徐仰丽，苏来金，2，*，叶剑，张井

（1.温州科技职业学院，温州市农业科学研究院，浙江温州325006；2.上海海洋大学食品学院，上海201306）

2016年我国海水养殖对虾总产量为127万吨，捕捞对虾产量为17.23万吨，其中南美白对虾占75%左右[1]。在对虾加工中产生的虾头、虾壳等废弃物约占虾体重量30%～40%[2]，这些对虾虾壳等下脚料大部分被废弃或是做成低值的饲料，造成了资源的巨大浪费甚至环境污染。研究表明，虾壳中富含生物钙、甲壳素、壳聚糖、虾红素等活性物质[3-6]，但是，海水虾的虾壳等下脚料，大部分含有较高的盐分，对于后续营养、活性物质的提取利用非常不利，直接浸泡清洗去盐需要的时间较长，也易造成漂洗水的极大浪费和环境污染，因此开展虾壳中盐份的快速高效脱除研究，对于虾壳进一步综合利用、减少环境污染、提高产品附加值均具有重要意义。

超声波是频率高于20 000 Hz的声波，在食品工业中主要的应用有超声提取、超声灭菌、超声干燥、超声过滤、超声清洗等[7-9]，也可应用于石油的脱盐[10]，本试验以南美白对虾的虾壳为原料，超声波辅助法对虾壳进行快速脱盐处理，以虾壳中氯化物脱除率（脱盐率）为衡量指标，探讨虾壳粒径大小、浸泡时间、浸泡温度、液料比和超声时间等因素对虾壳脱盐的影响，在单因素试验基础上应用响应面分析法（response surface methodology，RSM）进一步优化确定虾壳脱盐的最佳工艺，以期为虾壳的综合利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

虾壳：温州市锦达味业食品有限公司，为南美白对虾制作虾仁脱壳后的下脚料，已熟化，收集后运往实验室；亚铁氰化钾、乙酸锌、硝酸银、铬酸钾、氢氧化钠（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

UltiMateTM3000高效液相色谱仪：Thermo Fisher Scientific公司；WF-18B万能粉碎机：江阴市嘉田机械制造有限公司；WK-150A超微粉碎机：潍坊市北方制药设备制造有限公司；FS-2000T超声波处理器：上海生析超声仪器有限公司；DHG9240A电热干燥箱：上海高致精密仪器有限公司；DF-2集热式恒温加热磁力搅拌器：常州华奥仪器制造有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 脱盐工艺与脱盐率

称取20 g虾壳或虾壳粉，放入500 mL烧杯中，向烧杯中加入一定量的蒸馏水后，放入集热式恒温加热磁力搅拌器搅拌浸泡一定时间后，进行超声处理，处理结束后抽虑，将虾壳在75℃烘箱中烘干。虾壳的脱盐率按照以下公式计算：

脱盐率/%=（原料虾壳中氯化物含量-脱盐后虾壳中氯化物含量）/原料虾壳中氯化物含量×100

1.2.2 虾壳中指标含量的测定

虾壳中盐含量按照GB 5009.44-2016《食品安全国家标准食品中氯化物的测定》[11]进行测定，虾壳中钙含量按照GB 5009.92-2016《食品安全国家标准食品中钙的测定》方法[12]进行测定，虾壳中的虾红素按照文献[13]方法进行测定，虾壳中的甲壳素制备得率按照文献[14]方法进行测定。

1.2.3 虾壳粉碎程度选择

将虾壳烘干，使用万能粉碎机将虾壳粉碎至0.85 mm～3 mm大小，使用超微粉碎机将虾壳破碎至0.025 mm～0.1 mm大小，分别称取20 g不同粒径大小的虾壳粉与虾壳放入500 mL的烧杯中，向烧杯中加入200 mL蒸馏水，50℃水浴，超声波处理20 min后，抽虑，将虾壳与虾壳粉分别烘干，比较不同粉碎程度对虾壳脱盐的影响。

1.2.4 脱盐工艺优化试验设计

1.2.4.1 单因素试验

根据预试验结果，选取浸泡时间、浸泡温度、液料比、超声处理时间4个因素进行单因素试验。在浸泡温度55℃，液料比 10∶1（mL/g），超声时间 10 min 条件下，考察不同浸泡时间（5、10、20、40、60、80 min）对虾壳脱盐的影响。在浸泡时间 20 min，液料比 10∶1（mL/g），超声时间20 min条件下，考察不同浸泡温度（25、35、45、55、65、75℃）对虾壳脱盐的影响。在浸泡温度55℃，浸泡时间20 min，超声时间10 min条件下，考察不同液料比[4 ∶1、6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1、12 ∶1、14 ∶1（mL/g）]对虾壳脱盐的影响。在浸泡温度55℃，浸泡时间20 min，液料比 10 ∶1（mL/g），考察超声时间（0、5、10、15、20、25 min）对虾壳脱盐的影响。

