中华绒螯蟹超高压辅助脱壳工艺优化

叶韬，陆剑锋，陶瑾，李红梅，陈志娜，尹琳琳，王云

1(淮南师范学院 生物工程学院，安徽 淮南，232038) 2(合肥工业大学 食品与生物工程学院，安徽 合肥，230009) 3(安徽省农产品精澡加工重点实验，安徽 合肥，230009)4(农产品生物化工教育部工程研究中心，安徽 合肥，230009)

中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)又称河蟹、毛蟹、大闸蟹，是我国重要的经济蟹类。目前，它在全国29个省份以及直辖市(如上海)等都有大面积养殖，2016年全国产量达81.21万t[1]。淡水河蟹在农历秋冬季节大量集中上市，且主要为鲜销，鲜活蟹很难做到长期保存或不断投放市场[2]。为此，我们前期对河蟹进行分割加工，并采用二次蒸煮工艺脱壳，经手工分割后得到蟹钳、蟹腿、蟹柳、雄黄、雌黄、雄膏、雌膏以及蟹粉等高附加值分割制品，实现对淡水河蟹可食部分的零废弃加工利用[3]。河蟹分割加工技术的应用改变了现有市场的鲜活营销模式，缓解了河蟹大量集中上市时鲜销的难题，尤其适用于经济价值较低的小规格(性早熟蟹)及残次河蟹(附肢不全)。

超高压处理能改变生物体高分子中氢键、离子键、疏水键等非共价键结构[4]，使蛋白质变性、酶失活、微生物菌体破坏而死亡[5]，而对低分子物质的共价键无任何影响，能很好地保持产品的原有的营养价值、色泽和天然风味，是一种不同于传统热加工方法的新技术[6-7]。超高压技术在水产品加工中应用可分为水产品杀菌[8]、保质[9-10]、脱壳[11]、改性、快速冷冻和解冻、活性物质提取[12]等主要方面，尤其是超高压辅助脱壳技术逐渐被应用于贝类等水产品的初级分割加工中，如易俊洁等[13]用300 MPa(不保压)对皱纹盘鲍(Haliotisdiscushannai)进行高压脱壳，鲍鱼肉得率分别提高16%，鲍鱼肉的完整性更好，且脱壳时间节约72%；李学鹏等[14]应用超高压(300 MPa、保压时间 1 min)对牡蛎(Ostreagigastnunb)脱壳，与热烫脱壳相比，超高压脱壳处理能改善牡蛎肉的持水性，且对pH、感官品质无显著影响；WANG等[15]利用超高压对贻贝(Mytilusedulis)进行脱壳，优化后的工艺参数为300 MPa保压2 min，贝肉的产量和外观优于传统的手工脱壳处理。此外，超高压还可用于虾、蟹等甲壳类水产品的辅助脱壳，如南美白对虾(Penaeusvannamei)在300 MPa下保压时间1 min，脱壳时间较对照组缩短约70%，虾仁得率较对照(未处理)提高了约4.60%，虾仁完整性最高，外观色泽好[16]；MARTNEZ等[17]使用超高压对蓝蟹(Callinectessapidus)进行脱壳，研究发现超高压脱壳(600 MPa，5 min， 10 ℃)较常规蒸煮脱壳(90 ℃，20 min)的蟹肉得率显著增高(15.12%增加至27.31%)，且超高压脱壳后的蟹肉在感官上也优于蒸煮组。

超高压技术在贝类、甲壳类等的脱壳加工中具有良好的发展前景及应用价值，然而关于中华绒螯蟹的超高压脱壳鲜有报道，鉴于中华绒螯蟹是中国重要的淡水养殖品种，提升其分割得率和品质对于该产业的快速发展具有重要意义。因此，该文采用超高压技术对中华绒螯蟹进行辅助脱壳，以分割得率和产品品质为指标，采用响应面分析法优化压力、保压时间、热辅助温度等工艺参数，并将超高压脱壳的产品得率、产品品质和脱壳时间与传统蒸煮脱壳工艺进行比较，旨在为超高压辅助脱壳技术在今后河蟹精深加工中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

