虾类富含蛋白质及人体必需的氨基酸，含DHA、EPA等多不饱和脂肪酸，矿物质元素丰富，是一种营养均衡的优质蛋白质资源^[1]。近年来水产养殖业快速发展，特别是亚洲虾产量增长迅速，占全球总产量的80%以上，整个海产品加工产业中，约45%为虾类，其中冷冻的去壳虾为收获后主要的加工产品^[2]，国内外市场对其需求量明显提高。脱壳是虾仁生产的重要工序，手工剥壳仍是我国虾仁加工的主要手段，但这种方法人工需求量大，随着劳动力成本的增加，企业的加工负担越来越重，对虾体机械剥壳的需求度日趋增加。

正常情况下收获后未经处理的虾壳紧紧连着虾肉，很难完整剥离^[3]。无论手工剥壳还是机械脱壳，虾壳-肉连接过于紧密均会导致脱皮效率低、脱壳后虾仁完整性受损、剥壳不彻底、虾仁产量低、感官质量下降、色泽变化等问题，成为制约虾类深加工工业至关重要的因素^[4]。因此在脱壳之前需对虾体进行预处理，使壳-肉之间的连接松动，既能高效脱壳又保证了虾仁的品质，这成为虾体快速剥壳的研究热点。本文从生物学的角度解释了虾体壳肉结合的特点，综述了虾加工产业剥壳现状，提出了未来虾类剥壳预处理技术的发展趋势。与传统便捷剥壳方法 (加热、低温等) 相比，新兴的技术和方法 (高压处理、酶辅助、低频超声、微波) 在促进原料高效脱壳的同时能更好地保持虾肉的品质，是突破生产瓶颈，促进快速剥壳技术发展，提升虾类加工产业技术水平的重要手段。

1.   虾体壳肉结合特点

壳与虾肉的相连结构主要有3层，分别为壳、表皮和肌肉^[5]。表皮通过很多微管相互交错附着在肌肉上，肌动蛋白丝插入该连接的肌肉侧，肌肉附着纤维 (也称为内表皮纤维) 与外壳侧连接。内表皮纤维从锥形半桥粒延伸到壳体，锥形半桥粒形成了顶端细胞膜的内陷。每个锥形半桥粒延伸出一个内表皮纤维，偶尔可能在壳内形成分支。表皮细胞本身含有许多微管，这些微管在末端自行闭合或连接到锥形半桥粒上。微管不连接的区域称为顶端细胞质带，由核糖体和内质网构成，其中尾节部分跟虾体的连接最为紧密。由于这个结构的存在，虾壳与虾肉紧密连接，使虾脱壳变得极为困难。笔者认为虾体壳肉连接较为紧密的部位分别为虾背、虾头与身联结部位、腹肢及虾尾。Dang等^[4]研究发现这些连接结构的结缔组织主要是由胶原蛋白组成，所以去壳的关键点在于破坏此结构的胶原蛋白，从而松动其连接。

虾类身体覆有一块坚硬的几丁质，形成一个像盔甲一样的保护壳，被称为外骨骼，它会周期性生成新的外骨骼、蜕掉旧的外骨骼，称为蜕皮^[6-7]，蜕皮贯穿个体发育的始终，使甲壳动物出现阶梯式生长。蜕皮周期可分为蜕皮、蜕皮后、蜕皮间和蜕皮前^[8]。蜕皮后期虾的外壳柔软且薄；蜕皮间期由于矿物质和蛋白质的沉积表皮逐渐钙化，变暗且呈现颗粒状，外壳逐渐坚硬^[4]；随后进入蜕皮前阶段，表皮开始形成新的外表皮薄层，该时期外壳中的几丁质被大量降解^[9]。蜕皮的过程在几分钟内完成，新生虾体的外壳十分柔软^[4,7]。整个蜕皮发生的过程主要由Y器官分泌的蜕皮激素和X器官分泌的蜕皮抑制激素 (MIH) 相互拮抗作用进行调控，蜕皮类激素主要由20-羟基蜕皮酮和3-脱氢蜕皮酮构成，同时外界环境因素如温度、光照、盐度、钙离子等也会影响虾类的蜕皮过程。虾肉与虾壳的变化是虾体蜕皮的关键，实际生产和研究过程中多通过改变虾壳与虾肉的状态及连接方式达到便捷剥壳的目的，由于虾蜕皮的时间不一致，会导致每批次虾壳软硬程度不均一，在一定程度上也会影响虾体剥壳的效率。

