李逢振，马美湖，张雯亭，宾冬梅

(1.湖南环境生物职业技术学院生物工程学院，湖南衡阳421005; 2.华中农业大学食品科技学院，湖北武汉430070; 3.湖南环境生物职业技术学院财务处，湖南衡阳421005)

柠檬酸钙也称为枸橼酸钙，因其口感好，生物利用率高，是一种重要的钙强化资源，具有广阔的应用前景。现代工业生产中通常将石灰或碳酸钙与柠檬酸水溶液中和制取柠檬酸钙。鸡蛋壳中的钙主要以碳酸钙的形式存在，约占整个蛋壳质量的95%［1］，是一种天然的绿色钙源。目前，国内对蛋壳资源的利用率还很低，蛋壳常常被当作废物而被抛弃掉［2］。这些废弃的蛋壳中极易滋生蚊蝇，污染环境。本研究就是以鸡蛋壳为原料，寻求一种合适的方法利用鸡蛋壳中的碳酸钙制备柠檬酸钙［3］，使其可以作为一种具有生物活性的螯合剂［4］、缓冲剂、组织凝固剂以及钙质强化剂应用于食品工业中，使其变废为宝，既可以充分挖掘蛋壳中潜在的生物资源，又可以保护我们赖以生存的生态环境。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鸡蛋壳 北京德青源农业科技股份有限公司提供;柠檬酸、草酸铵、乙酸、三乙醇胺、氯化钠、乙二胺四乙酸二钠 国药集团化学试剂有限公司;盐酸 湖南株洲石英化玻有限公司;氢氧化钠 湖南汇虹试剂有限公司;钙试剂羧酸钠 上海灵锦精细化工有限公司，以上所用试剂均为分析纯。

SX2-4-10型箱式电炉 长沙市远东电炉厂; DGG-9070型电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司;HH-8型数显恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司;SF-130型粉碎机 长沙中南制药机械厂;AE100型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 操作要点

1.2.1.1 蛋壳预处理阶段 首先用清水浸泡蛋壳30m in。然后将浸泡好的蛋壳用流水冲洗，去除蛋壳上附着的残留蛋清、泥土等污物。再将清洗好的蛋壳放在通风处自然晾干。将晾干后的蛋壳移入110℃的电热鼓风干燥箱中烘干2h。干燥好的蛋壳经粉碎机粉碎，过80目筛，贮存备用。

1.2.1.2 高温煅烧阶段 称取一定量的蛋壳粉置于箱式电炉内900℃下煅烧2.5h，得白色蛋壳灰分。经盐酸检验，判断其是否已完全分解。

1.2.1.3 中和反应阶段 称取一定量的蛋壳灰分，加入蒸馏水配制成石灰乳，置于恒温水浴锅内，缓慢加入一定量柠檬酸并搅拌使其充分反应1h，过滤溶液。

1.2.1.4 分离提纯阶段 加入蒸馏水，洗涤反应生成的柠檬酸钙，除去其表面附着的残留物。将洗涤后的柠檬酸钙置于电热鼓风干燥箱内100℃下烘干2h。研细、过筛得白色粉末状柠檬酸钙成品。

1.2.2 煅烧分解条件的筛选实验 称取10g蛋壳粉在不同的温度时间组合条件下进行煅烧，煅烧温度分为4个水平，分别为750、800、850、900℃;煅烧时间分为5个水平，分别为60、90、120、150、180m in。观察蛋壳粉不同的煅烧温度时间组合条件煅烧后蛋壳灰分的外观，选择灰分外观呈白色的温度时间组合的样品，滴加3mol/L的盐酸判断其分解情况，从中选择最佳煅烧分解条件组合。

1.2.3 中和反应条件的筛选实验 中和反应阶段，为了使中和反应完全，提高最终柠檬酸钙成品的产量，以及成品中有效柠檬酸钙的含量。综合考虑蛋壳灰分加水量、柠檬酸浓度、柠檬酸用量、中和反应温度等四个因素，每个因素考察三个水平进行正交实验。即称取2.5g的蛋壳灰分在不同的加水量(A)，加入不同柠檬酸浓度(B)、不同浓度柠檬酸用量(C)、在不同温度(D)的恒温水浴锅中进行中和反应，具体实验方案见表1。分别测定各实验组柠檬酸钙的产率和含量，并转换成综合加权评分值进行极差分析。

