檸檬酸用于蝦頭、蝦殼的脫鈣處理

唐義寶，謝 晶*

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

檸檬酸用于蝦頭、蝦殼的脫鈣處理

唐義寶，謝 晶*

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

以南美白對蝦蝦頭、蝦殼為原料，利用檸檬酸對其脫鈣處理制備甲殼素，通過單因素和響應(yīng)面試驗優(yōu)化提取條件。結(jié)果表明：當檸檬酸質(zhì)量濃度12.00g/L、料液比1:2.00(g/mL)、時間3.88h時，所得甲殼素灰分含量為1.0g/100g，即已經(jīng)達到食品級甲殼素的要求。利用檸檬酸脫除蝦頭、蝦殼中的鈣鹽制備甲殼素，不僅獲得食品級的甲殼素，而且反應(yīng)條件溫和、污染小，生成的副產(chǎn)物檸檬酸鈣可以作為鈣強化劑，提高蝦頭、蝦殼的資源利用率。

南美白對蝦；檸檬酸；蝦的廢棄物；脫鈣

我國是蝦的養(yǎng)殖大國，2009年的對蝦出口量已達130.3萬t[1]。而且我國每年都會有大量的南美白對蝦以冷凍蝦仁方式出口，在加工蝦仁的同時也產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物如蝦殼和蝦頭。這些副產(chǎn)物含有豐富的蛋白質(zhì)、甲殼素和殼聚糖、蝦青素、不飽和脂肪酸以及必需氨基酸。南美白對蝦蝦頭中蛋白質(zhì)、灰分、甲殼素、脂肪的濕基含量分別為6.38%、3.62%、3.33%、2.24%；蝦殼中分別為5.22%、5.30%、6.67%、1.09%[2]。因此，這些副產(chǎn)物具有廣闊的開發(fā)和利用前景。

甲殼素是一種有著廣泛應(yīng)用價值的天然生物多糖高分子材料，其重復單元含有乙?；?，具有很好生物相容性、安全性和降解性，在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、環(huán)境治理等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。目前從蝦殼和蝦殼中提取甲殼素的常用方法是酸堿法[6-7]，其主要步驟是濃堿液脫除蛋白質(zhì)，再通過鹽酸脫除蝦頭和蝦殼中的鈣質(zhì)。這種方法消耗大量的酸堿，而且能耗高，對環(huán)境污染大。近年來人們嘗試使用EDTA[8-9]、蛋白酶[10]、有機酸[11]等代替強堿強酸來從蝦頭和蝦殼中制備甲殼素，并取得了一定的效果。本實驗以檸檬酸代替鹽酸脫除蝦頭和蝦殼中的鈣質(zhì)，并通過單因素和響應(yīng)面試驗優(yōu)化檸檬酸脫鈣工藝，研究檸檬酸質(zhì)量濃度、料液比和時間對脫鈣產(chǎn)物甲殼素灰分含量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南美白對蝦于上海市購買。測得蝦頭含水量約為72%，蝦頭和蝦殼約占蝦總質(zhì)量的50%。而蝦頭和蝦殼的質(zhì)量比約為3:1。

檸檬酸、氫氧化鈉(均為分析純) 宜興第二化學試劑廠。

數(shù)控恒溫水浴鍋 寧波天恒儀器廠；組織搗碎機江蘇金壇市環(huán)宇科學儀器廠。

1.2 檸檬酸脫鈣處理方法

工藝流程：蝦頭、蝦殼→搗碎→脫蛋白→脫鈣→脫色→干燥→粗甲殼素。

操作要點：搗碎：將120g蝦頭和蝦殼(質(zhì)量比3:1)放入組織搗碎機中高速搗碎5s。脫蛋白[12]：按1:3(g/mL)的比例加入1mol/L NaOH溶液，95℃恒溫水浴2h，過濾留下固體蝦殼和蝦頭繼續(xù)按1:3(g/mL)的比例加入1mol/L NaOH溶液，95℃恒溫水浴2h，再將過濾后的固體蝦頭和蝦殼按1:3(g/mL)的比例加入1mol/L NaOH溶液，95℃恒溫水浴1h，過濾漂洗固體蝦頭和蝦殼至中性。脫鈣：利用檸檬酸浸泡脫蛋白后的蝦頭和蝦殼以脫除其中的鈣質(zhì)，過濾烘干后即得到粗甲殼素。

