超聲波輔助法對小龍蝦殼制備葡萄糖酸鈣的工藝研究

朱繼國 ， 廖 濤 ， 張慶芳 ， 熊光權(quán) ， 王炬光 ， 白 嬋 *

（1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所/湖北省農(nóng)產(chǎn)品輻照工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430064；2. 蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

克氏原鰲蝦，俗稱小龍蝦，因高蛋白質(zhì)、低脂肪、肉質(zhì)鮮美、易消化，深受消費者喜愛。2019 年，全國小龍蝦養(yǎng)殖面積達(dá)12 860 km2，較2018 年同比增長14.80%[1]。 在加工過程中， 整個蝦約有質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%~60%變成副產(chǎn)品（頭部和硬殼）[2]，蝦殼中主要含有甲殼素、蛋白質(zhì)和鈣[3]，目前大部分被直接拋棄，不但浪費了資源，而且還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

蝦殼中鈣含量較高， 可達(dá)其干質(zhì)量的20%，是一種優(yōu)質(zhì)鈣源[4]。 鈣是人體所不可或缺的營養(yǎng)素之一，涉及了大量的重要功能[5]，目前鈣補(bǔ)充劑種類繁多，多以有機(jī)鈣為主。 葡萄糖酸鈣為鈣補(bǔ)充物，常用于食品和醫(yī)療，可用于治療高鉀血癥[6]、高鎂血癥、骨質(zhì)疏松癥[7]、低鈣血癥[8]等癥狀。 目前關(guān)于葡萄糖酸鈣功能研究較多，但是葡萄糖酸鈣的制備工藝研究較少，而以蝦殼為原料制備葡萄糖酸鈣的研究鮮有報道。

作者以廢棄蝦殼為原料， 在超聲波的輔助下，制備葡萄糖酸鈣，探索蝦殼粉粒徑、酸添加量、液料比、超聲時間、反應(yīng)溫度和超聲功率對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響，并用響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝，從而確定最佳的工藝條件，既為蝦殼的綜合利用提供一條新的途徑，提高小龍蝦的附加值，活躍我國鈣制劑市場，也為廢棄蝦殼資源的再利用提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小龍蝦殼由酒店食堂提供； 質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% D-葡萄糖酸溶液：金克隆（北京）生物技術(shù)有限責(zé)任公司產(chǎn)品；鈣羧酸、乙二胺四乙酸二鈉、三乙醇胺、檸檬酸鈉、硫化鈉、氫氧化鉀、無水硫酸銅、硫酸鎂、無水乙醇等：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

ME303E 電子分析天平：梅特勒-托利多國際有限公司產(chǎn)品；電熱風(fēng)恒溫干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；WF-250 超微粉碎機(jī)：濟(jì)南天方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；集熱式恒溫磁力攪拌器：鄭州長城科工貿(mào)有限公司產(chǎn)品；Sigma 離心機(jī)：北京華威中儀科技有限公司產(chǎn)品；液晶超聲波清洗器：昆山潔力美超聲儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗原理

1.3.2 制備葡萄糖酸鈣的工藝流程 蝦殼預(yù)處理→干燥粉碎→葡萄糖酸溶液處理→超聲處理→離心→過濾→濃縮→結(jié)晶→離心→干燥→成品。

1.3.3 操作要點

1） 蝦殼的預(yù)處理 將從酒店食堂收集的龍蝦殼用清水進(jìn)行多次沖洗， 洗去黏附在蝦殼上的蝦肉、 油污及其他雜質(zhì)。 將清洗干凈的蝦殼放置在105 ℃的電熱風(fēng)恒溫干燥箱內(nèi)烘干24 h， 烘干后用普通粉碎機(jī)和超微粉碎機(jī)粉碎，得到不同粒徑的蝦殼粉，然后收集分裝密封備用。

2） 葡萄糖酸鈣的制備 取一定量的蝦殼粉置于燒杯中，加入適量的蒸餾水，緩慢加入一定體積的葡萄糖酸溶液與蝦殼中的碳酸鈣反應(yīng)，邊加酸邊攪拌，然后將燒杯放入超聲波清洗儀，超聲波處理一段時間后，將燒杯取出放置在集熱式恒溫磁力攪拌器中水浴。

