虾头是冷冻虾仁加工过程中最主要的废弃物，约占整个虾体质量的35%~45% (Cao et al, 2014)。据《中国渔业统计年鉴2020》(农业农村部渔业渔政管理局, 2020)报道，2019年我国海虾和淡水虾养殖和捕捞产量达600万t以上，其中，约有48.7万t的对虾和50.99万t的克氏原螯虾(Procambarus clarkia)被加工成去头、壳的虾仁，由此产生的虾头废弃物在30万t以上。近年来，对虾头废弃物的研究较为热门，主要原因有2个：一是虾头废弃物极容易腐败变质，造成严重的环境污染(Hossain et al, 2018)；二是虾头中富含蛋白质/肽(Guo et al, 2019; Jiang et al, 2020; Prameela et al, 2017)、氨基酸(Suparmi et al, 2020)、甲壳素(Guo et al, 2019; Tan et al, 2020)、类胡萝卜素(尤其是虾青素) (Gómez-Guillén et al, 2018; Prameela et al, 2017; NúÑez-Gastélum et al, 2016)和磷脂(Li et al, 2018; 崔益玮等, 2018; 李晓彬等, 2018)等营养成分及生物活性物质。蛋白质及其水解产物氨基酸等是人体最重要的营养素之一，磷脂和虾青素因具有天然抗氧化活性而备受青睐，而甲壳素则被人们称为人体必需的“第六生命要素”。目前，虾头废弃物多被用作动物饲料、肥料或生产虾头酱等调味品，产品附加值不高，如能充分利用这些虾头废弃物生产蛋白/肽、磷脂、虾青素和甲壳素等高附加值产物，既可以减少环境污染，还能产生非常可观的经济效益，可谓一举两得。

据《中国渔业统计年鉴2020》报道，克氏原螯虾是全国养殖面积最大的淡水虾，而凡纳滨对虾(Litopenaeus vanmamei)、日本对虾(Penaeus japonicus)和中国对虾(Penaeus orientalis)占全国虾类海水养殖面积的87%以上，也是山东养殖规模最大的4种虾(姜燕等, 2019)。目前，尚未有对这4种虾头原料品质进行评价的报道。为了充分利用虾头资源，本研究对山东这4种代表性虾的新鲜虾头进行蛋白质、氨基酸、磷脂、虾青素以及甲壳素等营养成分分析，并通过对其营养品质的评价来评估各类虾头的开发利用价值。同时，通过比较各类虾头中的营养成分差异，为不同品种虾头资源开展有针对性的高值化利用提供理论依据，以期进一步促进虾类养殖、加工产业的发展。

1 材料与方法 1.1 材料与设备 1.1.1 材料

虾头原料：4种鲜虾原料2019年10月中旬购于山东省济南海鲜大市场：克氏原螯虾产自山东省济宁市鱼台县；日本对虾、中国对虾和凡纳滨对虾均产自山东日照。清洗后切取虾头，于–18℃冰箱冷冻保存备用。

牛血清γ-球蛋白：上海源叶生物科技有限公司；虾青素标准品：Carote Nature公司，瑞士；抗坏血酸、考马斯亮蓝G250：北京索莱宝科技有限公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.1.2 仪器设备

DS-200电动高速组织捣碎机，江苏江阴科研仪器厂；TS-100C台式恒温摇床，江苏常州市金坛高科仪器厂；Allegra 64R高速冷冻离心机，BECKMAN公司，美国；TD6M台式低速离心机，湖南湘立科学仪器有限公司；UV-2100紫外可见分光光度计，UNICO公司，美国；LGJ-10实验型真空冷冻干燥机，北京松源华兴生物技术有限公司；SPD-20A高效液相色谱仪，岛津仪器(苏州)有限公司；DHG-9070A鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；高速多功能粉碎机，上海缘沃工贸有限公司；海尔BCD-455WLDPC冰箱，青岛海尔；Sartorius BS224S电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.2 方法 1.2.1 虾头占全虾质量比测定

4种虾分别随机选取5只，在切取虾头前后分别称量全虾质量及其虾头质量，计算每种虾的虾头占全虾质量比。

1.2.2 粗蛋白提取及含量测定

从冰箱取出冷冻虾头，解冻后迅速称取100.00 g左右，切小块，先加入少量预冷生理盐水，用高速组织搅碎机搅碎，再加入大约5倍体积(m/v)的预冷生理盐水匀浆，匀浆液4℃浸提过夜，8层纱布过滤，滤液于4℃、10 000 r/min条件下离心15 min，小心刮去上层油脂，收集上清液，弃沉淀。上清液即为虾头粗蛋白提取液，精确量取其体积后分装至小瓶中，于–18℃保存备用(王凤霞, 2013)。

