利用鸡蛋壳中碳酸钙制备高纯度乙酸钙的工艺条件优化

2010-10-19李彦坡马美湖李逢振陈亚泉

食品科学 2010年18期

李彦坡，马美湖,*，李逢振，陈亚泉

(1.华中农业大学食品科学技术学院，湖北武汉 430070；2.湖南环境生物职业技术学院生物工程系，湖南衡阳421005；3.湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙 410128)

李彦坡1，马美湖1,*，李逢振2，陈亚泉3

利用鸡蛋壳粉与乙酸溶液直接反应，制取产品乙酸钙。采用四因素二次通用旋转组合试验设计得出乙酸与蛋壳粉反应的回归方程，探讨各因素间的相互作用，并对有交互作用的乙酸浓度和反应温度、乙酸浓度和反应时间与乙酸钙产率的关系进行响应面分析，得出蛋壳粉与乙酸反应的最佳条件为乙酸浓度6mol/L、反应温度79.38℃、反应时间5.98h、料液比1:5，实际产率98.48%。通过正交试验优化除镁工艺，最佳工艺参数为温度65℃、时间15min、CaO添加量0.5g，除杂后纯度达99.79%，X-射线衍射对产品进行鉴定，确定为乙酸钙。

鸡蛋蛋壳；综合利用；乙酸钙；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年我国产蛋量为2985.6万t，占世界产蛋量的44.87%，我国禽蛋产量增长迅速，蛋品加工业也迅速发展[1-2]，蛋壳资源极其丰富。目前对蛋壳的利用少部分粉碎之后用作动物的补钙饲料[3-5]，而大部分直接将其废弃于环境中，造成环境污染。

蛋壳是一种优质的生物钙源，平均含有93%碳酸钙、1%碳酸镁、3.2%磷酸钙和磷酸镁等无机物以及2.8%的有机物[4-6]。乙酸钙(Ca(CH3COO)2)为人体吸收率极高的理想补钙剂，可用于治疗血磷酸盐过多的磷酸盐结合体[7]，其使用剂量较低，减少病人痛苦[8-11]。一般采用乙酸与碳酸钙煅烧产物氧化钙反应制取乙酸钙，但煅烧容易造成环境污染，能量消耗巨大，而蛋壳粉直接与乙酸反应则具有消耗能量低，不产生有害气体等优点[12-14]。本实验以蛋壳粉为原料，与乙酸溶液直接反应制取乙酸钙，研究蛋壳粉与乙酸的中和反应及产品纯化工艺，以期制得高纯度乙酸钙，可广泛应用于食品添加剂及医药领域，有效地利用蛋壳资源，提高蛋壳利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

蛋壳原料北京德青源农业科技股份有限公司。冰乙酸(AR)、氧化钙(AR) 国药集团化学试剂有限公司；硝酸(AR) 信阳市化学试剂厂。

FW100万能粉碎机天津泰斯特仪器有限公司；HH-8型数显恒温水浴锅上海浦东物理光学仪器厂；SHB-ⅢT循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱上海精宏实验设备有限公司；AA240FS原子吸收光谱仪美国VARIANW公司；D8 X-射线衍射仪德国Bruker 公司。

1.2 乙酸钙制备方法

1.2.1 蛋壳粉制备

用清水洗去蛋壳上的残留蛋清，将蛋壳表面洗净，干燥。将干燥后的蛋壳粉碎过40目筛，以1:8(g/mL)比例加入0.2mol/L的乙酸溶液作壳膜分离剂进行壳膜分离，收集分离的蛋壳膜和蛋壳，干燥备用。

1.2.2 乙酸钙的制备

取经预处理的蛋壳粉10.0g，加入一定浓度的乙酸溶液，于一定温度下进行反应，反应完成后过滤，除去未反应的残渣，将滤液浓缩干燥，制得乙酸钙粗品。

1.3 乙酸钙粗品纯化

取反应制备获得的乙酸钙粗品5.0g，溶于100mL水中，加入一定量的氧化钙，于一定温度下搅拌静置25min使溶液中的镁离子及少量蛋白质形成沉淀，过量的氧化钙生成不溶于水的Ca(OH)2沉淀，过滤除去沉淀，将滤液浓缩干燥，得到蛋壳乙酸钙纯品。

1.4 试验设计

1.4.1 二次通用旋转正交试验优化乙酸钙制备反应条件

为确定最佳的反应条件，采用四因素三水平的二次通用旋转正交试验对影响乙酸钙产率的各因素水平进行优化，以产率为指标对结果进行分析，试验因素水平编码值见表1。

表1 乙酸钙制备反应条件正交试验因素水平编码值表Table 1 Factors and levels in the quadratic general rotary unitized design

