壳聚糖在食品保鲜中的研究应用进展

2021-03-24 09:40:46 来源：食品安全导刊

评论0条我来说两句

　　壳聚糖在食品保鲜中的研究应用进展

　　壳聚糖是一种具有良好特性的碱性氨基多糖，其在食品工业被广泛开发和应用，食品保鲜一直以来都是食品领域研究的热点。本文从壳聚糖物质出发，综述了壳聚糖对食品保鲜的作用机理和研究应用现状，以期为壳聚糖在食品中的进一步研究提供参考依据与思路。

　　食品由于其基本特性在长期自然贮存状态下易发生腐败变质现象。食品腐败后理化性质和感官发生改变，致使食物本身营养价值降低，影响其口感与风味，引起卫生安全问题，造成食品浪费[1]。其由腐败产生的一些致病性微生物还会在一定程度上对食用人群的身体健康造成损害。延长食品保质期和保鲜期，延缓食品腐败、增加稳定性，保留食品最佳的可食用风味是食品工业领域一直以来的研究热点。壳聚糖是一类具有良好特性的碱性氨基多糖，其来源广泛，而且具有安全无毒、生物相容性好、抗菌性强、易成膜等特点而被广泛应用于食品保鲜领域[2]。本文就壳聚糖及其复合物在食品保鲜的应用及研究进展进行综述，重点阐述壳聚糖在食品保鲜中的作用机理、性能和应用，并对壳聚糖在食品保鲜的发展前景进行展望，为壳聚糖在食品工业中的进一步应用研究提供参考依据。

　　壳聚糖概述

　　壳聚糖是自然界广泛存在的甲壳素物质脱乙酰化作用生成的多糖高分子物质，其化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖[3]。壳聚糖是甲壳素脱N-乙酰基的产物，N-乙酰基脱去55%以上就可称之为壳聚糖，因此在特定的条件下，壳聚糖能发生多种理化反应，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用范围[4]。壳聚糖这种天然高分子物质因其良好的生化特性与可加工性而被应用在食品、医药、化工等许多行业领域中并取得了重大进展[5]。壳聚糖在食品中主要体现在对食品保鲜领域的研究应用，其保鲜食品原理主要是由于壳聚糖具有成膜性与抑菌性能，能够在食品表面形成阻隔性良好的透气薄膜，减缓食品的衰败变质，同时壳聚糖具有杀菌作用，壳聚糖与细菌细胞中带阴离子的细胞质发生絮凝作用产生抑菌效果，能够有效抑制微生物生长繁殖[6-8]。

　　壳聚糖在食品保鲜的作用机理

　　抑菌防腐

　　食品保鲜是在基于食品本身货架期的基础上延长食品的可食用时间，减缓食品水分与营养物质的流失，保持自身的风味。壳聚糖用于食品保鲜主要是壳聚糖源自于其良好的抑菌防腐效果而被应用在食品与食品添加剂中。目前关于壳聚糖对食品抑菌防腐作用机理主要基于以下几点的研究:（1）壳聚糖及其衍生物上的-NH2能质子化形成抑菌基团-NH3+，与带负电的细菌细胞膜反应发生凝结作用，从而改变细胞膜通透性，导致细胞外的营养成分无法向细胞内运输，细胞正常新陈代谢功能受到影响，致使细菌细胞裂解死亡起到杀菌作用[9]。（2）壳聚糖进入细菌细胞内，与细胞内带负电的物质结合，扰乱细胞的正常生理活动，破坏细胞壁的合成，造成细胞膜的破裂，抑制细菌的繁殖，导致微生物的死亡[10]。（3）壳聚糖作为一种螯合剂，选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子，从而抑制微生物的生长繁殖和产毒产生[11]。

　　蓝蔚青等[12]人通过光密度值结合菌液澄清度法探究壳聚糖对腐生葡萄球菌的抑菌作用机制。分析微生物生长曲线、电导率值、碱性磷酸酶含量、过氧化氢酶含量、苹果酸脱氢酶含量与生物膜生成量等指标变化。扫描电子显微镜结果发现，经壳聚糖处理的腐生葡萄球菌细胞形状不规则，表面呈不规则皱褶，出现破损细胞或细胞碎片，黏附聚集明显，严重时导致蛋白质、核酸等细胞质成分泄漏。壳聚糖能延缓腐生葡萄球菌的生长，抑制菌体生物膜的形成，损坏细胞壁结构，增强其细胞膜通透性，随后进入细胞内，破坏保护代谢的酶系统，最终导致细胞死亡。胡瑛等[13]人研究了不同分子量的壳聚糖对6种测试菌（金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、棒状杆菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、白色念珠菌）的最低抑菌浓度MIC值。其研究中，分子量为8.7万的壳聚糖对金黄色葡萄球菌的MIC为0.05%，对大肠杆菌的MIC为0.1%。也同样说明，壳聚糖对革兰氏阳性菌的抑菌性比对革兰氏阴性菌更为敏感。Xiao等[14]人研究用FITC（异硫氰酸荧光素）标记低分子量壳聚糖与大肠杆菌一起培养。经过荧光检测显示，壳聚糖通过渗透的方式进入细胞体内，带有正电荷的壳聚糖与带有负电荷的DNA发生相互作用，影响了RNA转录和蛋白质合成，从而实现了抑菌作用。