蛋白质含量测定方法采用Bradford法(Cheng et al, 2016)，以牛血清γ-球蛋白作为标准蛋白，以考马斯亮蓝G250作为染色剂，测定溶液在595 nm处的吸光度，以吸光度值为纵坐标，以蛋白浓度(mg/mL)为横坐标，得蛋白标准曲线为y=0.536 6x–0.000 2 (R²=0.998 8)。然后，对虾头粗蛋白提取液进行适当稀释后测定稀释液在595 nm处的吸光度值，由标准曲线求算稀释液的蛋白质含量(mg/mL)，虾头蛋白质含量比按公式(1)计算：

$ 蛋白质含量(\%)=\frac{{c}_{1}\times {D}_{1}\times {V}_{1}}{1000\times m}\times 100\% $

(1)

式中，c₁表示根据吸光度值计算出的稀释液的蛋白质溶液质量浓度(mg/mL)；D₁表示粗蛋白提取液稀释倍数；V₁表示粗蛋白提取液体积(mL)；m表示所用鲜虾头质量(g)。

1.2.3 氨基酸种类及含量测定

粗蛋白样品用真空冷冻干燥机制成冻干粉，测定方法参照GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的测定》。

1.2.4 磷脂提取及含量测定

称取大约100.00 g解冻虾头并搅碎，用7倍体积(m/v)的95%乙醇振荡提取(室温、90 r/min)约16 h，提取液离心(5000 r/min, 15 min)后收集上清液，即为虾头磷脂提取液，精确量取其体积后迅速分装至小瓶中，于4℃下保存备用(Li et al, 2018)。

虾头磷脂含量的测定采用紫外分光光度法(袁延强等, 2011)。对虾头磷脂提取液先进行适当稀释，稀释液取样测定体积为0.2 mL，进行消化、中和、显色后测定其在820 nm处的吸光度值，由磷标准曲线y=0.845 8x+0.005 7 (R²=0.999 8)求得稀释液的含磷量，据公式(2)求得虾头磷脂含量：

$ 磷脂含量(\text{mg/g})=\frac{{c}_{2}\times 10\times 26.3\times {D}_{2}\times {V}_{2}}{0.2\times 1000\times m} $

(2)

式中，c₂表示根据吸光度值计算出的稀释液的含磷量(μg/mL)；D₂表示磷脂提取液稀释倍数；V₂表示磷脂提取液体积(mL)；m表示所用鲜虾头质量(g)。

1.2.5 虾青素提取及含量测定

制备方法与1.2.4节磷脂提取液基本一致，区别在于提取溶剂为二氯甲烷。

虾头虾青素含量测定参照相关文献(高岩等, 2020)。以二氯甲烷作为溶剂，虾头虾青素提取液进行适当稀释后测定稀释液在472 nm波长下的吸光度值，由虾青素标准曲线y=0.181 8x+0.017 (R²=0.997 4)求得稀释液虾青素含量，据公式(3)求得虾头虾青素含量：

$ 虾青素含量(\text{μg/g})=\frac{{c}_{3}\times {D}_{3}\times {V}_{3}}{m} $

(3)

式中，c₃表示根据吸光度值计算出的稀释液的虾青素含量(μg/mL)；D₃表示虾青素提取液稀释倍数；V₃表示虾青素提取液体积(mL)；m表示所用鲜虾头质量(g)。

1.2.6 甲壳素制备及含量测定

甲壳素的制备及含量测定方法参见张巧等(2020)，即称取大约100.00 g解冻虾头(质量为m₁)，于50℃干燥至恒重，粉碎、称重(m₂)后备用。分别称取10.00 g虾头细粉(m₃)，加入1.5 mol/L HCl (料液比1∶40)浸泡6 h，进行脱钙处理，用清水洗至中性；再用质量分数为2%的NaOH溶液(料液比1∶30)浸泡处理24 h，脱除蛋白质和脂类等大分子，用清水洗至中性，得到颜色略深的絮状物；接着用质量分数为10%的NaOH溶液(料液比1∶20)浸泡处理4 h，至絮状物呈现白色，用清水洗至中性，50℃烘干至恒重，得到纯甲壳素，称重(m₄)。

虾头甲壳素含量测定按公式(4)计算：

$ 甲壳素含量(\%)=\frac{{m}_{2}\times {m}_{4}}{{m}_{1}\times {m}_{3}}\times 100\% $

(4)

1.3 数据处理方法

每个试验重复3次，结果以Mean±SD表示。采用Graphpad prism V6.0统计软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，显著性水平P < 0.05。

2 结果 2.1 4种虾头占全虾质量比

4种虾头占全虾质量比情况见表 1。由表 1可见，克氏原鳌虾虾头占全虾质量比最高，达到85.52%左右(P < 0.05)；其他3种虾头占全虾质量比亦高达36.77%~42.35%。