中华绒螯蟹：鲜活(雌雄各半)河蟹捕捞自安徽福恩食品科技有限公司河蟹生态养殖基地，均为规格一致的性早熟蟹，体重约25 g， 4 ℃冷藏放置，蟹体表面盖湿毛巾保湿、保活待用。

1.2 仪器与设备

SQP型分析天平，赛多利斯科仪器(北京)有限公司；DZ-500型多功能真空包装机，南通彩星工贸有限公司；HPP.L2-600/0.6型超高压设备，天津华泰森淼生物工程技术股份有限公司；WK2102型电磁炉，广东美的生活电器制造有限公司。

1.3 蒸煮脱壳

将经过气泡清洗后的活蟹置于沸腾水中初煮2 min， 捞出冷却，掰掉蟹钳、蟹肢，去肢后的蟹体在蒸锅内(电磁炉蒸煮模式，1 600 W)进行二次蒸煮20 min， 冷却后采用手工脱壳分割。

1.4 超高压脱壳

在压力釜中放入介质水，插入温度探头，通过压力釜外围的夹层套对水温进行加热，待水温加热至所需温度后，取出探头，将鲜活蟹(雌蟹、雄蟹各半，共6只)真空包装后(真空度0.08 MPa，真空时间2 s，热封时间2 s，冷却时间2 s)放置于压力釜中，设定压力、保压时间，进行高压处理，卸压后，取出蟹进行手工脱壳分割。超高压装置的平均升压速度为15 MPa/s， 泄压过程在2 s内完成。

1.5 全蟹的分割方法

参照安徽省地方标准DB34/T 1007—2009《蟹黄、蟹肉加工技术规程》，让技术成熟的实验人员依照蟹钳分割方法分别得到上腿肉、中腿肉和蟹钳肉，依照蟹柳分割方法得到蟹柳肉，依照蟹盖和腹部分割方法分别得到蟹膏(性腺)、蟹黄(肝胰腺)和蟹粉(腹部肌肉)。

1.6 全蟹分割得率的计算

活蟹称量(精确至0.01 g)(雌雄各半)和产品分割，雌蟹和雄蟹的平均分割得率即为全蟹分割得率，分割得率R1按式(1)计算。

(1)

式中：R1，分割得率，%；m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7，分别为分割得到的上腿肉、中腿肉、蟹钳肉、蟹柳肉、蟹膏、蟹黄、蟹粉的质量，g；m，活蟹的质量，g。

1.7 全蟹分割产品品质的感官评定

感官评定的人员由食品专业技术人员组成，共10人，对全蟹分割产品分别进行感官评定，按表1分别对蟹钳肉、蟹柳肉、蟹粉、蟹膏和蟹黄进行打分(各项分值10分)，各项评分总和为全蟹品质得分(雌蟹和雄蟹的平均评分，满分50分)。

表1 全蟹分割产品品质的感官评定标准Table 1 The sensory evaluation standard of segmentation product of Chinese mitten crab

1.8 超高压脱壳单因素实验

对活蟹进行超高压脱壳实验，通过单因素实验研究压力(100、200、300、400、500 MPa)、保压时间(4、8、12、16、20 min)和温度(20、30、40、50、60 ℃)对全蟹脱壳效果(分割得率和产品品质)的影响。

1.9 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken设计方案，以压力、时间、温度为自变量，分割得率R1和产品品质得分R2为响应值，试验因素水平设计见表2。

表2 因素水平编码Table 2 Code table of factor levels

1.10 脱壳方式对全蟹脱壳时间的影响

比较高压脱壳和传统蒸煮脱壳的时间，用秒表分别记录脱壳处理后手工分割蟹钳、蟹柳、蟹粉、蟹膏和蟹黄的时间，脱壳时间t按式(2)计算。

t/min=t1+t2+t3+t4+t5

(2)

