超声波结合壳聚糖对龙虾虾仁保水性的影响

白青云，赵希荣，毕艳红，徐辉

（淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏淮安223003）

超声波结合壳聚糖对龙虾虾仁保水性的影响

白青云，赵希荣，毕艳红，徐辉

（淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏淮安223003）

采用壳聚糖、蛋白酶、磷酸盐和超声波处理，研究了不同处理方式对龙虾虾仁保水性的影响，通过响应面法优化了提高龙虾虾仁保水性的工艺参数。结果表明，磷酸盐处理提高了虾仁的保水性，但不适合食品中用，蛋白酶处理对龙虾虾仁有一定的保水效果，而壳聚糖和超声波处理对提高虾仁的保水性有显著效果。响应面法优化的提高龙虾虾仁保水性的最优条件为壳聚糖浓度1.0%，超声时间6min，超声波功率74W，在此条件下龙虾虾仁的解冻失重率为4.31%。方差分析显示，所建的回归模型显著，能很好地预测龙虾虾仁保水性的变化。其中，壳聚糖浓度显著影响虾仁保水性，壳聚糖浓度和超声时间、超声时间和超声功率之间的交互作用均显著影响虾仁的保水性。

龙虾虾仁；壳聚糖；超声波；保水性；响应面法

盱眙龙虾，又称克氏螯虾，学名克氏原螯虾，因其肉质细嫩、味道鲜美、营养丰富，深受人们的喜爱[1]。随着社会的发展，生活节奏的加快，人们对加工食品的要求越来越高。冷冻虾仁作为一种新兴的冷冻肉制品，在国内外市场上受到欢迎[2]。虾仁在冷冻贮藏过程中由于虾肉蛋白质易发生变性，随着贮藏时间的增加，虾仁持水品质降低，当解冻和加热时汁液流失增多，产生失重现象，且肉质变硬，易碎，口感变粗糙，外观色泽变暗，从而使品质下降。因此，提高龙虾虾仁肉的保水性成为冷冻虾仁加工中要解决的关键问题。

肉的保水性（WHC）是指肌肉在加工过程中保持自身水分和外加水分的能力，是肉的重要品质指标。保水性的高低直接关系到肉制品的质地、嫩度、切片性、弹性、口感、出品率等质量指标和经济指标[3]。目前，肉制品保水剂用的最多的是含磷保水剂，由于含磷保水剂存在不安全因素，并且产品略有苦涩味，其使用量受到极大限制。为了改善虾仁的保水性能，开发一种纯绿色、无污染的保水方式成为当前研究的热点。

壳聚糖作为一种天然、无毒、高效的食品防腐剂、成膜剂，在食品加工中具有很好的开发前景。其在肉品工业中的应用，近十多年来引起了广泛关注[4]。国内有关实验发现，壳聚糖能在冷却肉表面形成薄膜层，有效地防止水分散失，能够减少汁液流失，提高肉的保水性[3]。近年来，超声波在食品加工中应用日趋广泛，在肉品加工中，超声波可以破坏肉的肌原纤维，肌原纤维会分泌一种粘稠的物质，将肉粘在一起，增大肉制品的粘度[5]。研究发现，超声波有助于肉制品的嫩化[6]。但是，关于超声波提高肉保水性的研究还鲜有报到。

本研究针对冷冻虾仁加工中影响虾仁保水性和营养价值的因素进行研究，通过优化冷冻虾仁保水方式，确定最佳壳聚糖浓度、超声波处理功率和时间，从而获得保水效果较好的冷冻虾仁，开发出一种安全且保水效果较好的方式，为工厂化生产冷冻龙虾虾仁提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜龙虾，由淮安市盱眙县盱眙龙虾实业有限公司提供；壳聚糖（分子量100万D，脱乙酰化度85%），购自浙江玉环生物化学有限公司；复合磷酸盐购自江苏南通市舒洋贸易有限公司；其他试剂均购自国药化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

KQ-1000超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；MDF-382E超低温冰箱：三洋电器有限公司；HWS26型电热恒温水浴锅：上海一恒科学仪器有限公司，等。

