響應面分析法優(yōu)化廢棄雞蛋殼制備丙酸鈣

秦建芳，譚俊民，弓巧娟，姚陳忠，黃健

（1.運城學院應用化學系，山西運城044000；2.康杰中學，山西運城044000）

隨著人們生活水平的提高和食品業(yè)的發(fā)展，廢棄雞蛋殼已成為全球環(huán)境的重負。但是雞蛋殼是一種寶貴的天然生物資源，與其它鈣源相比，受環(huán)境污染較少，重金屬含量極低，是一種良好的鈣源，可作為新型鈣制劑的原料[1-2]。丙酸鈣與其它脂肪酸一樣可以通過代謝作用被人體吸收，供給人體必需的鈣，同時也可用于植物保護、果蔬保藏等方面，是一種新型食品添加劑[3-4]。

本著變廢為寶，資源有效利用為指導思想，以廢棄雞蛋殼為原料利用中和法制備丙酸鈣，著重對影響丙酸鈣產(chǎn)率的3個重要因素—反應溫度、反應時間、液固比做了系統(tǒng)的研究。在單因素試驗的基礎上，利用響應面分析法對工藝條件進行優(yōu)化，確定了制備丙酸鈣的最佳實驗條件。

1 材料與儀器

丙酸（AR）；濃HCl（12 mol/L）；廢雞蛋殼：學校食堂提供；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；FA2004N電子天平：上海恒平科學儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱：沈陽市節(jié)能電爐廠；85-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器。

2 方法

2.1 蛋殼預處理

用自來水清洗收集的蛋殼，去除表面的泥土、黏附的雜質(zhì)，在烘箱中干燥、研碎、備用。

2.2 殼膜分離

稱取50 g蛋殼放入燒杯中，加入20 mL濃HCl、150 mL蒸餾水作為殼膜分離劑[5]，室溫下攪拌1 h，使殼、膜完全分離，靜置、回收蛋殼烘干、備用。

2.3 中和反應制備丙酸鈣

稱取 5 g 蛋殼粉，以液固比為 10∶1（mL/g）的量加水，保持反應溫度為60℃，在不斷攪拌下，緩慢加入理論值150%的丙酸，反應6.5 h后，得到所需溶液。將溶液抽濾，除去不溶物，然后將濾液轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中蒸發(fā)、濃縮，80℃干燥、得白色粉末狀產(chǎn)品。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因素試驗

3.1.1 反應溫度對產(chǎn)率的影響

分別準確稱取5.0 g的蛋殼粉，保持其它實驗條件不變（反應時間為 6.5 h，液固比為 10∶1（mL/g），丙酸用量為理論用量的150%），改變不同的反應溫度，考察其對丙酸鈣產(chǎn)率的影響見圖1。

圖1 反應溫度對丙酸鈣產(chǎn)率的影響Fig.1 The influence of reaction temperature on the yield

丙酸鈣的產(chǎn)率隨著溫度的升高而逐漸增大，并在溫度達到60℃時，產(chǎn)率最大。

3.1.2 反應時間對產(chǎn)率的影響

分別準確稱取蛋殼5.0 g蛋殼粉，保持它實驗條件不變（溫度為 60 ℃、液固比為 10∶1（mL/g）、丙酸用量為理論用量的150%），改變不同的反應時間，考察其對丙酸鈣產(chǎn)率的影響見圖2。

圖2 反應時間對丙酸鈣產(chǎn)率的影響Fig.2 The influence of reaction time on the yield

丙酸鈣的產(chǎn)率隨著反應時間的增加而逐漸增加，在達到6.5 h后，產(chǎn)率基本不變。

3.1.3 液固比對產(chǎn)率的影響

分別準確稱取蛋殼5.0 g蛋殼粉，保持其它實驗條件不變（溫度為60℃、反應時間6.5 h、丙酸用量為理論用量的150%），改變不同的液固比，考察其對丙酸鈣產(chǎn)率的影響見圖3。

隨著液固比的增加，丙酸鈣的產(chǎn)率增加，但是幅度很小，液固比增加會造成后續(xù)的蒸發(fā)、濃縮時間變長，從而使能耗增加。

由單因素試驗，從丙酸鈣產(chǎn)率、時間、收益等方面的統(tǒng)籌考慮[6]，得出反應溫度60℃，反應時間6.5 h，液固比 10∶1（mL/g）時為宜。

圖3 液固比對丙酸鈣產(chǎn)率的影響Fig.3 Liquid to solid ratio of calcium propionate yield

3.2 響應面分析法

在單因素試驗的基礎上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設計原理，本試驗以丙酸鈣的產(chǎn)率R1為響應值，利用DesignExpert8.0.6.1軟件設計了三因素三水平的響應面法試驗，共有15個試驗點，其中12個為析因點，3個為零點以估計誤差。因素水平見表1；試驗設計和結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 The Factors and levels

