殼聚糖—多酚復合膜研究進展

胡 飛 孫 濤,2,3 謝 晶,2,3 康永鋒,2,3 邵則淮,2,3 甘建紅,2,3 李曉暉,2,3

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；3. 農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設備質量監(jiān)督檢驗測試中心，上海 201306)

近年來以天然物質為基質的食品包裝膜備受關注，其中殼聚糖因具有無毒性、生物可降解性、良好的成膜性和生物相容性、內(nèi)在的抗氧化和抗菌活性，已被廣泛應用于食品包裝領域[1]。但單一成分殼聚糖膜機械性能不足[2]，抗氧化和抗菌活性低，使其在食品包裝領域的應用受到一定限制。而采用化學改性或物理共混法制備的復合膜，有望改善殼聚糖膜的性能，以滿足食品包裝的需要[3]。

在各類復合膜中，殼聚糖多酚類復合膜備受關注[4]。這是因為多酚類物質具有良好的抗氧化和抗菌活性，此外具有共同的結構特性，即含有至少一個羥基取代基的芳香環(huán)[5]，可分為多酚單體和單寧兩大類[6]，它們可以與殼聚糖共價鍵合或共混復合成膜。因此可將多酚類物質，如姜黃素、阿魏酸、沒食子酸、原兒茶酸和鞣酸等用于制備殼聚糖復合膜，以提升膜的物理、機械和生物活性[7]。本文從殼聚糖和多酚類物質共價或共混結合的角度，分別綜述了殼聚糖和多酚類物質共價膜、共混膜的機械性能、抗氧化和抗菌活性。以期通過對共價膜和共混膜的討論為殼聚糖多酚類食品包裝膜的研究提供參考。

1 殼聚糖—多酚類物質共價膜

化學改性是在殼聚糖鏈上引入特定基團使其性能發(fā)生改變，是提高殼聚糖膜性能的一種有效手段[8]。作為一種重要的改性方法，接枝共聚可將多酚類物質鍵合到殼聚糖上[9]，用以提升殼聚糖膜抗氧化和抗菌活性。此外，共價膜中多酚類物質和殼聚糖分子間存在酯鍵、酰胺鍵等相互作用，可以提高復合膜的機械強度[10]，進而拓寬了殼聚糖膜在食品包裝領域的應用范圍。如沒食子酸(gallic acid，GA)、咖啡酸(caffeic acid，CA)、阿魏酸(ferulic acid，F(xiàn)A)，常用于與殼聚糖共價鍵合成膜。

1.1 GA—殼聚糖共價膜

GA是一種普遍存在的天然多酚類化合物，具有很強的抗氧化和抗菌活性。將GA接枝共聚到殼聚糖上可以減少殼聚糖分子內(nèi)和分子間的氫鍵，提高其共價膜的抗氧化能力[11]。采用漆酶催化阿魏酸、原兒茶酸、沒食子酸和殼聚糖的接枝共聚反應中，沒食子酸—殼聚糖共聚物的抗氧化活性更強。此外，采用漆酶催化酚酸和殼聚糖的接枝共聚，較酪氨酸酶更能提高共聚物的抗氧化活性[12]。

通過偶聯(lián)接枝制得GA—殼聚糖共價膜，與GA—殼聚糖共混膜對比時發(fā)現(xiàn)，GA—殼聚糖共價膜表面比較粗糙，而共混膜表面有均勻分布的白色顆粒，可能是GA晶體或GA和明膠相互作用的結果。此外，GA—殼聚糖共價膜具有更好的抗氧化和抗菌活性，而GA—殼聚糖共混膜卻表現(xiàn)出更強的機械性能和阻水性。GA的量對共價膜抗氧化活性有較大的影響，當GA接枝量為209.9 mg/g時，共價膜表現(xiàn)出了最強的抗氧化活性[13]。將GA—殼聚糖衍生物用于圣女果保鮮時發(fā)現(xiàn)，它能有效保護圣女果抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)和抗氧化酶系統(tǒng)，并抑制酶促褐變[14]。此外接枝GA后，共價膜大大提升對鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌、李斯特菌、枯草芽孢桿菌的抗菌活性，且使鼠傷寒沙門氏菌的細菌生長量降低了2個數(shù)量級[15]。當溶液的濃度為10 mg/mL時，對大腸桿菌的抑菌圈直徑達到11.44 cm[16]。同時接枝也使得共聚物具有更高的黏度，但共聚物的黏度隨著GA接枝率的增加而降低[17]。對GA—殼聚糖共價膜成膜液的流變學特性研究表明，當GA接枝率較低時，有利于殼聚糖鏈上大分子間相互作用和纏繞，進而增加了成膜液的動態(tài)模量，且動態(tài)模量隨著GA接枝率的增加而降低。較殼聚糖膜相比，共價膜拉伸強度有所提高，但斷裂伸長率卻有所降低。同時拉伸強度和斷裂伸長率均隨膜中GA接枝率的增加而降低，這和它們表現(xiàn)的流變學特性一致。當殼聚糖和GA的摩爾比為10∶1時，共價膜的水蒸氣滲透率(water vapor permeability，WVP)低于殼聚糖膜，但隨著共價膜中GA接枝率的增加，膜的WVP也隨之增加，可能是殼聚糖鏈中的GA取代基降低或破壞了殼聚糖鏈上分子間和分子內(nèi)作用力[18]。

