乳酸软化法制备超微蟹壳粉技术研究

刘 婷,娄永江,刘 建,朱艳超,蔡怀依,袁 爽,许 翔

(宁波大学海洋学院,浙江宁波 315211)

乳酸软化法制备超微蟹壳粉技术研究

刘 婷,娄永江*,刘 建,朱艳超,蔡怀依,袁 爽,许 翔

(宁波大学海洋学院,浙江宁波 315211)

为获得平均粒度更小、分布更均匀的蟹壳粉体,采用乳酸前处理及超微粉碎技术制备超细蟹壳粉,通过单因素和响应面分析法优化了工艺条件,并比较了不同蟹壳粉粒度分布以及D10、D50、D90和比表面积。结果表明:乳酸浓度为0.663%,浸泡时间为15.5 min,液料比为14∶1的条件下,蟹壳粉体平均粒度D10、D50、D90分别为1.31、3.874、6.798 μm,比表面积为850.1 m2/kg。与市售普通蟹壳粗粉以及对照超微粉相比,D50分别减小26.75倍和2.10倍,比表面积增加11.12倍和0.97倍,通过乳酸软化后,大大提高了粉碎度,为蟹壳的精深加工提供了一定理论上的依据。

梭子蟹蟹壳,乳酸软化,超微粉碎,平均粒度

梭子蟹是我国重要的海洋经济蟹类[1],近几年来有不少企业大量生产冷冻蟹肉、蟹肉罐头、蟹肉松等产品,它风味独特,味道鲜美,深受消费者的喜爱,随之残存约4～5万余吨采肉后的蟹壳,此蟹壳富含钙元素、甲壳素、虾青素等多种对人体有益的营养素,具有清热解毒、软坚散结、破瘀消积、退翳明目和养阴滋补等功效[2],是一种良好优质的蛋白源[3]。目前国内外已逐渐重视对蟹壳的开发和利用,并将其作为现阶段蟹类下脚料加工中亟待解决的问题之一。

冯伟栋等[4]利用有机溶剂提取花蟹壳中的红色素,但工序复杂,提取率较低。许永安[5]等利用发酵技术以小杂蟹为原料生产蟹酱产品,但颗粒较大,口感粗糙,超微粉碎技术因其可以大大减小粉体粒度,增大比表面积,为蟹肉加工副产物的高值化利用提供一条有益的道路[6-8]。但直接对蟹壳进行超微粉碎时,粉碎时间长,能耗大,粒度大,为此结合酸软化可能成为一种新的研究方法,酸软化法也曾被许多学者所研究,冉然[9]等用酸浸加压软化法制备鱼鳞粉,催宏博[10]等利用酸水解法探讨南美白对虾软化工艺研究,刘丽莎[11]等以复配有机酸为软化剂,采用酸软化技术开发虾壳类即食制品。

为此,本文以梭子蟹壳为原料,结合乳酸软化和超微粉碎技术探讨粉碎工艺,制备超细蟹壳粉,旨在降低平均粒度,增大比表面积,并且使得不溶的碳酸钙变成了乳酸钙,有机钙含量增加,大大提高了粉体有效物质的吸收,为蟹壳的加工利用提供一定的理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蟹壳 新鲜梭子蟹经洗净后,在100 ℃下蒸煮20 min,自然冷却后去除背壳、生殖腺、腮等不可食部分,取在3 kg/cm2下挤压取肉后残存的下脚料,保存于-20 ℃冰箱中备用;乳酸 食品级,购于河南金丹乳酸科技有限公司。

SQW-6DI超微粉碎机 山东三清不锈钢设备有限公司;BT-9300ST型激光粒度分布仪 昆明诺金科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 将在一定条件下软化后的蟹壳碎片连同软化液200.0 g一并倒入超微粉碎机中,湿法粉碎20 min,其中粉碎机功率为1.1 kw,电源电压3相380 v。

1. 2.2 乳酸软化蟹壳的单因素实验及对照实验

1.2.2.1 单因素实验 取一定量的蟹壳常温解冻,用剪刀剪成1 cm×1 cm左右大小的碎片,固定料液比1∶15,室温下处理时间15 min,考察乳酸浓度(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%)对蟹壳平均粒度D50的影响;固定料液比为1∶15,乳酸浓度为0.6%,考察乳酸浸泡时间(0、5、10、15、20、25 min)对蟹壳平均粒度D50的影响;固定乳酸浓度为0.6%,室温下处理15 min,考察料液比(1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25)对蟹壳平均粒度D50的影响。

