響應(yīng)面優(yōu)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(yè)學(xué)院，溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江溫州325006；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

2016年我國海水養(yǎng)殖對蝦總產(chǎn)量為127萬噸，捕撈對蝦產(chǎn)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(chǎn)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(fèi)甚至環(huán)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(zhì)[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(xù)營養(yǎng)、活性物質(zhì)的提取利用非常不利，直接浸泡清洗去鹽需要的時(shí)間較長，也易造成漂洗水的極大浪費(fèi)和環(huán)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(jìn)一步綜合利用、減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)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(yè)中主要的應(yīng)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(yīng)用于石油的脫鹽[10]，本試驗(yàn)以南美白對蝦的蝦殼為原料，超聲波輔助法對蝦殼進(jìn)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(biāo)，探討蝦殼粒徑大小、浸泡時(shí)間、浸泡溫度、液料比和超聲時(shí)間等因素對蝦殼脫鹽的影響，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)面分析法（response surface methodology，RSM）進(jìn)一步優(yōu)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(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蝦殼：溫州市錦達(dá)味業(yè)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(yùn)往實(shí)驗(yàn)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(tuán)化學(xué)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(jī)：江陰市嘉田機(jī)械制造有限公司；WK-150A超微粉碎機(jī)：濰坊市北方制藥設(shè)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(yàn)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(shí)間后，進(jìn)行超聲處理，處理結(jié)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(jì)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(biāo)含量的測定

蝦殼中鹽含量按照GB 5009.44-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中氯化物的測定》[11]進(jìn)行測定，蝦殼中鈣含量按照GB 5009.92-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鈣的測定》方法[12]進(jìn)行測定，蝦殼中的蝦紅素按照文獻(xiàn)[13]方法進(jìn)行測定，蝦殼中的甲殼素制備得率按照文獻(xiàn)[14]方法進(jìn)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(jī)將蝦殼粉碎至0.85 mm～3 mm大小，使用超微粉碎機(jī)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(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.4.1 單因素試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選取浸泡時(shí)間、浸泡溫度、液料比、超聲處理時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在浸泡溫度55℃，液料比 10∶1（mL/g），超聲時(shí)間 10 min 條件下，考察不同浸泡時(shí)間（5、10、20、40、60、80 min）對蝦殼脫鹽的影響。在浸泡時(shí)間 20 min，液料比 10∶1（mL/g），超聲時(shí)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(shí)間20 min，超聲時(shí)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(shí)間20 min，液料比 10 ∶1（mL/g），考察超聲時(shí)間（0、5、10、15、20、25 min）對蝦殼脫鹽的影響。

1.2.4.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，考慮到實(shí)際生產(chǎn)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(shí)間、液料比、超聲時(shí)間這3個(gè)因素，對蝦殼脫鹽工藝條件設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)（見表1），優(yōu)化工藝參數(shù)。

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

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、多重比較分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)面分析采用Design-Expert8.0.6軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 蝦殼粉碎程度對脫鹽的影響

將不同粗細(xì)的蝦殼經(jīng)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(shí)，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(shí)，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(xù)試驗(yàn)選擇將蝦殼打碎成0.85 mm～3 mm大小的顆粒來進(jìn)行脫鹽。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 浸泡時(shí)間對蝦殼脫鹽率的影響

不同浸泡時(shí)間對蝦殼中脫鹽率的影響結(jié)果見圖1。

圖1 浸泡時(shí)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(shí)間的增加，蝦殼脫鹽率逐漸上升，當(dāng)時(shí)間為20 min時(shí)，蝦殼脫鹽率開始趨于穩(wěn)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(chǎn)中節(jié)約時(shí)間提高效率，選取10 min～20 min的浸泡時(shí)間，進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

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(nèi)，隨著溫度的升高，蝦殼的脫鹽率先上升，到55℃時(shí)開始逐漸穩(wěn)定，雖然溫度不斷升高有助于加速分子運(yùn)動，促進(jìn)鹽的溶出，但是當(dāng)溶液體系達(dá)到平衡后，溫度對蝦殼脫鹽影響開始不明顯，反而會浪費(fèi)熱量，使水分揮發(fā)，考慮到實(shí)際生產(chǎn)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(jìn)行后續(xù)優(yōu)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(dāng)液料比為 4∶1（mL/g）～14∶1（mL/g）范圍內(nèi)，蝦殼脫鹽率逐步增加，在液料比10∶1（mL/g）時(shí)脫鹽率開始趨于平穩(wěn)，這可能是當(dāng)水添加量很少時(shí)，蝦殼粉變得黏稠，鹽溶出困難，難過濾，導(dǎo)致脫鹽率不高；當(dāng)水添加量過多時(shí)，體積過大，超聲促進(jìn)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(fèi)，因此，選擇液料比范圍為8∶1（mL/g）～10 ∶1（mL/g），進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2.4 超聲時(shí)間對蝦殼脫鹽率的影響

不同超聲時(shí)間對蝦殼脫鹽率的影響見圖4。

圖4 超聲時(shí)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(shí)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(wěn)定，超聲過久脫鹽率有下降趨勢，這可能是在一定的超聲時(shí)間內(nèi)，超聲促進(jìn)了鹽的溶出，當(dāng)體系達(dá)到穩(wěn)定時(shí)超聲效果作用不大，超聲時(shí)間過久，溫度會上升，促進(jìn)水分的揮發(fā)，反而不利于鹽分的分離，因此，將超聲時(shí)間選擇在10 min～15 min范圍，進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3 響應(yīng)面結(jié)果與分析

2.3.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果與模型建立

根據(jù)Design-Expert軟件設(shè)計(jì)，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)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(jù)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(shí)間（A）、液料比（B）、超聲時(shí)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(jié)果見表4，利用軟件開展模型可信度分析結(jié)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(xiàng) 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(shù)小于10%，表明可靠性較高；信噪比為71.581，遠(yuǎn)大于4，說明該模型可以用于指導(dǎo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3.3 因素間相互作用

根據(jù)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(shí)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(shí)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(shí)間、液料比、超聲時(shí)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(jié)果一致；浸泡時(shí)間、超聲時(shí)間的曲面顯示變化均比較陡峭，說明浸泡時(shí)間、超聲時(shí)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(shí)間、超聲時(shí)間顯著，與方差分析結(jié)果一致。

2.4 最佳條件確定與工藝條件驗(yàn)證

以脫鹽率最大值為評價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用建立的模型，預(yù)測出最佳工藝條件：浸泡時(shí)間15.13 min，液料比9 ∶1（mL/g），超聲時(shí)間 12.30 min，預(yù)測的蝦殼脫鹽率可達(dá)到89.92%。

考慮到實(shí)際應(yīng)用，修正工藝條件浸泡時(shí)間15 min，液料比 9 ∶1（mL/g），超聲時(shí)間 12 min，在此條件下試驗(yàn)3次，實(shí)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(yōu)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(jìn)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(zhì)的去除，所占比例有所上升，表明本文優(yōu)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(jié)論

利用超聲波輔助方法對蝦殼進(jìn)行快速脫鹽，以脫鹽率為評價(jià)指標(biāo)，經(jīng)過單因素和響應(yīng)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(jù)實(shí)際確定最佳條件為浸泡時(shí)間為15 min，液料比 9 ∶1（mL/g），超聲時(shí)間 12 min，在此條件下蝦殼脫鹽率達(dá)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(yōu)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。