2.   虾类剥壳加工现状

2.1   手工剥壳

目前普遍使用的脱壳方法为手工剥壳，鲜虾或冷冻虾体去壳是剥壳工艺中的重要环节。手工剥壳的程序为：去虾头→开背→去虾线→脱壳。手工脱壳过程中虾尾易断裂，对虾品质的破坏程度较高，得肉率低。耗时耗力、生产效率低、易受到微生物污染，影响产品鲜度和品质^[10]。且手工脱壳过程中工人的手容易被虾壳刺破，从而导致治疗外伤用的氯霉素污染虾仁产品，形成质量安全隐患。此外，随着雇佣劳动力成本的大幅提升，企业人工费用的支出将愈来愈重，占据大量生产成本。所以，手工剥壳将成为制约虾产业发展规模化、连续化、产业化的瓶颈。

2.2   机械脱壳

由于手工脱壳对虾品质的破坏和劳动力成本的上升，机械去壳成为行业发展的必然趋势。先进、高效的虾脱壳机械设备，将给企业带来可观的经济效益，并促进产业可持续发展。研究人员和企业致力于寻求性能可靠的技术和设备，依据不同的剥壳原理，目前国内外关于虾剥壳的自动化设备的主要有两大类。

国外关于虾类自动脱壳设备的研究较早，经过多年的发展技术趋于成熟，市场上应用广泛的主要为以下两种。最为著名的是Laitram Machinery公司生产的A型自动虾剥壳机^[11] (图1)，可连续自动进料、滚筒式、多根辊轴并列，利用辊之间的挤压作用产生重复的“捏-放”效果，实现去壳 (图2)。创新设计了两阶段剥离工艺，下部的辊直径较大，剥离作用较大；大辊筒上部插入小直径的金属辊，可更好的保留头部和尾部的肉 (图2)；弹簧形成的“压指”结构，促进剥壳 (图2)。此机型在全球范围内知名度甚高，应用较为广泛。但在剥壳过程中由于挤压作用，虾仁较易破碎、虾尾部分的壳无法剥离干净，影响产品外观，虾肉损失。其次是Gregor Jonsson公司的圆式旋转盘对虾剥壳机^[12]，旋转工作台在连续转动过程中可快速完成抓虾、压实定位、断尾壳、开背、去肠线、插针取肉、壳肉分离等剥壳全部工序^[13-14] (图3)。系统能根据每只虾的大小自动调整，切割深度一致；可根据市场需要加工多种样式的虾去壳产品，质量上等，大小均匀，可减少手工操作程序和虾体被微生物感染的几率，有效保证了产品品质。但原料必须为去头虾，且需严格定向逐个剥壳，剥壳效率相对较低。

图  1  Laitram Machinery A型自动虾剥壳机^[11]

Fig. 1  A-type automatic sheller from Laitram Machinery

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  A型自动虾剥壳机剥壳原理^[11]

Fig. 2  Shelling principle of A-type automatic sheller^[11]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  Gregor Jonsson公司对虾剥壳机及虾旋转盘运输系统示意图^[13-14]

Fig. 3  Schematic diagram of shrimp sheller and carousel transportation system from Gregor Jonsson company

