利用雞蛋殼中碳酸鈣制備高純度乙酸鈣的工藝條件優(yōu)化

李彥坡，馬美湖,*，李逢振，陳亞泉

(1.華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，湖北 武漢 430070；2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學院生物工程系，湖南 衡陽421005；3.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，湖南 長沙 410128)

利用雞蛋殼中碳酸鈣制備高純度乙酸鈣的工藝條件優(yōu)化

李彥坡1，馬美湖1,*，李逢振2，陳亞泉3

(1.華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，湖北 武漢 430070；2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學院生物工程系，湖南 衡陽421005；3.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，湖南 長沙 410128)

利用雞蛋殼粉與乙酸溶液直接反應(yīng)，制取產(chǎn)品乙酸鈣。采用四因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計得出乙酸與蛋殼粉反應(yīng)的回歸方程，探討各因素間的相互作用，并對有交互作用的乙酸濃度和反應(yīng)溫度、乙酸濃度和反應(yīng)時間與乙酸鈣產(chǎn)率的關(guān)系進行響應(yīng)面分析，得出蛋殼粉與乙酸反應(yīng)的最佳條件為乙酸濃度6mol/L、反應(yīng)溫度79.38℃、反應(yīng)時間5.98h、料液比1:5，實際產(chǎn)率98.48%。通過正交試驗優(yōu)化除鎂工藝，最佳工藝參數(shù)為溫度65℃、時間15min、CaO添加量0.5g，除雜后純度達99.79%，X-射線衍射對產(chǎn)品進行鑒定，確定為乙酸鈣。

雞蛋蛋殼；綜合利用；乙酸鈣；蛋品加工

Abstract：To utilize waste resource and protect environment, eggshells were processed into calcium acetate by direct reaction with acetic acid. The preparation process for calcium acetate was optimized using a four-factor quadratic general rotary unitized design and response surface methodology. The interactions between acetic acid concentration and reaction temperature or reaction time had significant effect on calcium acetate yield. Acetic acid concentration of 6 mol/L, reaction temperature of 79.38℃, reaction time of 5.98 h and material/liquid ratio of 1:5 were found optimum. Under these optimum conditions, the maximum calcium acetate yield was 98.48%. Orthogonal array design was used to optimize the process for magnesium removal from the prepared product, and the results showed that the optimal process conditions were as follows:CaO amount 0.5 g, reaction temperature 65 ℃ and reaction time 15 min and the purity of the purified product under these conditions was 99.79%. According to X-ray diffraction analysis, the final product is calcium acetate.

Key words：eggshell；comprehensive utilization；calcium acetate；egg processing

2006年我國產(chǎn)蛋量為2985.6萬t，占世界產(chǎn)蛋量的44.87%，我國禽蛋產(chǎn)量增長迅速，蛋品加工業(yè)也迅速發(fā)展[1-2]，蛋殼資源極其豐富。目前對蛋殼的利用少部分粉碎之后用作動物的補鈣飼料[3-5]，而大部分直接將其廢棄于環(huán)境中，造成環(huán)境污染。

蛋殼是一種優(yōu)質(zhì)的生物鈣源，平均含有93%碳酸鈣、1%碳酸鎂、3.2%磷酸鈣和磷酸鎂等無機物以及2.8%的有機物[4-6]。乙酸鈣(Ca(CH3COO)2)為人體吸收率極高的理想補鈣劑，可用于治療血磷酸鹽過多的磷酸鹽結(jié)合體[7]，其使用劑量較低，減少病人痛苦[8-11]。一般采用乙酸與碳酸鈣煅燒產(chǎn)物氧化鈣反應(yīng)制取乙酸鈣，但煅燒容易造成環(huán)境污染，能量消耗巨大，而蛋殼粉直接與乙酸反應(yīng)則具有消耗能量低，不產(chǎn)生有害氣體等優(yōu)點[12-14]。本實驗以蛋殼粉為原料，與乙酸溶液直接反應(yīng)制取乙酸鈣，研究蛋殼粉與乙酸的中和反應(yīng)及產(chǎn)品純化工藝，以期制得高純度乙酸鈣，可廣泛應(yīng)用于食品添加劑及醫(yī)藥領(lǐng)域，有效地利用蛋殼資源，提高蛋殼利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

