超聲波輔助優化鴨蛋殼中碳酸鈣制取丙酸鈣工藝研究

胡波平，張 帆，申高林，朱建航

(南昌大學環境與化學工程學院，江西南昌330031)

我國是蛋禽養殖和禽蛋消費大國，全年消費禽蛋2500×104t，占全球禽蛋消費總量的46%以上，其中蛋殼占禽蛋總量的11%～13%，在我國絕大部分蛋殼未加工利用，而是作為廢棄物處理［1］。蛋殼主要成分為碳酸鈣，占蛋殼總重的94%～97%，其含鈣量高，且受污染程度少，蛋殼可作為一種優良天然的生物鈣源［2-4］，已有報道以蛋殼作為鈣源制備檸檬酸鈣、檸檬酸鈣-葡萄糖酸鈣、醋酸鈣、乳酸鈣和丙酸鈣等，其采用的制備方法有水熱法、間接煅燒法、微生物發酵法與超聲波輔助法等。丙酸鈣是世界衛生和糧農組織(FAO/WHO)批準在國際上通用的食品及飼料抑菌劑［5］，其對大多數致病菌有抑制作用［6］。

目前以蛋殼為原料，制備丙酸鈣的方法主要有水熱法和間接煅燒法［7］。陳雪等以蛋殼為原料水熱法制備丙酸鈣研究發現在固液比1∶20，110℃下反應6h后丙酸鈣的產率達 92．75%［8］，水熱法反應周期長，反應溫度高。曲世偉等研究發現，蛋殼在800℃煅燒后，CaO與過量50%的丙酸在50℃下反應45min后，蛋殼轉化率達80%［9］，煅燒法能耗大，產生大量CO2氣體及粉塵。超聲波輔助法在制備醋酸鈣、檸檬酸鈣與檸檬酸-蘋果酸復合鈣(CCM)有相關報道，超聲波的劇烈振動和空穴作用有利于鴨蛋殼與有機酸的反應和有機鈣晶體的形成，提高反應速率與蛋殼的轉化率［10］。本文在超聲波輔助反應的條件下，采用二次回歸正交組合實驗優化制備工藝，鴨蛋殼和丙酸直接反應制備丙酸鈣，以鴨蛋殼轉化率和產品純度為指標，優化工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

丙酸(AR) 天津市大茂化學試劑廠;氫氧化鈉(AR) 天津市大茂化學試劑廠;氫氧化鈣(AR)天津市大茂化學試劑廠;丙酸鈣標準品(阿拉丁)，磷酸(AR) 西隴化工股份有限公司;磷酸氫二銨(AR) 西隴化工股份有限公司;棄鴨蛋殼(學校食堂)。

SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責任公司;BSA124S分析天平 賽多利斯科學儀器有限公司;FZ102微型植物粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;SENCO R系列旋轉蒸發器 上海申生科技有限公司;Agilent 1100 Series高效液相色譜儀 美國Agilent公司。

1.2 實驗方法

1．2．1 原料預處理 學生食堂收集廢棄鴨蛋殼，自來水清洗蛋殼表面，室溫晾干。2L燒杯內稱取250g干凈鴨蛋殼，加入1L蒸餾水和2mol醋酸，配制2mol/L的醋酸溶液，室溫浸泡50min，靜置、過濾、回收上層蛋殼膜，蛋殼烘干、粉碎、過篩備用［11］。

1．2．2 丙酸鈣制備工藝

1．2．2．1 制備工藝流程 廢棄鴨蛋殼收集→洗凈→自然晾干→殼膜分離→粉碎→加酸→超聲波處理→除雜→過濾→濃縮→干燥→樣品

1．2．2．2 丙酸鈣制備工藝最優參數的確定 按蛋殼碳酸鈣與丙酸物質量1∶2．2確定丙酸量(提高蛋殼轉化率)，以稀釋比1∶10加入蒸餾水，360W超聲功率下60℃水浴預熱。精密稱取50目備用鴨蛋殼粉5．0000g(精確到 0．0005g)，緩慢加入反應液中，反應2h，得到所需反應液。用1mol/L NaOH溶液回調反應液pH至中性，溶液抽濾，除去反應液中不溶雜質。濾液加入0．2g氫氧化鈣粉末，靜置20min，除去反應液中溶解的雜質［12］。反應液抽濾，濾液濃縮，濃縮后80℃恒溫干燥至恒重，得白色粉末狀樣品。

1．2．3 單因素實驗

1．2．3．1 丙酸水稀釋比對轉化率和純度的影響 按蛋殼碳酸鈣與丙酸物質量1∶2．2確定丙酸量，分別在稀釋比為 1∶0、1∶5、1∶10、1∶15、1∶20 下，稱取 50 目備用鴨蛋殼粉5．0000g，緩慢加入反應液中，360W超聲波輔助60℃水浴下，反應2h，得到所需反應液。反應液經除雜純化后制備白色粉末狀樣品。

