响应面优化超声辅助花蛤壳丙酸钙的制备工艺研究

林 洵



响应面优化超声辅助花蛤壳丙酸钙的制备工艺研究

林 洵

(漳州职业技术学院食品工程学院，福建，漳州 363000)

以花蛤壳为原料，采用响应面法对超声辅助花蛤壳丙酸钙的制备工艺进行了优化。在单因素试验的基础上，以丙酸钙产率为响应值，选取超声时间、超声温度、液固比和酸壳比为自变量，利用Box-Behnken设计和响应面法对各自变量及其交互作用对丙酸钙产率的影响进行了研究，得到了四元二次多项式回归方程模型。超声辅助制备花蛤壳丙酸钙的最佳工艺条件为：超声时间120 min、超声温度71℃、液固比18.3 mL/g和酸壳比1.8 mL/g，在此条件下测得丙酸钙产率为93.95%，与预测值（94.07%）相比，其相对误差为0.13%，说明响应面优化超声辅助制备花蛤壳丙酸钙的工艺参数具有较高的准确性和有效性，该方法可用于花蛤壳丙酸钙制备工艺的优化。

花蛤壳；丙酸钙；制备；优化

花蛤又名蛤蜊、杂色蛤等，是花帘蛤属软体动物。花蛤营养丰富、味道鲜美深受人们的喜爱[1]。但人们食用花蛤时，往往将占蛤质量60%以上的花蛤壳作为垃圾丢弃，造成了环境的污染和资源的浪费[2]。花蛤壳中含有95%以上的碳酸钙，它是生产丙酸钙的良好钙源[3]。丙酸钙是一种国际上通用的食品及饲料抑菌剂，已广泛应用于面包、糕点、果蔬和饲料的防腐与保鲜中[4]。目前制备丙酸钙的方法主要有高温煅烧法和直接反应法[5-6]，其中高温煅烧法主要是将石灰石等钙源在高温条件下煅烧一定的时间，使其转化为氧化钙，再将氧化钙与丙酸反应制备丙酸钙。该方法能耗大、成本高，且煅烧过程中会产生大量粉尘和二氧化碳，造成环境污染压力。直接法是将钙源直接与丙酸反应制备丙酸钙，该方法工艺简单，能耗小、环境污染也较小，已成为制备丙酸钙的研究方向。超声波辅助法是利用超声波的空化、剪切和和强烈的振动作用，促进钙源与丙酸的直接反应，以提高反应速率与钙源转化率的一种方法[7]，该法反应时间短、能耗低、粉尘少，这是一种经济的丙酸钙制备方法。本研究在超声波辅助的条件下，利用花蛤壳和丙酸进行反应，制备了花蛤壳丙酸钙，采用Box-Behnken试验方法对影响丙酸钙产率的超声时间、超声温度、液固比和酸壳比进行响应面优化，确定了最佳的工艺条件，使废弃物花蛤壳资源高值化，促进了花蛤养殖业的可持续发展。

1　材料与方法

1.1　仪器与材料

KQ-100DE型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；YJ-500A中药材粉碎机，济南亿健医疗设备有限公司；GZX-9246MBE电热鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司。

花蛤壳购于漳州市北桥市场，乙二胺四乙酸二钠，丙酸，氢氧化钠、钙羧酸钠指标剂，硫酸钾，其它试剂均为分析纯。

1.2　试验方法

1.2.1丙酸钙产率的测定

丙酸钙的含量采用化工行业标准《食品添加剂丙酸钙》（HG2921-1999）进行测定，丙酸钙产率由下式计算得到：

其中，ma为得到的丙酸钙重量(g)；mt为丙酸钙的理论值(g)。

1.2.2 丙酸钙的制备流程

花蛤壳—洗净—烘干—粉碎—筛分—加入丙酸—超声处理—中和—除杂—过滤—含量测定—干燥—样品。

1.2.3 花蛤壳丙酸钙的制备工艺

用蒸馏水将花蛤壳洗净，并置于105 ℃烘箱中进行烘干后用万能粉碎机进行粉碎，过100目筛，备用。称取一定量备用的花蛤壳，按比例加入丙酸和适量的蒸馏水，并置于超声清洗器中进行超声反应回流，反应结束后，用1.0 mol/L的NaOH进行中和后抽滤，得滤液，用EDTA滴定法测得钙含量，换算成丙酸钙产率。

