斷的增加。當(dāng)進(jìn)一步增加乙酸的濃度,鈣的得率反而下降。這可能與乙酸是揮發(fā)性酸有關(guān),當(dāng)乙酸濃度達(dá)到一定值時(shí),繼續(xù)增大乙酸的濃度,其揮發(fā)性也隨之增加,使實(shí)際參與反應(yīng)的乙酸的濃度反而減小[22],從而使鈣的得率降低。

圖5 乙酸濃度和酸解時(shí)間對(duì)鈣得率的影響Fig.5 Effect of the concentration of acetic acid and time on extraction yield of calcium

乙酸濃度一定時(shí),酸解時(shí)間在3～4 h時(shí),隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng),鈣的得率緩慢提高;之后隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng),鈣的得率則緩慢下降。這可能是由于酸解反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí),乙酸有一定的揮發(fā),從而使反應(yīng)系統(tǒng)中的乙酸濃度下降,使反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行,最終使鈣的得率有下降的趨勢(shì)。范崢以廢棄牡蠣殼為原料制備食品級(jí)醋酸鈣研究發(fā)現(xiàn),反應(yīng)時(shí)間對(duì)醋酸鈣的含量影響顯著,醋酸鈣含量及收率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而延長(zhǎng),當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于150 min時(shí),醋酸鈣的含量及收率無(wú)明顯變化[27]。本研究關(guān)于酸解時(shí)間對(duì)鈣的得率的影響同范崢的研究結(jié)果一致。

2.3.2.2 乙酸濃度和酸解溫度的交互作用對(duì)蝦殼中鈣的得率的影響 由圖6可知,當(dāng)乙酸濃度一定時(shí),隨著酸解溫度的升高,鈣的得率一直呈下降趨勢(shì)。這可能是由于隨著溫度的升高,乙酸分子的運(yùn)動(dòng)速度加快,導(dǎo)致乙酸大量的揮發(fā),從而使得參與到反應(yīng)中乙酸的實(shí)際濃度下降,進(jìn)而導(dǎo)致鈣得率的下降。同時(shí),由于酸解反應(yīng)溫度的升高,也會(huì)使鈣鹽的水溶性下降,最終導(dǎo)致鈣的得率下降[28]。

圖6 乙酸濃度和酸解溫度對(duì)鈣得率的影響Fig.6 Effect of the concentration of acetic acid and temperature on extraction yield of calcium

2.3.2.3 乙酸濃度和料液比對(duì)鈣得率的影響 液料比為13∶1時(shí),鈣的提取率達(dá)到極值,之后隨著液料比的增加而鈣的得率變化不大。這可能是由于當(dāng)液料比增加到一定的值,鈣的得率趨于穩(wěn)定,反應(yīng)趨于完全,增加反應(yīng)體系中乙酸的量,對(duì)蝦殼中鈣的得率影響不大。該研究結(jié)果與劉洪玲的研究結(jié)果一致[29]。

圖7 乙酸濃度和液料比對(duì)鈣得率的影響Fig.7 Effect of the concentration of acetic acid and ratio of liquid to solid on extraction yield of calcium

2.3.2.4 酸解時(shí)間和溫度對(duì)蝦殼中鈣的得率的影響 由圖8可知,時(shí)間和溫度的交互作用極顯著。隨著溫度的上升和酸解時(shí)間的延長(zhǎng),鈣的得率一直在下降。

圖8 酸解時(shí)間和酸解溫度對(duì)鈣得率的影響Fig.8 Effect of time and temperature on extraction yield of calcium

2.3.2.5 酸解時(shí)間和液料比對(duì)鈣的得率的影響 由圖9可知,酸解時(shí)間和液料比的交互作用顯著。隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng),鈣的得率一直在下降。當(dāng)液料比在12∶1～14∶1之間時(shí),隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng),鈣的得率逐漸增大。

圖9 酸解時(shí)間和液料比對(duì)鈣得率的影響Fig.9 Effect of time and ratio of liquid to solid on extraction yield of calcium

2.3.2.6 酸解溫度和液料比對(duì)鈣得率的影響 由圖10可知,溫度和液料比的交互作用顯著。隨著液料比的增加,鈣的得率也不斷的增大;當(dāng)料液比增大到12∶1時(shí),繼續(xù)增加液料比,鈣的得率反而下降。隨著反應(yīng)體系溫度的升高,鈣的得率不斷的下降,這可能是由于溫度的升高,乙酸的大量揮發(fā),從而使乙酸的濃度下降,最終導(dǎo)致鈣得率的下降。

