响应面法优化克氏原螯虾虾壳中钙提取工艺

响应面法优化克氏原螯虾虾壳中钙提取工艺

克里安美沙湾通常被称为小龙虾，属于甲壳类、甲壳类、托吡鲁酯、托吡鲁酯和元宝虾。目前,克氏原螯虾主要以加工成冻熟制虾仁、冻熟整虾的形式进行生产、销售。在加工和食用小龙虾的过程中产生了大量的固体废弃物,这些废弃物的直接丢弃不仅给环境带来了严重的污染,也是一种资源的巨大浪费虾壳是含钙量很高的天然食物成分之一,是一种优质的钙源现有研究表明,酸的浓度、酸解的温度、时间以及液料比对虾壳钙的酸解的工艺和钙的提取率都有一定的影响。本文采用乙酸酸解的方法制备乙酸钙,通过单因子实验,研究乙酸的浓度、酸解温度和时间、液料比对虾壳钙的得率的影响,并通过响应面法优化制备乙酸钙的工艺条件。以期为克氏原螯虾虾壳综合利用提供一种环保、高产、高附加值的技术支持。1材料和方法1.1试剂、仪器和仪器克氏原螯虾武汉市新竹路菜市场;去离子水实验室自制;乙酸、氨水、乙二胺基四乙酸二钠、铬黑T、氯化铵国药集团,分析纯试剂。DHG-9003BS电热恒温鼓风干燥箱上海新苗;滴定仪瑞士万通;HH6电热恒温水浴锅国华电器有限公司;粉碎机上海顶帅电器有限公司。1.2虾壳粉钙含量的测定取克氏原螯虾除去全部肉质,虾壳用蒸馏水反复清洗,直至无浮液,置于100℃鼓风干燥箱中烘干24h。将干燥好的虾壳用粉碎机进行粉碎,过100目筛,贮存备用。水分含量测定:采用常压干燥法(GB5009.3-2010),粗蛋白含量测定:采用凯氏定氮法(GB5009.5-2010),粗脂肪含量测定:采用索氏抽提法(GB/T5009.6-2003),灰分含量测定:采用灼烧称重法(GB5009.4-2010)。称取一定量粉碎后的虾壳粉,按比例加入乙酸混合均匀,置于水浴锅上,在不同的酸解温度、酸解时间、乙酸浓度、液料比条件下进行酸解反应。待反应结束后,用蒸馏水定容酸解液至25mL。然后进行钙得率的测定。取酸解液1mL于锥形瓶中,加入9mL去离子水,再分别加入3mL三乙醇胺和4mL氨性溶液,加入铬黑T指示剂约0.05g,再用标定过的EDTA溶液滴定至溶液由紫红色转变为蓝色。记录EDTA的消耗量,并计算钙的得率w。钙的得率计算公式式中:C-标准EDTA溶液的浓度,mol/L;V-滴定钙元素总量消耗的EDTA溶液的体积,mL;M-钙的相对分子质量,g/mol;m-称取的样品量,g。1.3虾壳粉中钙提取率的测定取0.50g虾壳粉,按照10∶1(mL/g)的液料比,加入50g/L的乙酸5mL。分别置于45、55、65、75、85℃的水浴锅中进行酸解反应1h,将酸解液定容,测定钙的得率。取0.50g虾壳粉,按照10∶1(mL/g)的液料比,加入50g/L的乙酸5mL,置于75℃水浴锅中进行酸解反应,分别反应2、3、4、5、6h,将酸解液定容,测定钙的得率。取0.50g虾壳粉,分别按照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℃的水浴锅进行酸解反应3h,将酸解液定容,测定钙的提取率。取0.50g虾壳粉,按照10∶1(mL/g)的液料比,分别加入10、30、50、70、90、110g/L的乙酸5mL,置于75℃的水浴锅进行酸解反应3h,将酸解液定容,测定钙的得率。1.4响应面法优化钙得率根据单因素实验结果,选择乙酸浓度、液料比、酸解温度、酸解时间4个因素与钙的得率进行响应面实验设计,优化虾壳中乙酸钙的提取工艺,设计因素水平见表1。1.5数据的统计分析实验数据方差分析采用SPSS19.0软件进行处理,利用DesignExpert8.0.5b对实验数据进行回归分析。