待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，將過濾液即葡萄糖酸鈣溶液在旋蒸儀上進(jìn)行濃縮，待濾液濃縮至黏稠狀，將濃縮液（母液）進(jìn)行冷卻、結(jié)晶、離心分離，得到葡萄糖酸鈣晶體和母液，并對母液進(jìn)行多次濃縮冷卻結(jié)晶，用適量的無水乙醇洗滌反應(yīng)制得的葡萄糖酸鈣晶體，除去殘余的葡萄糖酸及其他殘留物。 將洗滌后的葡萄糖酸鈣置于80 ℃的干燥箱內(nèi)干燥6 h 達(dá)到恒重即得到葡萄糖酸鈣成品。

1.3.4 葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的計算 采用國家標(biāo)準(zhǔn)中葡萄糖酸鈣測定方法[9]測定葡萄糖酸鈣產(chǎn)品中的含鈣量。

式中：X 為葡萄糖酸鈣產(chǎn)品的產(chǎn)率，%；m0為蝦殼粉中鈣元素的總質(zhì)量，mg；m1為葡萄糖酸鈣中鈣元素的質(zhì)量，mg。

1.4 實驗設(shè)計

1.4.1 最佳蝦殼粒徑的選擇 分別取1 g 蝦殼粗粉（粒徑 5 mm）、蝦殼粉（粒徑 0.1～1 mm）、蝦殼超微粉（粒徑 10～25 μm） 加到含有 10 mL 蒸餾水的燒杯中，邊攪拌邊加入2 mL 葡萄糖酸溶液，將燒杯置于功率為100 W 的超聲清洗儀中超聲20 min，然后放置在集熱式恒溫磁力攪拌器中55 ℃水浴1 h，待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，測定葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

1.4.2 單因素實驗

1）最佳葡萄糖酸添加量的確定 取1.0 g 蝦殼粉，按照液料比10 mL∶1 g，分別加入葡萄糖酸溶液2、3、4、5、6 mL，先在功率為 100 W 的超聲清洗儀中超聲20 min， 然后置于55 ℃磁力攪拌器中進(jìn)行酸解反應(yīng)1 h，待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，測定葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

2）最佳液料比的確定 取1.0 g 蝦殼粉，按照液料比 10 mL∶1 g、15 mL∶1 g、20 mL∶1 g、25 mL∶1 g、30 mL∶1 g， 加入 4 mL 葡萄糖酸溶液， 先在功率為100 W 的超聲清洗儀中超聲20 min， 然后置于55℃磁力攪拌器中進(jìn)行酸解反應(yīng)1 h， 待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，測定葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

3）最佳超聲時間的確定 取1.0 g 蝦殼粉，按照液料比25 mL∶1 g，加入4 mL 葡萄糖酸溶液，先置于 100 W 的超聲清洗儀中分別超聲 10、20、30、40、50 min 后， 然后置于55 ℃磁力攪拌器中進(jìn)行酸解反應(yīng)1 h，待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，測定葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

4）最佳反應(yīng)溫度的確定 取1.0 g 蝦殼粉，按照液料比 25 mL∶1 g，加入 4 mL 葡萄糖酸溶液，先在功率為100 W 的超聲清洗儀中超聲30 min，然后分別置于 35、45、55、65、75 ℃ 的磁力攪拌器中進(jìn)行酸解反應(yīng)1 h，待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，測定葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

5）最佳超聲功率的確定 取1.0 g 蝦殼粉，按照液料比 25 mL∶1 g，加入 4 mL 葡萄糖酸溶液，先分別在功率為 60、70、80、90、100 W 的超聲清洗儀中超聲30 min， 然后置于45 ℃的磁力攪拌器中進(jìn)行酸解反應(yīng)1 h，待反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾收集濾液，測定葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

1.5 響應(yīng)面實驗設(shè)計

在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇葡萄糖酸添加量（A）、液料比（B）、超聲時間（C）、反應(yīng)溫度（D）為實驗因素，以葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率為響應(yīng)值，設(shè)計四因素三水平實驗，采用Design-Expert.V8.0.6 軟件進(jìn)行回歸模擬， 優(yōu)化蝦殼中葡萄糖酸鈣的提取工藝，實驗因素與水平見表1。

表1 葡萄糖酸鈣響應(yīng)面實驗因素與水平Table 1 Response surface experimental factors and levels of calcium gluconate

1.6 超聲波輔助處理對不同粒徑蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響

準(zhǔn)確稱取3 種不同粒徑的蝦殼粉各1 g， 分為兩組，一組為對照，采用靜置法即非超聲波輔助處理；另一組為實驗組，即超聲波輔助處理，在其他條件相同的情況下，測定各組葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。