蛋殼原料 北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司。冰乙酸(AR)、氧化鈣(AR) 國藥集團化學試劑有限公司；硝酸(AR) 信陽市化學試劑廠。

FW100萬能粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；HH-8型數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海浦東物理光學儀器廠；SHB-ⅢT循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；AA240FS原子吸收光譜儀 美國VARIANW公司；D8 X-射線衍射儀 德國Bruker 公司。

1.2 乙酸鈣制備方法

1.2.1 蛋殼粉制備

用清水洗去蛋殼上的殘留蛋清，將蛋殼表面洗凈，干燥。將干燥后的蛋殼粉碎過40目篩，以1:8(g/mL)比例加入0.2mol/L的乙酸溶液作殼膜分離劑進行殼膜分離，收集分離的蛋殼膜和蛋殼，干燥備用。

1.2.2 乙酸鈣的制備

取經(jīng)預(yù)處理的蛋殼粉10.0g，加入一定濃度的乙酸溶液，于一定溫度下進行反應(yīng)，反應(yīng)完成后過濾，除去未反應(yīng)的殘渣，將濾液濃縮干燥，制得乙酸鈣粗品。

1.3 乙酸鈣粗品純化

取反應(yīng)制備獲得的乙酸鈣粗品5.0g，溶于100mL水中，加入一定量的氧化鈣，于一定溫度下攪拌靜置25min使溶液中的鎂離子及少量蛋白質(zhì)形成沉淀，過量的氧化鈣生成不溶于水的Ca(OH)2沉淀，過濾除去沉淀，將濾液濃縮干燥，得到蛋殼乙酸鈣純品。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 二次通用旋轉(zhuǎn)正交試驗優(yōu)化乙酸鈣制備反應(yīng)條件

為確定最佳的反應(yīng)條件，采用四因素三水平的二次通用旋轉(zhuǎn)正交試驗對影響乙酸鈣產(chǎn)率的各因素水平進行優(yōu)化，以產(chǎn)率為指標對結(jié)果進行分析，試驗因素水平編碼值見表1。

表1 乙酸鈣制備反應(yīng)條件正交試驗因素水平編碼值表Table 1 Factors and levels in the quadratic general rotary unitized design

1.4.2 乙酸鈣純化工藝試驗設(shè)計

乙酸鈣純化工藝中采用L9(34)正交試驗研究除雜溫度、除雜時間和氧化鈣添加量對鈣含量的影響，確定純化過程最佳工藝參數(shù)，正交試驗因素水平表見表2。

表2 乙酸鈣純化工藝正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels in the orthogonal array design

1.5 蛋殼乙酸鈣的鑒定、含量測定及產(chǎn)率的計算

乙酸鈣的鑒定采用X-射線衍射法鑒定，采用Bruker D8 X-射線衍射儀，分析測定條件為：Cu靶，Ka，濾片為鎳，管電壓40kV，管電流40mA，連續(xù)掃描，掃描速度為10deg/min，步長0.02deg/step，掃描角度范圍 2θ為 4°～90°。

元素含量采用原子吸收分光光度法測定，精確稱取2g(精確至0.0001g)樣品，放至消化管中，加入硝酸8mL，HClO42mL混合消化。消化至液體顏色變淺至無色，繼續(xù)消化直至液體基本蒸干，稍冷后向消化管中加入5mL去離子水，繼續(xù)加熱近干，冷卻，用2% HNO3定容至100mL即為消化液試樣。

鈣含量的測定：取消化液試樣，稀釋10倍，取出2mL，再用2% HNO3定容至100mL，作為測試液。鎂含量的測定：取消化液試樣0.5mL，用2% HNO3定容至100mL，作為測試液。鉛含量的測定：取消化液試樣作為測試液，3種元素的標準曲線見圖1～3。

