鸭蛋壳真空中和法制备乳酸钙的工艺研究

摘要：试验以鸭蛋壳为原料，在真空环境中采用直接中和法制备乳酸钙。在单因素试验的基础上，选固液比、反应温度和时间3个因素进行中心组合试验，建立乳酸钙产率的二次回归方程，通过响应面分析及岭嵴分析得到最佳制备工艺条件为蛋壳粉粒度100目，蛋壳过料量30%，固液比1∶11，反应温度44 ℃，反应时间2.3 h，在此条件下乳酸钙产率达到最高，为75.56%，与预测值73.773 4%接近，乳酸钙结晶在浓缩体积在60%时为最佳。

关键词：鸭蛋壳;中和反应;乳酸钙;响应面法

中图分类号：TS253.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）20-4931-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.20.042

Preparing Calcium Lactate from Eggshell in Vacuum

WU Wen-jin，DU Jin-ping， XIONG Guang-quan， LI Xin，DING An-zi，SUN Jing，QIAO Yu， LIAO Li，WANG Lan

（Research Institute of Agricultural Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology， Hubei Academy of Agricultural Sciences /Agricultural Products Processing Subcenter of Hubei Agricultural Science&Technology Innovation Center， Wuhan 430064，China）

Abstract： Calcium lactate was made from eggshell in vacuum. The lactate was added in to react with eggshell to prepare calcium lactate by direct reaction. According to the single-factor experiments， three levels of the factors including solid-liquid ratio， extraction temperature and time were selected to establish a quadric regression equation for describing the yield of calcium lactate. Through response surface analysis， the optimal extraction conditions were eggshell particle size of 100， excessive rate of eggshell 30%， solid-liquid ratio of 1：10.5， extraction temperature of 44.2 ℃ and time of 2.3 h. Under the optimal conditions highest yield of calcium lactate with estimated and verified value was 73.77% and 75.56%， respectively. It is found the end product from calcium lactate solution was best when the concentrated volume percentage was 60%.

Key words： eggshell; neutralization reaction; calcium lactate

禽蛋副产物的利用主要是残留蛋清、蛋壳内膜和蛋壳的利用[1]。蛋壳整体的碳酸钙含量在93.0%以上[2]，蛋壳中钙的利用成为禽蛋资源开发的主要研究内容。由于蛋壳中主要是CaCO3即无机沉淀钙，在体内不易被消化吸收，也不能直接用于食品、饲料生产。因此，为提高蛋壳中钙的吸收率，通常要将无机钙转化为有机钙，才能很好地被吸收利用。目前利用蛋壳转化有机钙的方法主要有高温煅烧法、直接中和法、微生物转化法和原料浸泡法[3，4]。

煅烧法在国内应用最多。高温煅烧法是将预处理的蛋壳高温煅烧，向煅烧后得到的灰分中加入蒸馏水配制成石灰乳，在一定温度条件下加入有机酸反应得到不同的有机酸钙液，适当浓缩得有机酸钙晶体。采用煅烧法将蛋壳无机钙转化为有机钙具有产品纯度高的优点，但会产生废气污染环境，目前许多专家学者正在积极寻求新的转化途径来替代这种方法。直接中和法是将预处理好的蛋壳粉碎至一定的目数。加入一定量的有机酸，在常温常压下反应数小时，即可得一定浓度的有机酸钙。直接中和法避免了煅烧对环境造成的影响，但产率相对较低，而且只适合制备一些水溶性较好的有机酸钙如乙酸钙、丙酸钙等，对于水溶性较差的有机酸钙如柠檬酸钙、乳酸钙等，反应后期的分离提纯工序较为复杂，造成生产成本增加。微生物转化法是利用微生物的生物发酵作用产生的有机酸与蛋壳粉混合，经过一系列的生化反应获得有机钙溶液。通过微生物转化法制备有机酸钙不会对环境造成影响，并能充分利用资源。但菌种的选育周期较长、产率低、中和反应时间较长。原料浸泡法是指将经过预处理的蛋壳粉碎过筛，取适量的蛋壳粉直接加入到经过过滤的陈醋、白醋等溶液中进行浸泡，时间一般为10～30 d。对样品进行超滤，该工序简单，有利于充分释放蛋壳中的钙离子。但由于蛋壳与原料直接接触，细菌总数、重金属残留可能超标，品质难以控制。