1.7 脫鈣蝦殼粉的蛋白質(zhì)和甲殼素提取

將經(jīng)過葡萄糖酸脫鈣的蝦殼粉用去離子水多次洗滌，直到洗滌液顯中性。 利用堿性蛋白酶從脫鈣的蝦殼粉和原始蝦殼粉中提取蛋白質(zhì)， 在前人[10]優(yōu)化的堿性蛋白酶水解條件基礎(chǔ)上稍做修改進(jìn)行水解，即液料比 20 mL∶1 g，pH 7.5，溫度 55 ℃，蛋白酶添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，水解時間4 h，用考馬斯亮藍(lán)法測蛋白質(zhì)的提取率。

1.8 葡萄糖酸鈣在不同pH 下的溶解性

稱取一定量的葡萄糖酸鈣和蝦殼粉，投入到盛有一定量蒸餾水的燒杯中， 置于37 ℃的水浴鍋中水浴。 用1.0 mol/L 鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)蒸餾水的pH 為 2、3、4、5、6、7 和 8。 分別靜置 30 min 后，測各溶液上清液中鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中：X2為可溶性鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m2為鈣元素的總質(zhì)量，mg；m3為上清液中鈣質(zhì)量，mg。

1.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)取3 次平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值。采用 SPSS 25.0 軟件進(jìn)行方差分析。 采用Origin2018 軟件繪圖。 用 Design-Expert.V8.0.6 軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 蝦殼粉粒徑對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響

蝦殼粉顆粒粒徑不同，其與葡萄糖酸反應(yīng)的程度也不同。 由圖1 可知，用3 種不同粒徑的蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率隨著反應(yīng)時間的延長而不斷升高，同時，用超微蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率高于細(xì)蝦殼粉，也遠(yuǎn)高于粗蝦殼粉，產(chǎn)率是粗蝦殼粉的2 倍。 這是因為蝦殼粉粒徑越小，比表面積越大，其容積密度、流動性、水溶性指數(shù)增大[11]，反應(yīng)分子間的有效碰撞次數(shù)增加，而且還可以降低反應(yīng)活化能，所以減小粒徑有利于提高葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。 胡榮在蛋殼谷氨酸螯合鈣的研究中得到蛋殼超微粉的螯合率較蛋殼粗粉提高了12.57%[12]。 因此選擇超微蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣。

圖1 蝦殼粉粒徑對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 1 Effect of particle size of crayfish shell powder on the yield of calcium gluconate

2.2 葡萄糖酸鈣制備的單因素實驗

2.2.1 葡萄糖酸溶液添加量對產(chǎn)率的影響 由圖2可知，隨著酸添加量增加，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率呈先升后降的趨勢， 當(dāng)酸添加量為4 mL 時， 產(chǎn)率最高為75.03%，但當(dāng)酸添加量超過4 mL 時，產(chǎn)率降低。 因為葡萄糖酸是弱酸，且酸溶液黏稠，所以隨著葡萄糖酸溶液添加量增加，溶液黏度增大，難以混合均勻，分子運動能力減弱，產(chǎn)率低。 除此之外，葡萄糖酸在水溶液中部分會轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟撬醿?nèi)酯，降低葡萄糖酸的利用率和產(chǎn)物的純度，造成資源浪費。 所以，葡萄糖酸的添加量選擇4 mL 較為合理，可以獲得理想的產(chǎn)率。

圖2 酸添加量對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 2 Effect of acid content on the yield of calcium gluconate

2.2.2 液料比對產(chǎn)率的影響 如圖3 所示，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率隨著液料比的提高先升高后降低，當(dāng)液料比為25 mL∶1 g 時，產(chǎn)率最高，與其他液料比對應(yīng)的葡萄糖酸鈣產(chǎn)率相比，差異顯著。 可能是當(dāng)液料比較小時，溶液的黏度太大，而且產(chǎn)物易達(dá)到飽和，所以不利于反應(yīng)向生成葡萄糖酸鈣的方向進(jìn)行[13]，因此隨著液料比增大，溶液黏度減小，產(chǎn)率升高；但當(dāng)料液比過大，即反應(yīng)物稀釋過大，不利于反應(yīng)的正向進(jìn)行，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率降低，而且液料比太大，會造成后期濃縮時間的延長[14]。因此，最佳的液料比為25 mL∶1 g。 可以獲得理想的產(chǎn)率。

圖3 液料比對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 3 Effect of liquid-solid ratio on the yield of calcium gluconate