1．2．3．2 鴨蛋殼粒度對轉化率和純度的影響 按蛋殼碳酸鈣與丙酸物質量1∶2．2確定丙酸量，在最佳稀釋比下，分別稱取20、40、50、60、70 目備用鴨蛋殼粉5．0000g，緩慢加入反應液中，360W超聲波輔助60℃水浴下，反應2h，得到所需反應液。反應液經除雜純化后制備白色粉末狀樣品。

1．2．3．3 反應時間對轉化率和純度的影響 按蛋殼碳酸鈣與丙酸物質量1∶2．2確定丙酸量，分別在最佳稀釋比下，分別稱取最佳粒度目備用鴨蛋殼粉5．0000g，緩慢加入反應液中，360W超聲波輔助60℃水浴下，分別反應 1、1．5、2、3、4h，得到所需反應液。反應液經除雜純化后制備白色粉末狀樣品。

1．2．3．4 反應溫度對轉化率和純度的影響 按蛋殼碳酸鈣與丙酸物質量1∶2．2確定丙酸量，分別在最佳稀釋比下，分別稱取最佳粒度目備用鴨蛋殼粉5．0000g，緩慢加入反應液中，分別在360W超聲波輔助30、40、50、60、70、80℃水浴下，反應 2h，得到所需反應液。反應液經除雜純化后制備白色粉末狀樣品。

1．2．3．5 超聲波功率對轉化率和純度的影響 按蛋殼碳酸鈣與丙酸物質量1∶2．2確定丙酸量，分別在最佳稀釋比下，稱取最佳粒度目備用鴨蛋殼粉5．0000g、(精確到 0．0005g)，緩慢加入反應液中，分別 0、240、300、360、420、480W超聲波輔助，最佳水浴反應溫度下，反應2h，得到所需反應液。反應液經除雜純化后制備白色粉末狀樣品。

1．2．4 響應面優化設計 選取丙酸水稀釋比、超聲波功率、反應溫度三個對反應影響較大的因素為考察因素，采用Box-Behnken設計，設計三因素三水平響應面分析實驗。響應面分析因素水平編碼表見表1。

表1 響應面分析因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of response surface experiments

1．2．5 蛋殼轉化率 蛋殼的轉化率以%表示，計算公式如下:

E1:鴨蛋殼酸化轉化率;M:丙酸鈣質量(g);1．86為轉化系數;m:鴨蛋殼原料質量(g)。

1．2．6 丙酸鈣純度測定 精確稱取1．26g丙酸鈣標準品二次水溶解后定容至100mL，配制成12．6g/L的丙酸鈣儲備液。準確量取5mL丙酸鈣儲備液，加入2mL 1mol/L磷酸溶液，二次水稀釋至10mL，配制成丙酸鈣濃度為6．3g/L的標準液，0．45μm濾膜過濾制備丙酸鈣標準品高效液相色譜檢測樣品。

1.3 數據統計

每個實驗進行3次重復，取平均值對其進行相應的數據分析，數據采用Design Expert軟件(Version 7．0．0 Stat-Ease，Inc．USA)，Excel 2003，Origin 8．0 進行分析。

2 結果與分析

2.1 標準曲線繪制

以1．2．6丙酸鈣標準品測定方法，以丙酸鈣質量(μg)為橫坐標，特征峰面積為縱坐標，繪制丙酸鈣標準品標準曲線［13］。參照相關文獻與國標［14-15］，采用以下色譜條件檢測:色譜柱為 C18柱(4．6mm×250mm，5μm)，流動相為 1．5g/L 磷酸氫二銨(用1mol/L 磷酸溶液定容至 pH 為 2．7～3．3)，流速為1．0mL/min，柱 溫 25℃，DAD檢測器，檢測波長214nm，進樣量20μL。

樣品的檢測參照標準品檢測方法，結合丙酸鈣標準曲線，計算檢測樣品中丙酸鈣的濃度C，進一步計算產品在丙酸鈣的純度M。計算公式如下:

E2:樣品丙酸鈣純度;A:樣品液相檢測波峰面積;0．04821為轉化系數;C:樣品濃度(μg/L);V:進樣體積(μL)。

2.2 單因素結果與分析

2．2．1 稀釋比對轉化率和純度的影響 稀釋比對鴨蛋殼的轉化率和樣品純度的影響如圖3所示。由圖3可以看出，鴨蛋殼的轉化率隨著丙酸水的稀釋比增加而增加，當稀釋比達到1∶10時轉化率達到最大值。鴨蛋殼與丙酸鈣的反應屬于多相反應，生成的丙酸鈣溶于液相，增加丙酸稀釋比有利于丙酸鈣的溶解，有利于反應朝正向進行，但隨著稀釋比進一步加大，加大濃縮時間，同時生成的丙酸鈣濃度降低，不利于丙酸鈣的結晶［16］。綜合考慮反應能耗與鴨蛋殼的轉化率，稀釋比取1∶10較佳。