2.2 4种虾头中蛋白质、磷脂、虾青素和甲壳素含量比较

为了探明4种虾头废弃物中蛋白质、磷脂、虾青素及甲壳素含量的差异，分别对其进行了的比较分析，其结果见表 2。

由表 2可以看出，4种虾头废弃物中蛋白含量都比较丰富，约占虾头质量的12.47%~14.91%。克氏原鳌虾与凡纳滨对虾、日本对虾与中国对虾之间虾头蛋白含量差异不显著，而这2组虾头之间蛋白含量有显著性差异(P < 0.05)。

不同品种虾头废弃物中磷脂含量差异较大(P < 0.05)。其中，日本对虾最高，达到(15.00±0.13) mg/g；中国对虾和凡纳滨对虾分别为(12.38±0.16) mg/g和(12.61±0.23) mg/g；克氏原鳌虾虾头废弃物中磷脂含量远远低于其他3种虾，仅为(3.39±0.09) mg/g。

4种虾头废弃物中虾青素含量以凡纳滨对虾为最高，达到(68.46±1.28) μg/g；其次为日本对虾，为(61.62±1.59) μg/g；中国对虾为(41.42±1.03) μg/g；而克氏原鳌虾仅为(30.71±1.23) μg/g。不同品种来源虾头中虾青素含量差异显著(P < 0.05)。

甲壳素含量则以克氏原鳌虾虾头废弃物中为最高，占到虾头鲜重的(4.67±0.16)%；而日本对虾、中国对虾以及凡纳滨对虾分别占比(1.63±0.11)%、(1.77± 0.13)%和(1.70±0.18)%。3种对虾虾头废弃物中甲壳素含量差异不显著，但都与克氏原鳌虾虾头之间差异显著(P < 0.05)。

2.3 4种虾头氨基酸成分与含量比较

食品中蛋白质营养价值的高低，主要取决于其所含氨基酸的组成与含量(赵亭亭等, 2018)。4种鲜虾头蛋白提取物中17种水解氨基酸的含量结果见表 3。由表 3数据可以看出，4种鲜虾头氨基酸种类齐全，其中，人体必需氨基酸含量占到40%以上，日本对虾甚至达到46.78%左右。4种鲜虾头中必需氨基酸含量较高的5种氨基酸为赖氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸和异亮氨酸；4种鲜虾头中鲜味氨基酸——谷氨酸含量是17种氨基酸中含量最高的，其中，日本对虾鲜虾头中谷氨酸相对含量最高，达到(14.68±0.05) mg/g (P < 0.05)，中国对虾和凡纳滨对虾含量接近，约为(13.33±0.06)和(13.06±0.06) mg/g，克氏原螯虾为12.53 mg/g (P < 0.05)。日本对虾、中国对虾以及凡纳滨对虾鲜虾头鲜、甜味氨基酸约占总氨基酸的40%，而克氏原螯虾达到48.52%左右，与3种对虾间差异显著(P < 0.05)。

3 讨论 3.1 虾头废弃物进行开发利用的必要性

虾头是虾仁加工过程中最主要的副产物，以前常被当作废物扔掉或用作动物饲料、肥料等。结果表明，所研究的4种虾头副产物占整个虾体质量的比例较高，克氏原鳌虾虾头甚至占全虾质量的85%左右，而日本对虾、中国对虾以及凡纳滨对虾3种对虾虾头占全虾质量的40%左右。若将虾头直接废弃，不仅容易造成环境污染，还容易造成资源的极大浪费，因此，非常有必要对虾头废弃物资源进行充分的开发利用。

3.2 虾头废弃物资源进行相关蛋白质水解物/肽、氨基酸产品开发的可行性

冷冻虾加工过程中产生的蛋白水解物是最主要的环境污染源(Prameela et al, 2017)。本研究4种虾虾头中蛋白含量都比较丰富，约占鲜虾头质量的12.47%~14.91%。虾头蛋白水解后得到的氨基酸中，人体必需氨基酸含量占40%以上，日本对虾甚至达到46.78%左右；且3种对虾虾头中，鲜、甜味氨基酸约占总氨基酸的40%，克氏原螯虾甚至达到48.52%左右。Nirmal等(2020)研究表明，当虾头废弃物被蛋白酶水解时，70%以上的蛋白质以蛋白水解物形式得到回收。蛋白水解物、多肽或氨基酸除作为营养素外，因其具有抗氧化及抗菌(Djellouli et al, 2020)、血管紧张素转化酶(ACE)抑制(Gao et al, 2014)和β-分泌酶抑制(Li-Chan et al, 2016)等活性，还可广泛应用于医药和化妆品等行业。目前，利用微生物发酵法或蛋白酶水解法生产活性肽及氨基酸的技术已非常成熟，因此，可以考虑利用这样的技术对廉价的虾头废弃物资源进行蛋白水解物/肽及氨基酸等产品的开发。