2.2.3 超聲時間對產(chǎn)率的影響 由圖4 可知，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率隨著超聲時間的增加先升高后降低，在超聲時間為30 min 時，產(chǎn)率最高為84.15%。 超聲波通過孔的擴(kuò)大促進(jìn)基質(zhì)的水合作用和溶脹，增加溶劑向基質(zhì)中的擴(kuò)散并增加了質(zhì)量傳遞[15]，促進(jìn)葡萄糖酸與蝦殼粉間的接觸，從而加速反應(yīng)過程，所以產(chǎn)率隨著超聲時間的增加而升高。 但超聲處理時間過長會破壞產(chǎn)物晶體的生成，或改變產(chǎn)物的物理性質(zhì)[16]。 因此，最佳的超聲時間為30 min。

圖4 超聲時間對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 4 Effect of ultrasonic time on the yield of calcium gluconate

2.2.4 反應(yīng)溫度對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響 由圖5可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為45 ℃時，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率最高為84.45%，當(dāng)溫度超過45 ℃時，產(chǎn)率逐漸降低。 因為溫度是系統(tǒng)動能的量度，因此溫度升高意味著分子的平均動能越高，每單位時間的碰撞越多，所以產(chǎn)率升高[17]。 當(dāng)溫度過高時，會促進(jìn)葡萄糖酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟撬醿?nèi)酯，而且葡萄糖酸鈣在高溫條件下會發(fā)生一定程度的分解，導(dǎo)致產(chǎn)率下降。 因此，最佳的反應(yīng)溫度為45 ℃。

圖5 反應(yīng)溫度對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 5 Effect of reaction temperature on the yield of calcium gluconate

2.2.5 超聲功率對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響 超聲過程中通常容易形成空化氣泡的微氣泡，由于氣泡的非線性振蕩而產(chǎn)生的內(nèi)爆和渦流也產(chǎn)生了微流，從而引起劇烈的湍流，破壞了固體表面[18]，從而有利于溶液中蝦殼粉和葡萄糖酸的混合，所以產(chǎn)率隨著超聲功率的增大而升高。 然而空化氣泡的內(nèi)爆和振蕩會導(dǎo)致破碎、腐蝕、聲吶作用及剪切力作用，所以超聲功率過大時，會破壞晶體的形成，不利于葡萄糖酸鈣的生成。 由圖6 可知， 當(dāng)超聲功率為90 W時，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率最高，因此，最佳的超聲功率為90 W。

圖6 超聲功率對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 6 Effect of ultrasonic power on the yield of calcium gluconate

2.3 葡萄糖酸鈣制備的響應(yīng)面實驗

根據(jù)單因素實驗結(jié)果分析，固定超聲功率為90 W，反應(yīng)時間為1 h，選擇葡萄糖酸添加量（A）、液料比（B）、超聲時間（C）、反應(yīng)溫度（D）為實驗因素，以葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率為響應(yīng)值， 通過Design-Expert.V8.0.6 軟件進(jìn)行實驗設(shè)計。實驗設(shè)計、結(jié)果及預(yù)測值見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計實驗及結(jié)果Table 2 Response surface design experiments and results

2.3.1 回歸模型方程及方差分析 采用 Design-Expert.V8.0.6 軟件對表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得葡萄糖酸鈣產(chǎn)率對酸添加量（A）、液料比（B）、超聲時間（C）、反應(yīng)溫度（D）的二次多項回歸模型方程如下： 產(chǎn)率=84.88+3.30A+1.37B+0.30C+0.30D+1.84 AB+2.39 AC-0.89AD-0.58BC-0.22BD+2.43CD-4.15A2-1.12B2-3.21C2-2.69D2。

由表 3 可知，F(xiàn)=10.22，P＜0.000 1， 表明該模型是可行的，能夠很好地擬合實驗過程。 響應(yīng)面實驗擬合中失擬項F=2.96，P=0.153 8，差異不顯著，說明該模型模擬產(chǎn)率與實驗因素的關(guān)系具有良好的擬合度，該模型可以使用。 決定系數(shù)R2=91.08%，說明有91.08%的變化可以用此方程解釋。 變異系數(shù)（CV）越小，實驗的可靠度越高，模型越精確[19]，實驗的變異系數(shù)CV 為2.05%， 表明所做實驗的精度和可靠性好。 綜上所述，可以用該模型對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率進(jìn)行分析和預(yù)測。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance in regression model

