劉 婷,婁永江,劉 建,朱艷超,蔡懷依,袁 爽,許 翔

(寧波大學(xué)海洋學(xué)院,浙江寧波 315211)

乳酸軟化法制備超微蟹殼粉技術(shù)研究

劉 婷,婁永江*,劉 建,朱艷超,蔡懷依,袁 爽,許 翔

(寧波大學(xué)海洋學(xué)院,浙江寧波 315211)

為獲得平均粒度更小、分布更均勻的蟹殼粉體,采用乳酸前處理及超微粉碎技術(shù)制備超細(xì)蟹殼粉,通過單因素和響應(yīng)面分析法優(yōu)化了工藝條件,并比較了不同蟹殼粉粒度分布以及D10、D50、D90和比表面積。結(jié)果表明:乳酸濃度為0.663%,浸泡時間為15.5 min,液料比為14∶1的條件下,蟹殼粉體平均粒度D10、D50、D90分別為1.31、3.874、6.798 μm,比表面積為850.1 m2/kg。與市售普通蟹殼粗粉以及對照超微粉相比,D50分別減小26.75倍和2.10倍,比表面積增加11.12倍和0.97倍,通過乳酸軟化后,大大提高了粉碎度,為蟹殼的精深加工提供了一定理論上的依據(jù)。

梭子蟹蟹殼,乳酸軟化,超微粉碎,平均粒度

梭子蟹是我國重要的海洋經(jīng)濟蟹類[1],近幾年來有不少企業(yè)大量生產(chǎn)冷凍蟹肉、蟹肉罐頭、蟹肉松等產(chǎn)品,它風(fēng)味獨特,味道鮮美,深受消費者的喜愛,隨之殘存約4～5萬余噸采肉后的蟹殼,此蟹殼富含鈣元素、甲殼素、蝦青素等多種對人體有益的營養(yǎng)素,具有清熱解毒、軟堅散結(jié)、破瘀消積、退翳明目和養(yǎng)陰滋補等功效[2],是一種良好優(yōu)質(zhì)的蛋白源[3]。目前國內(nèi)外已逐漸重視對蟹殼的開發(fā)和利用,并將其作為現(xiàn)階段蟹類下腳料加工中亟待解決的問題之一。

馮偉棟等[4]利用有機溶劑提取花蟹殼中的紅色素,但工序復(fù)雜,提取率較低。許永安[5]等利用發(fā)酵技術(shù)以小雜蟹為原料生產(chǎn)蟹醬產(chǎn)品,但顆粒較大,口感粗糙,超微粉碎技術(shù)因其可以大大減小粉體粒度,增大比表面積,為蟹肉加工副產(chǎn)物的高值化利用提供一條有益的道路[6-8]。但直接對蟹殼進行超微粉碎時,粉碎時間長,能耗大,粒度大,為此結(jié)合酸軟化可能成為一種新的研究方法,酸軟化法也曾被許多學(xué)者所研究,冉然[9]等用酸浸加壓軟化法制備魚鱗粉,催宏博[10]等利用酸水解法探討南美白對蝦軟化工藝研究,劉麗莎[11]等以復(fù)配有機酸為軟化劑,采用酸軟化技術(shù)開發(fā)蝦殼類即食制品。

為此,本文以梭子蟹殼為原料,結(jié)合乳酸軟化和超微粉碎技術(shù)探討粉碎工藝,制備超細(xì)蟹殼粉,旨在降低平均粒度,增大比表面積,并且使得不溶的碳酸鈣變成了乳酸鈣,有機鈣含量增加,大大提高了粉體有效物質(zhì)的吸收,為蟹殼的加工利用提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蟹殼 新鮮梭子蟹經(jīng)洗凈后,在100 ℃下蒸煮20 min,自然冷卻后去除背殼、生殖腺、腮等不可食部分,取在3 kg/cm2下擠壓取肉后殘存的下腳料,保存于-20 ℃冰箱中備用;乳酸 食品級,購于河南金丹乳酸科技有限公司。

SQW-6DI超微粉碎機 山東三清不銹鋼設(shè)備有限公司;BT-9300ST型激光粒度分布儀 昆明諾金科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 將在一定條件下軟化后的蟹殼碎片連同軟化液200.0 g一并倒入超微粉碎機中,濕法粉碎20 min,其中粉碎機功率為1.1 kw,電源電壓3相380 v。

