殼聚糖抗菌抗氧化活性及其在食品保鮮中應用

任建敏

（重慶工商大學環(huán)境與生物工程學院，重慶400067）

殼聚糖抗菌抗氧化活性及其在食品保鮮中應用

任建敏

（重慶工商大學環(huán)境與生物工程學院，重慶400067）

殼聚糖因其可生物可降解、生物相容好、無毒和具有天然抗菌抗氧化活性，使其成為食品保鮮與防腐研究的熱點。本文在殼聚糖結構與抗菌抗氧化活性的基礎上，重點概述了近年來殼聚糖在食品保鮮中的應用。

殼聚糖，抗菌活性，抗氧化活性，食品，保鮮

Abstract：Chitosan possesses a lot of advantages，including biodegraubility，biocompatibility，non-toxicity，strong antimicrobial andantioxiutive activities，it has become one of hot research topics for chitosan to be applied in foods as natural preservativeandantimicrobial agents.According to a large number of research results，the relationship between molecular structure of chitosan and its antimicrobial and antioxiutive activities was discussed，application of chitosan on food was mainly reviewed.

Key words：chitosan；antimicrobial；antioxiutive；food；keeping fresh

殼聚糖（chitosan），又稱脫乙酰甲殼胺、甲殼素（chitin），是甲殼素在堿或甲殼酶等作用下，部分脫乙酰基的產(chǎn)物，在結構上與纖維素類似（圖1），是纖維素D-葡萄糖單元2位的-OH，由大部分-NH2和少量-NH-CO-CH3（乙酰氨基）替代，形成D-葡萄糖胺和少量乙酰D-葡萄糖胺為單元，以β-1，4糖苷鍵連接的二元聚直鏈多糖。在自然界的量僅次于纖維素，是天然唯一的堿性多糖[1]，廣泛存在于蟹殼、蝦殼和一些真菌類如曲霉菌、毛霉菌等的細胞壁中[2]。自然界每年生物合成的甲殼素約達100億t，其中海洋生物的生成量在10億t以上。由于殼聚糖無毒、無害，來源廣，化學穩(wěn)定性好，可生物降解，生物相容性高，具有天然的抗菌抗氧化活性，且有助于調整食品的水活性，增進保水性，同時兼有調味和改良食品品質的作用。殼聚糖在人體內水解有限，與葡萄糖相比，在生物體代謝中所提供的能量少；同時酸性胃液溶脹的部分水解產(chǎn)物，經(jīng)中性或堿性的腸道后，水溶解性降低，而腸道微生物對不溶物作用時間短，最終作為膳食纖維同小腸中等待吸收的膽固醇、脂肪等，通過氫鍵等分子間作用，或包裹在一起，與代謝廢物一同排出體外；殼聚糖的-NH2還具有中和胃酸、抵制胃潰瘍等藥理作用[3]。目前，殼聚糖已廣泛應用于食品保鮮、保健食品等領域。

1 殼聚糖結構與抗菌、抗氧化活性

1.1 殼聚糖的結構

圖1 殼聚糖及質子化結構Fig.1 Structures of chitinand chitosan

殼聚糖分子中（圖1）脫乙酰度（即-NH2含量高低）和相對分子量的大小，是影響理化性質及抗菌、抗氧化活性的兩個重要參數(shù)[4-5，12]。

1.2 殼聚糖的抗菌活性

Gerasimenko等[4]用粘均分子量為5～27ku，脫乙酰度均為85%的殼聚糖，考查對致金色假單胞菌、成團泛菌、枯草桿菌和分叉雙歧桿菌791抗菌活性，發(fā)現(xiàn)不同分子量的殼聚糖，在濃度0.060%～0.005%可致80%～100%的細菌死亡；在研究分子量4ku、脫乙酰度在55%～85%的殼聚糖，對大腸桿菌和分叉雙歧桿菌791的抗菌效果，發(fā)現(xiàn)脫乙酰度越高，抗菌效果越好。Kulikov等[6]用酶解法獲得重均分子量為1.2～40.4ku的低聚殼聚糖，研究了對豆輕花葉病毒的抗菌效果，得出不同分子量的殼聚糖，在濃度10～100μg/mL能抑制病菌積聚與增殖，抗菌能力隨分子量的減小而增大；但組成殼聚糖分子的單元-葡萄糖胺或乙酰葡萄糖胺沒有抗菌活性，也許是小分子量的寡糖單元粘附作用小，不能有效覆蓋在細菌表面。