3.3 虾头废弃物作为提取磷脂、虾青素原料来源的可行性

磷脂和虾青素均属于脂溶性活性成分。磷脂是一种天然抗氧化剂，像大豆卵磷脂已被广泛用作功能性保健食品。而海洋来源的磷脂因侧链部分含有二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)这种ω-3多不饱和脂肪酸(PUFA)，被认为比大豆来源的磷脂营养价值更高(Shen et al, 2021)，因此，常被作为功能性保健食品的活性成分进行开发利用(Wang et al, 2020)。本研究表明，日本对虾、中国对虾和凡纳滨对虾3种对虾虾头的磷脂含量为12.38~15.00 mg/g，而克氏原鳌虾虾头的磷脂含量仅为3.39 mg/g左右。由于虾的磷脂成分主要存在于虾头废弃物中(崔益玮等, 2018; 李晓彬等, 2018)，因此，非常有必要利用这一廉价的虾头资源进行磷脂相关功能性保健食品的开发，尤其是来源于海洋的3种对虾虾头废弃物资源。

虾青素是水生动物中最主要的类胡萝卜素色素，因其具有较高的抗氧化活性，虾青素在食品、医药和化妆品等行业具有广阔的应用前景，它还是水产养殖饲料中的色素来源(Prameela et al, 2017; 赵永强等; 2019)。据报道，虾青素的抗氧化活性是其他类胡萝卜素，如玉米黄质、叶黄素、角黄素和β-胡萝卜素的10倍，是α-生育酚的100倍(Naguib, 2000; Silva et al, 2015)。由于人体不能合成虾青素，只能从饮食如从虾头、内脏及虾壳等虾加工废弃物中获得(Nirmal et al, 2020)。本研究表明，日本对虾和凡纳滨对虾虾头中虾青素含量分别达到68.46和61.62 μg/g左右，中国对虾约为41.42 μg/g，而克氏原鳌虾仅为30.71 μg/g左右，因此，利用廉价的虾头废弃物资源开发虾青素产品具有较好的前景。对4种虾头而言，可以优先考虑日本对虾和凡纳滨对虾虾头副产物作为开发虾青素产品的原料来源，其次考虑中国对虾虾头作为原料来源。

3.4 克氏原鳌虾虾头废弃物作为开发甲壳素类相关产品原料来源的可行性

甲壳素是自然界中唯一带正电的阳性膳食纤维，甲壳素及其脱乙酰基产物壳聚糖在农业、食品、化妆品、化工、生物医药等行业的潜在用途已得到广泛认可(Liu et al, 2020)。甲壳素在虾、蟹壳中含量普遍较高，且由虾、蟹壳制备甲壳素及其衍生物的技术相对比较成熟，因此，在利用虾头废弃物提取蛋白/肽及脂溶性的磷脂、虾青素成分后，下脚料进一步制备高附加值甲壳素类产品具有广阔前景。为探明4种虾头中甲壳素含量情况，本研究对4种虾头甲壳素含量进行了分析比较。研究表明，克氏原鳌虾虾头甲壳素含量最高，约占虾头鲜重的4.67%，而3种对虾虾头甲壳素含量仅为1.63%~1.77%。因此，对4种虾头废弃物而言，克氏原螯虾虾头废弃物可能最值得进行甲壳素类相关产品的开发。

4 小结

本研究以山东4种常见虾——克氏原鳌虾、日本对虾、中国对虾及凡纳滨对虾的鲜虾头为原料，测定了不同来源虾头的蛋白质、氨基酸、磷脂、虾青素、甲壳素含量。研究表明，4种虾头占全虾的质量比普遍较高，日本对虾、中国对虾及凡纳滨对虾3种对虾的虾头占全虾质量的36.77%~42.35%，克氏原鳌虾头占比甚至达到85.52%，因此，有必要对虾头资源进行开发利用，以免造成环境污染和资源浪费。4种虾头蛋白质含量都比较丰富，约占鲜虾头质量的12.47%~14.91%，且4种虾头蛋白中氨基酸种类齐全，人体必需氨基酸含量达到40%以上，鲜、甜味氨基酸含量较高，因此，4种虾头均适合作为蛋白水解物/肽、氨基酸开发利用的资源；4种虾头中克氏原鳌虾虾头甲壳素含量远远高于3种对虾虾头，达到4.67%左右，适合用作制备甲壳素类相关产品的原料来源；而3种对虾虾头中磷脂含量则远远高于克氏原鳌虾，可以作为提取磷脂的原料来源；虾青素含量以凡纳滨对虾和日本对虾虾头中含量相对较高，其次是中国对虾，3种对虾虾头均可作为提取虾青素的原料来源。

本研究为不同品种的虾头中各类高值成分进行有针对性的开发利用提供了依据，具有重要的经济和社会意义。