以廢棄牡蠣殼為原料制備食品級醋酸鈣

范　崢，楊　栩，關嘉慶，張　佳，喬　璐，常曉亞

（西安石油大學化學化工學院，陜西西安710065）

以廢棄牡蠣殼為原料制備食品級醋酸鈣

范崢，楊栩，關嘉慶，張佳，喬璐，常曉亞

（西安石油大學化學化工學院，陜西西安710065）

利用直接法生產食品級醋酸鈣是一種將廢棄牡蠣殼變廢為寶的有效途徑。通過單因素實驗和主要因素方差分析探討了殼粉粒徑、殼酸比、水殼比、反應時間和pH對醋酸鈣產品含量與收率的作用規律和影響大小，并借助多指標正交實驗對其工藝條件進行了系統優化。結果表明，殼酸比、水殼比和反應時間這3個關鍵因素對該反應的影響較為顯著，生產醋酸鈣的最適宜條件為：殼酸比為0.75∶1，水殼比為21∶1，反應時間為140min，此條件下的醋酸鈣含量及收率的平均值可達99.63%、93.72%。由于優化后的產品質量較好且穩定可靠，故本研究具有一定的實際應用價值。關鍵詞：牡蠣殼，醋酸鈣，影響因素，多指標正交實驗

牡蠣又稱海蠣子、蠔，是世界上第一大養殖貝類，因其味道鮮美、營養豐富而備受推崇，素有“海中牛奶”之稱，據統計，2012年我國生產牡蠣約395萬t，占全世界總產量的85%以上［1］。然而，當牡蠣肉被食用或加工之后，大量牡蠣殼卻被作為垃圾而丟棄，這不僅嚴重污染了周邊環境，同時還造成海洋資源的大量浪費。研究表明，牡蠣殼的主要成分是碳酸鈣，其碳酸鈣含量高達96%以上，此外還含有門冬氨酸、甘氨酸、異亮氨酸等氨基酸以及鐵、鈉、鋅、硒、鍶等多種微量元素［2］，因此，如何有效利用這些廢棄的牡蠣殼，使之變廢為寶是人們目前亟待解決的一個重要問題。

醋酸鈣作為一種離子型高效營養強化劑，具有補鈣性能優越、價格低廉、吸收效果好、無毒副作用等顯著優點，被廣泛地應用于乳制品、面粉及制品、飲料、食鹽、醬油、醋等諸多食品行業［3-4］。目前，生產食品級醋酸鈣的途徑主要有間接法和直接法兩種，間接法先高溫煅燒石灰石再與醋酸反應，能耗高、收率低、產品口感差，在加工過程中還會產生大量的二氧化碳粉塵［5］；直接法則是利用碳酸鈣直接與醋酸反應，由于此法須以優質碳酸鈣為鈣源，故生產成本較高，導致它的應用和發展受到一定限制［6］。

針對上述問題，本文探索和開發了一套以廢棄牡蠣殼代替優質碳酸鈣為原料，利用直接法生產食品級醋酸鈣的工藝流程，通過單因素實驗和主要因素方差分析研究了殼粉粒徑、殼酸比、水殼比、反應時間、pH等對醋酸鈣含量及收率的影響與作用，并利用多指標正交實驗對其工藝條件進行了優化。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

牡蠣殼取自產于廣東省湛江市南海海域的牡蠣；冰醋酸、氫氧化鈣、乙二胺四乙酸二鈉、氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉分析純，西安化學試劑廠；鈣試劑羧酸鈉鹽分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；碳酸鈣基準純，上海化學試劑廠。