殼聚糖脫乙酰度越高，分子量越低，溶解性越好，單位量含-NH2與-OH數(shù)越多。殼聚糖的-NH2和-OH在生物介質或與細菌呈現(xiàn)出強的反應活性，-NH2易與醛類反應形成亞胺或與?；瘎┓磻上鄳孽０费苌铮?NH2和-OH易與細菌細胞中氨基酸、蛋白質、核酸等形成氫鍵或發(fā)生反應，使細菌正常生理功能（例如DNA的復制、蛋白質的合成等）受到影響[7]；殼聚糖在酸性介質中，-NH2接受H+，形成殼聚糖質子化產(chǎn)物，呈現(xiàn)出陽離子聚合物的性質，與細菌膜表面帶負電荷COO-之間靜電或化學健合，改變了細菌膜表面的正、負電荷分布，導致細胞膜弱化與破壞，引起細胞內物質滲漏，最后死亡[8]。殼聚糖質子化過程（圖1）由下列平衡所控制：

當介質pH=pKa時，有50%的-NH2被質子化；pH5.5時，有90%的-NH2被質子化；pH4.5時，有99%的-NH2被質子化；pH6以下，被質子化的殼聚糖呈現(xiàn)高的抗菌與殺菌活性[9]；pH6以上，殼聚糖水溶性低，大量活性的-NH2與-OH，對細菌生長起關鍵作用的微量金屬離子如Cu2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+，通過強的螯合與絮凝作用，抑制細菌生長和產(chǎn)毒[10]。此外，殼聚糖對于不同細菌的抑制作用，除與殼聚糖的分子結構有關外，也與細菌細胞膜組成、結構、厚度和電化學性質等有關[11]。

1.3 殼聚糖的抗氧化活性

殼聚糖的抗氧化能力也有不少研究報道。Li WJ[12]等用電子自旋共振技術，研究了殼聚糖對超氧陰離子自由基與亞油酸脂質自由基的抑制作用，得出殼聚糖的濃度對兩種自由基的抑制率成正比；分子量越低、脫乙酰度越高，清除自由基的能力越強。Feng T等[13]研究了不同分子量殼聚糖，對超氧陰離子自由基與羥基自由基的猝滅效果和H2O2的清除活性，得出水溶性好的低分子量殼聚糖還原能力強；分子量越低，清除自由基能力、抗氧化活性越高。SunT等[14]用分子量8.5×105u的殼聚糖，采用微波輔助H2O2氧化降解，獲得了粘均分子量為2300、3270、6120、15250u的殼聚糖，應用流動注射熒光分析技術，研究了對超氧陰離子自由基與羥基自由基的清除效果，發(fā)現(xiàn)分子量15250u殼聚糖對二種自由基的清除效果最差。其余三種殼聚糖依分子量由小至大，其半抑制濃度分別為5.54、8.11、12.15mg/mL；在實驗的濃度，四種分子量殼聚糖，對超氧陰離子自由基最高清除率依次為89%、75%、74%、41%；對羥基自由基的清除率分別為71%、65%、51%、7%。分子量小的殼聚糖抗氧化能力強，也許是其分子中的活性的-OH與-NH2形成分子內氫鍵能力減弱，有助于提高殼聚糖對H2O2、自由基等的抗氧化能力。

殼聚糖的抗氧化活性，源于-OH與-NH2二基團較強的還原性，添加在食品中，可與貯存過程中產(chǎn)生的H2O2、自由基等氧化物質，發(fā)生氧化還原反應，起抗氧化、清除自由基等作用[12]，以減緩果蔬等中VC、酚類、不飽和脂等物質氧化及色素褪色。