1. 2.2 乳酸軟化蟹殼的單因素實驗及對照實驗

1.2.2.1 單因素實驗 取一定量的蟹殼常溫解凍,用剪刀剪成1 cm×1 cm左右大小的碎片,固定料液比1∶15,室溫下處理時間15 min,考察乳酸濃度(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%)對蟹殼平均粒度D50的影響;固定料液比為1∶15,乳酸濃度為0.6%,考察乳酸浸泡時間(0、5、10、15、20、25 min)對蟹殼平均粒度D50的影響;固定乳酸濃度為0.6%,室溫下處理15 min,考察料液比(1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25)對蟹殼平均粒度D50的影響。

1.2.2.2 對照實驗 將料液比固定為1∶15,蒸餾水常溫下浸泡15 min的蟹殼碎片(1 cm×1 cm左右)連同蒸餾水倒入超微粉碎機,粉碎20 min,得到對照蟹殼粉,測其粒度D10、D50、D90和比表面積。

1.2.3 乳酸軟化蟹殼的Box-Behnken 實驗設(shè)計 綜合單因子實驗結(jié)果,采用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理[12-14],選取乳酸濃度(A)、浸泡時間(B)、液料比(C)為響應(yīng)因素,蟹殼粉體平均粒度D50為響應(yīng)值,設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面法[15]實驗,實驗因素水平表見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素水平實驗設(shè)計

1.2.4 蟹殼粉體平均粒度和比表面積測定 將經(jīng)過超微碎的蟹殼漿液搖勻,用滴管吸取漿液加入到粒度儀的測樣池中,至折光率達到10%～15%范圍內(nèi)停止加樣,以蒸餾水為分散介質(zhì),打開粒度儀中的超聲波及攪拌器按鈕,使樣品均勻的分散于樣品池中,待折光率穩(wěn)定后開始進行粒度分布以及比表面積測定,平衡時間120 s、循環(huán)17次,讀出特征值D10、D50、D90以及比表面積。

測試結(jié)果說明:粒徑D10表示該等效直徑的顆粒占被測量10%的比例;中位粒徑D50表示該等效直徑的顆粒占被測量50%的比例;粒徑D90表示該等效直徑的顆粒占被測量90%的比例,其中中位粒徑D50最具代表性。

1.2.5 不同蟹殼粉粒度分布圖以及粒度、比表面積比較 稱取普通市售蟹殼粉1.0 g,加入20.0 g蒸餾水,攪拌均勻,進行粒度分布和比表面積測定,讀出特征值D10、D50、D90和比表面積,并與乳酸軟化蟹殼粉、對照蟹殼粉進行比較。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用originlab originpro 8.5和SAS 8.1軟件進行處理,方差分析采用Duncan法進行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蟹殼軟化單因素實驗

2.1.1 軟化液濃度對蟹殼粉體平均粒度D50的影響 由圖1可知蟹殼粉體的平均粒度隨著乳酸濃度的增加先降低后增加,在乳酸濃度為0.6%時平均粒度最小(p<0.05)?？赡苁切窔さ闹饕煞譃榈鞍踪|(zhì)、甲殼素和碳酸鈣,乳酸能夠使不溶的碳酸鈣變成易溶的乳酸鈣,導(dǎo)致蟹殼外軟內(nèi)硬,有利于粉碎,乳酸濃度過大時,蟹殼可能內(nèi)外都變軟,韌度增大,反而不易粉碎,因此0.6%的乳酸是臨界點。

圖1 乳酸濃度對平均粒度的影響Fig.1 The effect of lactic acid on average particle size

2.1.2 軟化時間對蟹殼粉體粒度D50的影響 從圖2可以看出,在0～15 min內(nèi)蟹殼粉體的粒度快速下降,呈顯著變化(p<0.05),在15～20 min內(nèi)逐漸上升,在20～30 min內(nèi)趨于穩(wěn)定,變化不明顯(p>0.05),可能原因是:隨著軟化液浸泡時間加長,參與反應(yīng)的碳酸鈣越多,進行一段時間后,逐漸趨于平衡,在酸液的浸泡下,若時間過長,碳酸鈣大量轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗徕},蟹殼硬度下降,韌性增加,粉碎時,平均粒度有所增大,因此15 min的浸泡時間較佳。

