唐義寶，謝 晶*

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

檸檬酸用于蝦頭、蝦殼的脫鈣處理

唐義寶，謝 晶*

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

以南美白對(duì)蝦蝦頭、蝦殼為原料，利用檸檬酸對(duì)其脫鈣處理制備甲殼素，通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化提取條件。結(jié)果表明：當(dāng)檸檬酸質(zhì)量濃度12.00g/L、料液比1:2.00(g/mL)、時(shí)間3.88h時(shí)，所得甲殼素灰分含量為1.0g/100g，即已經(jīng)達(dá)到食品級(jí)甲殼素的要求。利用檸檬酸脫除蝦頭、蝦殼中的鈣鹽制備甲殼素，不僅獲得食品級(jí)的甲殼素，而且反應(yīng)條件溫和、污染小，生成的副產(chǎn)物檸檬酸鈣可以作為鈣強(qiáng)化劑，提高蝦頭、蝦殼的資源利用率。

南美白對(duì)蝦；檸檬酸；蝦的廢棄物；脫鈣

我國(guó)是蝦的養(yǎng)殖大國(guó)，2009年的對(duì)蝦出口量已達(dá)130.3萬(wàn)t[1]。而且我國(guó)每年都會(huì)有大量的南美白對(duì)蝦以冷凍蝦仁方式出口，在加工蝦仁的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物如蝦殼和蝦頭。這些副產(chǎn)物含有豐富的蛋白質(zhì)、甲殼素和殼聚糖、蝦青素、不飽和脂肪酸以及必需氨基酸。南美白對(duì)蝦蝦頭中蛋白質(zhì)、灰分、甲殼素、脂肪的濕基含量分別為6.38%、3.62%、3.33%、2.24%；蝦殼中分別為5.22%、5.30%、6.67%、1.09%[2]。因此，這些副產(chǎn)物具有廣闊的開(kāi)發(fā)和利用前景。

甲殼素是一種有著廣泛應(yīng)用價(jià)值的天然生物多糖高分子材料，其重復(fù)單元含有乙酰基，具有很好生物相容性、安全性和降解性，在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、環(huán)境治理等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。目前從蝦殼和蝦殼中提取甲殼素的常用方法是酸堿法[6-7]，其主要步驟是濃堿液脫除蛋白質(zhì)，再通過(guò)鹽酸脫除蝦頭和蝦殼中的鈣質(zhì)。這種方法消耗大量的酸堿，而且能耗高，對(duì)環(huán)境污染大。近年來(lái)人們嘗試使用EDTA[8-9]、蛋白酶[10]、有機(jī)酸[11]等代替強(qiáng)堿強(qiáng)酸來(lái)從蝦頭和蝦殼中制備甲殼素，并取得了一定的效果。本實(shí)驗(yàn)以檸檬酸代替鹽酸脫除蝦頭和蝦殼中的鈣質(zhì)，并通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化檸檬酸脫鈣工藝，研究檸檬酸質(zhì)量濃度、料液比和時(shí)間對(duì)脫鈣產(chǎn)物甲殼素灰分含量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南美白對(duì)蝦于上海市購(gòu)買。測(cè)得蝦頭含水量約為72%，蝦頭和蝦殼約占蝦總質(zhì)量的50%。而蝦頭和蝦殼的質(zhì)量比約為3:1。

檸檬酸、氫氧化鈉(均為分析純) 宜興第二化學(xué)試劑廠。

數(shù)控恒溫水浴鍋 寧波天恒儀器廠；組織搗碎機(jī)江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠。

1.2 檸檬酸脫鈣處理方法

工藝流程：蝦頭、蝦殼→搗碎→脫蛋白→脫鈣→脫色→干燥→粗甲殼素。

操作要點(diǎn)：搗碎：將120g蝦頭和蝦殼(質(zhì)量比3:1)放入組織搗碎機(jī)中高速搗碎5s。脫蛋白[12]：按1:3(g/mL)的比例加入1mol/L NaOH溶液，95℃恒溫水浴2h，過(guò)濾留下固體蝦殼和蝦頭繼續(xù)按1:3(g/mL)的比例加入1mol/L NaOH溶液，95℃恒溫水浴2h，再將過(guò)濾后的固體蝦頭和蝦殼按1:3(g/mL)的比例加入1mol/L NaOH溶液，95℃恒溫水浴1h，過(guò)濾漂洗固體蝦頭和蝦殼至中性。脫鈣：利用檸檬酸浸泡脫蛋白后的蝦頭和蝦殼以脫除其中的鈣質(zhì)，過(guò)濾烘干后即得到粗甲殼素。

1.3 灰分的測(cè)定

參照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測(cè)定》[13]。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