1.2.2.2 对照实验 将料液比固定为1∶15,蒸馏水常温下浸泡15 min的蟹壳碎片(1 cm×1 cm左右)连同蒸馏水倒入超微粉碎机,粉碎20 min,得到对照蟹壳粉,测其粒度D10、D50、D90和比表面积。

1.2.3 乳酸软化蟹壳的Box-Behnken 实验设计 综合单因子实验结果,采用Box-Behnken中心组合设计原理[12-14],选取乳酸浓度(A)、浸泡时间(B)、液料比(C)为响应因素,蟹壳粉体平均粒度D50为响应值,设计三因素三水平的响应面法[15]实验,实验因素水平表见表1。

表1 响应面分析因素水平实验设计

1.2.4 蟹壳粉体平均粒度和比表面积测定 将经过超微碎的蟹壳浆液摇匀,用滴管吸取浆液加入到粒度仪的测样池中,至折光率达到10%～15%范围内停止加样,以蒸馏水为分散介质,打开粒度仪中的超声波及搅拌器按钮,使样品均匀的分散于样品池中,待折光率稳定后开始进行粒度分布以及比表面积测定,平衡时间120 s、循环17次,读出特征值D10、D50、D90以及比表面积。

测试结果说明:粒径D10表示该等效直径的颗粒占被测量10%的比例;中位粒径D50表示该等效直径的颗粒占被测量50%的比例;粒径D90表示该等效直径的颗粒占被测量90%的比例,其中中位粒径D50最具代表性。

1.2.5 不同蟹壳粉粒度分布图以及粒度、比表面积比较 称取普通市售蟹壳粉1.0 g,加入20.0 g蒸馏水,搅拌均匀,进行粒度分布和比表面积测定,读出特征值D10、D50、D90和比表面积,并与乳酸软化蟹壳粉、对照蟹壳粉进行比较。

1.3 数据处理

数据采用originlab originpro 8.5和SAS 8.1软件进行处理,方差分析采用Duncan法进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 蟹壳软化单因素实验

2.1.1 软化液浓度对蟹壳粉体平均粒度D50的影响 由图1可知蟹壳粉体的平均粒度随着乳酸浓度的增加先降低后增加,在乳酸浓度为0.6%时平均粒度最小(p<0.05)。可能是蟹壳的主要成分为蛋白质、甲壳素和碳酸钙,乳酸能够使不溶的碳酸钙变成易溶的乳酸钙,导致蟹壳外软内硬,有利于粉碎,乳酸浓度过大时,蟹壳可能内外都变软,韧度增大,反而不易粉碎,因此0.6%的乳酸是临界点。

图1 乳酸浓度对平均粒度的影响Fig.1 The effect of lactic acid on average particle size

2.1.2 软化时间对蟹壳粉体粒度D50的影响 从图2可以看出,在0～15 min内蟹壳粉体的粒度快速下降,呈显著变化(p<0.05),在15～20 min内逐渐上升,在20～30 min内趋于稳定,变化不明显(p>0.05),可能原因是:随着软化液浸泡时间加长,参与反应的碳酸钙越多,进行一段时间后,逐渐趋于平衡,在酸液的浸泡下,若时间过长,碳酸钙大量转变为乳酸钙,蟹壳硬度下降,韧性增加,粉碎时,平均粒度有所增大,因此15 min的浸泡时间较佳。

图2 浸泡时间对平均粒度的影响Fig.2 The effect of soaking time on average particle size

2.1.3 料液比对蟹壳粉体粒度的影响 料液比对蟹壳平均粒度的影响如图3所示,从图中可以看出,随着料液比的增大,蟹壳粉体的平均粒度呈现先下降后上升的趋势,当料液比较小,超微粉碎时,乳酸与碳酸钙没有反应完全,并且在超微粉碎过程中,主要靠粉碎棒对物料的撞击、剪切、摩擦等物理作用而使得蟹壳粉碎,太过粘稠,易粘在粉碎棒上,难以进一步粉碎导致平均粒度较大,随着浸泡液的增多,反应逐渐趋于平衡状态,且溶剂水的增加,有利于软化,但料液比过大时,颗粒韧性、弹性增加,平均粒度反而增大,因此,料液比1∶15的粉碎效果较好。