1.2 CA—殼聚糖共價膜

咖啡酸是一種酚酸，由酚類和丙烯酸類官能團組成[19]，將咖啡酸分子接枝到殼聚糖分子鏈上可以提高殼聚糖膜的抗氧化和抗菌活性。

利用硝酸鈰銨(ammonium ceric nitrate，CAN)，采用自由基引發(fā)接枝法制得CA和殼聚糖的共聚物，加入京尼平作為交聯(lián)劑制得CA—殼聚糖共價膜，該共價膜和殼聚糖膜具有相似的機械性能。而添加1.5%的殼聚糖，4%的CA，制得的共價膜抗氧化活性最高，是單一成分殼聚糖膜的2倍。此外，在中性環(huán)境條件下，將京尼平作為交聯(lián)劑添加到CA—殼聚糖共價膜中，其抗氧化活性較殼聚糖膜提升80%，而將京尼平添加到殼聚糖膜中卻不會影響其抗氧化活性。接枝CA后共價膜的楊氏模量低于殼聚糖膜，可能是CA與殼聚糖的共價連接，導致了共價膜中網(wǎng)絡交聯(lián)程度的降低，從而引起共價膜剛性降低[20]。采用偶聯(lián)接枝法合成CA—殼聚糖共價膜，再采用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基清除活性來評價共價膜的抗氧化活性時發(fā)現(xiàn)，共價膜的自由基清除活性幾乎完全取決于膜中的CA含量，當CA濃度相同時，CA和CA—殼聚糖共價膜對DPPH自由基清除活性相近，因此CA—殼聚糖共價膜的抗氧化活性完全依賴于酚基[21]。Liu等[22]采用自由基引發(fā)接枝的方式，通過VC和H2O2氧化還原體系，在惰性氣體環(huán)境中成功的將CA接枝到殼聚糖上。X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)結果表明，CA與殼聚糖的接枝共聚在一定程度上降低了殼聚糖的晶體結構，可能是由于殼聚糖分子間和分子內(nèi)氫鍵在接枝共聚后減少所致。此外，pH對CA—殼聚糖共聚物的抗菌活性有顯著影響，當pH=4.5時，共聚物對大腸桿菌，單核增生李斯特菌具有較強的抗菌活性，而當pH=6.5時，其對真菌具有較強的抗菌活性[23]。采用濾紙片法評估復合膜對大腸桿菌，金黃色葡萄球菌的抗菌活性得出，CA—殼聚糖共價膜的抑菌圈明顯大于GA—殼聚糖共價膜[24]。

1.3 FA—殼聚糖共價膜

阿魏酸是廣泛存在于植物界的一種酚酸，可以共價交聯(lián)蛋白質和多糖。利用阿魏酸對殼聚糖—膠原蛋白復合膜進行改性，制得FA—殼聚糖—膠原蛋白共價膜。當FA濃度為2%、熱處理溫度為70 ℃、時間為30 min時，它可使膜拉伸強度增加12.50%、斷裂伸長率降低24.36%、水蒸氣透過率降低39.46%[25]。較殼聚糖膜相比，F(xiàn)A—殼聚糖共價膜對DPPH、羥基及H2O2自由基的清除能力顯著增強。但當接枝率相同時，F(xiàn)A—殼聚糖共價膜的抗氧化活性卻低于CA—殼聚糖共價膜[26]，與Liu等[22]的研究結果一致，說明殼聚糖共價膜的抗氧化活性取決于接枝共聚多酚類物質的含量和種類。此外，F(xiàn)A—殼聚糖共聚物可以溶于水和甘油[27]，這些對擴大殼聚糖在食品包裝領域的應用具有重要意義。