2.3.2 響應(yīng)面結(jié)果分析 響應(yīng)面坡度越陡，表明響應(yīng)值對該實驗因素的變化越敏感，實驗因素對響應(yīng)值的影響越大；反之則表明實驗因素對響應(yīng)值的影響越小[20]；等高線呈圓形表示兩因素交互作用不顯著，而呈橢圓形或馬鞍形則表示兩因素交互作用顯著[21]。 由圖8 可知，每個響應(yīng)面圖都有一個清晰的峰，而相應(yīng)的輪廓圖則有一個清晰的最高點，這意味著可以在設(shè)計邊界內(nèi)實現(xiàn)最大的產(chǎn)率[22]；等高線圖中最小橢圓的邊界表示最大的葡萄糖酸鈣產(chǎn)率。綜合分析可知，酸添加量和液料比、酸添加量和超聲時間、超聲時間和反應(yīng)溫度對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的交互作用最為明顯。

圖7 實驗因素交互作用對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響Fig. 7 Effect of interaction of test factors on the yield of calcium gluconate

2.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果及驗證 根據(jù)單因素實驗及響應(yīng)面實驗結(jié)果， 確定最佳制備工藝條件為：酸添加量 4.68 mL、液料比 30 mL∶1 g、超聲時間 32.1 min、反應(yīng)溫度45 ℃，此條件下葡萄糖酸鈣產(chǎn)率為86.85%。 在此條件下進(jìn)行3 次重復(fù)實驗驗證，測得葡萄糖酸鈣產(chǎn)率為86.38%，與預(yù)測值86.85%接近，說明該模型與實際情況的擬合度較好，該模型能較好地預(yù)測實際葡萄糖酸鈣產(chǎn)率。

2.4 脫鈣蝦殼粉的蛋白質(zhì)提取

由圖8 可知， 脫鈣蝦殼粉蛋白質(zhì)提取率為71.71%，明顯高于原始蝦殼粉的59.93%。 因為蝦殼粉經(jīng)過脫鈣后，酶與蛋白質(zhì)的接觸位點增加，且蛋白質(zhì)受酸和超聲波的影響， 空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，更有利于酶解。 因此蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣后，還可以用來提取蛋白質(zhì)，且蛋白質(zhì)提取率高于未脫鈣的蝦殼粉，同時也避免了煅燒法中的高溫煅燒帶來資源的再次浪費，提高了蝦殼資源的綜合利用率。

圖8 脫鈣對蝦殼粉蛋白質(zhì)提取率的影響Fig. 8 Effect of decalcification on protein extraction rate of crayfish shell powder

2.5 超聲波輔助處理對不同粒徑蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣產(chǎn)率的影響

采用上述最佳工藝條件，超聲波處理與不用超聲波處理的對照實驗結(jié)果見圖9。 超聲波處理能夠明顯提高3 種不同粒徑蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率。3 種不同粒徑蝦殼粉制備葡萄糖酸鈣的產(chǎn)率：超微蝦殼粉＞細(xì)蝦殼粉＞粗蝦殼粉。 輔助效果和蝦殼粒徑大小有關(guān)，其中超微蝦殼粉組產(chǎn)率最高，其次是細(xì)蝦殼粉組和粗蝦殼粉組， 產(chǎn)率分別提高了10.00%、8.43%和6.72%。

圖9 超聲波輔助與靜置法的對比結(jié)果Fig. 9 Comparison of ultrasonic -assisted method and static method

2.6 葡萄糖酸鈣在不同pH 下的溶解性

蝦殼粉中的鈣主要以碳酸鈣的形式存在，碳酸鈣呈中性，在水中溶解度小。 由圖10 可知，隨著pH增大， 葡萄糖酸鈣和蝦殼粉中的可溶性鈣逐漸減少，但葡萄糖酸鈣的減少趨勢較蝦殼粉小。當(dāng)pH 為7 時， 葡萄糖酸鈣中可溶性鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.93%，而蝦殼粉中的可溶性鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0，主要是因為葡萄糖酸鈣能溶于水， 碳酸鈣難溶于水，而蝦殼粉中的幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)會影響碳酸鈣的溶解，所以在不同pH 條件下蝦殼粉中鈣的可溶性遠(yuǎn)小于葡萄糖酸鈣。

圖10 葡萄糖酸鈣和蝦殼粉中的鈣在不同pH 下的溶解性Fig. 10 Solubility of calcium in calcium gluconate and crayfish shell powder at different pH values