图3 料液比对平均粒度的影响Fig.3 The effect of solid-liquid ratio on average particle size

表3 归模型方差分析

注:*为显著(p<0.05),**为极显著(p<0.01)。2.2 响应面结果

在单因子实验结果基础上,以A、B、C为自变量,以蟹壳粉体平均粒径D50为响应值,进行响应面分析实验,结果如表2所示。

2.2.2 模型方程的建立及显著性分析 利用Design-Expert8.0.6件对实验数据进行回归拟合,得到的数学模型Y=+4.38-0.45A+0.35B+0.14C-0.77AB+0.31AC+0.14BC+1.45A2+1.45 B2+1.55C2,对模型进行方差分析结果见表3。

表2 响应面分析方案及实验结果(单位:μm)

由表3可知,模型不同处理间差异极显著,说明实验方法可靠;失拟项不显著,意味着所得到的二次回归方程能对响应值进行较准确地预测。模型的R2为99.04%,说明使用该方程模拟真实的三因子三水平的分析可行。变异系数为3.47%,说明实验具有良好的稳定性。

对回归方程模型因变量进行方差分析,发现模型一次项A(p<0.01)差异极显著,B(p<0.05)差异显著,C(p=0.1191)差异不显著;交互项AB(p<0.01),AC(p<0.05)差异显著,BC(p=0.2459)差异不显著;二次项A2(p<0.0001),B2(p<0.001),C2(p<0.0001)差异极显著。表明乳酸浓度、浸泡时间对蟹壳粉体平均粒径的主效应明显,且在乳酸浓度、浸泡时间之间和乳酸浓度、液料比之间存在交互作用。依据回归方程系数值A=-0.45,B=0.35,C=0.14,可知因素的主效应关系为:乳酸浓度>浸泡时间>液料比。

2.2.3 响应面图分析 选取交互作用显著的情况进行响应曲面分析。响应曲面可以直接看出各因子对响应值的影响大小。

在固定液料比为15∶1条件下,乳酸浓度和浸泡时间及两者的交互作用对蟹壳粉体平均粒度影响的响应面见图4。浸泡时间不变,蟹壳粉体平均粒度随乳酸浓度的增加先逐渐降低然后上升;乳酸浓度不变,蟹壳粉体平均粒度同样随浸泡时间呈现先降低后上升趋势。这与单因素实验的分析结果吻合。

图4 乳酸浓度和浸泡时间对平均粒度影响的响应面图(C=15)Fig.4 Response surface plot of the effect of lactic acid concentration and soaking time on the average particle size

在固定浸泡时间为15 min条件下,乳酸浓度和液料比及两者的交互作用对蟹壳粉体平均粒度影响的响应面见图5。液料比不变,蟹壳粉体平均粒度随乳酸浓度的增加先降低后有所升高;乳酸浓度不变,蟹壳粉体平均粒度随液料比的增加先降低后缓慢上升。这与单因素实验的分析结果是相吻合的。

图5 乳酸浓度和液料比对平均粒度影响的响应面图(B=15)Fig.5 Response surface plot of the effect of Lactic acid concentration and liquid-solid ratio on the average particle size

2.2.4 最佳优化工艺验证 进一步验证最佳点的值,得到曲面的最小点,使回归方程的一阶偏导为零,求导方程整理得A=0.314,B=0.0966,C=-0.19,转化为实际参数即乳酸浓度为0.663%,浸泡时间为15.48 min,液料比是14.05∶1,此时蟹壳粉体平均粒度为D50=3.874 μm,比表面积为850.1 m2/kg。为便于实际操作将液料比修正为14∶1,浸泡时间修正为15.5 min,其他条件不变,进行实验验证,重复3次,蟹壳粉体D50平均值为(4.006±0.029)μm,两者相对偏差小于5%。