1.3 灰分的測定

參照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》[13]。

1.4 實驗設(shè)計

甲殼素品級的指標主要是外觀、含水量、含氮量和灰分含量，其中灰分含量是評價蝦頭、蝦殼鈣鹽脫除程度的指標。本實驗以灰分含量為指標分別研究檸檬酸質(zhì)量濃度、料液比和反應(yīng)時間對脫鈣效果的影響，再根據(jù)述單因素試驗結(jié)果，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計，使用Expert Design 7.0進行回歸分析。因素水平與編碼見表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計試驗因素水平及編碼Table 1 Factors and levels of Box-Behnken response surface methodology

2 結(jié)果與分析

2.1 檸檬酸脫鈣效果單因素試驗

2.1.1 檸檬酸濃度對產(chǎn)物灰分含量影響

在料液比1:2.09、反應(yīng)時間10h的條件下，分別使用5、7.5、10、12.5、15g/L的檸檬酸對蝦頭和蝦殼脫鈣，考查檸檬酸濃度對甲殼素灰分含量的影響。

圖1 檸檬酸質(zhì)量濃度對甲殼素灰分含量的影響Fig.1 Effect of citric acid concentration on the ash content of chitin

由圖1可見，當檸檬酸質(zhì)量濃度小于10g/L，隨著檸檬酸質(zhì)量濃度的增加，產(chǎn)物甲殼素灰分含量急劇下降，當質(zhì)量濃度達到10g/L以后，甲殼素灰分含量趨于穩(wěn)定。因此選濃度7.5、10、12.5g/L為響應(yīng)面分析試驗水平。2.1.2 料液比對產(chǎn)物灰分含量影響

在反應(yīng)時間10h、質(zhì)量濃度10g/L的條件下，分別使用 1:0.83、1:1.25、1:1.67、1:2.09、1:2.50(g/mL)的料液比考察不同料液比對甲殼素灰分含量的影響。

圖2 料液比對產(chǎn)物甲殼素灰分含量的影響Fig.2 Effect of material-liquid ratio on the ash content of chitin

由圖2可知，當料液比大于1:1.67時，隨著料液比的減小，甲殼素的灰分含量顯著下降，而當料液比小于1:1.67以后，甲殼素灰分含量下降速度明顯變緩。因此料液比1:1.25、1:1.67、1:2.09為響應(yīng)面分析試驗水平。2.1.3 反應(yīng)時間對產(chǎn)物灰分含量的影響

圖3 反應(yīng)時間對甲殼素灰分含量的影響Fig.3 Effect of reaction time on the ash content of chitin

在料液比1:2.09，質(zhì)量濃度10g/L的條件下，分別使用3、5、8、10、13、15h考察反應(yīng)時間對甲殼素灰分含量的影響。

由圖3可知，隨著反應(yīng)時間的延長，甲殼素灰分含量趨勢逐漸減少，但減少并不明顯。從3h延長到15h，灰分含量只降低了0.67g/100g。因此時間0.5、3、5.5h為響應(yīng)面分析試驗水平。

2.2 響應(yīng)面試驗分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計

表2 響應(yīng)面分析試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface tests

檸檬酸脫鈣響應(yīng)面試驗結(jié)果見表2。按Design Expert軟件中的Box-Behnken模型，甲殼素灰分含量(y)對檸檬酸質(zhì)量濃度(x1)、料液比(x2)和時間(x3)的回歸方程為：

3因素對甲殼素灰分含量影響有極顯著的效果，影響次序為料液比(x2)＞質(zhì)量濃度(x1)＞時間(x3)。

由表3可看出，試驗所選模型不同處理差異極顯著(P＜0.0001)，說明回歸方程描述各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系時，其應(yīng)變量與全體自變量之間的線性關(guān)系是顯著的，即試驗方法是可靠的。模型的校正決定系數(shù)Radj2＝0.9664，說明該模型能解釋96.64%的響應(yīng)值變化，僅有總變異大約4%不能用此模型來解釋。