表1 正交实验的影响因素和水平Table1 The influence factor and level of the orthogonal experiment

1.2.4 测定项目与分析方法

1.2.4.1 柠檬酸钙鉴别实验方法 称取0.5g样品，在较低的温度下完全灼烧，待样品冷却后将残余物溶于10m L的蒸馏水和1m L 1mol/L乙酸的混合液中，过滤溶液，向滤液中加入10m L 1mol/L草酸铵溶液，滤液中产生大量的白色沉淀，再滴加盐酸，沉淀溶解消失［7］。

1.2.4.2 柠檬酸钙产率的计算方法 蛋壳中95%的组分为矿物质，本实验中将其所含各种矿物质均以CaCO3计算，由此可得到一定用量的蛋壳粉所生成柠檬酸钙的理论产量。柠檬酸钙的产率数值以%表示，按式(1)计算

1.2.4.3 柠檬酸钙含量测定方法 预先将待测样品在150℃下烘至恒重，准确称取350～400mg样品(精确至0.0001g)，加入10m L蒸馏水和2m L 3mol/L盐酸溶液，待样品完全溶解后加水稀释至100m L，加入5m L 30%的三乙醇胺溶液和15m L 1mol/L氢氧化钠溶液，摇匀。调节pH大于13，加入0.1g钙指示剂(配制方法:称取10g预先在105～110℃下烘干2h的氯化钠，置于研钵内研细，加入0.1g钙试剂羧酸钠，研细混匀)，用0.05mol/L的乙二胺四乙酸二钠标准溶液滴定至溶液由紫红色变为纯蓝色即为终点［5］。

式中:V表示0.05mol/L乙二胺四乙酸二钠标准溶液消耗的体积(m L);F表示0.05mol/L乙二胺四乙酸二钠标准溶液实际浓度与0.05的比值;m表示样品的质量(g);8.307为每消耗1m L 0.05mol/L的乙二胺四乙酸盐相当于8.307mg的柠檬酸钙。

1.2.4.4 综合加权评分法 综合加权评分法是根据每个指标的权值将多指标实验的结果化为一个单指标的实验结果，然后利用单指标实验结果的分析方法分析其实验结果的一种分析方法。本实验在研究过程中引入综合加权评分法将柠檬酸钙的产率和含量两项指标转化为单指标——综合加权评分值，利用综合加权评分值进行分析和计算并得出结论。综合加权评分值fj按式(3)计算

实验中柠檬酸钙的产率和含量两项指标对结果都会产生影响，在实际生产应用中柠檬酸钙的含量将直接影响到它的质量级别和经济价值，故给予分值0.6;产率分值为0.4。含量综合权重wij和产率综合权重w＇ij分别按式(4)～式(5)计算

式中:Kmax-实验组中质量分数/产率的最大值; Kmin-实验组中质量分数/产率的最小值［6-8］。

2 结果与分析

2.1 鸡蛋壳最佳煅烧分解条件的确定

称取10g蛋壳粉在不同煅烧温度时间组合条件下进行煅烧，观察煅烧后蛋壳灰分的外观，并通过滴加3mol/L的盐酸判断其分解情况，实验结果见表2～表3。

表2 不同煅烧温度和时间的灰分外观Table2 The appearance of ash content at different calcinate temperature and time

表3 加酸分解情况Table3 The condition of resolution in acidification

由表2～表3可知，蛋壳粉在不同的煅烧温度时间组合条件下进行煅烧后，蛋壳灰分外观呈现灰黑色、灰褐色、灰白色、灰色和白色五种颜色。外观呈灰黑色、灰褐色和灰白色的实验组说明蛋壳粉煅烧不完全，因此选择灰分外观呈白色的温度时间组合的样品进行下一步实验。滴加3mol/L的盐酸判断其分解情况，综合考虑煅烧成本、蛋壳分解率等因素，筛选出鸡蛋壳完全分解的较优的煅烧分解条件组合为:煅烧温度900℃;煅烧时间2h。