　　复合保鲜

　　复合保鲜是指利用两种或两种以上的方法防止食物、食品等变质的一种方式，以保证食物、食品等物质的鲜度。壳聚糖因为含有丰富的氨基、羟基等活性基团，其本身能够在食品表面形成良好的保鲜薄膜，阻隔细胞内外物质的传递，使食品表面形成一个微环境，有效抑制营养物质的消耗，同时又能够与多种物质聚合产生复合作用，增强壳聚糖的保鲜效果。余达威[15]利用壳聚糖与丁香精油、肉桂精油和柠檬草精油复配，对鱼片保鲜效果进行了研究，结果表明，实验处理组的硫代巴比妥酸脂和过氧化值分别下降了41%～49%和21%～49%，鱼片脂质氧化得到了明显的抑制。壳聚糖-丁香精油涂膜的效果最佳，其中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶活性在贮藏末期比对照组提高了120%、36%、117%。段红梅等[16]人研究壳聚糖-魔芋粉复合保鲜液对长白楤木嫩芽的保鲜效果，分别以0.25%、0.5%、0.75%的壳聚糖与0.4%的魔芋粉复配制成保鲜液，对长白楤木嫩芽进行涂膜处理，结果表明0.5%的壳聚糖与0.4%的魔芋粉复合保鲜液对贮藏期间长白楤木嫩芽保鲜效果最显著，使长白楤木嫩芽的感官品质保持良好，保鲜方面具有较好的应用价值。

　　壳聚糖在食品保鲜的研究进展

　　壳聚糖复配物在食品保鲜的研究进展

　　壳聚糖因其良好的加工特性而易与其它物质进行复配，进一步增强壳聚糖的性能，通过复合作用产生新的复合物而对食品达到保鲜效果，延缓食品的腐败变质。林洪斌等[17]人以壳聚糖和三聚磷酸钠为原材料，采用离子交联法制备壳聚糖纳米粒子并进行保鲜抑菌效果研究。结果表明当制得的纳米壳聚糖质量浓度达到0.6mg/mL时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出明显抑制作用，能够很好用于食品保鲜。Lee等[18]人制备了含有乳链菌肽的壳聚糖复合保鲜剂，并研究其对橙汁中食源性病原体的抑制作用。结果表明，壳聚糖-乳链菌肽纳米颗粒对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和沙门氏菌的体外抗菌作用明显，该纳米颗粒在食品及其他相关领域有很大的应用潜力。

　　壳聚糖的多种特性，如纯天然、可安全食用、生物可降解等特性，使其成为化学合成添加剂的可靠替代品。越来越多的壳聚糖及其衍生物被应用到食品生产的过程中。因为壳聚糖带有的游离氨基基团具有还原性，所以可与食品表面的金属离子相互络合生成稳定的化合物，进而维持食品本身的外观与品质，延缓营养物质的流失。同时，该属性能够对食品内的活性自由基起到清除作用，降低细胞膜脂过氧化，延缓组织的衰老。徐楚等[19]人研究茶多酚、壳聚糖和溶菌酶复合保鲜剂对高白鲑鱼片的保鲜效果，研究结果表明最佳复合保鲜剂使用量为茶多酚浓度0.1g/kg，壳聚糖浓度4.0g/kg，溶菌酶浓度0.5g/kg。经最佳复合保鲜剂处理后K值、TBA值和菌落总数均显著低于对照组（p<0.05），在冰藏条件下能将高白鲑的一级鲜度延长至4d，维持良好鲜度品质，延长保鲜期。李昌宝等[20]人将荔枝经过壳聚糖复配保鲜剂处理后，发现在4℃环境下冷藏可以有效抑制荔枝的腐败、减少可溶性内容物的流出，同时可以保持荔枝的感官品质。陈扬波等[21]人分别用质量浓度为2.0%的壳聚糖溶液和壳寡糖溶液对鲜切莲藕进行保鲜处理，定期测定鲜切莲藕的褐变程度并对其进行感官评价。结果表明2.0%壳聚糖溶液能有效抑制鲜切莲藕褐变，且褐变程度和感官测定结果都明显比其它处理方法更好；壳聚糖浓度为2.2%时对鲜切莲藕的保鲜效果最佳。