式中：t，螃蟹脱壳的时间，min；t1、t2、t3、t4、t5，分别为蟹钳肉、蟹柳肉、蟹膏、蟹黄和蟹粉的脱壳时间，min。

1.11 数据分析

实验至少重复3次，分割得率和产品品质评分均为雌蟹、雄蟹的平均值，使用SPSS 17.0软件进行差异显著性分析(P<0.05)，并用Excel 2003绘制图形。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 压力对蟹脱壳效果的影响

图1为不同压力(12 min，20 ℃)对全蟹分割得率和产品品质的影响。由图1可知，随着压力的升高，分割得率逐渐增大，分割产品品质得分先升高后下降。压力由100 MPa升至300 MPa，分割得率无显著性变化(P>0.05)；压力从300 MPa升至500 MPa时，分割得率显著(P<0.05)增加，由28.45%提高至39.05%，此时蟹肉和壳分离效果较好，且压力越大，分离效果越好，产品得率越高，但当压力达到500 MPa时，产品品质得分下降。

100 MPa处理后，蟹钳肉、蟹柳肉、蟹粉不易分离，剥离后均为碎肉，不成形，得率低。200 MPa时，蟹钳肉、蟹柳完整性差，蟹粉中含有少量碎骨，分割得率和品质有所提高。300 MPa时，蟹钳肉、蟹柳肉较易分离，能成型，蟹粉中几乎不含碎骨，完整性一般，得率升高。400 MPa时，蟹钳肉、蟹柳肉易分离，完整性好，肉质出现轻微熟化，分离效果好，得率高。500 MPa时，蟹钳肉、蟹柳肉等分离效果好，但蟹肉、蟹黄、蟹膏明显熟化，肉易发生断裂，蟹黄颜色加深、蟹膏硬化，品质得分略有下降。超高压辅助蓝蟹脱壳时发现，压力由100 MPa升高至600 MPa时，蟹肉的提取率从20.99% 显著(P<0.05)增加至 27.31%，600 MPa后产品具有熟化特征[17]，本研究结果与其相似。压力由100 MPa至500 MPa，一方面壳上残留的蟹肉、蟹黄和蟹膏逐渐减少，另一方面可能由于压力引起蛋白质的水合作用[18]，从而使分割得率升高。由于过高的压力会使得分割产品出现明显熟化而影响其品质，选取400 MPa作为处理压力。

图1 压力对全蟹分割得率和产品品质得分的影响Fig.1 Influence of pressure on the segmentation yield and quality sensory score of Chinese mitten crab

2.1.2 保压时间对蟹脱壳效果的影响

图2为保压时间(400 MPa，20 ℃)对分割得率和产品品质的影响。

图2 保压时间对全蟹分割得率和产品品质的影响Fig.2 Influence of holding time on the segmentation yield and quality sensory score of Chinese mitten crab

由图2可知，保压时间对产品分割得率无显著影响(P>0.05)，但对产品的品质有显著影响，保压时间由4 min升高至16 min，蟹钳、蟹柳、蟹粉的完整性越来越好，品质得分由31.00增加至42.00，XUAN等[19]用超高压对缢蛏(Sinonovaculaconstricta)脱壳时发现，200 MPa压力处理时，保压时间由1 min延长至5 min时产品完整性率由53.30%提高至100.00%。继续延长保压时间至20 min，品质得分出现下降，这可能由于蛋白大分子在高压作用下发生了不可逆的变性，保压时间越长，变性程度越大。400 MPa压力能够破坏分子间的疏水相互作用和静电相互作用导致蛋白质三级结构发生改变(甚至二级结构)[4]，引发单体蛋白质变性，蛋白质的变性引发肌原纤维粗、细丝(肌球蛋白丝和肌动蛋白丝)的解聚、肌动球蛋白(acto-myosin)的解离以及α-肌动蛋白(α-actinin，Z线的联结蛋白)的变性，这些变化会破坏肌纤维结构完整性，导致肌纤维结构的碎片化，在一定时间范围内引起质构的嫩化而易于脱壳。但保压时间过长，碎片化程度加深，将引发宏观结构的松散，使得其品质下降[20]。