用蛋壳制取的一元酸钙有乳酸钙、醋酸钙、丙酸钙、葡萄糖酸钙、柠檬酸钙、苹果酸钙等。由于其具有独特的性质，它们在食品、医药、保健、化妆品、饲料等领域应用广泛[5-10]。

乳酸钙分子式C6H10CaO6・xH20，为白色或乳酪色晶体颗粒或粉末，无臭，几乎无味。加热至120 ℃失去结晶水。溶于水后，呈透明或微浊的溶液，水溶液pH为5.0～7.0，几乎不溶于乙醇、乙醚或氯仿。乳酸钙作为一种有机钙，在所有钙盐中，人体对其吸收率较高，可达32%。乳酸钙用途极其广泛，在医药行业用作人和动物的补钙剂;在轻工行业作为除垢剂用于牙膏中;在食品工业，乳酸钙是一种安全的食品添加剂、稳定剂及增稠剂等;乳酸钙还被认为是最具有潜在市场价值的饲料添加剂而用于水产养殖中;作为药品其参与骨骼的形成与骨折后骨组织的再建[11]，参与肌肉收缩、神经传递、腺体分泌、视觉生理和凝血机制等，因而市场需求量很大。

综上所述，利用废弃的蛋壳作为钙源制备有机酸钙，具有原料来源丰富、生产工艺简单、成本低廉、产品收率高、质量好、安全无毒等特点，市场前景广阔。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蛋壳由湖北省农业科学院畜牧所提供;乳酸、盐酸、氢氧化钠、钙试剂羧酸钠、氯化钠、乙二胺四乙酸二钠均为分析纯。

标准检验筛（浙江上虞市五四纱筛厂制造），HK-10B型粉碎机（广州市旭朗机械设备有限公司），HJ-3型恒温磁力搅拌器（常州国华电器有限公司），DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），D2F-6050型真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），SH2-D（Ⅲ）型循环水真空泵（上海东玺制冷仪器有限公司），RE-52型旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂），PL2002型电子分析天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 乳酸钙的制备 CaCO3+2CH3CH（OH）COOH？圹Ca[CH3CH（OH）COO]2+H2O+CO2

1.2.2 蛋壳预处理 将鸭蛋壳用自来水漂洗去除蛋壳膜和杂质，干燥粉碎，分别过60、100、200、300目筛，贮存备用。

1.2.3 单因素试验

1）固液比的确定。在乳酸为9 mL、蛋壳粒度为60目、蛋壳过料量为5%、反应时间为45 min、反应温度为40 ℃的条件下，固液比（m∶V，g∶mL，下同）分别为1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20。待反应完成后，测定乳酸钙的产率，产率最高的固液比用于下步试验。

2）蛋壳粒度的确定。在乳酸9 mL、蛋壳过料量5%、反应时间45 min、反应温度为40 ℃、蛋壳粒度分别为60、100、200、300目。待反应完成后，测定乳酸钙的产率，产率最高的蛋壳粒度用于下步试验。

3）蛋壳过料量的确定。在乳酸9 mL、反应时间45 min、反应温度为40 ℃，蛋壳过料量分别为5%、15%、30%、45%、60%、75%。待反应完成后，测定乳酸钙的产率，产率最高的蛋壳蛋壳过料量用于下步试验。

4）反应时间的确定。在乳酸9 mL、反应温度为40 ℃，反应时间分别为0.50、0.75、1.0、1.25、1.50、2.00、2.50、3.00 h。待反应完成后，测定乳酸钙的产率，产率最高的反应时间用于下步试验。