2 殼聚糖在食品保鮮中的應用

殼聚糖因其抗菌、抗氧化效果好，作為一種天然的抗菌與抗氧化劑，近年來倍受矚目，已廣泛應用在食品保鮮等方面。

2.1 淀粉、大米類保鮮

Huang[15]等將含0.05g殼聚糖/100mL的醋酸，加入到新鮮面條中，可抑制細菌生長，在4℃保存6d以上。Del Nobile[16-17]等用氣調包裝與殼聚糖配合，處理新鮮面團，可有效抑制嗜溫細菌、葡萄球菌、酵母菌、霉菌和大腸桿菌的生長，在4℃可保存2個月以上。Lee J等[18]用分子量為37ku、質量濃度為1%～2%的殼聚糖處理米糕與米線，后真空包裝，可明顯延長其貨架期。

2.2 蛋類、奶與豆制品保鮮

Kim等[19-20]將水煮蛋用殼聚糖溶解酵素復合物包衣，可抑制在其內注入的李司忒氏菌、腸道沙門菌生長，控制大腸桿菌、酵母菌和霉菌的繁殖，在10℃貯存可阻止?jié)穸冉档秃蚿H變化，提高微生物安全性與貨架期，防止水煮蛋后加工污染，延緩變質。在蛋黃醬中加入殼聚糖，在25℃可有效抑制沙雷氏菌與接合酵母菌[21]。

在奶酪制品的保鮮中，用殼聚糖包衣，調節(jié)pH至5，可抑制奶酪中李司忒氏菌、金黃色葡萄球菌[22]。殼聚糖溶解酵素膜或包衣可有效抑制奶酪中的大腸桿菌、李司忒氏菌、假單胞菌、酵母菌和霉菌，與氣調包裝結合，可改善奶酪微生物安全性與感官質量，延長奶酪的貨架期。用含有殼聚糖分子的紙盒包裝牛奶，在3℃可抑制牛奶中需氧菌生長[23]。在生產(chǎn)豆腐的過程中，用濃度1.5%的殼聚糖與0.1%的牡蠣殼粉和0.1%Nisin復配，加入豆?jié){中，豆腐在20℃條件下保存5d，菌落總數(shù)≤105CFU/g，感官上保持了豆腐原有的色澤、香味、風味和質地結構，切面平整光滑[24]。

2.3 水果、水果汁與蔬菜保鮮

水果、水果汁與蔬菜易受病菌、自身腐敗組織與細菌毒素等破壞，實驗得出殼聚糖對其具有良好的天然殺菌、抗氧化保鮮作用。

在柑橘果實內注入酸腐或黑腐病菌，后用分子量為350ku殼聚糖或15～20個單元的殼寡糖溶液浸潤，可抑制病菌孢子萌發(fā)和芽管伸長，防治柑橘采收后的腐爛變質，提高采收后質量[25]。用殼聚糖的醋酸液處理鮮食葡萄，可有效控制在采收貯存下產(chǎn)生的葡萄灰霉菌，而葡萄的質感沒有明顯變化[26]。采用5.0g/L殼聚糖乳酸溶液浸泡處理枸杞，可有效降低采收后的腐爛率，明顯延緩貯藏期間可溶性固形物和可滴定酸含量的降低，貯藏30d仍具有新鮮枸杞固有的風味[27]。

胡曉亮等[28]研究了殼聚糖、海藻酸鈉、乳酸鏈球菌素和溶菌酶4種天然保鮮劑對馬陸葡萄貯藏保鮮的效果，得出1%殼聚糖包衣葡萄，感官效果最好。在（4±1）℃條件下貯藏25d后，果實的質量損失率僅為9.34%，VC含量為2.3mg/100g，可溶性固形物含量為12.1%，SOD酶比活力為87.3U/g，保鮮效果最佳。用殼聚糖包衣去皮的荔枝，可保持其質量參數(shù)，提高低溫貯存微生物安全性，延長貨架期，改良荔枝質量[29]。用殼聚糖處理芒果，可延緩成熟、提高質量、減少腐爛，延長鮮切芒果的貨架期[30-31]。