1.2.4.2 响应面试验

根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理，基于单因素试验结果，考虑到实际生产中的能耗问题和操作，虾壳浸泡温度选择55℃固定不变，选取浸泡时间、液料比、超声时间这3个因素，对虾壳脱盐工艺条件设计三因素三水平试验（见表1），优化工艺参数。

表1 响应面因素水平表Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.2.5 数据处理

采用Excel 2010对试验数据整理，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析、多重比较分析，试验数据以平均值±标准偏差（±s）（n=3）表示，显著性水平p＜0.05为差异显著，p＜0.01为差异极显著，制图使用Origin8.0软件制作，响应面分析采用Design-Expert8.0.6软件。

2 结果与分析

2.1 虾壳粉碎程度对脱盐的影响

将不同粗细的虾壳经过相同脱盐工艺条件的处理后，虾壳的脱盐率见表2。

表2 粒径大小对虾壳脱盐的影响Table 2 Effect of particle size on desalination of shrimp shell

由表2可知，随着虾壳粒径变小，虾壳脱盐率先增大后降减小，可能是虾壳粒径大时，上面附着较多的肌肉，接触面积不够充分，造成盐的溶出缓慢；在虾壳粒径过小时，虾壳粉与水容易形成胶体状黏稠物，不利于过滤，盐分也残留在虾壳粉中，因此，后续试验选择将虾壳打碎成0.85 mm～3 mm大小的颗粒来进行脱盐。

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 浸泡时间对虾壳脱盐率的影响

不同浸泡时间对虾壳中脱盐率的影响结果见图1。

图1 浸泡时间对虾壳脱盐率的影响Fig.1 Effect of soaking time on the desalination rate of shrimp shell

从图1中看出，随着浸泡时间的增加，虾壳脱盐率逐渐上升，当时间为20 min时，虾壳脱盐率开始趋于稳定（p＞0.05），可能是虾壳中的盐已基本溶解到溶液中，考虑到生产中节约时间提高效率，选取10 min～20 min的浸泡时间，进行后续响应面优化试验。

2.2.2 浸泡温度对虾壳脱盐率的影响

不同浸泡温度对虾壳脱盐率的影响见图2。

图2 浸泡温度对虾壳脱盐的影响Fig.2 Effect of soaking temperature on desalination of shrimp shell

从图2中可以看出，在25℃～75℃范围内，随着温度的升高，虾壳的脱盐率先上升，到55℃时开始逐渐稳定，虽然温度不断升高有助于加速分子运动，促进盐的溶出，但是当溶液体系达到平衡后，温度对虾壳脱盐影响开始不明显，反而会浪费热量，使水分挥发，考虑到实际生产中的能耗问题和操作，虾壳浸泡温度选择55℃固定不变，通过改变其他因素来进行后续优化。

2.2.3 液料比对虾壳脱盐的影响

不同液料比对虾壳脱盐的影响见图3。

图3 液料比对虾壳脱盐率的影响Fig.3 Effect of the liquid to solid ratio on desalination of shrimp shell

从图 3 中看出，当液料比为 4∶1（mL/g）～14∶1（mL/g）范围内，虾壳脱盐率逐步增加，在液料比10∶1（mL/g）时脱盐率开始趋于平稳，这可能是当水添加量很少时，虾壳粉变得黏稠，盐溶出困难，难过滤，导致脱盐率不高；当水添加量过多时，体积过大，超声促进盐溶出效果开始变得不明显，另外考虑到液料比过大，造成资源的浪费，因此，选择液料比范围为8∶1（mL/g）～10 ∶1（mL/g），进行后续响应面优化试验。

2.2.4 超声时间对虾壳脱盐率的影响

不同超声时间对虾壳脱盐率的影响见图4。

图4 超声时间对虾壳脱盐率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on the desalination of shrimp shell