保压4 min后，蟹钳肉、蟹柳肉较易分离，但外形不完整；蟹粉、蟹黄、蟹膏部分黏附在壳上。保压8 min 后，蟹钳、蟹柳、蟹粉、蟹黄和蟹膏，分离效果和品质稍有提高，但相差不大。12 min后，蟹钳肉、蟹柳肉易分离，外形完整，蟹粉剥离完全，蟹黄、蟹膏更易分离，得率和产品品质明显改善。保压16 min与12 min相比，分割得率和产品品质无明显差异。20 min后，蟹黄、蟹膏出现水样、变稀，产品品质略有下降。超高压对鲍鱼脱壳时，延长保压时间，鲍鱼的肌原纤维蛋白在长时间压力的作用下出现破裂损失，产品品质下降[13]。因此，使用高压对河蟹脱壳时，保压时间不能过长。由于保压12 min和16 min时，产品品质得分和分割得率并无显著差异(P>0.05)，从减少加工时间、节约能耗的角度考虑，选取保压时间为12 min。

2.1.3 温度对蟹脱壳效果的影响

图3为400 MPa压力处理12 min，温度对全蟹分割得率和产品品质的影响。由图3可知，温度对分割得率无显著影响(P>0.05)，但保压温度由20 ℃升高至60 ℃，产品品质得分由37.50逐渐增加至44.5，温度越高，分割产品的完整性越好，品质得分越高，温度由50 ℃增加至60 ℃，产品品质增加幅度不大。温度为20 ℃时，蟹钳肉、蟹柳肉易分离，外形完整性一般；蟹粉、蟹黄、蟹膏能剥离，但少部分黏附在壳上。温度由20 ℃增加至40 ℃过程中，蟹钳肉、蟹柳肉、蟹黄、蟹膏等分割产品的得率和品质无明显变化，但蟹粉更易剥离，得率稍有提高(数据未列出)。50 ℃时，蟹钳肉、蟹柳肉完整性好，蟹粉轻微熟化(颜色由透明变成乳白色)，蟹黄颜色加深，蟹膏易完整脱离。60 ℃较50 ℃相比，蟹粉熟化加剧(乳白色加深)，雄蟹黄黄色加深，蟹膏出现熟化(雌蟹膏由紫色变成黄色)，分割产品出现熟化特征。

图3 温度对全蟹分割得率和产品品质的影响Fig.3 Influence of temperature on the segmentation yield and quality sensory score of Chinese mitten crab

超高压能够破坏维持蛋白质分子二级结构、三级结构的疏水键、离子键和氢键等非共价键[21]，蛋白质构象产生变化，在压力的诱导下，变性的蛋白质在分子内或分子间产生非共价键的相互作用(疏水相互作用和静电相互作用)，此外，保压过程中介质水的温度会引起蛋白质的热变性、聚集和凝胶化[22-23]，从而改善蟹肉的感官品质，在一定温度范围内，保压温度越高，分割产品的品质越好(完整性好，易于剥离，不易破碎)。由于60 ℃与50 ℃品质相差不大，选择50 ℃作为热辅助温度。

2.2 超高压辅助脱壳的响应面法优化结果

在单因素试验结果基础上，采用Box-Behnken试验设计，设计3因素3水平共15个试验，其中12个分析因素试验，3个零点试验，优化中华绒螯蟹超高压辅助脱壳的工艺条件。设计的试验方案及结果见表3。

表3 Box-Behnken设计方案及试验结果Table 3 Design and results of Box-Behnken

利用Design-Expert软件，对试验数据进行多元回归拟合，获得全蟹的分割得率R1和分割产品品质得分R2对高压压力x1、保压时间x2、热辅助温度x3真实值的回归模型分别为式(3)、式(4)：

R1=13.830+0.030x1+0.023x2+0.142x3

(3)

R2=36.50-0.81x1+2.56x2+2.75x3-1.75x1x2-1.13x1x3+3.13x2x3

(4)

