夏季克氏原螯虾虾肉和虾壳基本性质研究

吴伟伦，夏雨婷，石钢鹏，汪 兰，乔 宇，康 峻，石 柳,，吴 茜

（1.湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068；2.湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所，湖北省农业科技创新中心农产品加工研究分中心，湖北武汉 430064；3.湖北潜网生态小龙虾产业园集团有限公司，湖北潜江 433100）

克氏原螯虾（Procambarus clarkii）俗称淡水小龙虾，属甲壳纲、十足目、鳌虾科、原螯虾属，是我国常见的四大淡水经济养殖虾类之一[1]。根据中国小龙虾产业发展报告，2021 年我国小龙虾养殖面积2600 万亩、产量263.36 万吨，总产值为4221.95 亿元，同比增长22.43%[2]。湖北全省小龙虾产业养殖达到近800 万亩，年产量逾100 万吨、综合产值1300 多亿元，连续16 年居全国第一，且已成为湖北省农村经济发展的主导产业[3]。小龙虾捕获季节集中在3～8 月，加工产品主要包括速冻制品（包括速冻虾尾、速冻虾仁、速冻整肢虾）和预调理食品（包括调味小龙虾、小龙虾休闲食品等）[2]。不同捕获季节原料特性存在差异，进而对活虾运输及加工产品品质产生影响，因此建立和完善小龙虾原料基础数据库十分必要，对小龙虾产业链的发展具有重要指导意义。

目前关于小龙虾虾肉原料性质的研究主要集中于不同规格的虾肉品质差异。毛涛等[4]研究了不同规格小龙虾的营养成分差异，发现虾肉中水分含量为77.21%～80.98%，粗蛋白含量为16.36%～18.26%，粗脂肪含量为0.48%～0.65%。随着小龙虾重量的增大，小龙虾肉的水分含量逐渐降低，粗蛋白和粗脂肪含量呈现先上升后下降的趋势。陈东清等[5]研究了不同规格小龙虾的品质差异，发现小规格（15～25 g）小龙虾色泽鲜亮，硬度、弹性等质构特性较高，口感较好，中规格（25～35 g）小龙虾蒸煮损失率相对较低，超大规格（45～65 g）小龙虾加压失水率相对较低。石钢鹏等[6]对比研究了不同捕捞月份（4、5、6 月）小龙虾的品质差异，发现小龙虾水分含量为79.76%～81.81%，灰分含量为0.88%～0.97%，粗脂肪含量为1.54%～2.29%，粗蛋白含量为15.72%～23.59%，捕捞月份越晚，虾肉得率越低，蛋白质和脂肪含量越高，虾肉弹性越好。

小龙虾虾头、虾壳等副产物占整虾比例高达80%[7-8]，目前关于小龙虾虾壳基本性质研究主要在于化学近似成分及结构。程小飞等[9]发现克氏原螯虾副产物虾壳粉（干基）中水分、粗蛋白质、粗脂肪、灰分的含量分别4.62%、33.72%、10.27%、34.58%。Wang 等[10]研究发现虾壳（湿基）中水分含量46.78%～75.33%、灰分含量6.04%～16.75%、脂肪含量1.24%～3.06%、蛋白质含量4.85%～10.98%、甲壳素含量13.73%～25.66%、钙含量3.45～6.49 g/100 g。通过微观结构观察发现，小龙虾虾壳分为外表皮层和内表皮层，具有Bouligand 结构，厚度在4 到6 月逐渐增加，呈现较高的机械性能。

湖北省内小龙虾产量高，对于小龙虾的活运及加工技术研究深，目前研究团队主要有湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所、华中农业大学、武汉轻工大学等，本研究在前期研究基础上补充了7、8 月虾肉、虾壳的基本组成、理化特性、微观结构等性质，对数据库进行完善，也为省内及周边区域小龙虾活运和加工提供基础数据支撑，具有现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小龙虾 2020 年7 月到8 月间从湖北省武汉市江夏区官堤洲小龙虾养殖地（温度21～37 ℃，湿度76%～88%）购买了4 批次原料虾，每次约200 kg，根据小龙虾的重量人工区分规格：小规格（10～20 g/只）、中规格（20～30 g/只）、大规格（30～40 g/只）；乙酸镁、浓盐酸、无水乙醚、硫酸铜、硫酸钾、硫酸、氢氧化钠、硼酸、氯化钠、石油醚、氢氧化钠、浓盐酸、乙醇、硝酸、高氯酸 分析纯，国药集团化学试剂有限公司

