響應(yīng)面法優(yōu)化克氏原螯蝦蝦殼中鈣提取工藝

克里安美沙灣通常被稱為小龍蝦，屬于甲殼類、甲殼類、托吡魯酯、托吡魯酯和元寶蝦。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)境帶來了嚴(yán)重的污染,也是一種資源的巨大浪費蝦殼是含鈣量很高的天然食物成分之一,是一種優(yōu)質(zhì)的鈣源現(xiàn)有研究表明,酸的濃度、酸解的溫度、時間以及液料比對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,通過單因子實驗,研究乙酸的濃度、酸解溫度和時間、液料比對蝦殼鈣的得率的影響,并通過響應(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材料和方法1.1試劑、儀器和儀器克氏原螯蝦武漢市新竹路菜市場;去離子水實驗室自制;乙酸、氨水、乙二胺基四乙酸二鈉、鉻黑T、氯化銨國藥集團(tuán),分析純試劑。DHG-9003BS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海新苗;滴定儀瑞士萬通;HH6電熱恒溫水浴鍋國華電器有限公司;粉碎機(jī)上海頂帥電器有限公司。1.2蝦殼粉鈣含量的測定取克氏原螯蝦除去全部肉質(zhì),蝦殼用蒸餾水反復(fù)清洗,直至無浮液,置于100℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干24h。將干燥好的蝦殼用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎,過100目篩,貯存?zhèn)溆?。水分含量測定:采用常壓干燥法(GB5009.3-2010),粗蛋白含量測定:采用凱氏定氮法(GB5009.5-2010),粗脂肪含量測定:采用索氏抽提法(GB/T5009.6-2003),灰分含量測定:采用灼燒稱重法(GB5009.4-2010)。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25mL。然后進(jìn)行鈣得率的測定。取酸解液1mL于錐形瓶中,加入9mL去離子水,再分別加入3mL三乙醇胺和4mL氨性溶液,加入鉻黑T指示劑約0.05g,再用標(biāo)定過的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,并計算鈣的得率w。鈣的得率計算公式式中: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-鈣的相對分子質(zhì)量,g/mol;m-稱取的樣品量,g。1.3蝦殼粉中鈣提取率的測定取0.50g蝦殼粉,按照10∶1(mL/g)的液料比,加入50g/L的乙酸5mL。分別置于45、55、65、75、85℃的水浴鍋中進(jìn)行酸解反應(yīng)1h,將酸解液定容,測定鈣的得率。取0.50g蝦殼粉,按照10∶1(mL/g)的液料比,加入50g/L的乙酸5mL,置于75℃水浴鍋中進(jìn)行酸解反應(yīng),分別反應(yīng)2、3、4、5、6h,將酸解液定容,測定鈣的得率。取0.50g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50g/L的乙酸3、4、5、6、7mL,置于75℃的水浴鍋進(jìn)行酸解反應(yīng)3h,將酸解液定容,測定鈣的提取率。取0.50g蝦殼粉,按照10∶1(mL/g)的液料比,分別加入10、30、50、70、90、110g/L的乙酸5mL,置于75℃的水浴鍋進(jìn)行酸解反應(yīng)3h,將酸解液定容,測定鈣的得率。1.4響應(yīng)面法優(yōu)化鈣得率根據(jù)單因素實驗結(jié)果,選擇乙酸濃度、液料比、酸解溫度、酸解時間4個因素與鈣的得率進(jìn)行響應(yīng)面實驗設(shè)計,優(yōu)化蝦殼中乙酸鈣的提取工藝,設(shè)計因素水平見表1。1.5數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析實驗數(shù)據(jù)方差分析采用SPSS19.0軟件進(jìn)行處理,利用DesignExpert8.0.5b對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。2結(jié)果與分析2.1粗蛋白和私家車脂肪含量克氏原螯蝦蝦殼中的基本營養(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%?？耸显r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%2.2蝦殼中鈣提取的酸解反應(yīng)溫度影響化學(xué)反應(yīng)的速率,隨著溫度的上升,分子運動加劇,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,鈣的得率達(dá)到最大,此時鈣的得率為12.34%。繼續(xù)增加酸解溫度,鈣的得率反而會下降。這可能是由于隨著溫度繼續(xù)的升高,乙酸分子的運動速度加快,導(dǎo)致乙酸大量的揮發(fā),從而使得乙酸的實際濃度下降,進(jìn)而影響鈣的得率由圖2可知,蝦殼粉中鈣的得率隨時間的延長而增大,當(dāng)酸解反應(yīng)達(dá)到4h時,鈣的得率達(dá)到最大,為18.02%。隨著酸解時間的延長,鈣的得率開始下降。這可能是由于隨著酸解反應(yīng)進(jìn)行的同時,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。由圖3可知,當(dāng)蝦殼粉的量一定時,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,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。這可能是由于在液料比達(dá)到12∶1時,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)增加乙酸的量對鈣的提取影響不大。因此,液料比最佳為12∶1。由圖4可知,當(dāng)乙酸濃度增加到70g/L時,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。