以廢棄花蛤貝殼制備檸檬酸鈣的工藝優(yōu)化研究

史文軍，萬夕和，王李寶，沈輝，凌云，黎慧，喬毅

（江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇南通226007）

添加劑

以廢棄花蛤貝殼制備檸檬酸鈣的工藝優(yōu)化研究

史文軍，萬夕和*，王李寶，沈輝，凌云，黎慧，喬毅

（江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇南通226007）

本試驗以花蛤軟體生產(chǎn)加工過程中的廢棄貝殼為鈣源，利用直接法生產(chǎn)檸檬酸鈣。在確定了花蛤貝殼最適粉碎目數(shù)為60目的基礎(chǔ)上，通過單因素試驗研究了鈣酸比、固液比、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響；并通過正交試驗對花蛤貝殼直接制備檸檬酸鈣的工藝進行了優(yōu)化。結(jié)果表明，最適宜的工藝條件為：鈣酸比為0.80，固液比為35%，反應(yīng)時間為2.5 h，反應(yīng)溫度為35℃，在此條件下的檸檬酸鈣產(chǎn)率為92.13%。純度及工藝放大檢測結(jié)果顯示利用該優(yōu)化工藝制備的檸檬酸鈣產(chǎn)品質(zhì)量好且穩(wěn)定，故本研究結(jié)果具有一定的實用價值。

花蛤貝殼；檸檬酸鈣；產(chǎn)率；工藝優(yōu)化

花蛤通常是對產(chǎn)于我國近海的某些簾蛤科貝類的一種俗稱，尤指小眼花簾蛤（Ruditapes variegatus）和菲律賓蛤仔（Ruditapes philippinarum）。目前對花蛤資源的開發(fā)主要是加工其軟體可食用部分，其加工后產(chǎn)生的大量貝殼一般被作為垃圾丟棄，這不僅對環(huán)境造成污染，而且造成資源的浪費（祁云云等，2006；董曉偉等，2004）。研究發(fā)現(xiàn)，花蛤貝殼中碳酸鈣的含量達到96%，即Ca元素含量達到38%以上（陳士勇等，2011；李金志，2001）。本試驗以花蛤貝殼為鈣源，通過直接法將其制備成更安全、可靠和易吸收的新一代飼用補鈣劑檸檬酸鈣，以期達到變廢為寶，減少環(huán)境污染和資源高值化利用的目的。

1　材料與方法

1.1材料

1.1.1原料花蛤貝殼，由江蘇省南通市昌華水產(chǎn)食品有限公司提供；食品級檸檬酸，購至山東省濰坊市英軒實業(yè)有限公司。

1.1.2試劑三乙醇胺、氯化鈉、乙二胺四乙酸二鈉（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；鈣試劑羧酸鈉（分析純，南京恒生化工有限公司）。

1.2主要儀器及設(shè)備萬能粉碎機（江陰市振亞粉體機械制造有限公司）、YP202N型電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）、XMTD-8222型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）、85-2恒溫磁力攪拌器（上海司樂儀器有限公司）、SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）。

1.3試驗方法

1.3.1主要工藝流程花蛤貝殼直接制備檸檬酸鈣的工藝流程主要包括貝殼粉碎、碳酸鈣和檸檬酸置換反應(yīng)及過濾，具體工藝流程如下：

1.3.2檸檬酸鈣產(chǎn)率的檢測方法花蛤貝殼中大部分的物質(zhì)為碳酸鈣，其含量達到96%（范崢等，2015；李逢振等，2015），故本試驗所用花蛤貝殼粉中Ca元素的含量均按38%計算，由此可以得出一定量的貝殼粉理論上可以產(chǎn)出多少檸檬酸鈣。

1.3.3檸檬酸鈣純度的檢測方法檸檬酸鈣的純度檢測參照《中華人民共和國國家標準食品添加劑檸檬酸鈣》（GB 17203—1998）中的方法進行測定。

式中：X為檸檬酸鈣百分含量；V為0.05 mol/L乙二胺四乙酸二鈉標準溶液消耗體積，mL；F為0.05 mol/L乙二胺四乙酸二鈉標準溶液實際濃度與0.05的比值；m為樣品的質(zhì)量，g；8.307為每消耗1 mL 0.05 mol/L乙二胺四乙酸鹽相當于8.307 mg的檸檬酸鈣。

1.3.4最適貝殼粉碎目數(shù)的確定在鈣酸比為0.75、固液比為15%、反應(yīng)時間為3 h、反應(yīng)溫度為30℃的條件下，研究了不同花蛤貝殼粉碎目數(shù)（20、30、40、50、60、70、80目）對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響，并確定最適花蛤貝殼粉碎目數(shù)。

1.3.5單因素試驗在花蛤貝殼最適粉碎目數(shù)的條件下，分別以不同鈣酸比（0.6、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90）、不同固液比（10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%）、不同反應(yīng)時間（1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 h）及不同反應(yīng)溫度（25、30、35、40、45、50、55℃）為考察因素，考察各因素對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響。