QE-200 高速通用粉碎机 浙江屹立有限公司；XMTD-8222 电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；G2-B 便携式pH 计 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；CF15R 高速低温离心机 日本日立公司；Nicolet6700 傅立叶红外光谱仪 美国赛默飞世尔科技公司；X 射线衍射仪 德国布鲁克AXS 有限公司；TA.XT 2i/50 质构仪 英国Stable Micro System 公司；Eclipse Ti-SR 倒置荧光显微镜奥林巴斯有限公司；SH220N 石墨消解仪 济南海能科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小龙虾预处理 参照石钢鹏等[11]的方法，用刷子去除小龙虾表面污渍，清水冲洗后，将虾平铺在冰面上10 min，然后将头壳、尾壳、虾肉进行分离取样。每10 只虾肉为一组，用锡箔纸包装，放于4 ℃冰箱中待测。将虾壳浸泡在0.9%生理盐水中，清洗干净后沥干，在105 ℃下干燥4 h 后使用粉碎机对壳体进行粉碎，放于干燥器中贮存待测。

1.2.2 虾肉得率测定 称量小龙虾脱壳前后的质量，以虾肉质量与整虾质量比为虾肉得率。

1.2.3 基本组成测定 虾肉及虾壳水分含量测定参照GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》直接干燥法；灰分参照GB 5009.4-2016《食品中灰分的测定》灼烧称重法；脂肪参照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》索氏抽提法；虾肉的蛋白质参照GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法；虾壳粉的蛋白质含量参照Baethge 等[12]的方法略微修改：称取1.50 g 样品放入烧杯中，加入15 mL 5%（w/v）氢氧化钠溶液，95 ℃水浴搅拌1 h，冷却至室温，取上清放入消化管中待测，后续步骤参照GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》，换算系数为6.25。

1.2.4 pH 测定 参照石钢鹏等[11]的方法，将G2-B 便携式pH 计的探头插入虾肉中间部位测定pH，每组样品做3 次平行。

1.2.5 虾肉离心失水率（CL）测定 参照LÜ等[13]的方法，将单只虾肉用1 层滤布和4 层滤纸包裹，放入洁净干燥的离心管底部，在4500 r/min 条件下离心10 min 后，取出称重，根据公式计算离心失水率（%）：

式中，m1：虾肉离心前质量，g；m2：虾肉离心后质量，g。

1.2.6 质构特性分析 参照Fan 等[14]的方法测量小龙虾肉的表面硬度和内部硬度。表面硬度（N）定义为尾部压缩3 mm 时施加的力，测定参数：采用P/2 圆柱形探头，测前速度1.0 mm/s；测试速度1.0 mm/s；测后速度1.0 mm/s；压缩距离3.0 mm；保持时间30 s，触发力5 g。内部硬度（N）定义为穿刺过程中的最大峰力，测定参数：用P/2 探头进行测定，测试速度同表面硬度的测定；穿刺深度：小龙虾尾部高度的90%，触发力5 g。弹性（F2/F1）定义为保持压缩30 s 的力（F2）与表面硬度的比值。

1.2.7 肌肉组织微观结构观察 参照Liang 等[15]的方法，将新鲜虾肉切成1 cm×1 cm×1 cm 大小，用4%多聚甲醛固定24 h，然后依次用100%、95%、90%、80%、70%的乙醇逐级脱水，再分别用Haris苏木素和伊红染液染色，洗去浮色。切片后依次放入乙醇和二甲苯中脱水至透明，晾干后用中性树脂封片镜检。

1.2.8 虾壳的甲壳素含量测定 参照文献[16-17]的方法稍加修改。a.脱矿：在2.00 g 壳粉中加入10倍体积预冷的HCl（1 mol/L），将溶液置于4 ℃冰箱中1 h 后，过滤上清液，用去离子水漂洗沉淀直至中性。b.脱蛋白：用10 倍体积的NaOH（1 mol/L）浸泡沉淀，磁力搅拌加热（95 °C，2 h）后，过滤上清液，并用去离子水冲洗所得的沉淀将溶液pH 调节至中性，上述步骤重复两次。最终沉淀用96%的乙醇洗涤直至白色，然后在80 °C 下干燥。根据公式计算甲壳素含量（%）：