FW100高速萬能粉碎機天津泰斯特儀器有限公司；JJ-1磁力攪拌器金壇市富華儀器有限公司；AE240電子分析天平瑞士梅特勒-托利多國際股份有限公司；SHB-B95循環水式多用真空泵鄭州長城科工貿有限公司；PHS-3C數字酸度計金壇市億通電子有限公司；V100卡爾費休水分儀上海沛歐分析儀器有限公司；101A-3電熱干燥箱上海市實驗儀器總廠；TAS-986原子吸收分光光度計北京普析通用儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1制備醋酸鈣的工藝流程將廢棄牡蠣殼用清水沖洗干凈，在電熱干燥箱中80℃烘干6h，將烘干的牡蠣殼粉碎、過篩，裝袋備用。稱取一定量的牡蠣殼粉于燒杯中，按比例加入適量蒸餾水攪拌均勻后，常溫下與冰醋酸發生反應。待反應結束，加入少量氫氧化鈣調節溶液pH，并繼續攪拌反應30min。抽濾物料，濾渣循環使用，濾液回調至中性后濃縮、干燥，使醋酸鈣產品的水分不大于7%。

1.2.2醋酸鈣產品的檢測醋酸鈣產品中的醋酸鈣含量采用EDTA絡合滴定法進行測定；砷、鋇、鎂以及重金屬含量通過原子吸收法對其進行分析［7］；pH、水分含量分別利用酸度計和卡爾費休水分儀進行檢測［8］；硫酸鹽、氯化物、氟化物含量等則參照GB 15572-1995《食品添加劑醋酸鈣》中的相關規定執行［9］。

醋酸鈣含量χ（%）及收率η（%）的計算方法如下：

式中，V（mL）為EDTA標準滴定溶液的體積；C（mol/L）為EDTA標準滴定溶液的實際濃度；m（g）為樣品的質量；ω（%）為樣品的水分含量；m′（g）為醋酸鈣產品的理論產量。

1.2.3單因素實驗設計對殼粉粒徑、殼酸比（殼粉與冰醋酸的質量比）、水殼比（蒸餾水與殼粉的質量比）、反應時間和pH進行單因素實驗，每個實驗平行做3次，分別研究這5個不同因素對醋酸鈣含量及收率的影響，通過分析它們的變化趨勢來確定其適宜的取值范圍［10-11］。同時，利用方差分析判斷各個因素的影響大小，討論哪些因素是需要重點考察的、對最終結果具有較大影響的關鍵因素［12］。

1.2.3.1殼粉粒徑對醋酸鈣含量及收率的影響當殼酸比為0.90∶1，水殼比為20∶1，反應時間為120min，pH為8.0時，分別選擇50、70、100、150、200目（即粒徑為0.300、0.210、0.150、0.100、0.075mm）的牡蠣殼殼粉進行實驗。

同時，為帶動當地貧困戶一起通過產業脫貧，公司在省、市、縣產業精準脫貧的精神指導下，通過黨建引領，啟動“掛包幫”“轉走訪”項目建設，利用“黨支部+企業+合作社+基地+農戶”的產業化經營模式，為種植戶提供優質菌包等資料，并派專業的技術團隊到田間地頭，給合作社種植戶進行一對一的技術指導，確保農戶能種出符合市場要求的產品，最后公司按品質分級收購。

1.2.3.2殼酸比對醋酸鈣含量及收率的影響當殼粉粒徑為0.100mm，水殼比為20∶1，反應時間為120min，pH為8.0時，對0.70∶1、0.80∶1、0.90∶1、1.00∶1和1.10∶1這 5個不同殼酸比下的醋酸鈣含量及收率進行實驗。

1.2.3.3水殼比對醋酸鈣含量及收率的影響當殼粉粒徑為0.100mm，殼酸比為0.90∶1，反應時間為120min，pH為8.0時，分別對水殼比為10∶1、15∶1、20∶1、25∶1和30∶1條件下的醋酸鈣含量及收率進行實驗。

1.2.3.4反應時間對醋酸鈣含量及收率的影響當殼粉粒徑為0.100mm，殼酸比為0.90∶1，水殼比為20∶1，pH為8.0時，對反應時間為60、90、120、150、180min時的醋酸鈣含量及收率進行實驗。

1.2.3.5pH對醋酸鈣含量及收率的影響當殼粉粒徑為0.100mm，殼酸比為0.90∶1，水殼比為20∶1，反應時間為120min時，分別對pH為6.0、8.0、10.0、12.0和14.0條件下的醋酸鈣含量及收率進行實驗。