下载: 全尺寸图片 幻灯片

国内虾机械剥壳的研究起步较晚，一般是在国外上述两类剥壳设备的基础上进行消化吸收，改进优化。基于辊轴挤压式剥壳的原理，张秀花等^[15]和张泽明等^[16]做了一系列关于虾剥壳机械设备的研究，研制出了剥壳的样机，探讨了虾机械式剥壳技术^[10]，并确定了剥壳和预处理条件的工艺参数^[17-18]。金金等^[19]受转盘式剥壳机启发，设计了包括夹持机构、压紧机构、切割装置及虾仁分离机构等一整套设备，能够快速、完整地实现虾壳的去除。在磷虾脱壳方面，主要基于滚轴间隙的挤压剥壳原理，开展了南极磷虾 (Euphausia superba) 船载脱壳加工设备的研发及工艺参数优化研究^[20]，对滚轴转速、滚轴长度、滚轴间隙、旋转圈数^[21]，不同进料速度、原料放置时间和预冷时间进行了多次船载实验和性能验证，完善了船上挤压脱壳生产工艺^[22-23]，但整体加工能力较国外低，进料均匀性不高，脱壳虾肉平均产出率为20%^[24]，需进一步完善。

总体来看，造成机械剥壳存在上述问题的原因主要在于鲜虾壳紧紧连在虾肉上，壳肉分离变得困难，所以脱壳之前要对虾进行相应的预处理，松动壳肉之间的这种紧密连接，后续脱壳过程中就能提高加工虾仁的完整性、出产率以及脱壳效率等，有效地保证虾仁品质，降低生产成本，提升经济效益。

3.   脱壳预处理技术

多年来，为了提高虾的可剥壳性, 虾仁的完整性及其品质，实现虾加工产业的连续化、工业化、机械化生产，人们试图寻找各种各样的脱壳预处理技术，包括低温冷冻处理、热处理、压力、超声、微波等刺激，促进虾壳-肉之间的连接松动，易于脱壳。

3.1   加热处理

热处理在一定程度上能够破坏虾壳-肉之间的连接。传统的方法是在剥壳之前进行预煮，与不经预热处理的虾相比，加热后的虾体更容易脱壳，虾肉回收率高、虾尾部分损失率降低、虾仁的月牙形状更为完整、出现诱人的红色色泽。热处理时，虾肌肉蛋白形成热诱导凝胶，此三维网状结构的存在，阻止了剥壳时的水分外流^[25]，从而降低汁液流失率，且能杀灭部分微生物^[26]。虾壳的膨胀或虾肉的收缩，亦或这两种作用同时存在，从而使虾壳松动。而热处理正是利用这个原理，促进了壳肉之间流动区域和潮湿带的形成，一旦形成便可有效促进壳松动。

然而，热处理不可避免地把虾煮熟，影响虾仁的风味和质地，不适用于需要新鲜虾仁的菜肴，比如寿司。过度的热处理会引起蛋白质变性，肌肉持水能力降低，虾肉大部分呈味成分损失^[27]，质构及风味变差，降低产品价值^[28]，从而限制了其潜在应用。

3.2   低温处理

由于加热处理并不能满足工业发展的需要，人们探索其他方法来促进虾壳的剥离。其中用冰或冷冻处理鲜虾是比较经济、简单和便利的方法。很早之前渔民就发现，捕捞后的鲜虾，在冰水中贮存2 d后更易剥壳。Xu等^[29]以凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)为研究对象，发现在冰上贮存8 h后可明显降低虾的剥壳难度，且能有效保持产品的质量。目前生产虾仁最常用的方法是对虾进行速冻之后解冻，再进行壳肉分离 (人工或机械)^[30]。张秀花等^[18]研究表明在−30 ℃条件下处理10 min后凡纳滨对虾的平均剥壳率为100%、虾仁完好率为95%。但冻结过程中产生的冰晶较大，对虾的细胞组织产生破坏，引起蛋白质变性，肉质容易发生硬化^[31]。速冻之后进行解冻，造成虾肉汁液流失率增加^[32-33]，且耗能较高。科研人员提出冰盐 (又名冰泥) 处理法，即冰、盐和水的混合物。冰盐水在短时间内可吸收大量的热，从而使虾体温度急剧下降，盐的浓度越高，凝固点就越低，新鲜的活虾处于低温盐水冷却介质中，肌肉急剧收缩，促进壳肉间的分离。此法冷却速度快，低温减缓了化学反应、降低了酶活性，使微生物的活动受到限制，减慢了虾仁品质劣化，且较之于冰处理，保留了更好的色泽^[34]。刘金昉等^[35-36]研究表明控制冰盐和低温盐水的降温速度和处理时间能有效促进凡纳滨对虾剥壳，同时起到低温保鲜的作用，保证了产品的品质，剥壳后虾肉完整，肉质好，色泽、气味正常，但盐水浓度过高，会引起样品快速冻结，肌肉冻结产生的膨胀压使壳肉分离难度增加，导致剥壳效率降低、虾体损失严重。另外，随着浸泡时间的延长，盐很容易渗入虾体，影响产品的质量。