1.3 研究方法

1.3.1 冷冻龙虾虾仁工艺流程

新鲜虾原料的验收→清洗→去头、去尾→轻压排便→清洗→去壳→虾仁→不同处理→包装→冷冻储藏→产品→检测

1.3.2 单因素试验设计

按照冷冻虾仁加工工艺，分别按以下方法对已经洗净的虾仁处理，待处理完后称重，记下数据，然后置于超低温冰箱（-80℃）中速冻，分别于2、4、6、8、16 d后测定冷冻虾仁的解冻失水率，以未经处理的空白组虾仁为对照。处理方式为：①分别采用0.3%的蛋白酶溶液、0.5%的磷酸盐溶液、0.9%的壳聚糖溶液和80W的超声波处理虾仁10min，冷冻4 d后测定解冻失水率；②用0.3%、0.6%、0.9%、1.2%浓度的壳聚糖溶液（用1%的冰醋酸溶液配制而成）处理虾仁10min；③用60、70、80、90W的超声波处理虾仁10min；④在80W的超声波功率下，分别处理虾仁5、10、15、20min。

1.3.3 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，采用响应曲面Box-Behnken优化设计法进行设计，以壳聚糖浓度（A）、超声波功率（B）和超声波处理时间（C）为因素，先超声处理后壳聚糖溶液涂膜处理进行实验，冷冻2 d后测定冷冻虾仁的解冻失重率（Y），利用软件的统计分析功能进行方差分析、逐步回归分析和最值分析，选择最优的影响龙虾虾仁保水性的工艺条件，同时确定该组合响应值随各因子变化的回归方程。

1.4 虾仁保水性测定指标及方法

以解冻失重率作为虾仁保水性能的指标[2]。

式中：C为虾仁经不同处理后所称得的重量，g；D为处理后的虾仁经2、4、6、8 d冷冻后自然解冻后所称得的重量，g。

1.5 数据处理

试验重复3次，结果以平均值±SD表示。采用SPSS16.0软件处理试验数据，进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对龙虾虾仁保水性的影响

不同处理对龙虾虾仁保水性有显著性影响，结果见图1。

图1 不同处理方式对龙虾虾仁保水性的影响Fig.1 Effects of different treatments on water holding capacity of crayfish shrimp

其中，磷酸盐处理下虾仁的失重率最低，为4.01%；蛋白酶处理下虾仁的失重率达到6.89%，比空白组下降6.64%，有一定的保水效果，参与保水性变化的主要是游离水，游离水的保持同蛋白质的空间结构、静电荷量等有密切关系。当蛋白质呈网络状疏松结构时，可以包容更多水分，但由于蛋白酶的分解作用使得蛋白质的网状结构发生了变化，导致虾仁所包含的游离水减少，所以失重率较高[7]；壳聚糖处理和超声波处理对虾仁的保水性有显著的效果，解冻失重率分别为5.15%和5.24%，两者没有显著差异。壳聚糖能阻止虾仁游离水分的流失，而超声波对蛋白质呈网络状疏松结构起到了一定的作用[5]，使虾仁具有较好的保水性。

2.2 壳聚糖浓度对龙虾虾仁保水性的影响

壳聚糖浓度对龙虾虾仁保水性的影响，见图2。

图2 壳聚糖浓度对龙虾虾仁保水性的影响Fig.2 Effect of chitosan concentration on water holding capacity of crayfish shrimp

由图2可见，在2 d～16 d冷冻时间内壳聚糖浓度对虾仁保水性影响显著，冷冻2 d～4 d内虾仁的失重率较低，随后随着冷冻天数的增加失重率逐渐上升。冷冻期间，0.9%壳聚糖处理下虾仁失重率最低，保水效果显著，冷冻16 d时，0.9%壳聚糖处理的虾仁失重率为7.57%，分别比对照、0.3%、0.6%、1.2%和1.5%壳聚糖处理下降17.36%、13.37%、7.00%、10.41%和14.94%。可见，一定浓度的壳聚糖处理提高了虾仁的保水性，这与赵改名等[3]的研究报道一致。