圖1 丙酸鈣液相檢測標準曲線Fig．1 The standard curve of calcium propionate tested by HPLC

圖2 丙酸鈣樣品和標準品液相圖譜Fig．2 The HPLC atlas of calcium propionate sample and standards

圖3 稀釋比對轉化率和純度的影響Fig．3 Effect of dilution ratio on conversion rate and purity

2．2．2 鴨蛋殼粒度對轉化率和純度的影響 蛋殼粒度對反應轉化率和樣品純度的影響，如圖4所示，隨著蛋殼粒度的增加，鴨蛋殼的轉化率逐漸增加，但隨著粒度進一步的增加，增長趨勢逐漸平緩，當粒度達到50目時，其轉化率達到最大的75．28%，隨后逐漸下降。低粉碎度的情況下，隨著粉碎度增加，鴨蛋殼的比表面積逐漸增加，蛋殼中碳酸鈣和丙酸的接觸面積加大，有利于反應進行，但隨著粒度的逐漸增加，蛋殼顆粒間間隙更小，易結塊，不利于反應。對于丙酸鈣的純度，其隨著粒度的增加而增加，純度變化不明顯。綜合考慮蛋殼轉化率和丙酸鈣純度，取50目蛋殼粉反應效果最佳。

圖4 蛋殼粒度對轉化率和純度的影響Fig．4 Effect of eggshell size on conversion rate and purity

2．2．3 反應時間對轉化率和純度的影響 如圖5所示，隨著反應時間的增加，鴨蛋殼的轉化率逐漸增加，在2h前，轉化率增加的速度較大，2h以后轉化率變化較緩慢，產品丙酸鈣時間進一步延長純度下降，主要原因是時間增長，隨著體系內丙酸鈣濃度的逐漸增大，丙酸與碳酸鈣的量逐漸減小，正反應速率下降，轉化率變化較緩慢，趨于平緩。如圖5所示，丙酸鈣純度在整個過程中變化不明顯，在 1．5～2．5h之間丙酸鈣純度較高，隨著反應酸和鴨蛋殼中少量的磷酸鎂等其他鹽類發生反應的幾率增大。綜合考慮時間和效率因素，最佳反應時間應在2h左右。

圖5 反應時間對轉化率和純度的影響Fig．5 Effect of response time on conversion rate and purity

2．2．4 反應溫度對轉化率和純度的影響 反應溫度對蛋殼轉化率和丙酸鈣純度的影響，如圖6所示，隨著反應溫度的遞增，鴨蛋殼的轉化率逐漸增加，當溫度達到60℃時，鴨蛋殼的轉化率達到最高的85%，之后逐漸下降。這主要是因為隨著溫度的增加，體系中丙酸分子運動速度加快，反應的可能性增加，CO2的溢出加快，促使反應朝著生成丙酸鈣的方向進行。但溫度進一步升高，丙酸的揮發性加大，同時分子間的聚合率下降，產率下降。同樣丙酸鈣純度也有這種趨勢，到達一定溫度后純度轉為下降，因為較高反應溫度時，溶液體系會發生一系列復雜反應，降低丙酸鈣的純度［10］。綜合考慮能耗與轉化率和純度，反應溫度取60℃。

圖6 反應溫度對轉化率和純度的影響Fig．6 Effect of reaction temperature on conversion rate and purity

2．2．5 超聲波功率對轉化率和純度的影響 如圖7所示，隨著超聲功率的增加，鴨蛋殼的轉化率呈現先增后減的趨勢，功率在360W左右鴨蛋殼有最大的轉化率93．42%，此時丙酸鈣的純度為95．25%，而功率在420W時蛋殼的轉化率僅為86．25%。原因是對于不同頻率的超聲波，超聲波功率越大，相同時間內超聲波發生的空化事件會越多，有利于蛋殼中鈣的溶出、丙酸鈣晶體的生成和鴨蛋殼轉化率的提高［17］。但是太高的超聲波功率所產生的大量氣泡，使丙酸的揮發增加，影響到能量的傳遞，破壞丙酸鈣晶體的生成，不利于反應的進行［10］。由圖也可以看出，超聲波強度對產品純度影響不大，所以最佳的超聲波功率為360W。