1.4.2 乙酸钙纯化工艺试验设计

乙酸钙纯化工艺中采用L9(34)正交试验研究除杂温度、除杂时间和氧化钙添加量对钙含量的影响，确定纯化过程最佳工艺参数，正交试验因素水平表见表2。

表2 乙酸钙纯化工艺正交试验因素水平表Table 2 Factors and levels in the orthogonal array design

1.5 蛋壳乙酸钙的鉴定、含量测定及产率的计算

乙酸钙的鉴定采用X-射线衍射法鉴定，采用Bruker D8 X-射线衍射仪，分析测定条件为：Cu靶，Ka，滤片为镍，管电压40kV，管电流40mA，连续扫描，扫描速度为10deg/min，步长0.02deg/step，扫描角度范围 2θ为 4°～90°。

元素含量采用原子吸收分光光度法测定，精确称取2g(精确至0.0001g)样品，放至消化管中，加入硝酸8mL，HClO42mL混合消化。消化至液体颜色变浅至无色，继续消化直至液体基本蒸干，稍冷后向消化管中加入5mL去离子水，继续加热近干，冷却，用2% HNO3定容至100mL即为消化液试样。

钙含量的测定：取消化液试样，稀释10倍，取出2mL，再用2% HNO3定容至100mL，作为测试液。镁含量的测定：取消化液试样0.5mL，用2% HNO3定容至100mL，作为测试液。铅含量的测定：取消化液试样作为测试液，3种元素的标准曲线见图1～3。

图1 钙的标准吸收曲线Fig.1 Standard curve of Ca

图2 镁的标准曲线Fig.2 Standard curve of Mg

图3 铅的标准曲线Fig.3 Standard curve of Pb

乙酸钙产率的计算公式：

式中：93.4%为蛋壳粉中碳酸钙含量；1.67为单位质量碳酸钙生成的乙酸钙[Ca(C2H3O2)2·0.5H2O]的质量比。

2 结果与分析

2.1 二次通用旋转组合设计试验结果分析

为了得到中和反应的最佳反应条件，采用二次通用旋转组合设计对上述各因素水平进行优化，以乙酸钙的实际产率为指标进行评价，结果如表3所示。

对乙酸钙制备反应条件四因素二次通用旋转组合设计试验结果进行方差分析(P＜0.5)，结果见表4。

由表4可以看出，剔除不显著项后，X1、X2、X3、X4及X1、X2、X3、X4的二次项和一次交互作用项X1X2、X1X3对试验结果影响显著，得出四因素二次回归正交旋转组合试验的方程为：

y=87.210－4.654X1+1.154X2+2.232X3+3.414X4－0.423X1X3。对此回归方程进行显著性检验，得出F=13.59＞F0.01(3.368186)，可知回归关系极显著，表明此方程可以应用。

由试验的二次方程可以看出，X1和X2的一次交互作用及X1和X3的一次交互作用对乙酸钙的得率有显著影响，分别作X1、X2、产率y的曲面图(X3=0，X4=0)及X1、X3、产率y(X2=0，X4=0)的响应曲面图，如图4、5所示。

由图4可以看出，乙酸浓度和反应温度相互影响乙酸钙的产率，当X1在－0.41～3.5之间，X2在－3.17～1.4之间时，即乙酸浓度在4.79～6.75mol/L之间，反应温度在64.15～87℃之间时乙酸钙的预测产率可达89.2%。由图5可以看出，乙酸浓度和反应时间之间存在相互作用，当X1在－3.90～－0.77之间，X3在0.12～2.68之间时，即乙酸浓度在3.05～5.39mol/L之间，反应时间在5.06～6.34h之间时乙酸钙的预测产率可达91.7%。

表3 乙酸钙制备反应条件四因素二次通用旋转组合设计试验结果Table 3 Quadratic general rotary unitized design arrangement and experimental results

表4 乙酸钙制备反应条件四因素二次通用旋转组合设计试验结果方差分析Table 4 Analysis of variances for calcium acetate yield with various preparation conditions

图4 y=f(X1,X2)响应曲面及其等高线Fig.4 Response surface and contour plots ofy=f(X1,X2)

图5 y=f(X1,X3)响应曲面及其等高线Fig.5 Response surface and contour plots ofy=f(X1,X3)