2.2.1 全蟹分割得率回归模型的显著性检验和方差分析

对分割得率R1模型及回归系数进行显著性分析，结果见表4。由表4可知，回归模型P=0.046 7<0.05，模型显著，其失拟项P=0.845 6>0.05(不显著)，试验数据有意义，回归模型有效[24]。回归方程系数的显著性分析结果表明，仅x1的一次项回归系数达到显著水平，x1、x2、x3的二次项以及x1、x2和x3之间的交互项回归系数不显著，表明试验因素对响应值的影响是线性关系。由表4方差分析结果还可以看出，压力(x1)显著(P=0.012 0<0.05)影响全蟹的分割得率。

表4 分割得率R1回归方程各项的方差分析Table 4 Variance analysis of parameters in regression equation of segmentation yield R1

注： *表示P<0.05，差异显著。

2.2.2 全蟹分割产品品质得分回归模型的显著性检验和方差分析

对分割产品品质得分R2模型及回归系数进行显著性分析，结果见表5。由表2可知，回归模型P=0.026 8<0.05，模型显著，其失拟项P=0.066 7>0.05(不显著)，模型有效。回归方程系数的显著性分析结果表明，x2、x3的一次项以及x2、x3之间的交互项回归系数达到显著水平，表明试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系[25-26]。由表5方差分析结果还可以看出，温度(P=0.015 3<0.05)、时间(P=0.021 1<0.05)显著影响全蟹分割产品的品质得分。此外，时间和温度互作效应对全蟹分割产品品质影响明显(P<0.05)，由图4可知，在所设计的试验条件范围内，提高温度和延长保压时间都可增加分割产品的品质得分，二者交互作用表现为品质得分的增大。

表5 分割产品品质得分R2回归方程各项的方差分析Table 5 Variance analysis of parameters in regression equation of quality sensory score R2

注： *表示P<0.05，差异显著。

图4 时间和温度对全蟹分割产品品质得分影响的响应曲面Fig.4 Responsive surface showing the effects of time and temperature on the quality sensory score of detached Chinese mitten crab product

利用Design-Expert软件计算得出全蟹分割得率最高，分割产品品质得分最佳时的高压处理条件为压力442.80 MPa、保压时间16 min、温度60 ℃。在此条件下，全蟹的分割得率的最大预测值为36.00%，分割产品品质得分为43.36。为了便于实际操作，将优化参数修正为压力440 MPa、保压时间16 min、温度60 ℃。在此条件下对全蟹进行3次实验进行验证，所得全蟹分割得率为(34.24±2.86)%，产品品质得分为42.5±2.5，与预测值相差不大。因此，利用响应面优化中华绒螯蟹超高压辅助脱壳是可行的。

2.3 与传统蒸煮脱壳比较

表6为超高压辅助脱壳和传统蒸煮脱壳在全蟹分割得率、分割产品品质得分以及手工分割加工时间等方面的比较。由表6可知，在全蟹分割得率方面，超高压处理(440 MPa、16 min、60 ℃)后全蟹的分割得率为34.24%显著(P<0.05)高于传统蒸煮脱壳得率(27.58%)，分割得率提高了6.66%。图5是脱壳方式对蟹钳肉、蟹柳肉、蟹粉、蟹黄、蟹膏的影响。由图5可知，超高压处理后蟹壳上残留的肉较少，尤其是蟹粉较蒸煮组比较，脱壳完全，蟹腹壳几乎不含有蟹肉，且对于雌蟹蟹黄，较蒸煮组损失较少，高压处理后蟹黄得率明显升高，因而超高压辅助脱壳能显著提高全蟹分割得率。

在全蟹分割产品品质方面，超高压组的品质得分为42.50，显著(P<0.05)高于蒸煮组的31.00。由图5可知，超高辅助脱壳得到各分割产品品质明显优于蒸煮组，将高压组的上腿肉、中腿肉完整，几乎无断裂，且色泽鲜嫩，蟹柳肉较完整，蟹粉呈现小块未出现断裂(蒸煮组易断裂)，富有弹性；蟹黄和蟹膏分离效果好，色泽鲜嫩。DEOLIVEIRA等[27]报道称超高压能够促使鱼肉的肌红蛋白和肌原纤维蛋白发生变性，提高鱼肉的亮度值L*，使鱼肉的色泽更加鲜嫩，增加消费者的购买欲望。超高压与热处理均使不同程度的蛋白变性，并诱导形成蛋白凝胶，然而热处理较高压处理蛋白变性程度大，食品的质量造成严重损害[28]。王芝妍等[29]在研究超高压辅助中华管鞭虾脱壳时发现，200 MPa处理中华管鞭虾，脱壳效果好，肌肉肌原纤维排列整齐，肌节完整，虾仁品质良好。因此，超高压处理相对于蒸煮处理，在一定程度上减少蟹肉的肌原纤维的变性，保持良好的品质。