2结果与分析2.1粗蛋白和私家车脂肪含量克氏原螯虾虾壳中的基本营养成分如表2所示,其中水分含量为36.21%、灰分含量高达31.74%、粗蛋白含量为4.92%、粗脂肪含量为6.57%。克氏原螯虾虾壳中的灰分高达31.74%,远远高于南极磷虾虾头和虾壳中的12.48%、14.26%2.2虾壳中钙提取的酸解反应温度影响化学反应的速率,随着温度的上升,分子运动加剧,加大了分子间的碰撞几率,从而影响钙的得率。由图1可知,随着酸解温度的上升,钙的得率也不断的升高。当酸解温度达到75℃时,钙的得率达到最大,此时钙的得率为12.34%。继续增加酸解温度,钙的得率反而会下降。这可能是由于随着温度继续的升高,乙酸分子的运动速度加快,导致乙酸大量的挥发,从而使得乙酸的实际浓度下降,进而影响钙的得率由图2可知,虾壳粉中钙的得率随时间的延长而增大,当酸解反应达到4h时,钙的得率达到最大,为18.02%。随着酸解时间的延长,钙的得率开始下降。这可能是由于随着酸解反应进行的同时,乙酸也有一定的挥发,从而使反应系统中的乙酸浓度下降,使反应向逆反应方向进行,从而使钙的得率有下降的趋势。由图3可知,当虾壳粉的量一定时,随着反应体系中乙酸用量的增加,钙的得率随之变大,当液料比达到12∶1时,钙的得率达到最大,为20.11%。继续增加乙酸的用量,钙的得率呈下降趋势。这可能是由于在液料比达到12∶1时,用乙酸从克氏原螯虾虾壳中提取乙酸钙已经达到了一种平衡状态,继续增加乙酸的量对钙的提取影响不大。因此,液料比最佳为12∶1。由图4可知,当乙酸浓度增加到70g/L时,钙的得率增加到最大。继续增大乙酸浓度,钙的得率呈下降的趋势。这可能是由于当乙酸浓度不断增大时,乙酸中的氢离子不能完全游离出来与碳酸钙进行反应2.3影响钙得率的因素表3列出了乙酸进行酸解提取钙的实验设计、结果及其预测值。利用Design-Expert8.05b对表3中的实验数据进行多元回归拟合,得到钙的得率(Y)对自变量乙酸浓度(A)、酸解时间(B)、酸解温度(C)、料液比(D)的二次回归模拟方程:对该回归模拟方程进行方差分析和差异显著性检验,结果见表4。由表4可知模型的F=14.262,p<0.0001,表明该实验的二次回归模型是极显著的;失拟项F=0.8442,p=0.625>0.05,该失拟项不显著;实验无失拟因素存在,能充分反映实际情况;决定系数R回归方程中的一次项C、D,交互项BC、BD及二次项A根据多元二次回归模型得到响应面和等高线图,响应面图是响应值对应的实验因素A、B、C、D所构成的三维空间曲线图。将两个因素固定在零水平,考察另外两个因素交互对钙得率的影响。曲线的走势能反映因素对钙得率的影响,曲线走势越陡峭,表明响应值对因素改变越敏感,该因素对钙得率的影响越大;反之则越小乙酸浓度一定时,酸解时间在3~4h时,随着酸解时间的延长,钙的得率缓慢提高;之后随着酸解时间的延长,钙的得率则缓慢下降。这可能是由于酸解反应进行的同时,乙酸有一定的挥发,从而使反应系统中的乙酸浓度下降,使反应向逆反应方向进行,最终使钙的得率有下降的趋势。范峥以废弃牡蛎壳为原料制备食品级醋酸钙研究发现,反应时间对醋酸钙的含量影响显著,醋酸钙含量及收率随着反应时间的增加而延长,当反应时间大于150min时,醋酸钙的含量及收率无明显变化由图6可知,当乙酸浓度一定时,随着酸解温度的升高,钙的得率一直呈下降趋势。这可能是由于随着温度的升高,乙酸分子的运动速度加快,导致乙酸大量的挥发,从而使得参与到反应中乙酸的实际浓度下降,进而导致钙得率的下降。同时,由于酸解反应温度的升高,也会使钙盐的水溶性下降,最终导致钙的得率下降液料比为13∶1时,钙的提取率达到极值,之后随着液料比的增加而钙的得率变化不大。