質(zhì)量濃度的一次項、時間的一次項和二次項、料液比的一次項對甲殼素灰分含量的影響都是顯著的(P＜0.05)，質(zhì)量濃度和料液比的交互作用、時間和料液比的交互作用以及質(zhì)量濃度和時間的交互作用以對甲殼素灰分含量的影響也是顯著的(P＜0.05)。而質(zhì)量濃度的二次項和料液比的二次項對甲殼素灰分含量的影響不顯著(P＞0.05)。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression model

圖4 各兩因素交互作用對甲殼素灰分含量影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the effects of crossinteraction among factors on the ash content of chitin

2.2.2 雙因子效應(yīng)分析

由圖4a可知，時間一定時，甲殼素灰分含量隨著檸檬酸質(zhì)量濃度的增加逐漸降低。而當檸檬酸質(zhì)量濃度一定時，甲殼素灰分含量卻隨著時間的變化卻存在有兩種情況，而且這種變化依賴于檸檬酸的質(zhì)量濃度。當檸檬酸含量較低時，甲殼素灰分含量會隨著時間的增加而逐漸增大并趨于定值。而當檸檬酸含量高于某一值時，甲殼素灰分含量會隨著時間逐漸減小并趨于定值。這和檸檬酸鈣的物性有關(guān)。檸檬酸鈣微溶于水，能溶于酸溶液。當檸檬酸質(zhì)量濃度較低時，溶液中的檸檬酸隨著反應(yīng)的進行而逐漸減少，最終導致溶液pH值增大而使其中的檸檬酸鈣沉淀吸附在甲殼素上，從而使產(chǎn)品灰分含量增大。而當檸檬酸質(zhì)量濃度較高時，溶液一直呈現(xiàn)酸性，從而檸檬酸鈣未出現(xiàn)沉淀，因此灰分含量隨著時間逐漸減小。而實驗中低質(zhì)量濃度檸檬酸濃度對照組在3、5h使都出大量白色沉淀也驗證了這點。由圖4b可知，甲殼素灰分含量隨料液比增加而逐漸降低。時間對甲殼素灰分含量的影響受到料液比的影響。在低料液比時，灰分含量會隨時間的增大而增高，并趨于定值，當料液比高于某一料液比時，灰分含量會隨時間增大而減小，并趨于定值。其原理和上相同。由圖4c可知，甲殼素灰分含量隨著檸檬酸質(zhì)量濃度和料液比增大而逐漸降低。等高線接近橢圓，說明時間和料液比的交互作用較明顯。檸檬酸質(zhì)量濃度和料液比都影響時間對甲殼素灰分含量的作用。

2.3 工藝條件的確定及驗證實驗

表4 甲殼素的分級Table 4 The grades of chitin

表4是甲殼素的分級[14]。當甲殼素灰分含量小于等于1.0時，甲殼素已達到食品級的要求。因此為求節(jié)省資源和能源，解方程優(yōu)化灰分含量為1.0的點。通過Design Expert軟件計算得出當檸檬酸質(zhì)量濃度12.00g/L、料液比1:2.00、時間3.88h時，所得甲殼素灰分含量1.0g/100g。對此工藝進行驗證實驗，進行3次平行實驗，所得結(jié)果為(0.92±0.11)g/100g，與理論值基本一致。與段元裴等[15]和陳利梅等[11]所得實驗結(jié)論相近。

3 結(jié) 論

本實驗利用檸檬酸代替鹽酸對蝦頭和蝦殼脫鈣，結(jié)合單因素試驗和Box-Behnken響應(yīng)面試驗研究檸檬酸質(zhì)量濃度、料液比和反應(yīng)時間對蝦頭、蝦殼脫鈣的影響。結(jié)果表明：3因素對蝦頭、蝦殼脫鈣影響大小依次為：液料比＞檸檬酸質(zhì)量濃度＞反應(yīng)時間。通過Design Expert 7.0模擬計算得到當檸檬酸濃度12.00g/L、料液比1:2.00(g/mL)、反應(yīng)時間3.88h時，得到灰分含量1.0g/100g的甲殼素，其灰分含量達到了食品級甲殼素的要求。

[1] 葉昌臣, 鄧景耀. 中國對蝦產(chǎn)業(yè)的興衰[J]. 人與生物圈, 2011(1): 50-55.