2.3 超声时间对龙虾虾仁保水性的影响

在2 d～16 d冷冻贮藏期间，超声波处理时间对龙虾虾仁保水性的影响结果见图3。

2 d～8 d冷冻期间虾仁的失重率普遍较低，随后随着冷冻时间的延长失重率逐渐上升。冷冻2 d时，10min超声波处理的虾仁失重率为5.04%，均低于对照和其他处理，保水效果显著。究其原因可能是超声时间短，达不到应有的效果，超声时间过长使得虾仁温度升高，蛋白质变性从而使得所包含的游离水减少[8]。

2.4 超声波功率对龙虾虾仁保水性的影响

超声功率对龙虾虾仁保水性的影响见图4。

图3 超声波时间对龙虾虾仁保水性的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on water holding capacity of crayfish shrimp

图4 超声波功率对龙虾虾仁保水性的影响Fig.4 Effect of ultrasonic powder on water holding capacity of crayfish shrimp

由图4可见，在2 d～16 d冷冻贮藏期间，超声波功率对龙虾虾仁保水性影响显著。冷冻2 d～8 d内，60、70、90W超声处理对虾仁的保水性影响无显著差异，80W超声处理的虾仁解冻失重率最低。冷冻2 d时80W超声波处理的虾仁失重率为5.06%，比对照60、70、90W处理分别下降20.19%、16.36%、12.46%和9.15%，保水效果显著，因此，用80W超声波处理的虾仁失重率较低，虾仁保水性高。

2.5 响应面法优化龙虾虾仁保水性工艺参数

在单因素试验基础上，对提高龙虾虾仁保水性的工艺条件壳聚糖浓度（A）、超声波处理时间（B）和超声功率（C）选用三因素三水平的Box-Behnken实验设计对龙虾虾仁保水性工艺参数进行优化，试验方案和相应的实验结果见表2。

通过二次多元逐步回归统计分析，对表1中数据进行拟合，得到虾仁失重率与3个变量之间的二次多项回归模型如下：

对回归模型进行方差分析的结果见表3。

表2 响应面试验设计与虾仁保水性响应值Table2 Design of response surface experiments and water holding capacity of shrimp

表3 回归模型方差分析Table3 Analysis of variance（ANOVA）for the regression equation

回归模型的F=19.99，P=0.000 2＜0.05，模型的相关系数R2=0.952 4，表明实验所采用的二次模型是极显著的，在统计学上是有意义的。因此，可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析。

利用Design Expert软件对表2数据进行二次多元回归拟合，得到具有显著交互作用的两因素的响应曲面见图5。

图5 壳聚糖浓度和超声功率交互作用对龙虾虾仁保水性的影响Fig.5 Effect of interaction between chitoson concentration and ultrasonic powder on water holding capacity of crayfish shrimp

由图5可见，当超声时间10min时，壳聚糖浓度和超声功率的交互作用对龙虾虾仁保水性有极显著影响（P＜0.01），壳聚糖浓度对虾仁保水性的影响显著（P＜0.01）（见表3）。在一定的超声功率下，虾仁失重率随壳聚糖浓度的升高先急速下降后逐渐上升，壳聚糖浓度为1.0%时达到最低值。同样，在一定壳聚糖浓度下，虾仁失重率随着超声功率的增加呈先下降后上升的趋势，74W时失重率最低。在一定范围内，壳聚糖涂膜浓度越大，保水效果越好，可能是由于壳聚糖在肉表面形成的薄膜层降低了水分的损失。但浓度过大的壳聚糖溶液粘度太大，壳聚糖分子在溶液中无法完全伸展，不利于成膜，反而保水效果欠佳[9]。本研究结果与段静芸等的研究结果[10]相似。

当壳聚糖浓度为0.9%时，超声功率和超声时间的交互作用对虾仁保水性的影响见图6。

图6 超声时间和超声功率交互作用对龙虾虾仁保水性的影响Fig.6 Effect of interaction between ultrasonic time and ultrasonic powder on water holding capacity of crayfish shrimp