3.3   超高压技术

超高压技术 (High hydrostatic pressure, HHP) 是以流体为介质，对放入高压密闭容器内的食品物料施以200~1 000 MPa的压力并保持一定的时间，可实现虾体脱壳的一种非热加工技术。超高压技术用于食品的去皮最早见于水果和蔬菜，Kunz^[37]描述了高压技术用于西红柿 (Lycopersicon esculentum)、桃子 (Amygdalus persica) 等果蔬类产品的去皮方法和设备。随后陆续有超高压技术应用于水产品加工和储藏的报道，如超高压技术用于长牡蛎 (Ostrea gigas) 的商业化脱壳生产^[38]，不仅能够改善其品质，同时能部分杀灭微生物^[39]。其他水产品如龙虾^[40]、贝类^[41-42]、鲍鱼^[43]的超高压脱壳也日渐成为研究的热点^[44]。

超高压主要影响非共价键和对压力敏感的反应，对于共价键影响较小，大分子化合物如蛋白质等更易受其影响。HHP对于蛋白质二、三、四级结构影响较大^[45]，蛋白质的四级结构主要由非共价键组成，对压力十分敏感，<150 MPa的低压就能引起寡蛋白的破坏；压力为150~200 MPa可破坏蛋白质的三级结构，从而引起蛋白质变性；而压力>700 MPa使蛋白质的二级结构发生改变^[46]。超高压脱壳的主要原理为压强引起使蛋白质变性从而破坏壳-肉之间的连接。研究表明，适当的压强和保压时间 (200~300 Mpa，1~3 min)^[47-48]，可以有效促使对虾壳松动，解决鲜虾脱壳过程中虾仁易破碎、脱壳效率低、产虾仁率低等难题。较传统手工方法，脱壳时间显著 (P＜0.05) 缩短，脱壳后虾仁的加工性能、虾仁得肉率提高，持水性增加、其汁液流失率降低。与速冻相比，超高压处理能够降低对色泽和虾仁品质的损坏程度，能耗仅为速冻1/3^[49]，300 MPa、1 min协同处理后脱壳效果较单一冷冻辅助脱壳显著提高了24.31%^[50]。与热烫相比，超高压处理能够减弱虾仁的熟化，也能更好地维持虾肉的保水性和pH的稳定性，减少其肌原纤维蛋白的损失^[23]。

高压技术使壳肉松动，能够有效促进虾的脱壳，但是目前尚存在很多问题：与鲜虾相比，过高压力作用和较长的保压时间下 (压力 ≥300 MPa、保压时间 ≥3 min)，虾仁感官、蛋白生化特性等理化品质出现不同程度的劣变，肌原纤维蛋白构象被改变^[51]，含量显著下降，氧化程度上升^[52]，表面疏水性增加，Ca²⁺-ATPase逐渐失活，肌球蛋白和肌动蛋白的热稳定性降低^[53]。脱壳后在储藏过程中引起水分含量下降，滴水损失增加^[54]。随着压强不断增加，肉的硬度也增加；压强在800 MPa左右，肉色变白且无光泽^[55]。此外，超高压压力300 MPa保压时间10 min引起凡纳滨对虾体表褐变^[56]，且会在一定程度上导致脂肪氧化^[53]。因此在生产中要严格控制压力和保压时间，在保证虾仁品质的基础上探讨剥壳的最优参数。基于超高压技术的设备比较昂贵，制约了超高压技术在虾脱壳产业的应用。且超高压设备的工作容器较小，批处理量少，且多属于间式操作，很难满足生产需要。

