響應面優化超聲波輔助蝦殼快速脫鹽工藝

徐仰麗，蘇來金，2，*，葉劍，張井

（1.溫州科技職業學院，溫州市農業科學研究院，浙江溫州325006；2.上海海洋大學食品學院，上海201306）

2016年我國海水養殖對蝦總產量為127萬噸，捕撈對蝦產量為17.23萬噸，其中南美白對蝦占75%左右[1]。在對蝦加工中產生的蝦頭、蝦殼等廢棄物約占蝦體重量30%～40%[2]，這些對蝦蝦殼等下腳料大部分被廢棄或是做成低值的飼料，造成了資源的巨大浪費甚至環境污染。研究表明，蝦殼中富含生物鈣、甲殼素、殼聚糖、蝦紅素等活性物質[3-6]，但是，海水蝦的蝦殼等下腳料，大部分含有較高的鹽分，對于后續營養、活性物質的提取利用非常不利，直接浸泡清洗去鹽需要的時間較長，也易造成漂洗水的極大浪費和環境污染，因此開展蝦殼中鹽份的快速高效脫除研究，對于蝦殼進一步綜合利用、減少環境污染、提高產品附加值均具有重要意義。

超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，在食品工業中主要的應用有超聲提取、超聲滅菌、超聲干燥、超聲過濾、超聲清洗等[7-9]，也可應用于石油的脫鹽[10]，本試驗以南美白對蝦的蝦殼為原料，超聲波輔助法對蝦殼進行快速脫鹽處理，以蝦殼中氯化物脫除率（脫鹽率）為衡量指標，探討蝦殼粒徑大小、浸泡時間、浸泡溫度、液料比和超聲時間等因素對蝦殼脫鹽的影響，在單因素試驗基礎上應用響應面分析法（response surface methodology，RSM）進一步優化確定蝦殼脫鹽的最佳工藝，以期為蝦殼的綜合利用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蝦殼：溫州市錦達味業食品有限公司，為南美白對蝦制作蝦仁脫殼后的下腳料，已熟化，收集后運往實驗室；亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、硝酸銀、鉻酸鉀、氫氧化鈉（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

UltiMateTM3000高效液相色譜儀：Thermo Fisher Scientific公司；WF-18B萬能粉碎機：江陰市嘉田機械制造有限公司；WK-150A超微粉碎機：濰坊市北方制藥設備制造有限公司；FS-2000T超聲波處理器：上海生析超聲儀器有限公司；DHG9240A電熱干燥箱：上海高致精密儀器有限公司；DF-2集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：常州華奧儀器制造有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 脫鹽工藝與脫鹽率

稱取20 g蝦殼或蝦殼粉，放入500 mL燒杯中，向燒杯中加入一定量的蒸餾水后，放入集熱式恒溫加熱磁力攪拌器攪拌浸泡一定時間后，進行超聲處理，處理結束后抽慮，將蝦殼在75℃烘箱中烘干。蝦殼的脫鹽率按照以下公式計算：

脫鹽率/%=（原料蝦殼中氯化物含量-脫鹽后蝦殼中氯化物含量）/原料蝦殼中氯化物含量×100

1.2.2 蝦殼中指標含量的測定

蝦殼中鹽含量按照GB 5009.44-2016《食品安全國家標準食品中氯化物的測定》[11]進行測定，蝦殼中鈣含量按照GB 5009.92-2016《食品安全國家標準食品中鈣的測定》方法[12]進行測定，蝦殼中的蝦紅素按照文獻[13]方法進行測定，蝦殼中的甲殼素制備得率按照文獻[14]方法進行測定。

1.2.3 蝦殼粉碎程度選擇

將蝦殼烘干，使用萬能粉碎機將蝦殼粉碎至0.85 mm～3 mm大小，使用超微粉碎機將蝦殼破碎至0.025 mm～0.1 mm大小，分別稱取20 g不同粒徑大小的蝦殼粉與蝦殼放入500 mL的燒杯中，向燒杯中加入200 mL蒸餾水，50℃水浴，超聲波處理20 min后，抽慮，將蝦殼與蝦殼粉分別烘干，比較不同粉碎程度對蝦殼脫鹽的影響。