圖10 酸解溫度和液料比對(duì)鈣得率的影響Fig.10 Effect of temperature and ratio of liquid to solid on extraction yield of calcium

2.4最佳工藝參數(shù)確定及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

用Design-Expert 8.05b軟件對(duì)二次多項(xiàng)式回歸方程進(jìn)行計(jì)算,確定最合適的工藝條件為:濃度73.58 g/L,反應(yīng)時(shí)間3 h,反應(yīng)溫度65 ℃,液料比為11.58∶1 (mL/g),此條件下乙酸鈣的得率為20.79%。考慮實(shí)際操作的局限性,工藝最終修正為:濃度為73.60 g/L,反應(yīng)時(shí)間為3 h,反應(yīng)溫度為65 ℃,液料比為11.60(mL/g)條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)3組平行實(shí)驗(yàn)得到克氏原螯蝦蝦殼中的鈣的得率為20.45%。

3 討論

乙酸鈣極易溶于水,是水溶性最高的一種鈣劑,具有有效鈣含量高、吸收利用率好、補(bǔ)鈣效果快等特點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工及食品領(lǐng)域。

本實(shí)驗(yàn)利用乙酸對(duì)克氏原螯蝦蝦殼中的鈣進(jìn)行提取,最佳的鈣的得率為20.45%。該方法鈣的得率較高,而且對(duì)環(huán)境的影響較小。王迪將蝦頭蝦殼進(jìn)行高溫煅燒,后進(jìn)行酸溶,與檸檬酸鈉反應(yīng)從而提取檸檬酸鈣,最終生成檸檬酸鈣的質(zhì)量高達(dá)7.49 g。該方法產(chǎn)率較高,但過(guò)程繁瑣,增加了能量的消耗,進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的成本也較高[30]。王大巾利用菠蘿蛋白酶從對(duì)蝦蝦殼中進(jìn)行鈣的提取,在0.65 g/100 mL的菠蘿酶水解上清液中鈣的提取率為12.33%[13]。使用酶法進(jìn)行蝦殼中鈣的提取,該反應(yīng)溫和,環(huán)境污染較小,但對(duì)鈣的提取率較低,而且反應(yīng)的條件不易于控制。魏穎采用乳酸提取法從蝦殼中提取乳酸鈣,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),乳酸鈣的最高提取量達(dá)7.62%[31]。與以往工藝相比,該方法耗能較低,反應(yīng)時(shí)間較短,具有良好的研究前景。但該方法提取得到的乳酸鈣溶解度較低僅有70 mg/100 mL,人體吸收利用率僅有32%[32]。因此,使用該方法提取得到的乳酸鈣作為補(bǔ)鈣制劑時(shí),不利于鈣的吸收利用。陳珊珊等采用鹽酸法提取南美白對(duì)蝦蝦殼中的鈣,其中蝦殼鈣的最佳提取率為9.4%[33]。該方法在提取過(guò)程中使用了鹽酸,當(dāng)將該法大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,不僅會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染,而且該方法得到的鈣的提取率也略低。

本方法使用乙酸進(jìn)行提取,不但可以降低因大量使用無(wú)機(jī)酸給環(huán)境帶來(lái)的影響,還可以提高資源利用率。通過(guò)該方法制得的乙酸鈣具有較高的溶解度(3850 mg/100 mL)和人體吸收利用率(78.51%)[32],具有較好的開(kāi)發(fā)利用前景。同時(shí)利用響應(yīng)面法對(duì)乙酸鈣的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到的工藝條件合理可行,可以進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。因此,本研究選用乙酸進(jìn)行蝦殼中鈣的提取該制備工藝可顯著節(jié)能減排,又兼具高值化利用克氏原螯蝦加工廢棄物的雙重功效,產(chǎn)品具有較好的推廣應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

響應(yīng)面法分析結(jié)果可見(jiàn):酸解反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度,酸解時(shí)間和液料比的交互作用對(duì)鈣的得率影響極顯著;酸解溫度和液料比的交互作用對(duì)鈣的得率影響較顯著;乙酸濃度和酸解時(shí)間,乙酸濃度和液料比,乙酸濃度和溫度的交互作用對(duì)鈣的得率影響不顯著。