1.3.6正交優(yōu)化試驗根據(jù)單因素試驗結(jié)果，運用正交試驗研究鈣酸比、固液比、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響，并優(yōu)化出各因素的最佳組合。

1.4數(shù)據(jù)處理各組均做3組平行，所有數(shù)據(jù)均采用“平均值±標準差”表示。

2　結(jié)果與分析

2.1最適貝殼粉碎目數(shù)的確定由圖1可以看出，花蛤貝殼粉碎程度對檸檬酸鈣的產(chǎn)率具有明顯的影響，當貝殼粉碎目數(shù)由20目逐漸上升至60目時，檸檬酸鈣的產(chǎn)率由（53.05±2.44）%上升至（85.65±0.49）%，這可能是由于，隨著貝殼粉碎目數(shù)的增加，花蛤貝殼粉顆粒的直徑減小而相對表面積增大，這樣有利于檸檬酸與其更充分的接觸，故置換反應(yīng)更加充分；但當貝殼粉碎目數(shù)超過一定值后，繼續(xù)增加粉碎目數(shù)，檸檬酸鈣的產(chǎn)率反而出現(xiàn)了降低，這可能是由于反應(yīng)生成的檸檬酸鈣在析出的過程中更容易吸附在較細小的貝粉顆粒表面，這樣不利于貝粉顆粒中的碳酸鈣繼續(xù)與檸檬酸反應(yīng)，因此會降低產(chǎn)率。所以選擇60目作為最佳的花蛤貝殼粉碎目數(shù)。

圖1　貝殼粉碎目數(shù)對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響

2.2單因素試驗結(jié)果

2.2.1鈣酸比對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響在花蛤貝殼粉碎目數(shù)為60目，固液比為15%，反應(yīng)時間為3 h及反應(yīng)溫度為30℃的條件下，研究了不同鈣酸比（0.6～0.90）對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響。由圖2可知，當鈣酸比由0.60（此時檸檬酸過量）升至0.80（此時CaCO3稍過量）時，檸檬酸鈣的產(chǎn)率由（64.29±3.6）%上升至（88.94±1.07）%，這可能是由于過量的H+抑制了反應(yīng)平衡向生成檸檬酸鈣的方向推進；而當鈣酸比超過0.80繼續(xù)增加至0.90時，檸檬酸鈣的產(chǎn)率反而降低到了（74.48± 2.03）%，原因應(yīng)該是花蛤貝殼粉（CaCO3）過量時，Ca元素無法完全生成檸檬酸鈣，檸檬酸鈣產(chǎn)率會降低。因此最適鈣酸比選擇0.80。

2.2.2固液比對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響在花蛤貝殼粉碎目數(shù)為60目，鈣酸比為0.80，反應(yīng)時間為3 h及反應(yīng)溫度為30℃的條件下，研究了不同固液比（10%～40%）對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響。由圖3可知，當固液比≤30%時，檸檬酸鈣的產(chǎn)率均在88%左右，而當固液比超過30%時，檸檬酸鈣的產(chǎn)率下降明顯，原因可能有兩個方面：（1）固液比過大，不利于檸檬酸與貝殼粉充分接觸，反應(yīng)率低；（2）當固液比超過30%后，反應(yīng)體系容易形成類似“乳化”的現(xiàn)象，不利于檸檬酸與貝殼粉充分接觸，反應(yīng)率低。另一方面，為了可以一次性制備較多的檸檬酸鈣，固液比選擇30%。

圖2　鈣酸比對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響

圖3　固液比對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響

2.2.3反應(yīng)時間對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響在花蛤貝殼粉碎目數(shù)為60目，鈣酸比為0.80，固液比為30%及反應(yīng)溫度為30℃的條件下，研究了不同反應(yīng)時間（1～4 h）對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響。由圖4可見，隨著反應(yīng)時間的延長，檸檬酸鈣的產(chǎn)率逐漸上升，當反應(yīng)時間達到3 h后，反應(yīng)完全，繼續(xù)延長反應(yīng)時間，檸檬酸鈣的產(chǎn)率變化不大。為了提高檸檬酸鈣的制備效率，所以反應(yīng)時間選擇3 h。

圖4　反應(yīng)時間對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響

2.2.4反應(yīng)溫度對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響在花蛤貝殼粉碎目數(shù)為60目，鈣酸比為0.80，固液比30%及反應(yīng)時間為3 h的條件下，研究了不同反應(yīng)溫度（25～55℃）對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響。由圖5可以看出，當溫度由25℃升至35℃時，檸檬酸鈣的產(chǎn)率由（80.68±0.53）%上升至（90.42± 0.42）%，這一方面可能是由于溫度升高反應(yīng)分子活化，反應(yīng)效率升高，檸檬酸鈣產(chǎn)率升高；另一方面可能是由于溫度升高，檸檬酸鈣在體系中的溶解度下降，檸檬酸鈣產(chǎn)率升高。但當溫度超過35℃升至55℃，檸檬酸鈣產(chǎn)率反而降低明顯，原因可能是溫度升高，不利于檸檬酸鈣在體系中穩(wěn)定存在。所以反應(yīng)溫度選擇35℃。