1.2.4 脫鹽工藝優化試驗設計

1.2.4.1 單因素試驗

根據預試驗結果，選取浸泡時間、浸泡溫度、液料比、超聲處理時間4個因素進行單因素試驗。在浸泡溫度55℃，液料比 10∶1（mL/g），超聲時間 10 min 條件下，考察不同浸泡時間（5、10、20、40、60、80 min）對蝦殼脫鹽的影響。在浸泡時間 20 min，液料比 10∶1（mL/g），超聲時間20 min條件下，考察不同浸泡溫度（25、35、45、55、65、75℃）對蝦殼脫鹽的影響。在浸泡溫度55℃，浸泡時間20 min，超聲時間10 min條件下，考察不同液料比[4 ∶1、6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1、12 ∶1、14 ∶1（mL/g）]對蝦殼脫鹽的影響。在浸泡溫度55℃，浸泡時間20 min，液料比 10 ∶1（mL/g），考察超聲時間（0、5、10、15、20、25 min）對蝦殼脫鹽的影響。

1.2.4.2 響應面試驗

根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，基于單因素試驗結果，考慮到實際生產中的能耗問題和操作，蝦殼浸泡溫度選擇55℃固定不變，選取浸泡時間、液料比、超聲時間這3個因素，對蝦殼脫鹽工藝條件設計三因素三水平試驗（見表1），優化工藝參數。

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

1.2.5 數據處理

采用Excel 2010對試驗數據整理，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析、多重比較分析，試驗數據以平均值±標準偏差（±s）（n=3）表示，顯著性水平p＜0.05為差異顯著，p＜0.01為差異極顯著，制圖使用Origin8.0軟件制作，響應面分析采用Design-Expert8.0.6軟件。

2 結果與分析

2.1 蝦殼粉碎程度對脫鹽的影響

將不同粗細的蝦殼經過相同脫鹽工藝條件的處理后，蝦殼的脫鹽率見表2。

表2 粒徑大小對蝦殼脫鹽的影響Table 2 Effect of particle size on desalination of shrimp shell

由表2可知，隨著蝦殼粒徑變小，蝦殼脫鹽率先增大后降減小，可能是蝦殼粒徑大時，上面附著較多的肌肉，接觸面積不夠充分，造成鹽的溶出緩慢；在蝦殼粒徑過小時，蝦殼粉與水容易形成膠體狀黏稠物，不利于過濾，鹽分也殘留在蝦殼粉中，因此，后續試驗選擇將蝦殼打碎成0.85 mm～3 mm大小的顆粒來進行脫鹽。

2.2 單因素試驗結果與分析

2.2.1 浸泡時間對蝦殼脫鹽率的影響

不同浸泡時間對蝦殼中脫鹽率的影響結果見圖1。

圖1 浸泡時間對蝦殼脫鹽率的影響Fig.1 Effect of soaking time on the desalination rate of shrimp shell

從圖1中看出，隨著浸泡時間的增加，蝦殼脫鹽率逐漸上升，當時間為20 min時，蝦殼脫鹽率開始趨于穩定（p＞0.05），可能是蝦殼中的鹽已基本溶解到溶液中，考慮到生產中節約時間提高效率，選取10 min～20 min的浸泡時間，進行后續響應面優化試驗。

2.2.2 浸泡溫度對蝦殼脫鹽率的影響

不同浸泡溫度對蝦殼脫鹽率的影響見圖2。

圖2 浸泡溫度對蝦殼脫鹽的影響Fig.2 Effect of soaking temperature on desalination of shrimp shell

從圖2中可以看出，在25℃～75℃范圍內，隨著溫度的升高，蝦殼的脫鹽率先上升，到55℃時開始逐漸穩定，雖然溫度不斷升高有助于加速分子運動，促進鹽的溶出，但是當溶液體系達到平衡后，溫度對蝦殼脫鹽影響開始不明顯，反而會浪費熱量，使水分揮發，考慮到實際生產中的能耗問題和操作，蝦殼浸泡溫度選擇55℃固定不變，通過改變其他因素來進行后續優化。

2.2.3 液料比對蝦殼脫鹽的影響

不同液料比對蝦殼脫鹽的影響見圖3。

圖3 液料比對蝦殼脫鹽率的影響Fig.3 Effect of the liquid to solid ratio on desalination of shrimp shell

從圖 3 中看出，當液料比為 4∶1（mL/g）～14∶1（mL/g）范圍內，蝦殼脫鹽率逐步增加，在液料比10∶1（mL/g）時脫鹽率開始趨于平穩，這可能是當水添加量很少時，蝦殼粉變得黏稠，鹽溶出困難，難過濾，導致脫鹽率不高；當水添加量過多時，體積過大，超聲促進鹽溶出效果開始變得不明顯，另外考慮到液料比過大，造成資源的浪費，因此，選擇液料比范圍為8∶1（mL/g）～10 ∶1（mL/g），進行后續響應面優化試驗。

2.2.4 超聲時間對蝦殼脫鹽率的影響

不同超聲時間對蝦殼脫鹽率的影響見圖4。

圖4 超聲時間對蝦殼脫鹽率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on the desalination of shrimp shell