響應(yīng)面法優(yōu)化克氏原螯蝦蝦殼中乙酸鈣的提取實(shí)驗(yàn),在最佳工藝條件:濃度73.58 g/L,反應(yīng)時(shí)間3 h,反應(yīng)溫度65 ℃,液料比為11.58∶1 (mL/g),此條件下乙酸鈣的得率為20.79%?？紤]實(shí)際操作的局限性,工藝最終修正為:濃度為73.60 g/L,反應(yīng)時(shí)間為3 h,反應(yīng)溫度為65 ℃,液料比為11.60∶1 (mL/g)條件下得到克氏原螯蝦蝦殼中的鈣的得率為20.45%。

[1]丁建英,康琎,徐建榮. 東北螯蝦和克氏原螯蝦肌肉營(yíng)養(yǎng)成分比較[J]. 食品科學(xué),2010,31(24):427-431.

[2]湯靚穎. 小龍蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009(22):306-309.

[3]CRUSTACEAN F.ranching and culture[M]. 2nd edn. Oxford:Blackwell Science Ltd,2002:181-199.

[4]羅夢(mèng)良,錢名權(quán). 蝦仁加工廢棄物的頭、殼的綜合利用[J].淡水漁業(yè),2003,33(6):59-60.

[5]Fanimo AO,Oduguwa OO,Onifade AO,et al. Protein quality of shrimp-waste meal[J]. Bioresource Technology,2000,72:185-188.

[6]Sachindra NM,Mahendrakar NS. Process optimization forextraction of carotenoids from shrimp waste with vegetable oils[J].Bioresource Technology,2005,96:1195-1200.

[7]R?dde RH,Einbu A,V?rum K M. A seasonal study of the chemical composition and chitin quality of shrimp shells obtainedfrom northern shrimp(Pandalus borealis)[J]. Carbohydrate Polymers.doi:10.1016/j.carbpol.2007.06.006.

[8]BABU CM,CHAKRABARTI R,SAMBASIVARAOK RS. Enzymatic isolation of carotenoid-protein complex from shrimp head waste and its use as a source of carotenoids[J]. LWT,2008,41:227-235.

[9]秦燕,林煒,寧正祥,等. 蝦殼鈣蛋白的生物利用率研究[J]. 食品科學(xué),1996,17(12):42-45.

[10]李峰. 以牡蠣殼為原料制備食品級(jí)添加劑丙酸鈣的工藝研究[D]. 西安:西北大學(xué)圖書(shū)館,2008.

[11]Mahmoud NS,Ghaly AE,Arab F. Unconventional approach for demineralization of deproteinized crustacean shells for chitin production[J].American Journal of Biochemistry and Biotechnology,2007,3:1-9.

[12]李亞楠,王海濱,王琦. 小龍蝦副產(chǎn)物中鈣的提取條件研究[J]. 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,32(2):19-21.

[13]王大巾,何露,祁鵬飛,等. 利用菠蘿蛋白酶提取對(duì)蝦蝦殼蛋白質(zhì)和鈣的工藝研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,35(2):304-308.

[14]韓凱寧,王盼盼,林海,等. 有機(jī)酸中蝦殼中鈣的溶出特性研究[J]. 廣州化工,2013,41(8):71-72.

[15]李久成. 醋酸鈣的保健及醫(yī)療功能[J]. 論文選刊,2000(11):30-31.

[16]陳延信,田增愿,趙博. 碳酸鈣渣懸浮態(tài)和堆積態(tài)煅燒產(chǎn)品的理化性能比較[J]. 硅酸鹽通報(bào),2014,33(5):1193-1197.

[17]高新,韓偉,李穩(wěn)宏,等. 循環(huán)法制備高純碳酸鈣工藝研究[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,37(1):63-66.

[18]周愛(ài)梅,張祥剛,陳毅雯,等. 內(nèi)、外源復(fù)合酶解南美白對(duì)蝦蝦頭、蝦殼的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2010,31(5):241-244.

[19]宋翔. 南極磷蝦蝦頭、蝦殼營(yíng)養(yǎng)成分分析及氟安全性初探[D]. 上海:上海海洋大學(xué)圖書(shū)館,2013.

[20]唐紅楓,吳郭燚,嚴(yán)月,等. 凡納對(duì)蝦干蝦殼營(yíng)養(yǎng)成分檢測(cè)分析[J]. 飼料工業(yè),2013,34(2):34-37.