　　壳聚糖复合膜在食品保鲜的研究进展

　　壳聚糖的优良性能使其可作为基体物质而加入具有抑菌保鲜作用的物质或提取物，这不仅可以有效改善壳聚糖的单一性能，还可以进一步加强壳聚糖在食品中抗菌保鲜效果，达到复合保鲜的作用。张莉等[22]人将具有抑菌性能和抗氧化活性的原花青素与壳聚糖共混制备一种高抗氧化性复合膜，加入原花青素后，壳聚糖膜的抑菌性能和抗氧化性能得到大大提高，扫描电镜结果表明原花青素小分子的加入使壳聚糖膜的内部结构变得致密，孔状结构得以改善，添加适量的原花青素到壳聚糖溶液中，可以制备一种高抗氧化活性的食品膜，同时该食品膜具有良好的抑菌性能。

　　在食品表面涂抹壳聚糖及其复合衍生物形成保护涂层，具有选择通透性和疏水能力，增加各种气体分子的穿透阻力，且保湿性能良好，使食品内的二氧化碳含量增加，氧气含量降低，抑制了食品的呼吸代谢和水分散失，减缓食物组织和结构的衰老，从而有效延长食品的保质期。李奉国等[23]人以壳聚糖为基体、以茶多酚为功能添加剂制成不同浓度配比的壳聚糖基复合膜对平菇进行保鲜研究，发现茶多酚的浓度不宜过高，壳聚糖与茶多酚质量比为5:1时最适合平菇的保鲜。吕静祎等[24]人用蓝莓为试材，研究采用1%壳聚糖＋0.5%抗坏血酸复配中草药提取物制成的可食用涂膜液处理对其在低温（0±0.2℃）贮藏过程中保鲜效果的影响。结果发现壳聚糖复合涂膜处理能够减缓蓝莓果实贮藏期内硬度、可溶性固形物含量、可滴定酸含量及含水量的下降，延缓丙二醛含量上升，推迟呼吸高峰及乙烯高峰的出现时间，同时减缓VC及总酚含量的下降，有效地降低多酚氧化酶的活性并抑制其活性高峰的出现，提高过氧化物酶和过氧化氢酶的活性，表明壳聚糖复合涂膜处理能有效保持蓝莓果实的贮藏品质，延缓其成熟衰老进程，从而延长货架期。

　　展望

　　随着生活水平的提高，人们对食品安全越来越重视。壳聚糖经证明是一种可行的、具有良好性能的保鲜物质。壳聚糖复合可食用保鲜膜非常适合来提供食品产品所需的保护屏障，同时壳聚糖还能作为单一物质特定功能添加剂的载体，如抗氧化剂和抗菌剂等，可以避免病原体或食源性微生物在食品产品表面的生长，这大大扩大了壳聚糖的应用范围。壳聚糖的优良性能随着食品工业的不断发展将更加广泛地应用在食品保鲜领域，目前壳聚糖在食品包装与保鲜领域都取得了一定的研究应用进展，壳聚糖保鲜剂能有效延缓食品感官品质下降速率，最大程度上保持食品的各项感官品质，对食品变质腐败过程能够有效抑制，能降低酶促褐变，减少水分散失，保持食品鲜艳的色泽、口感、质地，使香味更加持久，因此能有效地保持食物的商品价值。随着社会的发展，越来越多的人开始追求安全、健康、环保的生活方式，作为抗菌性能优异、生物相容性好、天然呈碱性的无毒的壳聚糖，势必会受到青睐，再加之其超强的吸附性、吸湿性，更会在纺织材料、复合材料领域广泛应用，比如需要集良好生物相容性、抗菌性的医疗领域的使用，集吸湿、抗菌性等为一体的面料功能改性剂，有保健效果、抗菌作用的壳聚糖保健纺织品，农业、食品中的保鲜剂，环保的污水吸附剂等。

　　参考文献

　　[1]谢海伟,吴琳芝,黄欲菲,等.食品保鲜剂研究进展[J].安徽农业科学,2019,47(15):13-17.