隨著超聲時間的延長，蝦殼脫鹽率先逐漸上升，超聲10 min后蝦殼脫鹽率趨于穩定，超聲過久脫鹽率有下降趨勢，這可能是在一定的超聲時間內，超聲促進了鹽的溶出，當體系達到穩定時超聲效果作用不大，超聲時間過久，溫度會上升，促進水分的揮發，反而不利于鹽分的分離，因此，將超聲時間選擇在10 min～15 min范圍，進行后續響應面優化試驗。

2.3 響應面結果與分析

2.3.1 響應面設計試驗結果與模型建立

根據Design-Expert軟件設計，響應面試驗結果見表3。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

從表3中可以看出，蝦殼脫鹽率在61.21%～89.80%之間，根據表3，利用Design Expert對各因素回歸擬合得到蝦殼脫鹽率Y對編碼自變量浸泡時間（A）、液料比（B）、超聲時間（C）的回歸方程，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

回歸模型方差分析結果見表4，利用軟件開展模型可信度分析結果見表5。

表4 回歸模型方差分析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，從表4中可以看出，模型p＜0.000 1，模型極顯著；失擬項 p＞0.05，不顯著。其中，A、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2的 p＜0.01，差異極顯著，B 因素差異不顯著。從表5中可以看出，模型的擬合度R2=0.998 9，說明該模型擬合程度良好；變異系數小于10%，表明可靠性較高；信噪比為71.581，遠大于4，說明該模型可以用于指導試驗設計。

2.3.3 因素間相互作用

根據軟件得出的回歸模型各因素相互之間作用的曲面圖和等高線圖見圖5、圖6、圖7。

圖5 浸泡時間與液料比間交互作用Fig.5 Interaction between soaking time and liquid to solid ratio

圖7 液料比與超聲時間交互作用Fig.7 Interaction between liquid to solid ratio and ultrasonic time

從圖5、圖6、圖7可以看出，浸泡時間、液料比、超聲時間的等高線圖呈橢圓形狀[15-16]，說明三者之間的兩兩交互作用顯著，與方差分析結果一致；浸泡時間、超聲時間的曲面顯示變化均比較陡峭，說明浸泡時間、超聲時間對脫鹽率影響顯著，相比之下，液料比的曲面變化較為緩和，說明料液比對蝦殼的脫鹽率的影響不如浸泡時間、超聲時間顯著，與方差分析結果一致。

2.4 最佳條件確定與工藝條件驗證

以脫鹽率最大值為評價指標，應用建立的模型，預測出最佳工藝條件：浸泡時間15.13 min，液料比9 ∶1（mL/g），超聲時間 12.30 min，預測的蝦殼脫鹽率可達到89.92%。

考慮到實際應用，修正工藝條件浸泡時間15 min，液料比 9 ∶1（mL/g），超聲時間 12 min，在此條件下試驗3次，實際測得脫鹽率為89.16%、89.48%和89.77%，平均值為89.47%，與理論值非常接近，可見該模型優化的最佳工藝條件具有可靠性。

2.5 脫鹽前后蝦殼中主要成分變化情況

通過本文建立的脫鹽方法，對蝦殼脫鹽，脫鹽前后對蝦殼中氯化物、粗蛋白、甲殼素、蝦紅素等主要成分進行檢測，其變化情況見表6。

從表6中可以看出，脫鹽后蝦殼中氯化物和粗蛋白含量有了明顯的下降，鈣、蝦紅素、甲殼素等均沒有損失，反而由于雜質的去除，所占比例有所上升，表明本文優化的蝦殼脫鹽方法，可以用于鈣、蝦紅素、甲殼素提取的前處理方法。

表6 脫鹽前后蝦殼中主要成分的含量變化Table 6 The changes of main components in shrimp shell before and after desalination

3 結論

利用超聲波輔助方法對蝦殼進行快速脫鹽，以脫鹽率為評價指標，經過單因素和響應面分析建立最佳脫鹽工藝模型，在蝦殼粒徑為0.85 mm～3 mm、浸泡溫度55℃條件下，根據實際確定最佳條件為浸泡時間為15 min，液料比 9 ∶1（mL/g），超聲時間 12 min，在此條件下蝦殼脫鹽率達到89.47%，脫鹽后蝦殼中氯化物和粗蛋白有了明顯的下降，其鈣、蝦紅素、甲殼素等均沒有損失，比例有所上升，本文優化的蝦殼脫鹽方法，可作為蝦殼鈣、蝦紅素、甲殼素等綜合利用的前處理方法。