殼聚糖改性及其在肉制品保藏中的應(yīng)用

李泓霖，王中偉，孟凡冰, ，李云成, *，劉達(dá)玉, ，張倩

1. 成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院（成都 610106）；2. 肉類加工四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都 610106）

殼聚糖是一種由多個(gè)D-氨基葡萄糖和N-乙酞-D-氨基葡萄糖單位通過(guò)β-1, 4糖苷鍵連接起來(lái)的天然高分子聚合物[1-2]，基本結(jié)構(gòu)為殼二糖[3-4]，是自然界中唯一的堿性多糖（其上含有陽(yáng)離子基團(tuán)）[1,5]。殼聚糖可通過(guò)甲殼素脫乙?；玫絒1,6-7]，分子量和脫乙酰度（DD）可顯著影響其性質(zhì)素[8]。殼聚糖來(lái)源豐富，可以穩(wěn)定存在自然界中，因其具有可降解性、吸附性、無(wú)毒性、光譜抗菌性及良好吸水性、保濕性、成膜性、增稠性、凝膠性等[5,9-11]，在生物、食品、醫(yī)藥等方面得到廣泛應(yīng)用，而被作為一種優(yōu)良成膜材料和防腐劑[10, 12]。

1 殼聚糖的保鮮機(jī)制

殼聚糖具有良好廣譜抑菌性和抗氧化性能，其抑菌機(jī)理分3種[10,13]：一是經(jīng)降解的小分子殼聚糖可改變細(xì)胞的通透性滲透到革蘭氏陰性菌細(xì)胞內(nèi)，吸附帶負(fù)電荷的細(xì)胞質(zhì)，發(fā)生絮凝作用，擾亂細(xì)胞正常的生理活動(dòng)從而殺死細(xì)胞，達(dá)到抑菌效果[14]；二是大分子的殼聚糖吸附在革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞表面，形成一層高分子膜，阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸；三是殼聚糖達(dá)到較高濃度時(shí)，可誘導(dǎo)幾丁質(zhì)酶，即激活部分微生物本身的幾丁質(zhì)酶活性，或使其被過(guò)分表達(dá)，導(dǎo)致其對(duì)自身細(xì)胞壁幾丁質(zhì)降解，從而損傷細(xì)胞壁殺死細(xì)菌，達(dá)到抑菌效果[15]。

殼聚糖的抗氧化性能主要與其分子質(zhì)量有關(guān)，研究認(rèn)為殼聚糖分子量越小，抗氧化性能越強(qiáng)。其抗氧化作用機(jī)理主要為2種：一是殼聚糖分子鏈上活性氨基和羥基能與自由基作用而發(fā)揮抗氧化作用；二是殼聚糖堿性與游離脂肪酸充分結(jié)合形成復(fù)合物，與脂肪酸結(jié)合消耗脂肪產(chǎn)量，抑制油脂水解程度，達(dá)到抗氧化目的[10]。

2 殼聚糖的改性

由于殼聚糖分子鏈上分布眾多氨基和羥基，易形成分子間氫鍵，因而殼聚糖的結(jié)晶性較高、水溶性低、力學(xué)性能差、防腐及抗氧化活性不理想，從而限制其應(yīng)用。因此，實(shí)際應(yīng)用中常對(duì)其進(jìn)行適度改性，提高其功能性質(zhì)及應(yīng)用范圍。食品領(lǐng)域常用殼聚糖改性方法包括共混改性、化學(xué)改性及分子量降解改性。

2.1 共混改性

殼聚糖的共混改性主要是引入另一種高分子化合物使其各類性能更加優(yōu)異，共混產(chǎn)物即保留殼聚糖本身優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合共混化合物優(yōu)勢(shì)，使自身缺陷得以彌補(bǔ)。其共混形式主要分為三類。

第一類為2種改性后的殼聚糖進(jìn)行共混，如制成多孔殼聚糖/羧甲基殼聚糖共混復(fù)合膜，由于羧甲基化后殼聚糖易溶于水[16]，在制備膜的過(guò)程中導(dǎo)致溶失，故使殼聚糖和羧甲基殼聚糖中氨基進(jìn)行交聯(lián)，減少羧甲基殼聚糖溶失，在殼聚糖羧甲基化過(guò)程中盡可能保存氨基，為后續(xù)兩性膜制備做好鋪墊[17]。

第二類為殼聚糖與多糖進(jìn)行共混，如制備殼聚糖/纖維素復(fù)合膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜等。殼聚糖常被制作成抗菌膜、抗菌包裝材料，但它單獨(dú)成膜時(shí)其機(jī)械性能、延展性、抗水性欠佳，脆性較大[18]，而與其結(jié)構(gòu)相似又有良好親和性的纖維素進(jìn)行共混，可得到強(qiáng)度、柔韌性、拉伸強(qiáng)度及其透氣性較好的產(chǎn)物。殼聚糖與淀粉共混時(shí)，力學(xué)性能、水溶性、透明性、透濕性等都會(huì)相應(yīng)改變[19-20]。方建[21]研究表明，殼聚糖與淀粉含量比例1︰1時(shí)其機(jī)械性能達(dá)到最佳。另外，殼聚糖和淀粉為親水性聚合物，透濕性較好，將二者共混后膜結(jié)構(gòu)緊密有序，透濕性下降，更易于保濕。