用殼聚糖浸泡液包衣新鮮草莓與山莓，可明顯降低其腐爛變質，并對其VC和花青素有好的穩(wěn)定效果。殼聚糖對草莓中的枝孢霉菌、酒曲菌有強的抗真菌特性，降低需氧菌、大腸桿菌的數(shù)量，減小貯存期的重量損失，延長貨架期[32]。低分子量殼聚糖對葡萄汁、柑桔汁有顯著的抗真菌特性和抗氧化、清除自由基作用，延長貨架期[33]。將胡蘿卜片用1.5%殼聚糖淀粉液浸潤，可抑制大腸桿菌與腐爛組織生長，10℃可保存15d以上，明顯延長貨架期[34]。殼聚糖能有效抑制番茄與葡萄的晚疫病菌與炭疽菌生長[35]。南瓜與番薯用殼聚糖包衣，可抑制嗜溫需氧細菌生長，甜味更好[36-37]。用質量分數(shù)1.5%殼聚糖涂膜液，可以減輕鮮切生姜貯藏過程中的褐變、質量損失，抑制可溶性總糖及VC的減少，抑制粗纖維的增加，從而延長鮮切生姜貨架期[38]。

2.4 肉類保鮮

在烤好的牛排表面，涂抹一層殼聚糖的醋酸液或乳酸液，14d后其表面的李司忒氏菌降低2～3個對數(shù)單位[39]，殼聚糖醋酸液的抗菌效果優(yōu)于后者。與迷迭香提取液或維生素E對照，殼聚糖的抗氧化效果，優(yōu)于迷迭香提取液或維生素E，而與迷迭香提取液混合，對牛排的抗氧化作用最好[40]。在火腿表面涂層殼聚糖膜，可抑制李司忒氏菌和表面的腐敗菌[41]。羊肉輻照加工過程中，加入殼聚糖可降低羊肉的腐臭；殼聚糖經(jīng)輻照降解，產(chǎn)生的殼聚寡糖和溶解酵素，能協(xié)同抑制羊肉或肉末中的病原體，清除蠟狀芽孢桿菌、大腸桿菌和熒光假單胞菌，在低溫可貯存15d以上[42]。Sagoo S等研究發(fā)現(xiàn)，用含0.05%的殼聚糖溶于pH6.2的0.9%鹽水溶液，可抑制豬肉路德類酵母菌生長；用0.25%～0.5%的溶液，可使乳酸菌與李斯特菌失活；將無皮的豬肉香腸，浸入1%的殼聚糖溶液中，在7℃貯存18d后，可降低微生物菌群1～3個對數(shù)單位，提高貨架期7～15d[43]。氣調包裝的新鮮雞胸中，若加入殼聚糖，可抑制沙門氏菌；若1.5%殼聚糖與0.2%百里香油混合，可抑制乳酸菌、假單胞菌、熱死壞絲菌與腸桿菌生長，延長貨架期4～6d[44]。熟火雞與牛肉末，若零售溫度由54.4℃降到7.2℃，在12、15、18、21h后，牛肉末將產(chǎn)生3.1、4.51、5.03、4.7lgCFU/g的產(chǎn)氣莢膜梭菌；火雞將產(chǎn)生5.27、4.52、5.11、5.38 lgCFU/g的產(chǎn)氣莢膜梭菌。若加入3%的殼聚糖則有效抑制該貯存條件下產(chǎn)氣莢膜梭菌孢子的萌發(fā)與生長[45]。采用1.0%殼聚糖醋酸液浸漬新鮮黃鱔段后于0℃冷藏，不同時間TVB－N值、pH、失水率、細菌總數(shù)均低于對照組，延長貨架期[46]。