這可能是由于當(dāng)乙酸濃度不斷增大時,乙酸中的氫離子不能完全游離出來與碳酸鈣進(jìn)行反應(yīng)2.3影響鈣得率的因素表3列出了乙酸進(jìn)行酸解提取鈣的實驗設(shè)計、結(jié)果及其預(yù)測值。利用Design-Expert8.05b對表3中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到鈣的得率(Y)對自變量乙酸濃度(A)、酸解時間(B)、酸解溫度(C)、料液比(D)的二次回歸模擬方程:對該回歸模擬方程進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗,結(jié)果見表4。由表4可知模型的F=14.262,p<0.0001,表明該實驗的二次回歸模型是極顯著的;失擬項F=0.8442,p=0.625>0.05,該失擬項不顯著;實驗無失擬因素存在,能充分反映實際情況;決定系數(shù)R回歸方程中的一次項C、D,交互項BC、BD及二次項A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)值對應(yīng)的實驗因素A、B、C、D所構(gòu)成的三維空間曲線圖。將兩個因素固定在零水平,考察另外兩個因素交互對鈣得率的影響。曲線的走勢能反映因素對鈣得率的影響,曲線走勢越陡峭,表明響應(yīng)值對因素改變越敏感,該因素對鈣得率的影響越大;反之則越小乙酸濃度一定時,酸解時間在3~4h時,隨著酸解時間的延長,鈣的得率緩慢提高;之后隨著酸解時間的延長,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,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。范崢以廢棄牡蠣殼為原料制備食品級醋酸鈣研究發(fā)現(xiàn),反應(yīng)時間對醋酸鈣的含量影響顯著,醋酸鈣含量及收率隨著反應(yīng)時間的增加而延長,當(dāng)反應(yīng)時間大于150min時,醋酸鈣的含量及收率無明顯變化由圖6可知,當(dāng)乙酸濃度一定時,隨著酸解溫度的升高,鈣的得率一直呈下降趨勢。這可能是由于隨著溫度的升高,乙酸分子的運動速度加快,導(dǎo)致乙酸大量的揮發(fā),從而使得參與到反應(yīng)中乙酸的實際濃度下降,進(jìn)而導(dǎo)致鈣得率的下降。同時,由于酸解反應(yīng)溫度的升高,也會使鈣鹽的水溶性下降,最終導(dǎo)致鈣的得率下降液料比為13∶1時,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)果一致由圖8可知,時間和溫度的交互作用極顯著。隨著溫度的上升和酸解時間的延長,鈣的得率一直在下降。由圖9可知,酸解時間和液料比的交互作用顯著。隨著酸解時間的延長,鈣的得率一直在下降。當(dāng)液料比在12∶1~14∶1之間時,隨著酸解時間的延長,鈣的得率逐漸增大。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,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。2.4乙酸鈣的得率用Design-Expert8.05b軟件對二次多項式回歸方程進(jìn)行計算,確定最合適的工藝條件為:濃度73.58g/L,反應(yīng)時間3h,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]實際操作的局限性,工藝最終修正為:濃度為73.60g/L,反應(yīng)時間為3h,反應(yīng)溫度為65℃,液料比為11.60(mL/g)條件下進(jìn)行驗證實驗,經(jīng)過3組平行實驗得到克氏原螯蝦蝦殼中的鈣的得率為20.45%。3蝦殼中檸檬酸鈣的提取乙酸鈣極易溶于水,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,目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工及食品領(lǐng)域。本實驗利用乙酸對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)7.49g。該方法產(chǎn)率較高,但過程繁瑣,增加了能量的消耗,進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的成本也較高本方法使用乙酸進(jìn)行提取,不但可以降低因大量使用無機(jī)酸給環(huán)境帶來的影響,還可以提高資源利用率。通過該方法制得的乙酸鈣具有較高的溶解度(3850mg/100mL)和人體吸收利用率(78.51%)4最佳工藝條件的確定響應(yīng)面法分析結(jié)果可見:酸解反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度,酸解時間和液料比的交互作用對鈣的得率影響極顯著;酸解溫度和液料比的交互作用對鈣的得率影響較顯著;乙酸濃度和酸解時間,乙酸濃度和液料比,乙酸濃度和溫度的交互作用對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驗,在最佳工藝條件:濃度73.58g/L,反應(yīng)時間3h,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%。考慮實際操作的局限性,工藝最終修正為:濃度為73.60g/L,反應(yīng)時間為3h,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%。1.2.1蝦皮粉的制備1.2.2蝦皮營養(yǎng)成分分析1.2.3酸鈣生產(chǎn)的工藝1.2.4鈣固得率的測定1.3.1溫度對鈣含量的影響1.3.2酸解時間對鈣得率的影響1.3.3液體層析成比對鈣得率的影響1.3.4醋酸濃度對鈣得率的影響2.2.1酸解溫度對鈣含量的影響2.2.2酸解時間對鈣得率的影響2.2.3液體層析成比對鈣得率的影響2.2.4醋酸濃度對鈣得率的影響2.3.1反應(yīng)法的優(yōu)化實驗結(jié)果2.3.2反應(yīng)分析在應(yīng)用表面的結(jié)果2.3.2.蝦殼中的碳酸鈣由圖5可知,酸解時間相同,當(dāng)乙酸濃度在50~70g/L時,隨著乙酸濃度的升高,鈣的得率增大。因為乙酸與蝦殼粉的反應(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