式中，m1：虾壳粉离心前质量，g；m2：虾壳粉处理后质量，g。

1.2.9 虾壳的钙含量测定 准确称取0.20 g 虾壳粉放入消化管中，加入10 mL 纯硝酸和0.5 mL 高氯酸，在石墨消解仪中以180 ℃消化3 h，220 ℃消化30 min，直到反应混合物变淡黄色。最后将混合物稀释，用EDTA（1.54 mmol/L）滴定，根据公式计算钙含量（g/100 g）：

式中，T：乙二胺四乙酸滴度；a：在滴定过程中消耗EDTA 标准溶液的体积，mL；V1：样品消解液的恒定体积，mL；V2：样品体积，mL。

1.2.10 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析 参照Wang 等[18]的方法，使用傅立叶红外光谱仪以4 cm-1的分辨率进行32 次扫描虾壳粉，测定了在400～4000 cm-1之间的光谱，然后利用洛伦兹函数曲线拟合分析对1700～1600 cm-1之间的光谱进行解卷积，计算虾壳二级结构。通过解析3600～3000 cm-1之间的吸收光谱，并使用r2＞0.99 的高斯函数曲线拟合分析从背景散射中解卷积来分析氢键分布。氢键EH（kcal-1）的能量参考Ciolacu 等[19]的方程计算：

式中，V0表示自由-OH 基团对应的标准频率（3600 cm-1）；V 表示键合-OH 基团的频率；k：1.68×10-2kcal-1。

参照孔祥云等[20]的方法测量脱乙酰度（DD）。将干燥后的样品与溴化钾研细后压片，每片含样品2.5 mg，溴化钾250 mg，放入红外光谱仪。以4 cm-1的分辨率进行32 次扫描虾壳粉，测定了在400～4000 cm-1之间的光谱，采用Omnic 软件进行数据采集和分析。

1.2.11 X 射线衍射光谱（XRD）分析 参照Borić等[21]的方法，使用X 射线衍射仪在室温下对小龙虾壳样品进行X 射线衍射分析。仪器参数：CuKα射线（λ=0.154056 nm，k=40 kV，30 mA），测量角2θ为10°～60°，扫描速度为0.2 s/步。结晶度指数（Crystallinity index，CI）的计算公式如下：

式中。I110：衍射峰在2θ=19.2°时的最大强度；Iam：2θ=15.8°时的非晶态衍射信号强度。

1.3 数据处理

所有试验重复3 次。所有试验数据采用SPSS 25.0 软件、GraphPad Prism 8.0 和OriginPro 2021 进行数据处理并作图。采用Duncan 多重比较法确定差异显著（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 虾肉得率结果

按照整虾重量，小龙虾被区分为小规格（10～20 g/只）、中规格（20～30 g/只）、大规格（30～40 g/只）。由表1 可得，随着小龙虾规格增大，单只虾仁重量上升，表明虾肉逐渐饱满，但7 月和8 月捕获小龙虾同等规格间，单只虾仁重无显著性差异（P＞0.05）。随着小龙虾规格增大，得肉率显著下降（P＜0.05），可能是因为虾壳重量增长速率高于虾肉增长速率。本结果与封功能等[22]的研究一致。

表1 不同规格小龙虾得肉率Table 1 Meat yield of Procambarus clarkii with different specifications

2.2 虾肉基本组成结果

不同规格小龙虾肌肉基本组成见表2。7～8 月间小龙虾水分含量76.53%～79.22%，蛋白质含量17.63%～19.45%，脂肪含量1.40%～1.90%，灰分含量0.76%～0.93%。同月份间，大规格虾肉水分含量最高，中规格虾肉蛋白质含量相对较高（P＞0.05），脂肪含量7 月是小规格最高，8 月则是大规格最高。不同规格间，小龙虾虾肉的灰分无显著差异（P＞0.05）。毛涛等[4]发现，大规格虾肉的水分含量相对较低，与本研究不一致，可能是由于不同地区气候及养殖环境不同造成的[23]。而中规格虾肉蛋白质含量相对较高和大规格的脂肪含量相对较高，与毛涛等[4]和罗雅婷等[24]的结论相符。和8 月份原料虾相比，同规格7 月份原料虾的水分、蛋白质和灰分含量较高，脂肪含量较低。梁正其等[25]对四个地区的小龙虾虾肉营养成分进行了测定：水分含量（79.10%～80.30%），粗蛋白（17.41%～18.39%），粗脂肪（0.39%～0.51%），粗灰分（1.73%～2.22%）。在本试验中，小龙虾肉的脂肪和蛋白质含量相比之下更高，可能与原料来源区域相关。De 等[26]提出脂肪含量越高，食用口感更好，因此湖北小龙虾品质相对较好。