食物中的鈣經(jīng)胃消化后，大部分處于可溶狀態(tài)進(jìn)入腸道，當(dāng)鈣通過小腸吸收時，鈣的可溶性離子化形式（Ca2+）可以穿過小腸壁被吸收[23]。然而腸道環(huán)境約為中性，部分鈣容易沉淀，不溶性的鈣鹽難以被人體吸收， 因此鈣鹽在中性條件下可溶性好，是提高鈣吸收的前提。 葡萄糖酸鈣和蝦殼粉相比，可溶性鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，所以鈣的利用率高，更有價值，更適合作為鈣補(bǔ)充劑。 張熙在雞蛋殼制備有機(jī)鈣及其生物利用率研究中得出葡萄糖酸鈣的吸收利用率高于檸檬酸鈣、乳酸鈣和乙酸鈣，且有機(jī)酸鈣吸收利用率高于碳酸鈣[24]。

3 結(jié)果與討論

超聲波輔助龍蝦殼制備葡萄糖酸鈣的理論依據(jù)為利用超聲波在固體和液體介質(zhì)產(chǎn)生空化作用、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)[25]。在制備葡萄糖酸鈣的過程中，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械剪切、湍流和機(jī)械振蕩的效應(yīng)可以破壞蛋白質(zhì)與碳酸鈣的結(jié)合，使反應(yīng)體系中的蝦殼粉充分分散，從而增加接觸面積，提高反應(yīng)速率。該反應(yīng)體系主要受空化作用的影響，超聲過程中產(chǎn)生的空化氣泡的爆裂導(dǎo)致能量聚集在熱點上，從而產(chǎn)生極端溫度和壓力，進(jìn)而在空化區(qū)中產(chǎn)生非常高的剪切能和湍流[26]。 空化作用主要發(fā)生在蝦殼粉表面，使蝦殼粉進(jìn)一步破碎及充分分散，而且產(chǎn)生局部高溫，從而提高反應(yīng)速率。 由于超聲波頻率高、能量大，被介質(zhì)吸收時會產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)，因此使反應(yīng)體系的溫度升高，反應(yīng)加快。 而且超聲波的空化作用和機(jī)械振蕩，超聲誘導(dǎo)的湍流和微電流的作用可能會破壞蛋白質(zhì)分子之間的非共價鍵，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重組和功能特性變化[27]，因此利用此方法制備葡萄糖酸鈣后，蝦殼粉殘渣來制備蛋白質(zhì)變得更加容易。

在上述機(jī)制的作用下，超聲波輔助法較高溫煅燒法耗能少、條件溫和、更加環(huán)保，且經(jīng)過超聲波輔助制備葡萄糖酸鈣后的蝦殼粉還可以被用來制備蝦殼蛋白質(zhì)，蝦殼蛋白質(zhì)氨基酸組成合理，與牛奶蛋白質(zhì)中的必需氨基酸（46.59%）和酪蛋白酶中的必需氨基酸（46.16%）基本接近[28]，營養(yǎng)價值高，所以蝦殼的利用率高；與發(fā)酵法相比，超聲波輔助法所需時間短、產(chǎn)率高、受外界環(huán)境的影響小，且方法成熟，在其他領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 語

蝦殼粉粒徑對葡萄糖酸鈣產(chǎn)率影響顯著，粒徑越小產(chǎn)率越高，反應(yīng)速率越快。 根據(jù)單因素實驗結(jié)果， 利用Design-Expert.V8.0.6 軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到最優(yōu)制備工藝：葡萄糖酸添加量4.68 mL、液料比30 mL∶1 g、超聲時間 32.1min、反應(yīng)溫度 45℃。在此條件下，葡萄糖酸鈣產(chǎn)率為86.38%。在相同條件下， 非超聲波處理的葡萄糖酸鈣產(chǎn)率76.38%，比超聲處理少10.00%。 因此，超聲波輔助制備工藝可提高蝦殼葡萄糖酸鈣產(chǎn)率， 具有較明顯的優(yōu)勢。在不同pH 下， 葡萄糖酸鈣的可溶性遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理蝦殼中的鈣，更適合作為鈣補(bǔ)充劑，采用該工藝有利于提高蝦殼中鈣的利用率。 作者以小龍蝦副產(chǎn)物蝦殼和葡萄糖酸為原料，在超聲波的輔助下制備葡萄糖酸鈣， 為綜合利用我國豐富的蝦殼資源提供參考。