南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟工藝的研究

李紅艷，薛長湖，王靈昭，王玉明，薛 勇

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島266003)

南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟工藝的研究

李紅艷，薛長湖，王靈昭，王玉明，薛 勇

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島266003)

為解決南極磷蝦酶解液氟含量過高問題，以脫氟率為指標，利用響應面法對南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟工藝進行優化。優化結果表明，在氯化鈣添加量1.38%，初始pH9.0，反應溫度20℃時，脫氟率達到89.43%。而且，氯化鈣法脫氟過程對酶解液氨基氮、總氮的影響都不顯著，是一種較為理想的脫氟方法。

南極磷蝦，酶解液，響應面法，脫氟，氯化鈣

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南極磷蝦胰蛋白酶酶解液 實驗室自制［1］;氯化鈣、氫氧化鈉、硫酸銅、硫酸鉀、冰乙酸、檸檬酸鈉、高氯酸、氯化鈉等 均為分析純。

PHS-3C精密酸度計 上海雷磁儀器廠;HH-4電熱恒溫水浴鍋 國華企業;GL-G-Ⅱ立式離心機上海安亭科學儀器廠;JB-1A磁力攪拌器 上海精密科學儀器有限公司;PF-1氟選擇電極、232甘汞參比電極 上海雷磁精密儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 分析方法 氟含量分析:0.1mol/L高氯酸浸提-氟離子選擇電極法;氨基氮含量分析:甲醛滴定法;蛋白質含量分析:微量凱氏定氮法;數據分析: design expert 7.1.3。

1.2.2 脫氟條件的單因素優化

1.2.2.1 氯化鈣添加量的單因素實驗 向酶解液中分別添加0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH不加調整，25℃水浴反應沉降2h，4800r/min離心分離，取上清液回調pH至初始pH，測定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.2.2 初始pH的單因素實驗 向酶解液中添加適量的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH分別調整為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、11.0、12.0，25℃水浴反應沉降2h，4800r/min離心分離，取上清液回調pH至初始pH，測定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.2.3 沉降時間的單因素實驗 向酶解液中添加適量的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH不加調整，25℃水浴分別反應沉降0、0.25、0.5、1、2、3、4、5h，4800r/min離心分離，取上清液回調pH至初始pH，測定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.2.4 沉降溫度的單因素實驗 向酶解液中添加適量的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH不加調整，分別于4、25、30、35、40、45℃水浴沉降反應1h，4800r/min離心分離，取上清液回調pH至初始pH，測定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.3 響應面法優化脫氟條件 在單因素實驗的基礎上，選擇對脫氟率影響較大的氯化鈣添加量、初始pH、反應溫度三個因素，按照Box-Bohnken設計法每個因素取三個水平，以(-1，0，1)編碼進行實驗，以脫氟率為響應值，借助design expert7.1.3軟件進行數據分析并建立二次響應面經驗模型，從而尋找最佳脫氟條件。共有17個實驗，其中12個為析因點，5個為零點以估計誤差。實驗因素水平設計如表1。

表1 因素水平設計表

2 結果與討論

2.1 氟離子檢測標準曲線的繪制

由0.1mol/L高氯酸浸提-氟離子選擇電極法，獲得氟離子檢測的標準曲線方程為y=58.6x-246.16，其中，y為電勢值(mV)，x為氟離子濃度的對數［lgC (F-)］，R2為0.9998，在氟濃度0.05～500mol/L范圍內線性關系良好。

2.2 單因素實驗

2.2.1 氯化鈣添加量對脫氟的影響 由圖1可以看出，隨著氯化鈣添加量的增加，酶解液脫氟率逐漸增加，添加量超過1%后，脫氟率隨添加量的增幅變緩，這與M.Islam等［6］的研究結果類似。M.Islam認為，這可能是由于添加量大時反應活性位點重疊，有效表面積減小的緣故。實驗中還發現，氯化鈣添加量過大會使酶解液有酸澀味和苦味，而且，氯化鈣作為食品加工助劑，國標［7］中規定一般應在制成最后成品之前除去，有規定食品中殘留量的除外。因而添加量并非越大越好，綜合考慮我們認為氯化鈣添加量1%為宜。