1.2.4多指標正交實驗在單因素實驗的基礎上，對上述關鍵因素的適宜區間進行水平編碼，見表1，并以醋酸鈣含量χ及收率η的綜合評分ψ為衡量指標，采用多指標正交實驗對其進行綜合評分［13-14］，確定相應的優化因素。最后，利用重復性實驗驗證以上最佳工藝條件的準確性。

表1　關鍵因素水平編碼Table 1　The code of key factors and different levels

每個實驗綜合評分ψ的計算方法如下：

其中，ω1和ω2為醋酸鈣含量及收率的權重，按照實際要求取ω1=0.6，ω2=0.4；φ1、φ2分別為醋酸鈣含量和收率的隸屬度，它們的表達式為

1.2.5數據處理在以上研究中，方差分析研究由IBM SPSS Statistics 19.0完成，而多指標正交實驗設計則通過Design-Expert 7.1軟件進行計算。

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.2殼酸比對醋酸鈣含量及收率的影響由圖2可知，當殼酸比為0.70∶1和0.80∶1時，醋酸鈣含量保持在89.17%～90.10%，若繼續增加殼酸比，則醋酸鈣含量開始逐漸降低，當殼酸比達到1.10∶1時，醋酸鈣含量僅為72.97%。隨著殼酸比的不斷提高，牡蠣殼粉帶入反應體系中的雜質逐漸累積，并最終與產品相互混雜，從而大大降低了醋酸鈣含量。醋酸鈣收率的變化趨勢與含量基本相似，當殼酸比由0.70∶1～1.10∶1時，醋酸鈣收率由89.35%降至65.79%。

圖1　殼粉粒徑對醋酸鈣含量及收率的影響Fig.1　The effect of particle size of shell powder on the content and yield of calcium acetate products

圖2　殼酸比對醋酸鈣含量及收率的影響Fig.2　The effect of shell-acid ratio on the content and yield of calcium acetate products

2.1.3水殼比對醋酸鈣含量及收率的影響由圖3可知，當水殼比為10∶1時，醋酸鈣含量及收率較低，僅為62.00%和77.51%，當水殼比為15∶1～30∶1時，醋酸鈣含量及收率先逐漸提高再急劇降低，并分別在水殼比為25∶1和20∶1時達到最大值。水殼比太小，殼粉和冰醋酸極易混合不均，導致它們難以充分發生反應；水殼比太大，反應體系中的冰醋酸含量過低，不利于反應向生成醋酸鈣的方向進行，從而造成醋酸鈣含量及收率降低。

2.1.4反應時間對醋酸鈣含量及收率的影響由圖4可知，醋酸鈣含量及收率隨著反應時間的增加而提高，反應時間達到120min后，再增加反應時間，醋酸鈣含量及收率變化不大。當反應時間小于120min時，殼粉與冰醋酸反應不完全，醋酸鈣的含量及收率較低；當反應時間大于150min時，殼粉與冰醋酸已基本反應完全，醋酸鈣的含量及收率無明顯變化。

圖3　水殼比對醋酸鈣含量及收率的影響Fig.3　The effect of water-shell ratio on the content and yield of calcium acetate products

圖4　反應時間對醋酸鈣含量及收率的影響Fig.4　The effect of reaction time on the content and yield of calcium acetate products

2.1.5pH對醋酸鈣含量及收率的影響由圖5可知，對于中和脫酸過程來說，當反應后的pH分別為6.0、8.0和10.0時，醋酸鈣含量由66.02%提高到92.78%，若繼續增加pH，醋酸鈣含量開始緩慢降低，當pH為14.0時，醋酸鈣含量約為87.60%。這是因為，隨著溶液堿性的增強，殼粉中的鋇、鎂、鋁、硅等金屬離子均形成氫氧化物沉淀，使得醋酸鈣含量提高，但如果堿性過強，鋁、硅等又會生成偏鋁酸鹽和偏硅酸鹽并溶于液相，影響醋酸鈣含量。pH對于醋酸鈣收率影響較小，其收率基本維持在88.00%左右。

圖5　pH對醋酸鈣含量及收率的影響Fig.5　The effect of pH value on the content and yield of calcium acetate products