將FA—殼聚糖共聚物和生物降解膜在高溫下進行復合擠壓，然后吹塑制膜。結果表明將FA共價交聯(lián)到殼聚糖上，可以使FA熱穩(wěn)定性得到改善，且在一定程度上減少FA在加熱過程中的損失。當FA—殼聚糖共聚物質量分數(shù)在0.02%～0.08%時，膜的拉伸強度無明顯改變，但膜的延展性卻有所降低。此外，膜的水蒸氣透過率增加了11.7%～29.8%，氧氣透過率則降低了0.1%～20.6%，與共混膜相比，F(xiàn)A—殼聚糖共價膜的DPPH自由基清除活性可以提高3倍[28]。采用漆酶作為催化劑，分別將FA氧化產(chǎn)物和阿魏酸乙酯(ethyl ferulate，EF)氧化產(chǎn)物接枝到殼聚糖上，其中FA氧化產(chǎn)物在殼聚糖上的接枝率更高，兩種共聚物的抗氧化活性均得以提升，且FA—殼聚糖共聚物抗氧化活性增加更為顯著，但抗菌活性卻未發(fā)生改變。對其流變學特性研究得出，當溶液的濃度高于8 mg/mL時，二者均形成黏稠溶液，隨著溶液濃度增加，其黏度也隨之增加，且FA—殼聚糖共聚物溶液黏度增加更為明顯[29]。這可能是殼聚糖鏈上不同側鏈基團間疏水相互作用形成的物理交聯(lián)，這些交聯(lián)形成了具有流變學特性的聚合物網(wǎng)絡[30]。而采用重組細菌漆酶為催化劑，制備FA—殼聚糖共聚物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌活性均強于殼聚糖。但抗菌活性并未隨共聚物濃度的增加而增加，當濃度較低時，其共聚物可改變細胞膜的通透性，阻止營養(yǎng)物質進入導致細胞死亡；而當濃度較高時，共聚物可以密集的包裹在細胞表面，減少細胞質滲漏，而使抗菌活性不能得到有效提高[31]。

殼聚糖和多酚類物質共價鍵合成膜可以顯著提高膜的抗氧化和抗菌活性，主要和膜內(nèi)多酚類物質的種類和含量有關。同時接枝共聚也影響了殼聚糖分子間和分子內(nèi)相互作用，復合膜的機械性能未得到明顯改善，可在膜內(nèi)添加交聯(lián)劑類物質以改善這種影響。

2 殼聚糖—酚類物質共混膜

共混復合也是提高殼聚糖膜性能常用的方法，將多酚類物質和殼聚糖共混，以期綜合各組分的優(yōu)良特性，拓寬殼聚糖的應用范圍[32]。多酚類物質和殼聚糖共混主要存在氫鍵和靜電相互作用[33]，研究[34]表明共混可以改善膜的物理、機械性能及生物活性。在實際應用過程中，共混膜中的多酚類物質可以從薄膜基質釋放到包裝食品中，從而在食品儲存過程中提供持續(xù)的抗氧化和抗菌活性[35]。常見的植物多酚類物質如姜黃素(curcumin，Cur)、茶多酚(tea polyphenols，TP)、蘋果多酚(apple polyphenols，AP)，常用于和殼聚糖共混制膜。

2.1 Cur—殼聚糖共混膜

姜黃素是一種功能性的天然多酚類物質，是姜黃的一種重要成分，具有良好的抗氧化和抗菌活性[36]。將姜黃素添加到殼聚糖中可制得Cur—殼聚糖共混膜，紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)研究表明，姜黃素和殼聚糖之間存在氫鍵相互作用。此外，當姜黃素濃度較低時，Cur—殼聚糖共混膜和單一成分殼聚糖膜的WVP無明顯差別[37]。掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)顯示姜黃素的加入并未使共混膜產(chǎn)生多孔和分裂結構，雖然共混膜沒有單一成分殼聚糖膜那樣結構緊湊，但其截面卻是均勻連續(xù)的，表明姜黃素和殼聚糖之間具有良好的相容性[37]，與Portes等[38]的報道一致。加入姜黃素后膜的拉伸強度提升了2倍，但斷裂伸長率卻發(fā)生了明顯的下降。對金黃色葡萄球菌的抑制結果表明，添加姜黃素后，抑菌圈直徑由原來的10 mm 增加到了12 mm，即共混膜的抗菌活性得到提高[37]。將Cur和殼聚糖共混，再加入增塑劑可以提高膜的阻水性，進而導致膜的WVP降低。添加Cur后并未改變膜的楊氏模量，但膜的拉伸強度和斷裂伸長率卻與添加的Cur量有關，當Cur量較低時，能夠提高復合膜的拉伸強度[39]。