圖2 浸泡時間對平均粒度的影響Fig.2 The effect of soaking time on average particle size

2.1.3 料液比對蟹殼粉體粒度的影響 料液比對蟹殼平均粒度的影響如圖3所示,從圖中可以看出,隨著料液比的增大,蟹殼粉體的平均粒度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,當(dāng)料液比較小,超微粉碎時,乳酸與碳酸鈣沒有反應(yīng)完全,并且在超微粉碎過程中,主要靠粉碎棒對物料的撞擊、剪切、摩擦等物理作用而使得蟹殼粉碎,太過粘稠,易粘在粉碎棒上,難以進一步粉碎導(dǎo)致平均粒度較大,隨著浸泡液的增多,反應(yīng)逐漸趨于平衡狀態(tài),且溶劑水的增加,有利于軟化,但料液比過大時,顆粒韌性、彈性增加,平均粒度反而增大,因此,料液比1∶15的粉碎效果較好。

圖3 料液比對平均粒度的影響Fig.3 The effect of solid-liquid ratio on average particle size

表3 歸模型方差分析

注:*為顯著(p<0.05),**為極顯著(p<0.01)。2.2 響應(yīng)面結(jié)果

在單因子實驗結(jié)果基礎(chǔ)上,以A、B、C為自變量,以蟹殼粉體平均粒徑D50為響應(yīng)值,進行響應(yīng)面分析實驗,結(jié)果如表2所示。

2.2.2 模型方程的建立及顯著性分析 利用Design-Expert8.0.6件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合,得到的數(shù)學(xué)模型Y=+4.38-0.45A+0.35B+0.14C-0.77AB+0.31AC+0.14BC+1.45A2+1.45 B2+1.55C2,對模型進行方差分析結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面分析方案及實驗結(jié)果(單位:μm)

由表3可知,模型不同處理間差異極顯著,說明實驗方法可靠;失擬項不顯著,意味著所得到的二次回歸方程能對響應(yīng)值進行較準(zhǔn)確地預(yù)測。模型的R2為99.04%,說明使用該方程模擬真實的三因子三水平的分析可行。變異系數(shù)為3.47%,說明實驗具有良好的穩(wěn)定性。

對回歸方程模型因變量進行方差分析,發(fā)現(xiàn)模型一次項A(p<0.01)差異極顯著,B(p<0.05)差異顯著,C(p=0.1191)差異不顯著;交互項AB(p<0.01),AC(p<0.05)差異顯著,BC(p=0.2459)差異不顯著;二次項A2(p<0.0001),B2(p<0.001),C2(p<0.0001)差異極顯著。表明乳酸濃度、浸泡時間對蟹殼粉體平均粒徑的主效應(yīng)明顯,且在乳酸濃度、浸泡時間之間和乳酸濃度、液料比之間存在交互作用。依據(jù)回歸方程系數(shù)值A(chǔ)=-0.45,B=0.35,C=0.14,可知因素的主效應(yīng)關(guān)系為:乳酸濃度>浸泡時間>液料比。

2.2.3 響應(yīng)面圖分析 選取交互作用顯著的情況進行響應(yīng)曲面分析。響應(yīng)曲面可以直接看出各因子對響應(yīng)值的影響大小。

在固定液料比為15∶1條件下,乳酸濃度和浸泡時間及兩者的交互作用對蟹殼粉體平均粒度影響的響應(yīng)面見圖4。浸泡時間不變,蟹殼粉體平均粒度隨乳酸濃度的增加先逐漸降低然后上升;乳酸濃度不變,蟹殼粉體平均粒度同樣隨浸泡時間呈現(xiàn)先降低后上升趨勢。這與單因素實驗的分析結(jié)果吻合。

圖4 乳酸濃度和浸泡時間對平均粒度影響的響應(yīng)面圖(C=15)Fig.4 Response surface plot of the effect of lactic acid concentration and soaking time on the average particle size

在固定浸泡時間為15 min條件下,乳酸濃度和液料比及兩者的交互作用對蟹殼粉體平均粒度影響的響應(yīng)面見圖5。液料比不變,蟹殼粉體平均粒度隨乳酸濃度的增加先降低后有所升高;乳酸濃度不變,蟹殼粉體平均粒度隨液料比的增加先降低后緩慢上升。這與單因素實驗的分析結(jié)果是相吻合的。