鸡蛋壳的平均化学成分为:有机物占4.0%;碳酸钙占93.0%;碳酸镁占1.0%;磷酸钙及磷酸镁占2.0%［9］。理论上计算100g蛋壳粉经过煅烧得到的蛋壳灰分得率为52.53%±0.50%。称取25g蛋壳粉在最佳煅烧分解条件下进行煅烧，精确称量坩埚净重、煅烧前后总重、蛋壳灰分重，得到最佳煅烧分解条件下蛋壳的分解率。通过4组平行实验得出蛋壳灰分得率为52.53%±0.27%，由此判断在最佳煅烧条件组合下煅烧的蛋壳已完全分解。

2.2 最佳中和反应条件的确定

中和反应过程中，采用正交实验方法对灰分加水量(A)、柠檬酸浓度(B)、柠檬酸用量(C)、水浴加热温度(D)各个因素进行优选实验，正交实验结果见表4。

由表4可知，将产率和含量进行综合评分，再通过对综合评分进行极差分析［10］，由极差大小分析得出，各因素对其指标质量的影响顺序依次为:B柠檬酸浓度＞D水浴加热温度＞C柠檬酸用量＞A灰分加水量。最佳中和反应条件为:A2B1C2D3。即灰分加水量为50m L;柠檬酸浓度为1mol/L;柠檬酸用量为35m L;水浴加热温度为70℃。在最佳中和反应条件下进行4次平行实验，实验结果表明在最佳中和反应条件下蛋壳柠檬酸钙的产率和含量比较稳定，蛋壳柠檬酸钙产率为 84.36% ±0.48%，含量为87.84%±0.51%。

表4 正交实验表Table4 The table of orthogonal experiment

2.3 干燥条件

反应生成的柠檬酸钙为结晶水合物。其所含的结晶水当加热至100℃时逐渐失去水分，120℃时完全失水。实验过程中为保留其所含的结晶水分子以及缩短干燥时间，采用二次变温干燥。即在刚开始的1h内采用110℃高温，然后采用85℃的低温继续干燥至恒重。实验结果如图1所示。

图1 样品干燥曲线图Fig.1 The graph of a sample drying

由图1可以看出样品在前期进行110℃高温处理时样品中大部分水分已经得到蒸发，样品重量迅速降低。后期在85℃的低温条件下干燥，水分蒸发缓慢。结晶水分子得到保留，在3.5h左右样品重量已趋于恒重，为了保证干燥效果，确定干燥时间为4h。

3 结论

本研究利用鸡蛋壳制取柠檬酸钙，充分挖掘了鸡蛋壳中潜在的利用价值，降低了柠檬酸钙的生产成本。综合以上分析结果，以鸡蛋壳为原料采用高温煅烧法制备柠檬酸钙。最佳的煅烧分解条件为:煅烧温度900℃，煅烧时间2h;最佳的中和反应条件为:灰分加水量为50m L，柠檬酸浓度为1mol/L，柠檬酸用量为35m L，水浴加热温度为70℃。该条件下柠檬酸钙的产率为84.36%±0.48%，生成物中柠檬酸钙的含量为87.84%±0.51%。生成的柠檬酸钙采用二次变温干燥，干燥时间为4h。

［1］Georgia Tech.科学家与企业合作开发废弃蛋壳新用途［J］.中国家禽，2007，29(7):54.

［2］谢协志，孙学军.用鸡蛋壳制备食品强化剂-柠檬酸钙［J］.食品工业科技，1996，17(3):53-57.

［3］盛淑玲，郑学锋，孟凡清.鸡蛋壳制备柠檬酸钙的研究［J］.许昌学院学报，2003，22(2):115-117.

［4］宾冬梅，易诚，马美湖，等.利用蛋壳生产柠檬酸钙的初步研究［J］.现代食品科技，2006，22(3):5-9.

［5］GB 17203-1998，食品添加剂柠檬酸钙［S］.

［6］李逢振，马美湖，李彦坡，等.鸡蛋壳直接中和制取乳酸钙的工艺［J］.农业工程学报，2010，26(2):370-374.

［7］吴建民，陶菊春.用综合加权评分法优化钻井泥浆配方的研究［J］.农业工程学报，2002，18(2):45-48.

［8］陶菊春，吴建民.综合加权评分法的综合权重确定新探［J］.系统工程理论与实践，2001(8):43-49.

［9］李逢振，马美湖.利用蛋壳制取有机钙的方法［J］.中国家禽，2008，30(4):55-56.

［10］王钦德，杨坚.食品实验设计与统计分析［M］.北京:中国农业大学出版社，2003，1:349-352.