2.2主要因素分析

利用IBM SPSS Statistics 19.0對殼粉粒徑、殼酸比、水殼比、反應時間和pH進行主要因素方差分析，計算結果見表2。

由表2可知，對于醋酸鈣含量來說，由于殼酸比、水殼比、反應時間和pH的F值均大于F0.01（4，10）=5.99，殼粉粒徑的F值小于F0.05（4，10）=3.48，所以殼酸比、水殼比、反應時間、pH對醋酸鈣含量有極顯著的影響（p＜0.05），殼粉粒徑對其影響不顯著（p＞0.05）；對于醋酸鈣收率來說，殼粉粒徑、殼酸比、水殼比和反應時間的F值分別為7129.09、3566.72、119.39、1221.60，遠遠大于F0.01（4，10），而pH的F值僅為2.54，略小于F0.05（4，10），故殼粉粒徑、殼酸比、水殼比、反應時間對醋酸鈣收率有極顯著影響（p＜0.05），pH對醋酸鈣收率的影響不顯著（p＞0.05）。

表2　主要因素方差分析結果Table 2　The results of main factors variance analysis

由于殼粉粒徑對醋酸鈣含量的影響程度較殼酸比、水殼比、反應時間和pH小，而pH對醋酸鈣收率的影響程度較殼粉粒徑、殼酸比、水殼比和反應時間小，且當殼粉粒徑為0.100mm、pH為10.0時，醋酸鈣收率及含量這兩個實驗指標已分別高達87.07%和92.78%，故從簡化原料處理、降低生產能耗和減少氫氧化鈣用量、保證產品口感的角度考慮，最終在殼粉粒徑為0.100mm和pH為10.0的優化條件下，確定殼酸比、水殼比、反應時間為該反應的關鍵因素，并以此為依據對其進行多指標正交實驗。

2.3多指標正交實驗

根據多指標正交實驗原理，分別將0.75～0.90、18～27和120～150min作為殼酸比、水殼比和反應時間這三個關鍵因素的適宜區間，以綜合評分ψ為衡量指標，采用L16（45）正交表進行正交實驗確定關鍵因素的最佳工藝條件，結果見表3。

由表3可知，殼酸比所在列的極差最大，反應時間次之，水殼比最小，而空白列的極差均小于以上關鍵因素的極差，殼酸比、水殼比和反應時間對綜合評分的影響程度由大到小依次為殼酸比＞反應時間＞水殼比，同時，由于空白列的極差均小于以上關鍵因素的極差，故它們的一級交互作用較弱，可忽略不計。根據綜合評分越大越好，可以得到優化方案為A1B2C3，即當殼酸比為0.75∶1，水殼比為21∶1，反應時間為140min時，醋酸鈣含量及收率的綜合評分較優。

2.4優化工藝驗證

按照上述優化工藝條件，取3份殼粉粒徑為0.100mm的牡蠣殼粉于1000mL燒杯中，每份30g，加入630mL蒸餾水攪拌均勻后，緩慢滴加21.4mL冰醋酸，反應140min后調節溶液pH至10.0，經回調、抽濾、濃縮和干燥得到醋酸鈣產品，并按照國標相關要求對其進行分析與測定，結果見表4。

由表4可知，在優化工藝條件下，這3個平行實驗的醋酸鈣含量及收率分別高達99.63%、93.72%，普遍高于優化前，而它們的RSD僅為0.11%和0.15%，同時，醋酸鈣產品中的砷、鋇、鎂、重金屬、硫酸鹽、氯化物、氟化物含量和pH以及水分等指標均滿足國標要求，該實驗方案的醋酸鈣含量及收率較為理想且穩定可靠，具有一定的實際應用價值。

表3　多指標正交實驗結果Table 3　The results of multi-target orthogonal design

3　結論

通過單因素實驗討論了直接法生產食品級醋酸鈣過程中殼粉粒徑、殼酸比、水殼比、反應時間和pH對醋酸鈣含量及收率的作用規律，利用方差分析研究了各個因素的影響大小，實驗結果表明，殼酸比、水殼比、反應時間是對產品有顯著影響的關鍵因素。在此基礎上，借助多指標正交實驗對這3個關鍵因素進行了優化，并得到了較為理想且穩定可靠的最佳工藝條件，即當殼酸比為0.75∶1，水殼比為21∶1，反應時間為140min時，醋酸鈣含量及收率的平均值可達99.63%、93.72%。醋酸鈣產品中的砷、鋇、鎂、重金屬、硫酸鹽、氯化物、氟化物含量和pH以及水分等指標均滿足GB 15572-1995的相關要求。