2.2 TP—殼聚糖共混膜

茶多酚是一種良好的抗氧化劑，與殼聚糖共混可以開發(fā)出抗氧化活性高的食品包裝膜[40]，還可提高膜的機械強度、耐水性等性能[41]。此外，綠茶多酚的添加增強了膜的阻水性，同時也降低了膜溶液的表觀黏度和膜的延展性[42]。而將茶多酚添加到殼聚糖—聚乙烯醇復合膜中，F(xiàn)TIR分析表明茶多酚、殼聚糖和聚乙烯醇共混時發(fā)生了較強的氫鍵作用；當茶多酚的質量分數(shù)為2%時，膜的綜合性能最好，其拉伸強度提高了4.99%，水溶性、水蒸氣滲透率和氧氣透過率分別降低了82.43%，51.40%，72.77%，膜的抗氧化能力增強了58.54%[43]。將茶多酚和殼聚糖共混，再通過流延法可制備茶多酚—殼聚糖共混膜，添加茶多酚后殼聚糖膜外觀呈現(xiàn)出紅褐色，膜的透明度降低。此外添加茶多酚有利于提升膜的拉伸強度，當茶多酚含量為20%時，拉伸強度提升最為明顯，此時膜也具備較好的阻氧性。但添加茶多酚后使得膜的斷裂伸長率降低，說明膜的韌性變差[44]。當共混膜中茶多酚質量分數(shù)為40%時，其DPPH自由基清除活性最高，較殼聚糖膜增加了12倍以上，但共混膜自由基清除活性隨時間的增加而降低，24 d后約降低了33%～43%[45]。

2.3 AP—殼聚糖共混膜

蘋果多酚是蘋果中所含多元酚類物質的通稱，具有抗氧化及廣譜抑菌作用[46]。將AP和殼聚糖共混制得食品包裝膜，隨著AP添加量的增加，膜的顏色在逐漸加深，SEM表示AP—殼聚糖共混膜和殼聚糖膜的外觀都是光滑均勻的，說明AP中的多酚均勻分布在殼聚糖基質中。共混膜的厚度和密度也隨著AP量的增加而顯著增加，Peng等[47]的研究中也出現(xiàn)相似的結果。另外隨著AP含量的增加，共混膜的阻水性得到提高，WVP逐漸減低。當AP含量由0.25%增加到1.00%時，共混膜的拉伸強度和斷裂伸長率逐漸降低[48]，可能是膜微觀結構、膜內(nèi)分子間作用力的改變，以及膜結晶度的降低所致。殼聚糖膜表現(xiàn)出了較低的DPPH自由基清除活性[48]，但AP的加入?yún)s顯著的提高了膜的抗氧化活性，添加1.00%的AP后，共混膜抗氧化活性幾乎是殼聚糖膜的3倍。同時AP的加入顯著提升了共混膜對細菌和霉菌的抗菌活性，但對酵母卻未表現(xiàn)出抗菌活性[49]。將AP—殼聚糖共混膜用于草魚片保鮮時，可有效阻止冷藏過程中微生物的增殖，脂質和蛋白質的氧化[50]。目前，AP—殼聚糖共混膜作為合成材料的替代品，對食品保質期的延長具有極大的應用潛力。

殼聚糖和多酚類物質共混復合成膜，可以在一定程度上提高膜的抗氧化和抗菌活性。共混產(chǎn)生的分子間和分子內(nèi)相互作用，可以使多酚類物質均勻分布在殼聚糖基質中。此外，膜的機械性能與添加多酚類物質的量有關，當添加量較低時，共混膜的拉伸強度、阻水性均優(yōu)于殼聚糖膜，但斷裂伸長率卻有所降低。

3 展望

綜上所述，殼聚糖多酚類復合膜因其顯著的抗氧化和抗菌活性使其在食品包裝領域具有廣泛的應用前景，相比較而言，共價膜抗氧化和抗菌活性提升更加明顯。另一方面，膜在機械性能方面的改變卻和添加多酚類物質的種類和含量，及其與殼聚糖的結合方式有關。因殼聚糖和多酚類物質共價鍵合后減少了殼聚糖分子間和分子內(nèi)氫鍵作用，所以共混膜較共價膜在機械性能方面表現(xiàn)更佳。此外，目前殼聚糖多酚類復合膜多集中在對其性質進行分析研究，而對于復合膜在食品包裝的具體應用卻較少。在以后的研究中需要不斷去探求與殼聚糖結合的多酚類物質的種類，另一方面，也應立足于復合膜在食品包裝上的應用，對膜在使用過程中的多項理化性質進行討論與分析。