5）反应温度的确定。在乳酸9 mL、反应温度分别为30、35、40、45、50、55 ℃。待反应完成后，测定乳酸钙的产率。

1.2.4 响应面试验 在单因素试验的基础上，采用3因素（固液比、反应温度、反应时间）3水平响应面试验优化出最佳条件。因素与水平见表1。

1.2.5 浓缩工艺试验 将反应完全的乳酸钙溶液进行浓缩，浓缩体积百分比分别为50%、60%、70%，比较各组溶液中乳酸钙析出速率。将浓缩后的乳酸钙溶液放入5 ℃冰箱中冷藏过夜，得乳酸钙结晶，抽虑收集备用。

1.2.6 乳酸钙产率的计算方法 量取5 mL抽虑后的母液，溶于已加有2 mL盐酸溶液的50 mL蒸馏水中，搅拌加入10 mL乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液，再加入5 mL氢氧化钠溶液和0.1 g钙试剂羧酸钠指示剂，继续用乙二胺四乙酸二钠标准溶液滴至蓝色为终点[12，13]。按下式计算乳酸钙的产率W：

W=■×100%

式中：V为乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液的体积（mL）;c为乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液浓度（mol/L）（c=0.05）;M为乳酸钙（C6H10CaO6）的摩尔质量（g/mol）（M=218.2）;v1为乳酸的体积（mL）;v2为反应前加入的蒸馏水的体积（mL）;m为乳酸钙的理论生成质量（g）。V取两次平行滴定结果的算术平均值为测定结果，两次平行滴定结果的绝对差值不大于1。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 固液比对乳酸钙产率的影响 由图1可知，乳酸钙产率随着固液比的降低呈先增大后下降的趋势。总体上乳酸钙产率真空条件明显优于常压条件。产物乳酸钙存在于液相，当液体体积增加时，有利于反应的进行;当液体体积过大时，会稀释乳酸的浓度，不利于反应的进行。

2.1.2 蛋壳粒度对乳酸钙产率的影响 由图2可知，乳酸钙产率随着蛋壳粉粒度的增加而增加，从整体上看真空条件下乳酸钙的产率比常压条件下乳酸钙的产率大。蛋壳粉粒度越大，颗粒越小，比表面积越大，中和反应越容易进行。

2.1.3 蛋壳过料量对乳酸钙产率的影响 由图3可知，乳酸钙的产率随着蛋壳过料量的增加先增大后减小，真空条件下与常压条件下乳酸钙产率相当，但过料量超过70%时常压下产率下降较为明显，真空基本不变。总体上，真空条件下乳酸钙的产率略大于常压条件下乳酸钙的产率，两者均在蛋壳过料量超过30%后无显著增长。乳酸与碳酸钙的反应是弱酸与弱碱的反应，比较缓慢。蛋壳过量能使乳酸充分反应。但蛋壳过量太多，会使生成的乳酸钙聚集在过量的蛋壳周围产生凝固，在后续抽滤时使之损失。

2.1.4 反应时间对乳酸钙产率的影响 由图4可知，常压条件下乳酸钙产率先随反应时间的延长而提高，2 h后得率基本不变;在真空条件下乳酸钙产率先随反应时间的延长而提高，2 h后产率随反应时间的延长而下降。反应前期，曲线的迅速上升表明反应系统中存在大量的乳酸和蛋壳粉，而生成物乳酸钙的浓度较小，正反应速率大于逆反应，促使反应向生成乳酸钙的方向进行，此时，真空条件下乳酸钙的产率较大。当反应时间超过1.5 h，乳酸钙浓度逐渐升高，正反应速率下降，产率的增加量逐渐减少;当反应时间达到2 h，常压条件下的产率曲线逐渐趋于平缓，表明系统中各物质浓度已趋于平衡不再发生变化，反应基本完全。真空条件下，超过2 h真空条件会促进反应向逆方向进行，其他副反应发生的机率增加，使得产率曲线呈现下降的趋势，而常压条件下还未出现这种趋势，这说明真空条件能促进中和反应的进行，节省反应时间。