[2] 張祥剛, 周愛梅, 林曉霞, 等. 南美白對蝦蝦頭、蝦殼化學成分的對比研究[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2009, 25(3): 225-229.

[3] 王愛勤. 甲殼素化學[M]. 北京: 北京科學出版社, 2008.

[4] EUGENE K, LEE Y L. Implantable applications of chitin and chitosan[J]. Biomaterials, 2003, 24(13): 2339-2349.

[5] MARGUERITE R. Chitin and chitosan: properties and applications[J].Progress in Polymer Science, 2006, 31(7): 603-632.

[6] 單虎, 王寶維, 張麗英, 等. 甲殼素及殼聚糖提取工藝的研究[J]. 食品科學, 1997, 18(10): 14-15.

[7] 劉芳, 葉克難. 蝦殼綜合加工工藝的研究[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2007,23(9): 53-54.

[8] 何蘭珍, 陳亞勝, 楊丹, 等. 蝦殼不同部位制備甲殼素、殼聚糖的研究[J]. 食品科學, 2006, 27(12): 308-310.

[9] 楊丹, 何蘭珍, 劉毅. 從蝦蛄殼制備甲殼素和殼聚糖的研究[J]. 食品科學, 2006, 27(12): 437-439.

[10] 國家海洋局第二海洋研究所. 甲殼素清潔生產(chǎn)工藝: 中國, 03115713.0[P]. 2005-01-14.

[11] 陳利梅, 戴桂芝, 李德茂. 南美白對蝦甲殼素提取工藝的優(yōu)化[J]. 中國調(diào)味品, 2009, 34(2): 83-85.

[12] RUTH H R, ASLAK E, KJELL M. A seasonal study of the chemical composition and chitin quality of shrimp shells obtained from northern shrimp (Pandalus borealis)[J]. Carbohydrate Polymers, 2008, 71(3):388-393.

[13] GB 5009.4—2010 食品中灰分的測定方法[S].

[14] 朱洪紅, 陳亮, 吳大洋. 家蠶蛹甲殼素精制工藝的研究及產(chǎn)品質(zhì)量檢測[J]. 蠶業(yè)科學, 2007, 33(3): 489-492.

[15] 段元斐, 何忠誠, 莊桂東, 等. 甲殼素提取新工藝的研究[J]. 食品工業(yè), 2007(3): 7-10.

Utilization of Citric Acid for the Decalcification of Shrimp Heads or Shells

TANG Yi-bao，XIE Jing*

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Citric acid was used to extract chitin by decalcifying shrimp heads and shells ofPenaeus vanmamei. The optimal extraction conditions were explored by single factor and response surface tests. The results showed that the ash content in chitin was 1.0 g/100g, which met the requirement of food grade. The optimal extraction process parameters were citric acid concentration of 12.00 g/L, material-liquid ratio of 1:2.00, and extraction time of 3.88 h. The utilization of citric acid for removing calcium salts from shrimp heads or shells could result in food grade of chitin and mild reaction conditions as well less pollution. In addition, the by-product of calcium citrate could be used as the calcium addition agent, thus enhancing the resource availability of shrimp heads or shells.

Penaeus vanmamei；citric acid；shrimp waste；decalcification

Q539

A

1002-6630(2012)10-0006-04

2011-04-28

2010年國家農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化資金項目(2010GB2C000148)；2010年度上海市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(103919N1900)；上海市教育委員會重點學科建設(shè)項目(J50704)

唐義寶(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為食品科學與工程。E-mail：yibadtang@163.com

*通信作者：謝晶(1968—)，女，教授，博士，研究方向為食品冷凍冷藏。E-mail：jxie@shfu.edu.cn