表2 不同规格小龙虾虾肉基本组成Table 2 Different specifications of Procambarus clarkii shrimp meat basic composition

2.3 虾肉理化性质结果

pH 常被作为评定水产品新鲜度的重要指标。在7 到8 月间，虾肉的pH 范围为6.88～7.30（图1A）。陈东清等[5]以湖北潜江、洪湖地区的小龙虾为原料，发现不同规格小龙虾的pH 在7.05～7.44 之间，与本研究结果基本一致。另外，7 月虾肉pH 低于8 月，可能原因是7 月高温及降雨量骤增的情况，导致呼吸频率超过鳃通气频率，体内CO2含量上升，从而导致pH 下降[27]。

图1 不同规格小龙虾理化性质Fig.1 Physicochemical properties of Procambarus clarkii with different specifications

离心失水率与虾肉制品的嫩度、弹性直接相关。本研究中小龙虾离心失水率（CL）随着规格的增大而下降（图1B）。陈东清等[5]发现小、中规格的小龙虾加压失水率更低，反映出虾肉持水性更高，与本研究结果一致。同规格间，7 月和8 月小龙虾肉的持水性无显著差异（P＞0.05）。

硬度和弹性是评价虾肉品质的主要指标。内部和表面硬度分别反映首次咀嚼虾肉所需要的力及二次咀嚼所需的力，虾肉弹性是指在外力的作用下导致虾肉形变，卸掉外力后形变恢复的程度。小龙虾肉的内部硬度为32.92～52.58 N，外部硬度为9.18～13.61 N，弹性为18.22～21.17 N。同一规格下，8 月虾肉硬度均大于7 月，可能与虾肉水分含量相对较低相关[28]。7、8 月时，大规格小龙虾虾肉内部硬度均最大，表面硬度均最小，弹性相对较高，表明大规格虾肉紧实有弹性，口感更好。陈东清等[5]研究表明肌肉硬度、弹性越大，口感相对较好。

2.4 克氏原螯虾肉的微观结构分析

虾肉品质情况一般从肌纤维束的排列和紧密度反映[29]。由图2 可知，小龙虾虾肉组织的细胞核形状大部分是椭圆形。小规格的小龙虾肌纤维束之间有较多缝隙，排列不规整。随着规格增大，肌纤维束之间的间隙逐渐减少，结构趋于紧密完整，这与虾肉内部硬度逐渐上升趋势一致（图1C）。Qian 等[30]发现肌肉纤维束间间隙增大会导致肌肉的持水性下降，这与图1B 研究结果一致。

图2 不同规格小龙虾组织结构观察Fig.2 Observation on the structure of Procambarus clarkii with different specifications

2.5 小龙虾壳的近似组成结果

不同规格小龙虾壳近似组成见表3。7～8 月间小龙虾壳的水分、蛋白质、脂肪、灰分分别为39.27%～66.32%，4.40%～9.64%，0.85%～2.46%，11.23%～20.67%。小龙虾头壳的水分和蛋白质含量低于尾壳，脂肪和灰分含量高于尾壳。在小龙虾活运过程中，头壳破碎的情况远大于尾壳，认为头壳硬度小于尾壳，因此虾壳硬度可能与脂肪和灰分含量呈负相关，本推测与Wang 等[10]研究一致。不同规格间，大规格虾壳的水分含量相对较高，蛋白质含量相对较低，脂肪和灰分含量无明显规律。不同月份间，7 月原料虾壳中水分和蛋白质含量低于8 月原料虾，脂肪、灰分高于8 月原料虾。

表3 不同规格小龙虾壳近似组成（干基）Table 3 Approximate shell composition of Procambarus clarkii with different specifications (dry base)

虾壳中甲壳素主要是α型，具有最佳的晶体结构，且该多形体是反平行排列，含有大量氢键，给予结构高度的灵活性[31]。虾壳的重要成分之一是碳酸钙，决定了虾壳质地坚硬程度[32]。7～8 月间小龙虾壳中甲壳素、钙含量为12.07%～17.43%和3.31～5.35 g/100 g。小规格虾壳的甲壳素和钙含量相对较高，7 月原料虾中的甲壳素和钙含量更高，说明虾壳结构更加紧密，力学性能更好。张凯军等[33]研究发现高温会加速虾的蜕壳频率，导致甲壳素积累时间变短，这与8 月虾壳甲壳素含量低相关。小龙虾壳的甲壳素和钙含量受多种因素的影响，包括物种、季节和饲料等[34]。例如，南美凡纳滨对虾壳甲壳素为29.45%[35]，南极磷虾壳甲壳素为5.19%[36]，美洲龙虾壳为甲壳素21.6%[37]。