甲殼素品級(jí)的指標(biāo)主要是外觀、含水量、含氮量和灰分含量，其中灰分含量是評(píng)價(jià)蝦頭、蝦殼鈣鹽脫除程度的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)以灰分含量為指標(biāo)分別研究檸檬酸質(zhì)量濃度、料液比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)脫鈣效果的影響，再根據(jù)述單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用Expert Design 7.0進(jìn)行回歸分析。因素水平與編碼見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Factors and levels of Box-Behnken response surface methodology

2 結(jié)果與分析

2.1 檸檬酸脫鈣效果單因素試驗(yàn)

2.1.1 檸檬酸濃度對(duì)產(chǎn)物灰分含量影響

在料液比1:2.09、反應(yīng)時(shí)間10h的條件下，分別使用5、7.5、10、12.5、15g/L的檸檬酸對(duì)蝦頭和蝦殼脫鈣，考查檸檬酸濃度對(duì)甲殼素灰分含量的影響。

圖1 檸檬酸質(zhì)量濃度對(duì)甲殼素灰分含量的影響Fig.1 Effect of citric acid concentration on the ash content of chitin

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)檸檬酸質(zhì)量濃度小于10g/L，隨著檸檬酸質(zhì)量濃度的增加，產(chǎn)物甲殼素灰分含量急劇下降，當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到10g/L以后，甲殼素灰分含量趨于穩(wěn)定。因此選濃度7.5、10、12.5g/L為響應(yīng)面分析試驗(yàn)水平。2.1.2 料液比對(duì)產(chǎn)物灰分含量影響

在反應(yīng)時(shí)間10h、質(zhì)量濃度10g/L的條件下，分別使用 1:0.83、1:1.25、1:1.67、1:2.09、1:2.50(g/mL)的料液比考察不同料液比對(duì)甲殼素灰分含量的影響。

圖2 料液比對(duì)產(chǎn)物甲殼素灰分含量的影響Fig.2 Effect of material-liquid ratio on the ash content of chitin

由圖2可知，當(dāng)料液比大于1:1.67時(shí)，隨著料液比的減小，甲殼素的灰分含量顯著下降，而當(dāng)料液比小于1:1.67以后，甲殼素灰分含量下降速度明顯變緩。因此料液比1:1.25、1:1.67、1:2.09為響應(yīng)面分析試驗(yàn)水平。2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物灰分含量的影響

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)甲殼素灰分含量的影響Fig.3 Effect of reaction time on the ash content of chitin

在料液比1:2.09，質(zhì)量濃度10g/L的條件下，分別使用3、5、8、10、13、15h考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)甲殼素灰分含量的影響。

由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，甲殼素灰分含量趨勢(shì)逐漸減少，但減少并不明顯。從3h延長(zhǎng)到15h，灰分含量只降低了0.67g/100g。因此時(shí)間0.5、3、5.5h為響應(yīng)面分析試驗(yàn)水平。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface tests

檸檬酸脫鈣響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。按Design Expert軟件中的Box-Behnken模型，甲殼素灰分含量(y)對(duì)檸檬酸質(zhì)量濃度(x1)、料液比(x2)和時(shí)間(x3)的回歸方程為：

3因素對(duì)甲殼素灰分含量影響有極顯著的效果，影響次序?yàn)榱弦罕?x2)＞質(zhì)量濃度(x1)＞時(shí)間(x3)。

由表3可看出，試驗(yàn)所選模型不同處理差異極顯著(P＜0.0001)，說(shuō)明回歸方程描述各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系時(shí)，其應(yīng)變量與全體自變量之間的線性關(guān)系是顯著的，即試驗(yàn)方法是可靠的。模型的校正決定系數(shù)Radj2＝0.9664，說(shuō)明該模型能解釋96.64%的響應(yīng)值變化，僅有總變異大約4%不能用此模型來(lái)解釋。

質(zhì)量濃度的一次項(xiàng)、時(shí)間的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)、料液比的一次項(xiàng)對(duì)甲殼素灰分含量的影響都是顯著的(P＜0.05)，質(zhì)量濃度和料液比的交互作用、時(shí)間和料液比的交互作用以及質(zhì)量濃度和時(shí)間的交互作用以對(duì)甲殼素灰分含量的影響也是顯著的(P＜0.05)。而質(zhì)量濃度的二次項(xiàng)和料液比的二次項(xiàng)對(duì)甲殼素灰分含量的影響不顯著(P＞0.05)。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression model

圖4 各兩因素交互作用對(duì)甲殼素灰分含量影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the effects of crossinteraction among factors on the ash content of chitin