　　[2]王继业,张明宇,霍倩,等.壳聚糖的性能及应用[J].纺织科学与工程学报,2020,37(03):110-116.

　　[3]WANG H X,QIAN J,DING F Y. Emerging chitosan-based films for food packaging applications[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2018,66(2): 395-413.

　　[4]厉佳怡,严燕儿.壳聚糖在食品行业中的应用[J].食品安全导刊,2020(31):63-65.

　　[5]茅芝娟,张昆明,黄永春,等.壳聚糖W/O型乳状液的超声辅助制备及其稳定性[J].食品科学,2021,42(02):8-16.

　　[6]陈佳新,陈倩,孔保华.壳聚糖的保鲜机制及其在肉与肉类制品保鲜中应用的研究进展[J].肉类研究,2016,30(10):35-39.

　　[7]VAZ J M,PEZZOLI D,CHEVALLIER P, et al. Antibacterial coatings based on chitosan for pharmaceutical and biomedical applications[J].Current Pharmaceutical Design,2018,24(8):866-885.

　　[8]XU W,DONG S,HAN Y, et al.Hydrogels as antibacterial biomaterials[J].Current Pharmaceutical Design,2018,24(8):843-854.

　　[9]Hadwiger LA,Kendra DF,Fristensky BW,et al.Chitosan both activates genes inplants and inhibits RNA synthesis in fungi [J].Chitin in Nature and Technology,1986:209-214.

　　[10]张玲.壳聚糖的抗菌机理及其在食品中的应用研究[J].现代食品,2020(20):71-74.

　　[11]冯小强,李小芳,杨声,等.壳聚糖对细菌细胞膜及膜蛋白的作用[J].食品科学,2009,(13):84-88.

　　[12]蓝蔚青,杨歆,王蒙,等.壳聚糖对腐生葡萄球菌的作用机制[J].广东海洋大学学报,2021,41(01):63-71.

　　[13]胡瑛,杜予民,刘慧.壳聚糖抗菌性与分子量和环境介质相关性研究[J].分析科学学报,2003(4): 305-308.

　　[14]Xiao FL,Yun LG,Dong ZY,et al.Antibacterial action of chitosan and carboxymethylated chitosan[J].Journal of Applied Polymer Science,2015,79(7):1324-1335.

　　[15]余达威.壳聚糖涂膜对冷藏草鱼片的品质影响研究[D].江苏无锡:江南大学,2019.

　　[16]段红梅,何建新,王丹丹,等.壳聚糖-魔芋粉复合涂膜对长白楤木嫩芽保鲜效果的研究[J].食品科技,2019,44(12):42-47.

　　[17]林洪斌,郭训练,刘茜,等.纳米壳聚糖粒子制备工艺优化及抗菌性研究[J].食品与发酵工业,2020,46(03):110-117.

　　[18]Lee E H,Khan I,Oh D H.Evaluation of the efficacy of nisin-loaded chitosan nanoparticles against foodborne pathogens in orange juice[J].Journal of food science and technology,2018,55(3):1127-1133.

　　[19]徐楚,王锡昌,马壮,等.茶多酚、壳聚糖、溶菌酶复合保鲜剂对高白鲑鱼片保鲜效果的影响[J].食品工业科技,2018,39(8):261-266.

　　[20]李昌宝,孙健,吴建永,等.壳聚糖复合保鲜剂在荔枝冷藏中的应用[J].食品科学,2013,34(4):241-244.

　　[21]陈扬波,张缓,张四鑫,等.壳聚糖及壳寡糖对鲜切莲藕的保鲜效果探究[J].湘南学院学报,2019,40(05):108-111.

　　[22]张莉,陈蕴智,滕玉红,等.壳聚糖-原花青素高抗氧化抑菌薄膜的研究[J].包装工程,2020,41(15):103-109.

　　[23]李奉国,徐程程,李冠喜.壳聚糖基复合茶多酚衍生物涂膜保鲜技术在平菇保鲜中的应用[J].安徽农业科学,2019,47(2):176-178.

　　[24]吕静祎,白琳,张良,等.壳聚糖复合涂膜对蓝莓保鲜效果的影响[J].渤海大学学报(自然科学版),2020,41(04):296-302.

　　基金项目：邵阳学院研究生科研创新项目（编号：CX2019SY036

　　作者简介：刘可，男，在读硕士研究生。E-mail：15673972129@163.com

　　*通讯作者简介：高锋，男，博士。E-mail：gaofeng137@tju.edu.cn]

　　刘可高锋* 刘佳豪彭关平程汝舟

　　邵阳学院食品与化学工程学院湖南邵阳 422000