这可能是由于当液料比增加到一定的值,钙的得率趋于稳定,反应趋于完全,增加反应体系中乙酸的量,对虾壳中钙的得率影响不大。该研究结果与刘洪玲的研究结果一致由图8可知,时间和温度的交互作用极显著。随着温度的上升和酸解时间的延长,钙的得率一直在下降。由图9可知,酸解时间和液料比的交互作用显著。随着酸解时间的延长,钙的得率一直在下降。当液料比在12∶1~14∶1之间时,随着酸解时间的延长,钙的得率逐渐增大。由图10可知,温度和液料比的交互作用显著。随着液料比的增加,钙的得率也不断的增大;当料液比增大到12∶1时,继续增加液料比,钙的得率反而下降。随着反应体系温度的升高,钙的得率不断的下降,这可能是由于温度的升高,乙酸的大量挥发,从而使乙酸的浓度下降,最终导致钙得率的下降。2.4乙酸钙的得率用Design-Expert8.05b软件对二次多项式回归方程进行计算,确定最合适的工艺条件为:浓度73.58g/L,反应时间3h,反应温度65℃,液料比为11.58∶1(mL/g),此条件下乙酸钙的得率为20.79%。考虑实际操作的局限性,工艺最终修正为:浓度为73.60g/L,反应时间为3h,反应温度为65℃,液料比为11.60(mL/g)条件下进行验证实验,经过3组平行实验得到克氏原螯虾虾壳中的钙的得率为20.45%。3虾壳中柠檬酸钙的提取乙酸钙极易溶于水,是水溶性最高的一种钙剂,具有有效钙含量高、吸收利用率好、补钙效果快等特点,目前广泛应用于医药化工及食品领域。本实验利用乙酸对克氏原螯虾虾壳中的钙进行提取,最佳的钙的得率为20.45%。该方法钙的得率较高,而且对环境的影响较小。王迪将虾头虾壳进行高温煅烧,后进行酸溶,与柠檬酸钠反应从而提取柠檬酸钙,最终生成柠檬酸钙的质量高达7.49g。该方法产率较高,但过程繁琐,增加了能量的消耗,进行工业化生产的成本也较高本方法使用乙酸进行提取,不但可以降低因大量使用无机酸给环境带来的影响,还可以提高资源利用率。通过该方法制得的乙酸钙具有较高的溶解度(3850mg/100mL)和人体吸收利用率(78.51%)4最佳工艺条件的确定响应面法分析结果可见:酸解反应时间和反应温度,酸解时间和液料比的交互作用对钙的得率影响极显著;酸解温度和液料比的交互作用对钙的得率影响较显著;乙酸浓度和酸解时间,乙酸浓度和液料比,乙酸浓度和温度的交互作用对钙的得率影响不显著。响应面法优化克氏原螯虾虾壳中乙酸钙的提取实验,在最佳工艺条件:浓度73.58g/L,反应时间3h,反应温度65℃,液料比为11.58∶1(mL/g),此条件下乙酸钙的得率为20.79%。考虑实际操作的局限性,工艺最终修正为:浓度为73.60g/L,反应时间为3h,反应温度为65℃,液料比为11.60∶1(mL/g)条件下得到克氏原螯虾虾壳中的钙的得率为20.45%。1.2.1虾皮粉的制备1.2.2虾皮营养成分分析1.2.3酸钙生产的工艺1.2.4钙固得率的测定1.3.1温度对钙含量的影响1.3.2酸解时间对钙得率的影响1.3.3液体层析成比对钙得率的影响1.3.4醋酸浓度对钙得率的影响2.2.1酸解温度对钙含量的影响2.2.2酸解时间对钙得率的影响2.2.3液体层析成比对钙得率的影响2.2.4醋酸浓度对钙得率的影响2.3.1反应法的优化实验结果2.3.2反应分析在应用表面的结果2.3.2.虾壳中的碳酸钙由图5可知,酸解时间相同,当乙酸浓度在50~70g/L时,随着乙酸浓度的升高,钙的得率增大。因为乙酸与虾壳粉的反应为非均相反应,随着乙酸浓度的增加,虾壳中碳酸钙单位表面积上的乙酸浓度也