2.5 海產(chǎn)食品保鮮

殼聚糖對富含不飽和脂類的海產(chǎn)食品，是優(yōu)良的天然抗菌抗氧化劑。由雪蟹制備的不同分子量的殼聚糖，濃度為50～200ppm，可有效控制鱈魚肉末在烹煮過程中脂類氧化[47]，濃度越高，抗氧化能力越強。用殼聚糖與魚油包衣新鮮鱈魚，在不影響鱈魚外觀情況下，能調節(jié)pH與濕度，降低脂類與ω-3脂肪酸氧化，抑制微生物生長，延長貨架期[48]。用1%的殼聚糖溶液處理魚排，可阻止大腸菌、弧菌、氣單孢菌和嗜溫菌等生長所產(chǎn)生的揮發(fā)N2，貨架期由5d延長至9d[49]。殼聚糖加入熟鯡魚肉末中，可有效防護鯡魚氧化變質，8d后脂類氧化產(chǎn)生的H2O2與2-硫代巴比土酸，分別降低61%與52%[50]。與乳酸鏈球菌肽和乳酸鈉混合制備的殼聚糖膜，能完全抑制大馬哈魚乳酸桿菌與接合酵母菌生長，提高質量并延長貨架期[51]。用9mg/g殼聚糖包衣小蝦，可有效控制蝦原生菌群生長，貯存4周后，可使原生菌群由8個對數(shù)單位降為4個lgCFU/g[52]。

3 殼聚糖保鮮食品的機理

殼聚糖以粉末與大米、淀粉和豆制品等混合，或以溶液涂抹或浸潤在食品（水果、蔬菜、肉、蛋等）表面，因其具有優(yōu)良的抗菌抗氧化活性，以阻抗食品中腐敗菌和自由基、H2O2、O2等對食品的腐敗和氧化變質；分子量較大的殼聚糖水溶液或醋酸等溶液，除了具有良好的抗菌、抗氧化活性外，易在被涂抹或浸潤的食品表面成膜，在對食品抗菌抗氧化的同時，可阻斷周圍環(huán)境中各種微生物或環(huán)境介質侵染食品，防止食品腐爛變質，從而延長貨架期。

在果蔬等表面形成的殼聚糖膜，增加了其呼吸產(chǎn)生的CO2散失和大氣中O2滲入的穿透阻力，阻抑了果蔬內、外氣體交換，從而抑制了果蔬等的呼吸強度，起到類似于氣調包裝的效果[53]。殼聚糖中大量的親水-OH和-NH2，有很高的持水性和保濕性，可以阻礙果蔬等水分的蒸騰作用，減少水分散失，降低失重率，延緩食品皺縮和萎蔫，以保持果蔬等的風味和品質。

除此，殼聚糖在食品表面成膜后，在一定程度上還能改變鈣在細胞內存在的狀態(tài)，螯合鈣增多，可溶性鈣減少，螯合鈣可增強細胞壁和細胞膜的穩(wěn)定性，緩解果蔬等的后熟作用[54]。

4 結論

在重視食品安全的今天，人們對使用合成防腐、保鮮劑安全性的擔憂，尋找廣譜、高效、無毒、廉價的純天然的食品防腐、保鮮劑，具有重要的科學意義和應用價值。由于殼聚糖來源廣，且具有獨特的天然抗菌、抗氧化、無毒等優(yōu)良特性，使殼聚糖在食品及相關領域擁有巨大的應用前景。二十多年來，人們對殼聚糖物理化學性質、生物活性、生物代謝等進行了大量研究，已取得了系列成果，并已應用于食品、醫(yī)學等工業(yè)，相信隨著人們對殼聚糖認識和研究的深入，殼聚糖必將在食品等工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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Antimicrobial and antioxiutive activities of chitosan and its application in food fresh-keeping

REN Jian-min
（School of Environment and Biological，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

TS201.1

A

1002-0306（2012）16-0400-05

2012－01－10

任建敏（1964-），男，博士，教授，研究方向：功能材料及在生物與環(huán)境中應用。