圖5　反應(yīng)溫度對檸檬酸鈣產(chǎn)率的影響

2.3正交試驗結(jié)果與分析在花蛤貝殼粉碎目數(shù)為60目的條件下，通過各單因素試驗確定最適鈣酸比為0.80，最適固液比為30%，最適反應(yīng)時間為3.0 h和最適反應(yīng)溫度為35℃。以上述單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ)設(shè)計正交試驗，正交試驗因素與水平見表1。

表1　因素與水平

在此基礎(chǔ)上，以檸檬酸鈣產(chǎn)率為評價指標，采用正交試驗確定花蛤貝殼粉與檸檬酸直接制備檸檬酸鈣的最適反應(yīng)條件。正交試驗結(jié)果及分析見表2。

由表2可知，以檸檬酸鈣產(chǎn)率為評價指標，對正交試驗結(jié)果進行極差分析，發(fā)現(xiàn)各單因素的影響程度依次為鈣酸比＞溫度＞固液比＞時間，其中鈣酸比的影響明顯強于其他3個因素，而其他3個因素的影響相差不大；最佳組合為A2B2C1D2，即鈣酸比為0.80，固液比為30%，時間為2.5 h，溫度為35℃。

表2　正交試驗結(jié)果及分析

2.4驗證試驗為了檢驗正交試驗優(yōu)化出的花蛤貝殼粉制備檸檬酸鈣條件的準確性，在此最優(yōu)條件（A2B2C1D2）下，進行檸檬酸鈣制備試驗，此時檸檬酸鈣平均產(chǎn)率為92.87%，略大于正交試驗6中的92.13%，但考慮到檸檬酸鈣的制備效率，選擇試驗6的條件用于花蛤貝殼粉直接制備檸檬酸鈣。

2.5放大試驗及純度檢測按試驗6（鈣酸比0.80、固液比35%、反應(yīng)時間2.5 h、反應(yīng)溫度35℃）中條件進行放大100倍試驗，其產(chǎn)率可達到89.52%，與試驗6產(chǎn)率差別不大；按1.3.3中的方法分別對試驗6和放大試驗制備的檸檬酸鈣純度進行檢測，結(jié)果顯示檸檬酸鈣含量分別為93.48%和90.05%。故此法可以用于檸檬酸鈣大批量制備。

3　結(jié)論

本研究利用花蛤貝殼直接制備飼用檸檬酸鈣，不僅可以解決花蛤貝殼污染的問題，而且充分挖掘了其潛在的利用價值，降低了檸檬酸鈣的生產(chǎn)成本。通過單因素試驗和正交試驗，優(yōu)化出花蛤貝殼直接制備檸檬酸鈣的工藝條件為：粉碎目數(shù)60目、鈣酸比0.80、固液比35%、反應(yīng)時間2.5 h及反應(yīng)溫度35℃，在此條件下其產(chǎn)率可達到92.13%，而純度可達到93.48%，所以通過此方法可以生產(chǎn)出具有一定使用價值的飼用檸檬酸鈣。

［1］陳士勇，王令充，劉睿，等.四角蛤蜊貝殼制備檸檬酸鈣的工藝研究［J］.中國海洋藥物，2011，30（6）：18～23.

［2］董曉偉，姜國良，李立德，等.花蛤綜合利用的研究進展［J］.海洋科學(xué)2004，28（4）：62～65.

［3］范崢，楊栩，關(guān)嘉慶，等.以廢棄牡蠣殼為原料制備食品級醋酸鈣［J］.食品工業(yè)科技，2015，36（10）：254～257.

［4］李逢振，馬美湖，張雯亭，等.雞蛋殼中碳酸鈣轉(zhuǎn)化制備檸檬酸鈣的研究［J］.食品工業(yè)科技，2015，34（5）：192～194.

［5］李金志.貝殼的綜合利用［J］.淮海工學(xué)院學(xué)報，2001，6（10）：22～23.

［6］祁云云，張凱，丁曉墅，等.國內(nèi)活性鈣研究現(xiàn)狀［J］.天津化工，2006，20（2）：14～17.

［7］中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB17203-1998.食品添加劑檸檬酸鈣［S］.北京：中國標準出版社，1998.

The test was conducted to produce feeding calcium acetate using wasted clam shells by direct method.The best comminuted mesh numbers of shells was sixty，and single factor experiments and orthogonal experiment were adopted to explore the influence level for yield rate of products，calcium-acid ratio，solid-liquid ratio，reaction time and reaction temperature.The optimum conditions were calcium-acid ratio of 0.80，solid-liquid ratio of 35%，reaction time of 2.5 h and reaction temperature of 35℃.Under these conditions，the yield of calcium citrate could reach up to 92.13%.The results of purity and scale-up experiment test showed that calcium citrate product was quality and stabilized，so the results of this study had some practical value.

clam shell；calcium citrate；yield rate；process optimization

S816.7

A

1004-3314（2016）09-0019-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160905

國家海洋公益性行業(yè)科研專項（2013418007）；江蘇省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評價與海洋生物資源開發(fā)利用條件與能力建設(shè)（BM2014040）