[21]梁玉佳. 南極磷蝦蝦殼中甲克素的制取與應(yīng)用[D]. 大連:大連工業(yè)大學(xué)圖書(shū)館,2013.

[22]白艷,談小登,黃曉,等. 鰻魚(yú)骨鈣酸法提取工藝的研究[J]. 食品科技,2010,35(8):274-276.

[23]李彥坡. 利用雞蛋殼制取乙酸鈣的研究[D]. 武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書(shū)館,2010.

[24]趙強(qiáng),索有瑞,李天才,等. 響應(yīng)面法優(yōu)化苦蕎皮中總黃酮超聲波提取工藝的研究[J]. 食品科學(xué),2014,35(16):64-70.

[25]陳紅梅,謝翎. 響應(yīng)面法優(yōu)化半枝蓮黃酮提取工藝及體外抗氧化性分析[J]. 食品科學(xué),2016,37(2):45-50.

[26]全沁果,楊明,林菲,等. 響應(yīng)面法優(yōu)化雞蛋殼檸檬酸鈣的制備工藝[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào),2016,30(1):79-85.

[27]范崢,楊栩,關(guān)嘉慶,等. 以廢棄牡蠣殼為原料制備食品級(jí)醋酸鈣[J]. 食品工業(yè)科技,2015,36(10):254-258.

[28]譚文溢,聶乾忠,管維. 響應(yīng)面法優(yōu)化草魚(yú)魚(yú)鱗檸檬酸-蘋(píng)果酸鈣提取工藝響應(yīng)面法優(yōu)化草魚(yú)魚(yú)鱗檸檬酸-蘋(píng)果酸鈣提取工藝[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(3):51-54.

[29]劉洪玲. 檸檬酸-蘋(píng)果酸鈣復(fù)合鹽的制備和應(yīng)用[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[30]王迪,牟建樓,牛萬(wàn)坤,等. 高溫煅燒酸溶法從蝦頭蝦殼中制取檸檬酸鈣的研究[J]. 食品科技,2015,40(11):75-79.

[31]魏穎,劉華,陳麗麗,等. 響應(yīng)面法優(yōu)化克氏原螯蝦蝦殼中鈣提取工藝的研究[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(4):50-54.

[32]梁春娜. 雞蛋殼為原料制備醋酸鈣的工藝研究[D]. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[33]陳珊珊,丁俏羽,李佳,等. 響應(yīng)面法優(yōu)化蝦殼可溶性鈣提取工藝[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào),2014,14(6):81-89.

Optimizationofcalciumacetateextractionprocessfromprocambarusclarkiashellbyresponsesurfacemethodology

YUYa-li1,2,ZHOUYun-tao1,2,WENPing1,2,HELi1,2,*,ZHOUDian-fang1,2,LVLei1,2

(1.Yangtze River Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Wuhan 430223,China; 2.Aquatic Product Safety Risk Assessment Laboratory(Wuhan),Ministry of Agriculture P.R. China,Wuhan 430223,China)

In this paper,for further application of clarkia shell resource,the calcium was extracted from procambarus clarkia by acetic acid inquiring the four factors such as extraction temperature,acid concentration,the reaction time,liquid to solid into the extraction yield of calcium acetate. Based on the single factor experiments,the influence of the variables and their interaction on the impact on the extraction yield of calcium acetate was studied by response surface methodology. The results showed that the effect order of the factors on the extraction yield of calcium acetate from shrimp shell was:liquid to solid,temperature,concentration of acetic acid,and the time. The optimum extraction conditions were as follows:acid concentration 73.60 g/L,the reaction time 3 h,extraction temperature 65 ℃,liquid to solid 11.60∶1 (mL/g)and the most calcium extraction rate was 20.45%. The present method gives an acceptable yield and improved quality of calcium acetate. And this study could be helpful for the production or manufacture of calcium acetate based on shrimp shell as calcium resources.

procambarus clarkia;acetic acid;response surface methodology;calcium acetate

2017-03-24

喻亞麗(1989-),女,碩士,助理研究員,研究方向：水產(chǎn)品加工,E-mail:yali198811@163.com。

*

何力(1963-),男,博士,研究員,主要從事水產(chǎn)品質(zhì)量安全,E-mail:heli28@sohu.com。

中央級(jí)科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2015JBFM34)。

TS254

B

1002-0306(2017)21-0167-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.034