2.2.2 雙因子效應(yīng)分析

由圖4a可知，時(shí)間一定時(shí)，甲殼素灰分含量隨著檸檬酸質(zhì)量濃度的增加逐漸降低。而當(dāng)檸檬酸質(zhì)量濃度一定時(shí)，甲殼素灰分含量卻隨著時(shí)間的變化卻存在有兩種情況，而且這種變化依賴于檸檬酸的質(zhì)量濃度。當(dāng)檸檬酸含量較低時(shí)，甲殼素灰分含量會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸增大并趨于定值。而當(dāng)檸檬酸含量高于某一值時(shí)，甲殼素灰分含量會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小并趨于定值。這和檸檬酸鈣的物性有關(guān)。檸檬酸鈣微溶于水，能溶于酸溶液。當(dāng)檸檬酸質(zhì)量濃度較低時(shí)，溶液中的檸檬酸隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸減少，最終導(dǎo)致溶液pH值增大而使其中的檸檬酸鈣沉淀吸附在甲殼素上，從而使產(chǎn)品灰分含量增大。而當(dāng)檸檬酸質(zhì)量濃度較高時(shí)，溶液一直呈現(xiàn)酸性，從而檸檬酸鈣未出現(xiàn)沉淀，因此灰分含量隨著時(shí)間逐漸減小。而實(shí)驗(yàn)中低質(zhì)量濃度檸檬酸濃度對(duì)照組在3、5h使都出大量白色沉淀也驗(yàn)證了這點(diǎn)。由圖4b可知，甲殼素灰分含量隨料液比增加而逐漸降低。時(shí)間對(duì)甲殼素灰分含量的影響受到料液比的影響。在低料液比時(shí)，灰分含量會(huì)隨時(shí)間的增大而增高，并趨于定值，當(dāng)料液比高于某一料液比時(shí)，灰分含量會(huì)隨時(shí)間增大而減小，并趨于定值。其原理和上相同。由圖4c可知，甲殼素灰分含量隨著檸檬酸質(zhì)量濃度和料液比增大而逐漸降低。等高線接近橢圓，說(shuō)明時(shí)間和料液比的交互作用較明顯。檸檬酸質(zhì)量濃度和料液比都影響時(shí)間對(duì)甲殼素灰分含量的作用。

2.3 工藝條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

表4 甲殼素的分級(jí)Table 4 The grades of chitin

表4是甲殼素的分級(jí)[14]。當(dāng)甲殼素灰分含量小于等于1.0時(shí)，甲殼素已達(dá)到食品級(jí)的要求。因此為求節(jié)省資源和能源，解方程優(yōu)化灰分含量為1.0的點(diǎn)。通過(guò)Design Expert軟件計(jì)算得出當(dāng)檸檬酸質(zhì)量濃度12.00g/L、料液比1:2.00、時(shí)間3.88h時(shí)，所得甲殼素灰分含量1.0g/100g。對(duì)此工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果為(0.92±0.11)g/100g，與理論值基本一致。與段元裴等[15]和陳利梅等[11]所得實(shí)驗(yàn)結(jié)論相近。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)利用檸檬酸代替鹽酸對(duì)蝦頭和蝦殼脫鈣，結(jié)合單因素試驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)研究檸檬酸質(zhì)量濃度、料液比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)蝦頭、蝦殼脫鈣的影響。結(jié)果表明：3因素對(duì)蝦頭、蝦殼脫鈣影響大小依次為：液料比＞檸檬酸質(zhì)量濃度＞反應(yīng)時(shí)間。通過(guò)Design Expert 7.0模擬計(jì)算得到當(dāng)檸檬酸濃度12.00g/L、料液比1:2.00(g/mL)、反應(yīng)時(shí)間3.88h時(shí)，得到灰分含量1.0g/100g的甲殼素，其灰分含量達(dá)到了食品級(jí)甲殼素的要求。

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Utilization of Citric Acid for the Decalcification of Shrimp Heads or Shells

TANG Yi-bao，XIE Jing*

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Citric acid was used to extract chitin by decalcifying shrimp heads and shells ofPenaeus vanmamei. The optimal extraction conditions were explored by single factor and response surface tests. The results showed that the ash content in chitin was 1.0 g/100g, which met the requirement of food grade. The optimal extraction process parameters were citric acid concentration of 12.00 g/L, material-liquid ratio of 1:2.00, and extraction time of 3.88 h. The utilization of citric acid for removing calcium salts from shrimp heads or shells could result in food grade of chitin and mild reaction conditions as well less pollution. In addition, the by-product of calcium citrate could be used as the calcium addition agent, thus enhancing the resource availability of shrimp heads or shells.

Penaeus vanmamei；citric acid；shrimp waste；decalcification

Q539

A

1002-6630(2012)10-0006-04

2011-04-28

2010年國(guó)家農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2010GB2C000148)；2010年度上海市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(103919N1900)；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50704)

唐義寶(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與工程。E-mail：yibadtang@163.com

*通信作者：謝晶(1968—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称防鋬隼洳?。E-mail：jxie@shfu.edu.cn