2.1.5 反应温度对乳酸钙产率的影响 由图5可知，乳酸钙产率随反应温度的升高先增加再下降。真空条件下乳酸钙最高产率明显高于常压条件下的最高产率。温度的升高可以加大分子间的碰撞机率，促使反应向生成乳酸钙的方向进行。但随着温度的不断升高，乳酸伴随着水蒸气挥发出去，导致大量的乳酸损耗，从而使得乳酸钙产率下降。随着温度的升高，乳酸发生酯化反应生成乳醛乳酸，并与钙离子结合生成对应的钙盐，导致乳酸钙的产率下降。

2.2 响应面试验结果

根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理确定的试验设计方案及响应值结果见表2。采用SAS RSREG程序对表2所得数据进行回归分析，并做出响应面图和等高线图。各因素经回归拟合后，解得回归方程：Y=0.707-0.019 25X1+0.0156 25X2+0.012 875X3-0.004 75X12-0.012 25X1X2-0.005 25X1X3+0.012 5X2X3-0.02X22+0.000 5X32。回归模型的方差分析结果见表3。由表3可知回归模型显著，一次项也显著，二次项和交互项是不显著的，表明这种试验方法是比较可靠的。而且方程的失拟项很小，表明该方程对试验拟合情况好，试验误差小。

回归模型的响应面见图6、图7和图8。各图表示X1、X2和X3中任意一个变量取零时，其余两个变量对乳酸钙产率的影响。由图6可得，乳酸钙产率先随固液比的降低而升高，当料液比达到1∶10.5时乳酸钙产率最高，随后乳酸钙产率随固液比的降低而降低;随反应时间的延长乳酸钙产率提高，2.3 h时乳酸钙产率最高，然后随反应时间的继续延长，乳酸钙产率下降;等高线不为椭圆，说明固液比和反应时间交互作用不显著。从图7可得，随反应温度的升高乳酸钙产率提高，44.2 ℃时乳酸钙产率最高;在选定的反应时间内，乳酸钙产率随反应时间的延长而提高;由等高线可知反应温度和反应时间的交互作用不显著。由图8可知，乳酸钙的产率随着固液比的升高先增大，然后持续下降;在选定的反应时间内乳酸钙产率随时间的延长而提高;从等高线可以看出，反应温度与固液比的交互作用不显著。

2.3 岭嵴分析

从表4典型值分析可以看出，3个因素的特征值有正有负，表明此二次响应面是鞍面，无极值存在，因此不能直接从此二次响应面上找出最佳工艺参数，需要进一步作岭嵴分析，岭嵴分析结果见表5。从表5可以看出，随着编码半径的增加，响应值 Y也逐渐增大。由此可见，乳酸钙产率随着反应温度、固液比、反应时间的增加而增大。在本试验的水平范围内，最大响应值时R为1.0，此时的固液比为1∶10.5，反应温度为44.2 ℃，反应时间为2.3 h。为了方便实际操作，取固液比为1∶11，反应温度为44 ℃，提取时间为2.3 h，乳酸钙实际产率为75.56%，与预测值73.773 4%比较接近。所以，此回归模型可较好地预测乳酸钙的产率[14]。

2.4 浓缩试验

按照岭嵴分析优化出的最佳条件，将所得完全反应的乳酸钙溶液进行浓缩，浓缩体积为50%时有较少乳酸钙析出，浓缩体积为60%时有较多乳酸钙析出，浓缩体积为70%时有大量乳酸钙析出并粘在蒸发器内壁，但无法倒出，由此可知，乳酸钙溶液浓缩至60%时较为适宜。

3 结论

试验采用响应面分析及岭嵴分析得出蛋壳直接中和制备乳酸钙的最佳工艺条件为乳酸9 mL、蛋壳过料量30%、蛋壳粒度100目、反应温度44 ℃、固液比1∶11、反应时间2.3 h。该工艺条件下乳酸钙的实际产率可达75.56%。

该制备工艺在真空条件具有以下特点：降低了反应温度，缩短了反应时间，相对于高温煅烧法和普通环境下的中和反应具有节能环保，生产成本低，是一种能源节约型的工艺，在对蛋壳进行资源化利用的同时解决了蛋壳造成的环境污染问题，加之制备工艺简单，因此，此方法有推广价值和应用前景。

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