2.3 二次回歸線性對工藝優化的結果

2．3．1 響應面實驗設計及結果 結合5個單因素實驗結果，分析各因素對蛋殼轉化率的影響，發現稀釋比、反應溫度和超聲波功率對鴨蛋殼丙酸中和反應的影響較其他因素顯著。為進一步優化反應工藝，根據Box-Beknhen中心組合實驗設計原理，研究各因素及其交互作用對蛋殼轉化率和丙酸鈣濃度的影響，對鴨蛋殼丙酸中和反應工藝條件進行優化，以綜合指標E為考察對象。

圖7 超聲功率對轉化率和純度的影響Fig．7 Effect of the ultrasonic power on conversion rate and purity

E=0．7E1+0．3E2

E1:蛋殼轉化率;E2:丙酸鈣濃度

表2的實驗數據采用SAS進行結果回歸分析，回歸結果分析結果見表3，作出各因素間的響應面圖和等高曲線，分別見圖8～圖10。各因素對綜合指標的二次多項式回歸模型經回歸擬合后，得如下方程:

Y=94．36640-0．53387X1-0．89412X2+0．4685X3-0．1975X1X2+0．07725X1X3-0．27025X2X3-1．9862X12-3．4887X22-0．82695X32

對表3回歸結果進行分析可知，模型的 p＜0．0001，模型 F 值 =115．25 ＞ F0．01(9，5)=10．2 達到極顯著水平，失擬項 F 值為3．12，p=0．1502 ＞0．05，說明失擬項相對于絕對誤差不顯著，證明該回歸擬合方程對實驗的擬合情況較好。若p＜0．0001，表明方程式極顯著的，X2、X12、X32對實驗的影響是極顯著的。若 p ＜0．05，表明方程是顯著的，X1、X3、X32對實驗的影響是顯著的。其中 R2=0．9933，表明99．33%的實驗數據可以通過模型解釋，說明這個回歸方程可靠性強。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis results of regression and variance

為更進一步的認識其中兩個因素對實驗的影響，可以取第三個因素為零水平，進行降維分析，對所得的二元二次方程作出相應的響應面圖和等高曲線圖，分別如圖8、圖9和圖10。

圖8 反應溫度與超聲功率的響應面圖與等高曲線Fig．8 Response surface and equal pitch contour of reaction temperature and ultrasonic power

圖9 反應溫度與稀釋比的響應面圖與等高曲線Fig．9 Response surface and equal pitch contour of reaction temperature and dilution ratio

圖10 超聲功率與稀釋比的響應面圖與等高曲線Fig．10 Response surface and equal pitch contour of ultrasonic power and dilution ratio

根據3個響應面圖所示，其開口都向下，隨著各個因素的增加，響應值也相應增加，達到最大值后下降，這證明該模型有穩定點，且穩定點是最大值，與實驗得出的實驗結果相符合。如圖所示，超聲功率與稀釋比的等高曲線較陡峭，而反應溫度的等高曲線較平緩，說明超聲功率與稀釋比對實驗的影響較顯著，而反應溫度對實驗的影響較小。

通過對回歸方程求偏導可知模型的綜合指標極值為94．5301，所對應的最佳工藝條件為稀釋比1∶9．4，反應溫度 61．5℃，超聲波功率 351．6W。

2．3．2 最佳工藝條件驗證 回歸方程求偏導可知最佳工藝條件為稀釋比 1∶9．4，反應溫度 61．5℃，超聲波功率351．6W。考慮實際操作條件，取稀釋比為1∶9．4，反應溫度 61℃，超聲波功率 352W，按 1．2．2．1 的實驗步驟，重復實驗三次:

表4 驗證實驗結果Table 4 Results of verification experiment

三次得出蛋殼平均轉化率93．91%，通過高效液相色譜法分析，產品中丙酸鈣純度達95．47%，綜合指標為94．381，與模型預測極值基本吻合，誤差 ＜1%，最佳工藝條件下的轉換率較水熱法與高溫煅燒法制備丙酸鈣的產率高，反應時間縮短。說明回歸方程擬合度較高，可用于優化丙酸鈣制備工藝。

3 結論

應用響應面分析法優化丙酸鈣的制備工藝，得出各因素對實驗的影響為超聲波功率＞稀釋比＞反應溫度。在超聲波輔助條件下，超聲波產生的振動與空穴作用，鴨蛋殼中碳酸鈣的溶出速率和反應液中溶質間的交換加快，丙酸鈣晶體的形成速度加大。相對于水熱法反應與高溫煅燒法，反應時間縮短，反應步驟簡化，反應能耗降低，粉塵減少等，反應的轉化率和產品的純度加大。反應最佳工藝條件為稀釋比1∶9．4，反應溫度 61℃，超聲波功率 352W，在此工藝條件下蛋殼轉化率達到93．91%，丙酸鈣純度達到95．47% 。

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