3.4   酶解处理

酶法去皮在食品中的应用由来已久，最主要是在果蔬，比如梨 (Pyrus spp.)^[57]、柠檬 [Citrus limon (L.) Burm. f.]^[58]、橘子 (Citrus reticulata)^[59]、蔬菜^[60]等。酶可水解表皮和壳中的蛋白质，在酶促成熟过程中，壳肉联接部位的蛋白水解，增加了壳和肉之间的间隙，导致壳肉连接松动。近年来，酶解技术已被应用于辅助虾快速脱壳的加工领域。

Dang等^[3]研究了一种酶解促进冷水虾 (Pandalus borealis) 脱壳的方法，结果表明用体积分数为0.25%~2% 商业蛋白酶使虾壳松动，可减少约70%的工作量，提高去壳率，且经酶促成熟后的虾去壳后在质构和色泽上明显优于工业盐水法，且酶液可重复利用。Dang等^[61]用蛋白质组学和微观方法研究了蛋白酶诱导北极对虾脱壳的机理。经酶处理过的原料在深加工 (如油炸、蒸煮) 后的食品质量与原料制品类似，比如适当浓度酶处理的鸡肉蒸煮后蛋白质含量升高，纤维组织无显著变化但肉的硬度降低^[62]。然而，酶法处理对于虾化学、物理化学、微生物方面的影响没有进行详细评估，尤为注意的问题是酶去壳过程中的微生物污染，特别是反复使用的酶液微生物污染的风险更高^[4]。此外，在酶促成熟过程中，渗入肉中的酶液在储藏期间可能会引起滴水损失和肉质变软^[63]。

3.5   超声技术

根据频率的不同，超声波可分为高频超声波 (2~20 MHz) 和低频超声波 (20~100 kHz)。低频超声波，具有较高的能量，通过空化效应、热效应和机械效应诱导物料产生机械、物理化学/生物化学变化，可用于食品工业生产中提取、冷冻、干燥、乳化和杀灭致病菌^[64-65]，这些效应单独或联合作用是超声影响脱壳的理论基础。超声单独应用于食品脱皮去壳方面的研究较少，多和其他方法联合使用。比如适当强度超声辅助热碱液可使番茄去皮^[66]，且较传统方法效果更理想，番茄的损失降低了2%^[67]，超声所产生的空穴气泡与热效应、机械效应协同作用，引起番茄皮的果胶和半纤维素降解，削弱皮和番茄肉的连接，并促进剥皮剂进入番茄皮-肉连接处，引起皮和胚乳生物和机械的分离。适当的超声可辅助酶影响虾壳中的蛋白质，且效果较酶单独处理更好^[68-69]。这是因为一定功率的超声波能够提高蛋白酶的活性^[70]，或创造路径增加酶和底物的接触，加速酶促反应^[71]。

虾脱壳的关键技术主要是破坏连接处的结缔组织蛋白，实现壳肉分离。Dang等^[72]报道了超声波 (24 kHz) 单独作用或与蛋白水解酶同时作用辅助冷水虾快速脱壳。超声处理时，虾的质构和温度密切相关，但虾仁的产量和肉的得率不依赖于温度。在酶处理之前进行超声，虾的可剥性随着振幅和时间的增加而增大，两者同时作用可显著增加虾壳的可剥离性，且对虾的质构和色泽无影响。超声-酶诱导虾壳松动的机制是通过声波产生的空化气泡使虾壳表面形成凹陷，酶由此进入壳肉连接处，通过酶解作用使壳肉松动。