2.6 小龙虾壳的FTIR 和X-ray 测定分析

图3 中酰胺Ⅱ带（1600～1700 cm-1）计算虾壳蛋白质二级结构，其中β折叠（1613～1637 cm-1），无规则卷曲（1637～1645 cm-1），α-螺旋（1645～1662 cm-1），β转角（1662～1682 cm-1）。二级结构中以β折叠（35.21%～40.02%）比例最高，其次是β转角（29.87%～33.53%），α螺旋（12.72%～14.29%），无规则卷曲（11.82%～17.91%）。尾壳二级结构中β折叠含量更高。α-螺旋和β折叠代表有序结构，β转角和无规则卷曲代表无序结构[38]。克氏原螯虾壳中有序结构比例随着小龙虾规格增大而上升，说明小龙虾壳结构逐渐紧凑有序。Yang 等[39]认为稳定蛋白质结构的力（如氢键）的损伤与有序结构的降低的现象有关，有序结构的上升，也反映了虾壳中的氢键逐渐增加，结构稳定性上升。

图3 中酰胺Ⅰ带（3000～3600 cm-1）是以O-H和N-H 伸缩振动常见频带。分子内氢键OH（6）/OC和OH（3）/O（5）在3464～3458 cm-1和3374～3464 cm-1之间形成，分子间氢键CO/HN 和OH/OC 在3249～3264 cm-1和3100～3102 cm-1之间形成。由表4 可知，CO/HN 键最多（41.33%～47.22%），其次是OH（3）/O（5）键（24.22%～30.83%）和OH/OC 键（16.04%～23.32%），OH（6）/OC 键所占比例最小（5.50%～11.07%），氢键能在4.61～4.89 kcal-1之间。头壳氢键中OH/OC 和OH（6）/OC 含量低于尾壳。甲壳素的构象和力学性能受到分子内和分子间氢键的影响[19]。氢键能越高，破键所需的能量越大。Gbenebor 等[31]经研究发现虾甲壳素的平均氢键能计算为5.25 kcal-1，而蟹的平均氢键能为4.71 kcal-1，表明虾壳结构灵活性更高。另外，采用酸碱法提取甲壳素也会导致氢键分布的改变，降低键能[30]。

表4 不同规格小龙虾的二级结构及氢键Table 4 Secondary structure and hydrogen bonding of Procambarus clarkii with different specifications

本研究中小龙虾虾壳的甲壳素的去乙酰度（DD）为91.89%～94.47%。甲壳素的去乙酰度越高，抗菌活性越好[40]，因此小龙虾壳具有较大的应用潜力。虾壳结晶度为71.74%～93.75%，不同捕捞月份和规格间无明显趋势。结晶度与氢键能有相关性，Gbenebor等[41]发现氢键能下降时，分子内和分子间氢键发生断裂，N-乙酰基逐渐减少，引起链的结构稳定性下降，甲壳素晶体结构扭曲，最终导致结晶度下降，解释了表中二者趋势基本一致的原因。尾壳的结晶度和氢键能都大于头壳，说明尾壳结构比头壳稳定性更高，硬度更大，这与Wang 等[10]的研究一致。

3 结论

通过对7～8 月不同规格小龙虾虾肉和虾壳基本性质进行检测，发现小规格虾肉的得肉率和肌纤维间隙最大，鲜嫩度最高，中规格虾肉的蛋白质含量最高，大规格虾肉的脂肪含量相对较高，硬度和弹性更高。小规格虾壳中甲壳素和钙含量相对较高，可作为制作甲壳素的原料，大规格虾壳的氢键能和结晶度相对较高，结构逐渐紧密坚硬，活运存活率高。7～8 月原料虾性质基本相似，但8 月虾肉的pH、离心失水率、硬度和弹性高于7 月虾肉。本研究旨在完善小龙虾原料基本数据库，进而对湖北省内及周边地区小龙虾活运及加工进行指导作用，促进小龙虾产业链的发展。后续将继续采集不同年份、养殖环境的小龙虾进行数据补充，评价指标例如小龙虾风味、营养等，也将进一步完善补充。