圖1 氯化鈣添加量與脫氟率的關系

2.2.2 初始pH對脫氟率的影響 由圖2可知，隨著初始pH的升高，脫氟率呈先上升后穩定不變的趨勢，在約pH8.5時首先達到最大脫氟率，其后脫氟率基本保持不變。這與王歆然等［8］的研究結果略有不同，王歆然等的研究表明，氯化鈣與原水中的氟反應最佳pH為7.0～9.0，當pH＞10時，氟的去除率大幅降低，認為這與pH高時，Ca2+與OH-形成Ca(OH)2使Ca2+濃度降低有關。但是由本實驗結果來看，pH＞10時，脫氟率沒有大的變化，推測是由于酶解液中大量的氨基酸小肽等起到緩沖作用的緣故。

圖2 初始pH對脫氟率的影響

2.2.3 沉降時間對脫氟率的影響 據文獻［9］報道，因為Ca2+和F-生成CaF2的反應速度較慢，且形成的CaF2微細晶粒本身具有一定的溶解度，所以達到平衡時需較長的時間，脫氟反應的沉降時間對脫氟率有顯著影響。

由圖3可以看出，酶解液的吸附沉降反應非常迅速，在0.5h時已經基本達到平衡，延長沉降時間對提高脫氟率無顯著作用(78.4%～80.4%)，這與M.Islam等［6］的研究結果基本相符。因此選定沉降最佳時間為0.5h。

圖3 沉降時間對脫氟率的影響

2.2.4 沉降溫度對脫氟率的影響 由圖4可以看出，脫氟率隨溫度升高而增大。沉降溫度由4℃上升至25℃時，脫氟率顯著提高;溫度超過30℃后，脫氟率隨溫度升高變化不大，這一結果與M.Islam等［6］的報道類似。由此推測氯化鈣沉脫氟離子脫氟過程是一個吸熱過程。

圖4 沉降溫度對脫氟率的影響

2.3 響應面結果分析

響應面的設計方案及實驗結果如表2所示。

表2 Box-Bohnken設計方案及響應值結果

2.3.1 方差分析 方差分析的結果見表3。

表3 方差分析

利用軟件對實驗結果進行二次多元回歸擬合，對表2的數據進行方差分析后，除去不顯著項AC得到模型的二次多項回歸方程為:

由表3可知，失擬項不顯著(P=0.3381＜0.05)，而模型的P值＜0.0001，表明模型高度顯著。從表3還可以看出，因素一次項(A、B)、交互項(AB、BC)、二次項(A2、B2、C2)對結果影響是顯著的(P＜0.05)，一次項C對結果影響不顯著(P＞0.05)。同時，軟件分析的復相關系數R的的值為97.75%，表明模型擬合程度良好，實驗誤差小，可以用于對酶解液氯化鈣法脫氟進行分析和預測。

2.3.2 響應曲面圖分析 手動優化后，回歸方程中的交互項所作的響應面圖如圖5、圖6所示。

圖5 氯化鈣添加量與初始pH對脫氟率的影響

圖6 初始pH與反應溫度對脫氟率的影響

由圖5、圖6可以看出，在所選范圍之內，脫氟率隨氯化鈣添加量的增加和pH的升高而升高，隨溫度的升高先上升后下降。并且氯化鈣添加量與pH的交互作用比較顯著，溫度的影響不顯著，這與表3的結果一致。

2.3.3 驗證實驗 通過Design Expert7.1.3軟件對經手動優化后的回歸方程求解，在實驗的因素水平范圍內預測氯化鈣脫氟的最佳條件為:氯化鈣添加量1.38%，初始pH為9.0，反應溫度20℃，此時的酶解液脫氟率達到89.43%。在此條件下，進行三次驗證性實驗，測得的脫氟率為87.54%，與理論預測值基本吻合，平均誤差為2.11%，說明手動優化后的回歸方程對磷蝦酶解液氯化鈣脫氟的分析和預測都非?？煽?。

2.4 脫氟過程中酶解液中氨基氮的變化

單因素實驗過程中，對酶解液總氮和氨基氮指標的檢測表明，氯化鈣法脫氟對酶解液的營養成分影響不顯著(總氮損失約5%，氨基氮約3%)。圖7是響應面實驗中氨基氮損失率與脫氟率的關系圖，由圖7可見，在氯化鈣法脫氟的過程中，氨基氮損失隨脫氟率的增加而呈增加趨勢，但是損失率僅在3%左右，表明該方法對酶解液的主要營養成分破壞不顯著，是比較理想的脫氟方法。