表2 Box-Behnken設計方案及響應值結(jié)果Table 2 The design of Box-Behnken and the response values

3.2.1 方差分析

利用軟件對試驗結(jié)果進行二次多元回歸擬合，對表2的數(shù)據(jù)進行方差分析后得到模型的二次多項回歸方程R1=-156.843 75+2.497 25A+36.405 83B+7.197 92C+0.022 625AB-8.500 00E-003AC+0.158 75BC-0.020 877A2-3.063 33B2-0.402 71C2，方差分析結(jié)果見表3。

表3 方差分析Table 3 The variance analysis

由表3可知：失擬項P=0.527 2＞0.05，不顯著，而模型的P=0.001 3＜0.05，表明模型顯著。從表3可以看出一次項A、二次項B2、C2對結(jié)果影響是顯著的P＜0.05，二次項A2對結(jié)果影響為高度顯著P＜0.000 1，相互項交互項（AB AC BC）對結(jié)果影響不顯著P＞0.05。

3.2.2 回歸模型的優(yōu)化

交互項（AB、AC、BC）對結(jié)果影響不顯著 P＞0.05，因此采用手動優(yōu)化的方法對回歸模型進行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果見表4。

R1=-170.886 25+2.559 31A+39.350 83B+7.719 79C-0.020 877A2-3.063 33B2-0.402 71C2

由表4可知：失擬項不顯著P=0.678 7＞0.05，而模型的P＜0.000 1，表明模型高度顯著；同時軟件分析Pred-Squared值為0.904 0，Adj R-Squared值為0.951 3兩者很接近，這表明該模型是合適的，可以用此模型對廢棄雞蛋殼制備丙酸鈣的工藝條件進行分析和預測；在所選取的因素和水平范圍內(nèi)，各因素對結(jié)果影響排序為溫度A＞液固比B＞反應時間C。

3.2.3 響應面圖分析

對經(jīng)過手動優(yōu)化的回歸方程中的AB交互項所作的響應曲面圖（見圖4）。

表4 去掉不顯著項后的優(yōu)化結(jié)果Table4 The optimization results after remove not significant

圖4 反應溫度A與反應時間B對丙酸鈣產(chǎn)率的影響Fig.4 Reaction temperature A and reaction time B on the yield of calcium propionate

圖4的響應面圖呈鐘罩型，說明反應時間、反應溫度的相互作用比較顯著，這和表3的結(jié)果一致，（交互項AB的P值最?。?/p>

3.2.4 最佳工藝條件的預測與驗證

通過Design Expert8.0.6.1軟件對經(jīng)手動優(yōu)化后的回歸方程求解，在試驗的因素水平范圍內(nèi)預測制備丙酸鈣的最佳條件為：反應溫度61.29，反應時間6.24 h、液固比9.58∶1，在此條件下丙酸鈣的產(chǎn)率可達70.92%。由于試驗操作的可行性，將最佳條件修正為：反應時間62℃ ，反應時間6.25 h，液固比9.6∶1，在此條件下進行3次驗證性試驗，丙酸鈣的產(chǎn)率的平均值為70.90%，與理論預測值70.92%的相對誤差很小，說明經(jīng)手動優(yōu)化后的回歸方程對廢棄雞蛋殼制備丙酸鈣的最佳工藝條件進行分析和預測非?？煽?。

4 結(jié)論

響應面分析法克服了正交試驗設計只能處理離散的水平值，而無法找出整個區(qū)域上因素的最佳組合和響應值的最優(yōu)值的缺陷。用該方法研究廢棄雞蛋殼制備丙酸鈣，求得的回歸方程精度高；在試驗的因素水平范圍內(nèi)預測制備丙酸鈣的最佳條件為反應溫度61.29，反應時間 6.24 h、液固比 9.58∶1（mL/g），響應面最優(yōu)值丙酸鈣的產(chǎn)率可達70.92%。修正后反應時間62℃ 、反應時間 6.25 h，液固比 9.6∶1（mL/g），在此條件下丙酸鈣的產(chǎn)率為70.90%，與理論預測值70.92%的相對誤差很小。

[1] 丁邦琴,邱鑫,周烽.利用雞蛋殼為原料發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸鈣的研究[J].中國農(nóng)學通報,2011,27(26):156-159

[2] 袁軍皇,沈健芬,鄭睿.雞蛋殼的綜合利用研究進展[J].廣州化工,2011,39(1):38-39

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