在手工分割脱壳时间方面，超高压辅助脱壳时间虽然较传统蒸煮脱壳时间略长，但在统计学上无显著性(P>0.05)差异。然而，高压脱壳工艺中选择的处理时间是16 min，较传统二次蒸煮脱壳(沸腾初煮2 min/ 蒸汽二次蒸煮20 min)[2]缩短了螃蟹分割加工中脱壳工序时间，一定程度上缩短了河蟹分割加工的生产周期。

表6 不同脱壳处理方法对全蟹分割得率、产品品质得分和手工分割时间的影响Table 6 Influence of different shucking methods on the segmentation yield, quality sensory score and manual segmentation time of Chinese mitten crab

注：数据表示为平均数±标准偏差；同一列中不同字母表示存在显著差异(P<0.05)。

图5 不同脱壳方式对蟹钳肉、蟹柳肉、蟹粉、蟹黄、蟹膏的影响Fig.5 Influence of different shucking methods on the visual appearance of claw meat, leg meat, backfin meat, hepatopancreas, gonad注：图片从左到右依次为全蟹分割产品的上腿肉、中腿肉、蟹钳肉、蟹柳肉、蟹粉、雄蟹膏和蟹黄以及雌蟹膏和蟹黄；从上到下分别为生蟹分割组、蒸煮处理组和超高压处理组。

在能耗比较方面，参照文献[16]的分析方法，选择工业化生产中常见的设备作为能耗估算对象(其中，超高压设备的平均升压速度约为200 MPa/min，驱动电机功率为110 kW，卸压时间为2 s；工业蒸箱的平均升温速度约为2.5 ℃/min，加热功率为36 kW)，得到超高压和传统蒸煮脱壳的工业化生产的能耗比较，如表7所示。由表7结果可知，超高压处理的能耗约为304 kJ/kg， 低于蒸煮脱壳的能耗648 kJ/kg，相对于传统蒸煮脱壳，超高压处理可以节省约53%的能耗。

表7 超高压脱壳和传统蒸煮脱壳能耗的比较[16]Table 7 Energy comparisons of HPP and traditional thermal shucking treatments

注： *表示超高压容积率为 60%～70%，取中间值65%计算。

3 结论

(1)基于Box-Behnken的响应面优化可知，其中压力影响显著影响(P=0.012 0<0.05)全蟹分割得率，温度(P=0.015 3<0.05)、时间(P=0.021 1<0.05) 显著影响品质得分，且存在一定的交互作用。最终得到的最佳工艺条件为：压力440 MPa、保压时间16 min、温度60 ℃。在此条件下，全蟹分割得率为(34.24±2.86)%，产品品质得分为(42.5±2.5)分，与预测值相差不大。

(2)与传统蒸煮脱壳比较，超高压处理(440 MPa、16 min、60 ℃)后全蟹的分割得率为34.24%显著(P<0.05) 高于传统蒸煮脱壳得率(27.58%)，分割得率提高了6.66%；且分割产品品质得分可达42.50， 显著(P<0.05)高于蒸煮组的31.00；从直观判断，高压处理组分割产品的上腿肉、中腿肉完整，几乎无断裂，且色泽鲜嫩，蟹柳肉较完整，蟹粉呈现小块未出现断裂(蒸煮组易断裂)，富有弹性；蟹黄和蟹膏分离效果好，色泽鲜嫩，全蟹分割产品品质优；估算工业化生产超高压处理的能耗约为304 kJ/kg，低于蒸煮脱壳的能耗(约648 kJ/kg)，超高压处理可以节省约53%的能耗。