随着超声时间的延长，虾壳脱盐率先逐渐上升，超声10 min后虾壳脱盐率趋于稳定，超声过久脱盐率有下降趋势，这可能是在一定的超声时间内，超声促进了盐的溶出，当体系达到稳定时超声效果作用不大，超声时间过久，温度会上升，促进水分的挥发，反而不利于盐分的分离，因此，将超声时间选择在10 min～15 min范围，进行后续响应面优化试验。

2.3 响应面结果与分析

2.3.1 响应面设计试验结果与模型建立

根据Design-Expert软件设计，响应面试验结果见表3。

表3 响应面试验设计与结果Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

从表3中可以看出，虾壳脱盐率在61.21%～89.80%之间，根据表3，利用Design Expert对各因素回归拟合得到虾壳脱盐率Y对编码自变量浸泡时间（A）、液料比（B）、超声时间（C）的回归方程，即 Y=89.07+1.00×A-0.10×B-1.17×C-3.16×A×B+4.34×A×C-3.43×B×C-11.95×A2-15.52×B2-6.61×C2

2.3.2 方差分析

回归模型方差分析结果见表4，利用软件开展模型可信度分析结果见表5。

表4 回归模型方差分析Table 4 Analysis and statistical parameters of regression model

表5 模型的可信度分析Table 5 The credibility analysis of the model

其中，从表4中可以看出，模型p＜0.000 1，模型极显著；失拟项 p＞0.05，不显著。其中，A、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2的 p＜0.01，差异极显著，B 因素差异不显著。从表5中可以看出，模型的拟合度R2=0.998 9，说明该模型拟合程度良好；变异系数小于10%，表明可靠性较高；信噪比为71.581，远大于4，说明该模型可以用于指导试验设计。

2.3.3 因素间相互作用

根据软件得出的回归模型各因素相互之间作用的曲面图和等高线图见图5、图6、图7。

图5 浸泡时间与液料比间交互作用Fig.5 Interaction between soaking time and liquid to solid ratio

图7 液料比与超声时间交互作用Fig.7 Interaction between liquid to solid ratio and ultrasonic time

从图5、图6、图7可以看出，浸泡时间、液料比、超声时间的等高线图呈椭圆形状[15-16]，说明三者之间的两两交互作用显著，与方差分析结果一致；浸泡时间、超声时间的曲面显示变化均比较陡峭，说明浸泡时间、超声时间对脱盐率影响显著，相比之下，液料比的曲面变化较为缓和，说明料液比对虾壳的脱盐率的影响不如浸泡时间、超声时间显著，与方差分析结果一致。

2.4 最佳条件确定与工艺条件验证

以脱盐率最大值为评价指标，应用建立的模型，预测出最佳工艺条件：浸泡时间15.13 min，液料比9 ∶1（mL/g），超声时间 12.30 min，预测的虾壳脱盐率可达到89.92%。

考虑到实际应用，修正工艺条件浸泡时间15 min，液料比 9 ∶1（mL/g），超声时间 12 min，在此条件下试验3次，实际测得脱盐率为89.16%、89.48%和89.77%，平均值为89.47%，与理论值非常接近，可见该模型优化的最佳工艺条件具有可靠性。

2.5 脱盐前后虾壳中主要成分变化情况

通过本文建立的脱盐方法，对虾壳脱盐，脱盐前后对虾壳中氯化物、粗蛋白、甲壳素、虾红素等主要成分进行检测，其变化情况见表6。

从表6中可以看出，脱盐后虾壳中氯化物和粗蛋白含量有了明显的下降，钙、虾红素、甲壳素等均没有损失，反而由于杂质的去除，所占比例有所上升，表明本文优化的虾壳脱盐方法，可以用于钙、虾红素、甲壳素提取的前处理方法。

表6 脱盐前后虾壳中主要成分的含量变化Table 6 The changes of main components in shrimp shell before and after desalination

3 结论

利用超声波辅助方法对虾壳进行快速脱盐，以脱盐率为评价指标，经过单因素和响应面分析建立最佳脱盐工艺模型，在虾壳粒径为0.85 mm～3 mm、浸泡温度55℃条件下，根据实际确定最佳条件为浸泡时间为15 min，液料比 9 ∶1（mL/g），超声时间 12 min，在此条件下虾壳脱盐率达到89.47%，脱盐后虾壳中氯化物和粗蛋白有了明显的下降，其钙、虾红素、甲壳素等均没有损失，比例有所上升，本文优化的虾壳脱盐方法，可作为虾壳钙、虾红素、甲壳素等综合利用的前处理方法。