1.2.4单因素实验设计

以丙酸钙产率为指标，在超声时间为120 min、超声温度为70 ℃、液固比为18 mL/g和酸壳比为1.8 mL/g的条件下，分别考察超声时间（80、100、120、140、160 min）、超声温度（60、65、70、75、80 ℃）、液固比（14、16、18、20、22 mL/g）和酸壳比（1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 mL/g）对丙酸钙产率的影响。

1.2.5丙酸钙制备工艺的响应面设计

在单因素实验的基础上，以丙酸钙产率（Y）为响应值，以超声时间（A）、超声温度（B）、液固比（C）和酸壳比（D）为因素进行四因素三水平的Box-Behnken实验设计，结果见表1。

表1 因素与编码水平表

2　结果与讨论

2.1　单因素试验

2.1.1超声时间对丙酸钙产率的影响

从图1中可知，丙酸钙产率随着超声时间的延长而增大，当超声时间达到120 min时，丙酸钙产率达到最大，继续延长超声时间，丙酸钙产率反而下降。这是因为随着超声时间的延长，丙酸与花蛤壳的反应逐渐充分，并在120 min时基本反应完全[8]，继续增加超声时间，丙酸钙产率增长已不再明显，因此超声时间选择为120 min。

图1 超声时间对丙酸钙产率的影响

2.1.2 超声温度对丙酸钙产率的影响

从图2中可知，丙酸钙产率随着超声温度的升高而增大，当超声温度达到70 ℃时，丙酸钙产率达到最大，继续升高超声温度，丙酸钙产率反而下降。这是因为随着超声温度的升高，反应体系中的分子热运动增强，促进了丙酸钙的生成，但当超声温度过高时，反应体系中的丙酸挥发速率加快，使得反应体系中丙酸浓度的下降[9]，从而导致丙酸钙产率的下降，因此超声温度选择为70 ℃。

图2 超声温度对丙酸钙产率的影响

2.1.3 液固比对丙酸钙产率的影响

从图3中可知，丙酸钙产率随着液固比的增大而增大，当液固比达到18 mL/g时，丙酸钙产率达到最大，继续增加液固比，丙酸钙产率反而下降。这是因为液固比较小时，反应生成的丙酸钙会溶解于反应体系，容易出现饱和而阻碍了反应的进行[10]，而当液固比较大时，降低了反应体系中丙酸的浓度而不利于反应的进行，因此液固比选择为18 mL/g。

图3 液固比对丙酸钙产率的影响

2.1.4 酸壳比对丙酸钙产率的影响

从图4中可知，丙酸钙产率随着酸壳比的增大而增大，当酸壳比达到1.8 mL/g时，丙酸钙产率达到最大，继续增加酸壳比，丙酸钙产率反而下降。这是因为丙酸量的增大，增加了反应体系中H+的浓度，促进了丙酸钙的生成，但当丙酸含量过高时，反应体系中剩余的酸过强，增大了后续中和处理中丙酸钙的损失[11]，因此酸壳比选择为1.8 mL/g。

图4 壳酸比对丙酸钙产率的影响

2.2 丙酸钙制备工艺响应面优化

2.2.1 回归模型及方差分析

在单因素实验的基础上，采用Box-Behnken对影响丙酸钙产率（Y）的超声时间（A）、超声温度（B）、液固比（C）和酸壳比（D）进行四因素三水平的实验设计，结果如表2。

表2 响应面设计与结果

表3 回归分析结果

Table 3 Results of regression and variance analysis

注：（< 0.01）**表示极显著水平；（< 0.05）*表示显著水平。

利用Design-Expert 8.05b软件对表2的实验结果进行分析，得到丙酸钙产率（Y）与所考察的因素超声时间（A）、超声温度（B）、液固比（C）和酸壳比（D）之间的四次多项式模型为：

= 93.90-0.44+0.97+0.64-0.73+0.61+ 0.42-1.43-0.71-0.20-1.30-4.162-2.772-2.402-3.762。

由表3的方差分析可知，丙酸钙产率的回归方程模型的失拟项= 0.6518＞0.05，= 17.04，< 0.0001，表明该回归方程模型达极显著的拟合水平。回归方程的相关系数2= 0.9446，表明该试验数据中有94.46%的数据可以用该模型方程来进行描述，拟合程度高，试验误差小。由表3也可知，在超声温度一次项，超声时间二次项2、超声温度二次项2，液固比二次项2和酸壳比二次项2对丙酸钙产率影响极显著（< 0.01）；液固比一次项C、酸壳比一次项、超声时间和酸壳比二次交互项、液固比和酸壳比二次交互项对丙酸钙产率影响显著（< 0.05），其它因素影响不显著，说明回归方程与响应值之间不是简单的线性关系，需要对因素进行优化，才可以确定最佳的工艺条件。由F值可知，各因素对丙酸钙产率影响的依次顺序为（超声温度）＞（酸壳比）＞（液固比）>（超声温度）。综上分析，该方程可用于超声辅助花蛤壳丙酸钙制备工艺的优化和丙酸钙产率的预测。