对方程求极大值可以得出方程取极大值时各因素的水平，得出当X1取－2.0000、X2取－1.2485、X3取1.9595、X4取2.0000时，即乙酸浓度为6mol/L、反应温度为79.38℃、反应时间为5.98h、料液比为1:5时乙酸钙的产率取大，可达99.13%。

对上述反应的最佳条件进行验证实验，得出实际乙酸钙的产率为98.48%。原子吸收法测定乙酸钙含量为96.99%，镁含量(3.2813±0.4742)%，铅含量(1.36×10-6±3.19×10-7)%。

2.2 乙酸钙纯化试验结果

乙酸钙标准[15]中：C4H6O4Ca(以无水物计)≤98%～102.0%；重金属(以Pb计)≤0.0025%；镁盐与碱金属盐≤1.0%，可知蛋壳乙酸钙粗品中主要杂质是镁，而铅则远远低于标准，因此乙酸钙粗品的除杂纯化主要是除镁的过程。

采用向溶液中加入氧化钙，利用氢氧化镁与氢氧化钙的溶解度差异，使镁以氢氧化镁形式沉淀，同时沉淀少量可溶性蛋白，可使粗品纯化符合国家标准。L9(34)正交试验确定除镁最佳工艺条件，结果分析见表5。

表5 乙酸钙纯化正交试验结果分析Table 5 Orthogonal array design layout and experimental results

表6 乙酸钙纯化正交试验方差分析表Table 6 Analysis of variances for calcium content with various magnesium removal conditions

由表5可以得出，3因素的影响顺序依次为A＞B＞C，即温度＞时间＞添加量。由极差分析可知，各因素的最佳水平为A1B1C2，即乙酸钙除杂工艺最佳参数为温度65℃、时间15min、CaO添加量0.5g。对正交试验进行方差分析(表6)，可知，各因素对乙酸钙除杂纯化效果影响显著，重复3次进行验证性试验可得纯化后产品的钙含量为23.88%，换算后乙酸钙含量为99.79%。

2.3 X-射线衍射鉴定及含量测定结果

由图6可以看出，蛋壳乙酸钙的特征衍射峰与JCPDS标准卡中Card No. 00-019-0199 Ca(C2H3O2)2·0.5H2O)所有的特征衍射峰一致，即与标准物质Ca(C2H3O2)2·0.5H2O特征衍射峰相符，鉴定该物质为乙酸钙。

采用原子吸收分光光度法测定乙酸钙的含量为99.79%。

图6 蛋壳乙酸钙XRD衍射图Fig.6 X-ray diffraction pattern of calcium acetate prepared in this study

3 结论

通过四因素二次旋转组合试验研究蛋壳粉与乙酸反应的最佳条件，可以得出乙酸浓度和反应温度的交互作用以及乙酸浓度和反应时间的交互作用显著，采用响应面分析两交互作用对乙酸钙产率的影响。通过方程求最大值得出乙酸钙产率最大时各因素的最优水平组合：乙酸浓度6mol/L、反应温度79.38℃、反应时间5.98h、料液比1:5时乙酸钙的产率最大，预测产率达99.13%，验证实验得出实际平均产率为98.48%，纯度为96.99%。

通过向乙酸钙粗品溶液中加入氧化钙沉淀氢氧化镁及部分可溶性蛋白质，达到纯化的目的。正交试验结果表明：乙酸钙纯化工艺最佳参数为温度65℃、时间15min、CaO添加量0.5g。粗品经过除杂纯化后完全符合乙酸钙国家标准(GB 15572－1995《食品添加剂：乙酸钙》)的要求。

经处理的蛋壳粉与乙酸溶液直接反应制取乙酸钙工艺避免了传统方法污染环境的不利影响，且反应条件温和，无需高温，节约能源，制得的乙酸钙产率达98.48%，纯度为96.99%。纯化工艺去除镁及可溶性蛋白质，产品纯度为99.79%，既可作为食品添加剂广泛应用于食品领域，也可应用于医药领域作为补钙与治疗高磷血症的高效药物，为废弃蛋壳资源的综合回收与利用开辟了一条新的有效途径。

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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

1002-6630(2010)18-0077-05

2009-12-03

国家“948”项目(2006-G36)；“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD05A17)

李彦坡(1983—)，男，硕士研究生，研究方向为肉类蛋品科学与技术。E-mail：liyanpo2003@126.com

*通信作者：马美湖(1957—)，男，教授，博士，研究方向为肉类禽蛋理论及应用。E-mail：mameihuhn@yahoo.com.cn