超声功率与超声时间的交互作用对虾仁保水性的影响极显著（见表3），在一定超声功率下，虾仁的失重率随着超声时间的延长升高；当超声时间固定时，随着超声功率的升高虾仁失重率先下降后大幅上升。超声波可以用于破坏肉的肌原纤维，肌原纤维会分泌一种粘稠的物质，将肉粘在一起，增大肉的粘度[5]。本研究表明，超声波处理能有效提高虾仁的保水性，这是因为超声波具有空化现象、机械振动等特性，使虾仁组织机构松散。但超声时间过长，虾仁的失重率显著提高，可能是由于超声处理对虾仁的肌原纤维破坏达到了最大程度。超声功率较低时，断裂肌肉细胞的能力较弱，因而对肉的质构特性没有影响，较高的超声功率有助于断裂肌肉细胞的完整性[11]。本实验结果也证实了这一结论，一定的超声功率有助于提高虾仁的保水性。

2.6 验证实验

根据响应面实验结果，模型预测的最优条件为壳聚糖浓度1.0%、超声波时间6min、超声波功率74W，虾仁失重率预测值为4.49%。

为考察模型的可靠性和准确性，在Box-Behnken实验设计的各因素范围之内，随机选择几组实验组合和最佳实验组合进行验证性实验，比较实测值和预测值之间的吻合度。验证结果表明，虾仁失重率实测值为4.31%，实际值与预测值间非常吻合，说明实验得到的模型是有效且可靠的。在最优条件下得到的失重率比对照（6.27%）降低31.26%。

3 结论

首先研究了蛋白酶、磷酸盐、壳聚糖和超声波处理对龙虾虾仁保水效果的影响，然后采用响应面法对影响龙虾虾仁保水性的壳聚糖浓度、超声波时间和功率进行了优化，通过回归分析建立了龙虾虾仁保水性的二次多项数学模型，模型具有显著性。由回归方程得到的龙虾虾仁保水性的最佳条件为壳聚糖浓度1.0%，超声时间6min，超声功率74W，在此条件下虾仁解冻失重率为4.49%，实测值为4.31%，实测值与预测值之间非常吻合，说明模型能很好的预测龙虾虾仁的保水性。

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Effect of Ultrasonic Wave Combined Chitosan on Water Holding Capacity of Crayfish Shrimp

BAI Qing-yun，ZHAO Xi-rong，BI Yan-hong，XU Hui
（School of Life Science and Chemical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an 223003，Jiangsu，China）

The effects of different treatments on water holding capacity of crayfish shrimp were studied by chitosan，protease，compound phosphate and ultrasonic treatment methods.The technological parameter of increasing water holding capacity of crayfish shrimp were optimized using response surface methodology.The results showed that water holding capacity of crayfish shrimp was improved significantly by phosphate treatment，but this method is not fit for food.The effect of protease treatment on water holding capacity of crayfish shrimp was definite.The effects of chitosan and ultrasound treatments on water holding capacity of crayfish shrimp was significantly.Response surface experiments indicated that the optimal conditions of increasing water holding capacity of crayfish were as follows:concentration of chitosan of1.0%，6min of time of ultrasonic，the power of ultrasonic of74W Analysis of variance suggested that the developed regression model was reliable and could be used to predict the changes of water holding capacity of crayfish Shrimp.Among the above three factors，the concentration of chitosan had a significant linear ralationship with water holding capacity，and the interaction between chitosan concentration and time of ultrasonic，as well as between powder of ultrasonic and time of ultrasonic，had significant effect on water holding capacity of crayfish shrimp.

crayfish shrimp；chitosan；ultrasonic wave；water holding capacity；response surface method

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.16.028

2013-09-16

江苏省苏北科技富民强县专项引导资金项目（BN2011007）

白青云（1973—），女（汉），副教授，博士，研究方向：农产品加工与贮藏。