圖5 乳酸濃度和液料比對平均粒度影響的響應(yīng)面圖(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 最佳優(yōu)化工藝驗證 進一步驗證最佳點的值,得到曲面的最小點,使回歸方程的一階偏導(dǎo)為零,求導(dǎo)方程整理得A=0.314,B=0.0966,C=-0.19,轉(zhuǎn)化為實際參數(shù)即乳酸濃度為0.663%,浸泡時間為15.48 min,液料比是14.05∶1,此時蟹殼粉體平均粒度為D50=3.874 μm,比表面積為850.1 m2/kg。為便于實際操作將液料比修正為14∶1,浸泡時間修正為15.5 min,其他條件不變,進行實驗驗證,重復(fù)3次,蟹殼粉體D50平均值為(4.006±0.029)μm,兩者相對偏差小于5%。

2.2.5 蟹殼粉體平均粒度分布圖 市售蟹殼粗粉以及軟化前后蟹殼粉體粒度的累積分布如圖6～8所示。分析圖可知,市售普通蟹殼粉粒度主要集中在10～400 μm,軟化前蟹殼粉體粒度分布范圍較窄,主要集中在1～45 μm,軟化后液粒度分布范圍小,主要集中在1～10 μm,D90=6.798 μm,即90%以上蟹殼顆粒粒度不超過6.798 μm。

圖6 市售普通蟹殼粗粉體平均粒度的累積分布Fig.6 Cumulative distribution of market ordinary crab shell coarse powder average particle size

圖7 對照蟹殼粉體平均粒度的累積分布Fig.7 Cumulative distribution of controlled crab shell powder average size

2.3 粒度與比表面積比較

從表4可以看出,蟹殼軟化后經(jīng)超微粉碎,蟹殼粉體平均粒徑D10小于1.5 μm,D50小于4 μm,而D90在8 μm以下,與市售普通蟹殼粉體相比,粉體平均粒徑D10、D50、D90分別降低了24.98、26.75、38.78倍,與未軟化的相比,分別降低了0.68、2.10、4.3倍,使得口感更加細(xì)滑,毫無顆粒感,這為利用其加工成各種蟹殼粉添加食品提供了理論上的可行性。

表4 蟹殼粉體的平均粒度和比表面積比較

圖8 蟹殼軟化粉體平均粒度的累積分布Fig.8 Cumulative distribution of crab shell powder average size being softening

超微粉體的比表面積是顆粒的重要基礎(chǔ)特征之一,比表面積越大,粉體的表面能也越大,超微粉體顆粒的許多性質(zhì)都與比表面積有關(guān),因此比表面積可以看作是描述超微粉體顆粒理化性質(zhì)的基本表征量[17],蟹殼經(jīng)軟化后,比表面積比普通市售蟹殼粉體增加了約11.12倍,比未軟化的增加約1倍,由于粉體的被吸收性與產(chǎn)品的比表面積有關(guān),比表面積的顯著增大有助于粉體有效物質(zhì)的吸收[17]。

3 結(jié)論

3.1 本研究所得的粉體粒度分布范圍窄,主要集中在1～10 μm之間,其中D50=3.874 μm,D90=6.798 μm,即50%的蟹殼粉體平均粒度不超過3.874 μm,90%以上的蟹殼粉體平均粒度不超過6.798 μm,此時,蟹殼超微粉碎的最佳工藝為:軟化液乳酸濃度為0.663%,浸泡時間為15.5 min,液料比是14∶1。

3.2 最佳工藝所得的超微粉體,與普通的市售蟹殼粗粉體相比,平均粒度D10、D50、D90分別降低了24.98、26.75、38.78倍,比表面積增加了約11.12倍,與對照的相比,平均粒度分別降低了0.68、2.10、4.3倍,比表面積約增加1倍,顯著增加了蟹殼粉體的溶解性和有效物質(zhì)的吸收率,為蟹殼充分利用提供了理論上的可行性。

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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

劉婷(1989-)女，碩士研究生，主要從事梭子蟹產(chǎn)品開發(fā)研究，E-mail：17855847982@163.com。

*通訊作者:婁永江(1963-)，男，教授，主要從事水產(chǎn)品保鮮與加工研究，E-mail：louyongjiang@nbu.edu.cn。

海洋蟹類產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新團隊項目(431501972)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000