圖7 氨基氮損失率與脫氟率的關系

3 結論

通過響應面法優化得到對南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟的最佳工藝為:氯化鈣添加量1.38%，初始pH9.0，反應溫度20℃。經驗證，脫氟后酶解液氟含量為 8.3mg/L，實際脫氟率達到理論預測值的97.89%。氯化鈣法脫氟過程對酶解液氨基氮、總氮的影響都比較小，是一種較為理想的脫氟方法，對南極磷蝦酶解液的進一步開發利用和安全食用有重要意義。

研究中發現，酶解液在氯化鈣法脫氟處理后略有苦味澀味，在進一步開發時需要將殘存的鈣離子除去或通過調味、添加掩蔽劑等掩蔽苦味，這將是今后研究中著重解決的問題。

［1］任艷.南極磷蝦蛋白加工利用的初步研究［D］.中國海洋大學，2009.

［2］Meenakshi R C.Maheshwari.Fluoride in drinking water and its removal［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137:456-463.

［3］國家標準局.GB 4809-1984食品中氟允許量標準［S］.北京:中國標準出版社，1984.

［4］陸英，劉仲華.茶葉中氟的研究進展［J］.吉首大學學報:自然科學版，2004，25(4):84-88.

［5］陳后興，羅仙平，劉立.含氟廢水處理研究進展［J］.四川有色金屬，2006(1):31-35.

［6］Islam R K.Patel.Evaluation of removal efficiency of fluoride from aqueous solution using quick lime［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，143:303-310.

［7］中華人民共和國衛生部中國國家標準化管理委員會.GB 2760-2007食品添加劑使用衛生標準［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［8］王歆然，石健，嚴淑，等.pH對氯化鈣除氟效率的影響研究［J］.消費導刊，2008(7):71-72.

［9］劉慶斌.無機含氟廢水處理的研究進展［J］.黃石理工學院學報，2009，25(4):7-10.

Study on defluoridation technology of antarctic krill hydrolyzate by adding calcium chloride

LI Hong-yan，XUE Chang-hu，WANG Ling-zhao，WANG Yu-ming，XUE Yong
(College of Food Science and Technology，Ocean University of China，Qingdao 266003，China)

Seeking a solution to the excessive content of fluoride in antarctic krill(Euphausia superba)hydrolyzate，the technology of adding calcium chloride to the hydrolyzate to lower the fluoride content was studied.Taking defluoridation rate as the evaluation index，the condition of defluoridation was optimized through response surface methodology.The results showed that the defluoridation condition was optimal when adding amount of calcium chloride was 1.38%(m/v)，initial pH was 9.0，and reaction temperature was 20℃.Under that condition，the defluoridation rate was 89.43%.Besides，the defluoridation process had insignificant effect on amino nitrogen and total nitrogen content of the hydrolyzate，suggesting that this would be an ideal method of defluoridation.

antarctic krill;hydrolyzate;response surface methodology;defluoridation;calcium chloride

TS254.1

B

1002-0306(2011)03-0330-04

南極磷蝦是21世紀人類巨大的蛋白庫，其開發利用有著廣闊的前景。任艷［1］等對南極磷蝦進行酶解獲得磷蝦蛋白酶解液，蛋白回收率可達到80%以上，是一種較為理想的磷蝦蛋白利用方式。但是，磷蝦酶解液存在氟含量過高的問題(氟含量達50～60mol/L)。氟是一種具有雙閾值性質的微量生命元素，攝入量過高會引起氟斑牙、氟骨病等一系列疾?。?］。GB4809-1984規定了食品中氟允許量的標準［3］，要求魚類(淡水)氟含量應小于2.0mg/kg，而海產品由于地域差異導致氟含量變化很大，難以規定統一的標準。我國衛生部食品氟允許量制定協作組于1981年規定，每人每天攝取氟的安全限量為3.5mg［4］。為達到安全食用的要求，需要對磷蝦酶解液中的氟進行脫除。鈣鹽沉淀法是化學沉降脫氟的常規處理方法，其原理是Ca2++2F-=CaF2↓。該方法具有簡單、處理方便、成本低等優點，在工業處理含氟廢水中得到廣泛應用［5］。本研究采用氯化鈣法對南極磷蝦酶解液進行脫氟，并對影響脫氟效果的因素(添加量、溫度、pH、反應時間等)進行研究，采用響應面法優化得到最佳脫氟工藝，為進一步探索磷蝦酶解液的加工利用，達到安全食用的要求做準備。

2010-03-26

李紅艷(1988-)，女，碩士研究生，研究方向:水產品加工與貯藏。