表4　優化工藝條件驗證結果Table 4　The verification results of optimal process conditions

［1］農業部漁業局.中國漁業統計年鑒［M］.北京：中國農業出版社，2013：27-41.

［2］苗建銀，趙海培，陳超柱，等.牡蠣殼的開發利用［J］.水產科學，2011，30（6）：369-372.

［3］于平，勵建榮.補鈣劑的現狀及營養評價方法［J］.中國食品學報，2002，2（1）：57-61.

［4］吳漢東.以雞蛋殼為原料制備醋酸鈣的工藝研究［J］.食品工業，2012，33（12）：37-39.

［5］陳延信，田增愿，趙博.碳酸鈣渣懸浮態和堆積態煅燒產品的理化性能比較［J］.硅酸鹽通報，2014，33（5）：1193-1197.

［6］高新，韓偉，李穩宏，等.循環法制備高純碳酸鈣工藝研究［J］.西北大學學報：自然科學版，2007，37（1）：63-66.

［7］陳宗保.微波消解-石墨爐原子吸收法監測海洋貝類體內重金屬污染程度［J］.食品工業科技，2010，31（8）：308-309.

［8］倪前銀，吳玉龍，楊明德，等.卡爾費休容量法在六水氯化鎂熱解過程中氧化鎂及水分測定的應用［J］.分析化學，2011，39（5）：733-737.

［9］GB 15572-1995食品添加劑乙酸鈣［S］.北京：中國標準出版社，1995.

［10］謝藍華，杜冰，葉夢晴，等.蛋殼粉制備酵母多肽螯合鈣的研究［J］.食品工業科技，2013，34（18）：243-248.

［11］郭秀君，黃雪松.不同工藝條件對桔皮果膠鈣產量的影響［J］.食品工業科技，2013，34（16）：258-261.

［12］紀躍芝，胡威，趙雅玲.方差分析方法確定大黃多糖的最佳提取工藝［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2010，31（2）：132-136.

［13］高品一，金梅，楊頔，等.金櫻子黃酮兩種提取工藝優化及比較［J］.食品工業科技，2014，35（1）：237-241.

［14］趙晨霞，祝海娟，張翌楠，等.正交實驗優化大麥蟲蛋白質提取工藝［J］.食品科學，2013，34（16）：42-45.

Preparation of food grade calcium acetate using wasted oysters shells

FAN Zheng，YANG Xu，GUAN Jia-qing，ZHANG Jia，QIAO Lu，CHANG Xiao-ya
（College of Chemistry&Chemical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

It’s a very efficient approach to produce food grade calcium acetate using wasted oysters shells by direct method.Single factor experiments and variance analysis of main factors were adopted to explore the action law and influence level for the content and yield of products between particle size of shell powder，shellacid ratio，water-shell ratio，reaction time and pH value.The process conditions was systemically optimized in virtue of multi-target orthogonal design.The experimental results were demonstrated that the main reaction was affected prominently by such three key factors including shell-acid ratio，water-shell ratio and reaction time.The optimum production conditions were determined as follows:shell-acid ratio was 0.75∶1，water-shell ratio was 21∶1 and reaction time was 140min.Under the condition of above optimal parameters，the content and yield average of calcium acetate products achieved 99.63%，93.72%，respectively.The research provided

oysters shells；calcium acetate；influencing factor；multi-target orthogonal design

TS202.3

B

1002-0306（2015）10-0254-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.045

2014－08－18

范崢（1982-），男，博士，講師，研究方向：資源再生與系統優化。

陜西省大學生創新創業訓練計劃資助項目（1179）。

certain practical significance owing to outstanding quality and stable reliability of calcium acetate products after optimization.