2.2.2 响应面图分析

根据响应面形状和等高线的形状可以判断各工艺因素对响应值的影响程度，响应面曲面倾斜度越陡和等高线越接近椭圆形，各工艺条件的改变对响应值的影响敏感程度越大，所考察的因素间交互作用越显著，反之则交互作用不显著[12]。从图5可中可以看出（其它影响不显著的图略），各个工艺因素对丙酸钙产率的影响均出现先增大后减小的趋势。超声时间和酸壳比的交互作用对丙酸钙产率的影响最为显著，而液固比和酸壳比的交互作用对丙酸钙产率的影响显著程度次之，而其它因素之间的交互作用对丙酸钙产率的影响程度均不显著。

图5 各因素交互作用对丙酸钙产率的影响

2.3 花蛤壳丙酸钙的最佳制备工艺及实验验证

通过Design Expert 8.05b软件对花蛤壳丙酸钙的制备工艺进行分析，得到超声辅助制备花蛤壳丙酸钙的最佳工艺条件为：超声时间119.74 min、超声温度70.80 ℃、液固比18.28 mL/g和酸壳比1.79 mL/g，在最佳的预测条件下，丙酸钙产率为94.07%。为了实验操作的便利性，将工艺条件修正为：超声时间120 min、超声温度71℃、液固比18.3 mL/g和酸壳比1.8 mL/g，并进行3次平行实验进行验证，实验得到丙酸钙产率为93.95 %，与预测值（94.07 %）相比，其相对误差为0.13 %，说明响应面优化超声辅助制备花蛤丙酸钙的工艺参数具有较高的准确性和有效性，该方法可用于花蛤基丙酸钙的制备工艺优化。

3　小结

以花蛤壳为原料，在单因素实验的基础上，利用Box-Behnken设计和响应面法对影响丙酸钙产率的超声时间、超声温度、液固比和酸壳比进行四因素三水平的响应面优化，得到了四元二次多项式回归方程模型。超声辅助制备花蛤壳丙酸钙的最佳工艺条件为：超声时间120 min、超声温度71 ℃、液固比18.3 mL/g和酸壳比1.8 mL/g，在此条件下测得丙酸钙产率为93.95 %，与预测值（94.07 %）相比，其相对误差为0.13 %，说明响应面优化超声辅助制备花蛤壳丙酸钙的工艺参数具有较高的准确性和有效性，该方法可用于花蛤壳丙酸钙制备工艺的优化。

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OPTIMIZATION OF ULTRASONIC-ASSISTED PREPARATION OF CALCIUM PROPIONATE FROM CLAM SHELLS BY RESPONSE SURFACE METHODOLOGY

LIN Xun

(School of Food Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou, Fujian 363000, China)

The preparation process of ultrasonic-assisted clam shells calcium propionate was optimized using the response surface methodology. On the basis of single factor experiment, setting the factors the ultrasonic time, ultrasonic temperature, liquid-solid ratio and acid-shell ratio as independent variables, the calcium propionate yield as the response value, the effects of the factors and their interaction on the yield of calcium propionate were studied by the Box-Behnken design and response surface methodology, and a quadratic quadratic polynomial regression equation model was obtained. The optimum conditions for the preparation process were as follows: ultrasonic time of 120 min, ultrasonic temperature of 71 ℃, liquid-solid ratio of 18.3 mL/g and acid-shell ratio of 1.8 mL/g. Under these conditions, the yield of calcium propionate was 93.95% with a relative error of 0.13% compared with the predicted value (94.07%), which indicated that the optimization of ultrasonic assisted preparation of calcium propionate had high accuracy and effectiveness by the response surface methodology, it can be used for optimization of the preparation process of the clam shells calcium propionate.

clam shells; calcium propionate; preparation; optimization

1674-8085(2019)01-0013-06

TS202/O69

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.01.004

2018-10-02；

2018-11-28

福建省中青年教师教育科研项目（JA15695）；福建省科技计划项目(2018N2002)

林洵(1979-)，女，福建漳州人，副教授，硕士，主要从事应用化学的研究(E-mail：fjzzylinxun@163.com).