考虑到超声处理对虾的结构和质量安全的影响，Li等^[73]于0 ℃和5 ℃条件下用超声波 (30 kHz，800 W) 对生鲜虾和蒸煮过的虾处理30 min，结果显示，超声波在形成空穴效应的同时，也会产生热能，还可以降低虾过敏性，但生虾和蒸煮过的虾的硬度明显增加，此外高强度的超声波会破坏蛋白质空间结构和完整性^[74]。因此，关于超声后的虾肉食品及其制品感官品质、蛋白质性质、营养与安全性尚无系统的详细报道，需要进一步研究。

3.6   微波技术

微波是能产生高频电磁场的电磁波，介质中的极性分子在快速变化的高频电磁场作用下来回振动，产生摩擦热，利用微波的穿透性和热效应，从而使闭壳肌受热变性与壳体分离，本质上也属于热力开壳^[75]。微波处理常用于虾的解冻，可促进几丁质的酸性水解且大幅减少解冻时间^[76]。有研究表明微波辅助甲壳素脱乙酰化成壳聚糖 (15~30 min) 比高压灭菌辅助去乙酰化 (1~2 h) 快得多^[77]。Zhao等^[78]利用微波辅助柠檬酸和深共晶溶剂来提取虾壳中的几丁质。由此可见，利用微波影响虾壳中的几丁质和甲壳素，可能会促进虾体脱壳。国外的微波脱壳研究开始较早，早在1971年，提出了微波处理双壳贝类促进其脱壳的方法，微波集中辐射到预先定位的闭壳肌处，实现肉壳的分离^[76]。当微波作用于样品时，高频振荡可产生巨大的摩擦热，使虾内外内能迅速升高，虾肉结合水分转变为自由水分汽化逸出^[79]，虾肉失水而收缩；虾壳组织内的结合水分减少，纤维组织韧性下降、强度降低。该法可促进虾的壳肉分离，为虾脱壳提供了良好的前提条件，但目前尚未见上述技术应用到虾脱壳的报道。值得注意的是，微波会产生非热效应，其非热效应可影响大分子，导致寡糖糖基化和蛋白质变性^[80-81]。但是，目前微波非热效应的影响机制还是一个具有争议的话题，需要进一步研究证实。

4.   虾类机械剥壳产业展望

传统的加热和物理/化学处理方法如低温冷冻、冰盐处理在一定程度上能够提高虾的剥壳率和虾仁的完整率，但同样也存在着虾壳松动不彻底、处理时间过长、微生物滋生等问题，导致后续难以剥壳，虾仁产率低，产品质量下降，所以从新兴的技术中寻求更加科学高效的方法促进虾的快速脱壳是未来研究的主要思路。

当然，这些技术仍存在一些问题，如超高压处理诱导虾肉的物理和化学变化可能会对产品的感官性质和质量产生负面影响；而且超高压技术对于机械设备要求较高，对工业生产来说，成本较高。酶解去壳的显著问题是在处理过程中可能会水解虾肉等不希望被水解的部分，对于肉质产生影响；而由于超声波的空穴效应所产生的副作用，会导致虾仁的质量损失。相比较而言，微波技术在辅助虾体脱壳上的应用还不太成熟，需要进一步研究，但其在贝类闭壳肌开壳上的成功及产业化应用，可为该技术在虾去壳的研究上提供参考依据。而两种或以上技术联合使用也是发展趋势，如超高压协同冷冻处理、超声-酶联合、超声-微波联合、超声-碱液联合等这些技术的联合，可促进虾快速脱壳。

随着人们对虾类新鲜程度及品质要求的不断提高，传统的手工脱壳方式必然无法满足生产需求，将逐渐淘汰。未来的虾类脱壳加工产业将会以前沿脱壳技术为依托和基础，研发相应的加工装备，优化实际生产工艺参数，并放大应用落地执行，满足生产机械化、连续化、智能化和大规模生产需要。