圖1 鈣的標準吸收曲線Fig.1 Standard curve of Ca

圖2 鎂的標準曲線Fig.2 Standard curve of Mg

圖3 鉛的標準曲線Fig.3 Standard curve of Pb

乙酸鈣產(chǎn)率的計算公式：

式中：93.4%為蛋殼粉中碳酸鈣含量；1.67為單位質(zhì)量碳酸鈣生成的乙酸鈣[Ca(C2H3O2)2·0.5H2O]的質(zhì)量比。

2 結(jié)果與分析

2.1 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果分析

為了得到中和反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計對上述各因素水平進行優(yōu)化，以乙酸鈣的實際產(chǎn)率為指標進行評價，結(jié)果如表3所示。

對乙酸鈣制備反應(yīng)條件四因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果進行方差分析(P＜0.5)，結(jié)果見表4。

由表4可以看出，剔除不顯著項后，X1、X2、X3、X4及X1、X2、X3、X4的二次項和一次交互作用項X1X2、X1X3對試驗結(jié)果影響顯著，得出四因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗的方程為：

y=87.210－4.654X1+1.154X2+2.232X3+3.414X4－0.423X1X3。對此回歸方程進行顯著性檢驗，得出F=13.59＞F0.01(3.368186)，可知回歸關(guān)系極顯著，表明此方程可以應(yīng)用。

由試驗的二次方程可以看出，X1和X2的一次交互作用及X1和X3的一次交互作用對乙酸鈣的得率有顯著影響，分別作X1、X2、產(chǎn)率y的曲面圖(X3=0，X4=0)及X1、X3、產(chǎn)率y(X2=0，X4=0)的響應(yīng)曲面圖，如圖4、5所示。

由圖4可以看出，乙酸濃度和反應(yīng)溫度相互影響乙酸鈣的產(chǎn)率，當X1在－0.41～3.5之間，X2在－3.17～1.4之間時，即乙酸濃度在4.79～6.75mol/L之間，反應(yīng)溫度在64.15～87℃之間時乙酸鈣的預(yù)測產(chǎn)率可達89.2%。由圖5可以看出，乙酸濃度和反應(yīng)時間之間存在相互作用，當X1在 －3.90～－0.77之間，X3在0.12～2.68之間時，即乙酸濃度在3.05～5.39mol/L之間，反應(yīng)時間在5.06～6.34h之間時乙酸鈣的預(yù)測產(chǎn)率可達91.7%。

表3 乙酸鈣制備反應(yīng)條件四因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果Table 3 Quadratic general rotary unitized design arrangement and experimental results

表4 乙酸鈣制備反應(yīng)條件四因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果方差分析Table 4 Analysis of variances for calcium acetate yield with various preparation conditions

圖4 y=f(X1,X2)響應(yīng)曲面及其等高線Fig.4 Response surface and contour plots ofy=f(X1,X2)

圖5 y=f(X1,X3)響應(yīng)曲面及其等高線Fig.5 Response surface and contour plots ofy=f(X1,X3)

對方程求極大值可以得出方程取極大值時各因素的水平，得出當X1取－2.0000、X2?。?.2485、X3取1.9595、X4取2.0000時，即乙酸濃度為6mol/L、反應(yīng)溫度為79.38℃、反應(yīng)時間為5.98h、料液比為1:5時乙酸鈣的產(chǎn)率取大，可達99.13%。

對上述反應(yīng)的最佳條件進行驗證實驗，得出實際乙酸鈣的產(chǎn)率為98.48%。原子吸收法測定乙酸鈣含量為96.99%，鎂含量(3.2813±0.4742)%，鉛含量(1.36×10-6±3.19×10-7)%。

2.2 乙酸鈣純化試驗結(jié)果

乙酸鈣標準[15]中：C4H6O4Ca(以無水物計)≤98%～102.0%；重金屬(以Pb計)≤0.0025%；鎂鹽與堿金屬鹽≤1.0%，可知蛋殼乙酸鈣粗品中主要雜質(zhì)是鎂，而鉛則遠遠低于標準，因此乙酸鈣粗品的除雜純化主要是除鎂的過程。

采用向溶液中加入氧化鈣，利用氫氧化鎂與氫氧化鈣的溶解度差異，使鎂以氫氧化鎂形式沉淀，同時沉淀少量可溶性蛋白，可使粗品純化符合國家標準。L9(34)正交試驗確定除鎂最佳工藝條件，結(jié)果分析見表5。