2.2.5 蟹壳粉体平均粒度分布图 市售蟹壳粗粉以及软化前后蟹壳粉体粒度的累积分布如图6～8所示。分析图可知,市售普通蟹壳粉粒度主要集中在10～400 μm,软化前蟹壳粉体粒度分布范围较窄,主要集中在1～45 μm,软化后液粒度分布范围小,主要集中在1～10 μm,D90=6.798 μm,即90%以上蟹壳颗粒粒度不超过6.798 μm。

图6 市售普通蟹壳粗粉体平均粒度的累积分布Fig.6 Cumulative distribution of market ordinary crab shell coarse powder average particle size

图7 对照蟹壳粉体平均粒度的累积分布Fig.7 Cumulative distribution of controlled crab shell powder average size

2.3 粒度与比表面积比较

从表4可以看出,蟹壳软化后经超微粉碎,蟹壳粉体平均粒径D10小于1.5 μm,D50小于4 μm,而D90在8 μm以下,与市售普通蟹壳粉体相比,粉体平均粒径D10、D50、D90分别降低了24.98、26.75、38.78倍,与未软化的相比,分别降低了0.68、2.10、4.3倍,使得口感更加细滑,毫无颗粒感,这为利用其加工成各种蟹壳粉添加食品提供了理论上的可行性。

表4 蟹壳粉体的平均粒度和比表面积比较

图8 蟹壳软化粉体平均粒度的累积分布Fig.8 Cumulative distribution of crab shell powder average size being softening

超微粉体的比表面积是颗粒的重要基础特征之一,比表面积越大,粉体的表面能也越大,超微粉体颗粒的许多性质都与比表面积有关,因此比表面积可以看作是描述超微粉体颗粒理化性质的基本表征量[17],蟹壳经软化后,比表面积比普通市售蟹壳粉体增加了约11.12倍,比未软化的增加约1倍,由于粉体的被吸收性与产品的比表面积有关,比表面积的显著增大有助于粉体有效物质的吸收[17]。

3 结论

3.1 本研究所得的粉体粒度分布范围窄,主要集中在1～10 μm之间,其中D50=3.874 μm,D90=6.798 μm,即50%的蟹壳粉体平均粒度不超过3.874 μm,90%以上的蟹壳粉体平均粒度不超过6.798 μm,此时,蟹壳超微粉碎的最佳工艺为:软化液乳酸浓度为0.663%,浸泡时间为15.5 min,液料比是14∶1。

3.2 最佳工艺所得的超微粉体,与普通的市售蟹壳粗粉体相比,平均粒度D10、D50、D90分别降低了24.98、26.75、38.78倍,比表面积增加了约11.12倍,与对照的相比,平均粒度分别降低了0.68、2.10、4.3倍,比表面积约增加1倍,显著增加了蟹壳粉体的溶解性和有效物质的吸收率,为蟹壳充分利用提供了理论上的可行性。

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Study on preparation technology of ultrafine crab shell powder by Latic acid-softening

LIU Ting,LOU Yong-jiang*,LIU Jian,ZHU Yan-chao,CAI Huai-yi,YUAN Shuang,XU Xiang

(School of Marine Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

To obtain crab shell powder with smaller average particle size,and more evenly distribution,pretreatment was carried out with lactic acid to shorten the time and ultrafine grinding was used to reduce the particle size. The single-factor experiment and response surface method(RSM)were employed to optimize the technological conditions,including the soaking liquid concentration,ratio of material to solvent and softening time. The optimal conditions were set as lactic acid concentration of 0.663%,soaking time of 15.5 min,and liquid-solid ratio of 14∶1. Under the set conditions,the particle size D10、D50、D90of crab shell powder was respectively 1.31、3.874、6.798 μm,specific surface area was 850.1 m2/kg. Compared with crab shell coarse powder from market and controlled superfine powder,the average particle D50reduced 26.75 and 2.10 times,the specific surface area increased 11.12 and 0.97 times. At the same time,the crab shell powder grinding degree was enhanced and provided a theoretical basis for the intensive processing of crab shell.

crab shell;latic acid softening;ultrafine grinding;average particle size

2016-06-28

刘婷(1989-)女，硕士研究生，主要从事梭子蟹产品开发研究，E-mail：17855847982@163.com。

*通讯作者:娄永江(1963-)，男，教授，主要从事水产品保鲜与加工研究，E-mail：louyongjiang@nbu.edu.cn。

海洋蟹类产业科技创新团队项目(431501972)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000