表5 乙酸鈣純化正交試驗結(jié)果分析Table 5 Orthogonal array design layout and experimental results

表6 乙酸鈣純化正交試驗方差分析表Table 6 Analysis of variances for calcium content with various magnesium removal conditions

由表5可以得出，3因素的影響順序依次為A＞B＞C，即溫度＞時間＞添加量。由極差分析可知，各因素的最佳水平為A1B1C2，即乙酸鈣除雜工藝最佳參數(shù)為溫度65℃、時間15min、CaO添加量0.5g。對正交試驗進行方差分析(表6)，可知，各因素對乙酸鈣除雜純化效果影響顯著，重復(fù)3次進行驗證性試驗可得純化后產(chǎn)品的鈣含量為23.88%，換算后乙酸鈣含量為99.79%。

2.3 X-射線衍射鑒定及含量測定結(jié)果

由圖6可以看出，蛋殼乙酸鈣的特征衍射峰與JCPDS標準卡中Card No. 00-019-0199 Ca(C2H3O2)2·0.5H2O)所有的特征衍射峰一致，即與標準物質(zhì)Ca(C2H3O2)2·0.5H2O特征衍射峰相符，鑒定該物質(zhì)為乙酸鈣。

采用原子吸收分光光度法測定乙酸鈣的含量為99.79%。

圖6 蛋殼乙酸鈣XRD衍射圖Fig.6 X-ray diffraction pattern of calcium acetate prepared in this study

3 結(jié) 論

通過四因素二次旋轉(zhuǎn)組合試驗研究蛋殼粉與乙酸反應(yīng)的最佳條件，可以得出乙酸濃度和反應(yīng)溫度的交互作用以及乙酸濃度和反應(yīng)時間的交互作用顯著，采用響應(yīng)面分析兩交互作用對乙酸鈣產(chǎn)率的影響。通過方程求最大值得出乙酸鈣產(chǎn)率最大時各因素的最優(yōu)水平組合：乙酸濃度6mol/L、反應(yīng)溫度79.38℃、反應(yīng)時間5.98h、料液比1:5時乙酸鈣的產(chǎn)率最大，預(yù)測產(chǎn)率達99.13%，驗證實驗得出實際平均產(chǎn)率為98.48%，純度為96.99%。

通過向乙酸鈣粗品溶液中加入氧化鈣沉淀氫氧化鎂及部分可溶性蛋白質(zhì)，達到純化的目的。正交試驗結(jié)果表明：乙酸鈣純化工藝最佳參數(shù)為溫度65℃、時間15min、CaO添加量0.5g。粗品經(jīng)過除雜純化后完全符合乙酸鈣國家標準(GB 15572－1995《食品添加劑：乙酸鈣》)的要求。

經(jīng)處理的蛋殼粉與乙酸溶液直接反應(yīng)制取乙酸鈣工藝避免了傳統(tǒng)方法污染環(huán)境的不利影響，且反應(yīng)條件溫和，無需高溫，節(jié)約能源，制得的乙酸鈣產(chǎn)率達98.48%，純度為96.99%。純化工藝去除鎂及可溶性蛋白質(zhì)，產(chǎn)品純度為99.79%，既可作為食品添加劑廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域，也可應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域作為補鈣與治療高磷血癥的高效藥物，為廢棄蛋殼資源的綜合回收與利用開辟了一條新的有效途徑。

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Optimization of the Preparation Process for High-purity Calcium Acetate from Eggshells

LI Yan-po1，MA Mei-hu1,*，LI Feng-zhen2，CHEN Ya-quan3
(1. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China；2. Department of Bioengineering, Hunan Environment Biological Polytechnic, Hengyang 421005, China；3. College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

S879.3

A

1002-6630(2010)18-0077-05

2009-12-03

國家“948”項目(2006-G36)；“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD05A17)

李彥坡(1983—)，男，碩士研究生，研究方向為肉類蛋品科學與技術(shù)。E-mail：liyanpo2003@126.com

*通信作者：馬美湖(1957—)，男，教授，博士，研究方向為肉類禽蛋理論及應(yīng)用。E-mail：mameihuhn@yahoo.com.cn