第三類為殼聚糖與無(wú)機(jī)大分子進(jìn)行共混，如制成殼聚糖/納米TiO2復(fù)合膜[22]，單獨(dú)殼聚糖制備抗菌膜時(shí)其抑菌性能雖較好，但其耐熱性較差，保持藥效能力欠佳[3]，故將TiO2與其共混既提升殼聚糖耐熱、持藥性能，又克服TiO2需要紫外線照射才能發(fā)揮殺菌作用的缺陷，使其適用性更廣泛[23]。

2.2 化學(xué)改性

殼聚糖的化學(xué)改性主要是利用殼聚糖中的活性氨基和羥基反應(yīng)，改變殼聚糖的性質(zhì)及性能，達(dá)到特定使用效果。

2.2.1 殼聚糖酰化改性

殼聚糖分子上活性氨基和活性羥基與甲醇或乙醇進(jìn)行酰胺化反應(yīng)[24]，由于氨基的活性更強(qiáng)，通常氨基優(yōu)先進(jìn)行反應(yīng)，得到的產(chǎn)物在水和有機(jī)溶劑中溶解性得到改善[3,25-26]，研究證明殼聚糖的?；a(chǎn)物有良好抑菌性能[27-28]，如N-琥珀酰殼聚糖[25]在食品保鮮范圍內(nèi)有廣泛應(yīng)用。

2.2.2 羧甲基化改性

殼聚糖分子上的氨基和羥基均能發(fā)生羧甲基化反應(yīng)，且二者競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)[29]，羧甲基化后使殼聚糖易溶于水，溶解性得到極大改善。羧甲基殼聚糖可制成涂膜液，有效延緩食品腐敗變質(zhì)[30-31]。

2.2.3 酯化改性

殼聚糖殘基上羥基非?；顫?，易于與各類酸發(fā)生酯化反應(yīng)，生成無(wú)機(jī)酸酯、有機(jī)酸酯。殼聚糖硫酸酯化改性可增強(qiáng)其水溶性[3,32]，殼聚糖磷酸酯可在果汁制備中作為澄清劑[33]。

2.2.4 接枝共聚改性

在殼聚糖分子上的活性羥基或活性氨基上可控地引入各種功能性官能團(tuán)、大分子單體[3,26]，從而改變殼聚糖的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)。接枝共聚分為三類：接枝共聚[34]、縮聚反應(yīng)[35]、開(kāi)環(huán)聚合[36]，這些方法不僅保存殼聚糖本身優(yōu)良的性質(zhì)，還可以增強(qiáng)殼聚糖的水溶性、物理特性或增加其緩釋性能等，使殼聚糖在生物、食品等領(lǐng)域內(nèi)有更廣泛應(yīng)用[32]，如阿魏酸接枝殼聚糖有良好保鮮作用[37]。

2.2.5 氧化改性

殼聚糖氧化改性的機(jī)理隨著反應(yīng)條件而改變，得到產(chǎn)物也不同，既可將殼聚糖分子上的羥基氧化成羧基和醛基，又可將氨基氧化為羰基，氧化成酸的殼聚糖易生成鈉鹽，從而提高水溶性，Azevedo等[38]研究表明含醛氧化殼聚糖具有自動(dòng)交聯(lián)成凝膠功能，可作為載體，在藥品、保健食品中有較好應(yīng)用前景。

2.2.6 交聯(lián)化改性

殼聚糖可與多種物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[26]，與不同物質(zhì)交聯(lián)便可得到相應(yīng)特性，與親水性物質(zhì)交聯(lián)便可提升殼聚糖親水性[3]，與金屬物質(zhì)交聯(lián)可提升物質(zhì)機(jī)械性能[39]，拓寬殼聚糖的應(yīng)用范圍，如經(jīng)交聯(lián)化改性的殼聚糖樹(shù)脂有較強(qiáng)吸附作用，可吸附海帶中砷，還可提取辣椒中辣椒素[40]。

2.3 分子量降解改性

殼聚糖水解程度、分子量不同，對(duì)其抑菌性能有較大影響[26,8]。研究表明，在一定分子量區(qū)間的殼聚糖，隨著分子量下降，其抑菌活性增強(qiáng)。劉楠[41]通過(guò)制備相同脫乙酰度、不同分子量殼聚糖，并對(duì)大腸桿菌的抑菌活性進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明在55和155 kDa之間，低分子量殼聚糖比高分子量殼聚糖樣品抑菌活性高，90 kDa殼聚糖樣品能促進(jìn)大腸桿菌生長(zhǎng)。喬德亮等[42]研究表明，經(jīng)降解得到的小分子殼聚糖具有一定保健功能，如降低膽固醇、預(yù)防肝臟疾病等。低分子殼聚糖以其優(yōu)異的各項(xiàng)性能在食品行業(yè)中廣泛應(yīng)用，許多國(guó)家批準(zhǔn)其作為食品添加劑，用于改善食品的黏度、風(fēng)味、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，增加食品的穩(wěn)定性。因此制備低聚殼聚糖較為重要，殼聚糖分子量降解方法主要有化學(xué)降解法、物理降解法和酶解法。

化學(xué)降解法主要包括鹽酸法、酸-亞硝酸鹽法、過(guò)醋酸法及氧化降解，但化學(xué)降解法所得產(chǎn)物分子量較高，效率較低[43]。

物理降解法主要包括微波降解法、γ-射線降解法、光照射法（包括紫外線、可見(jiàn)光和紅外線等）。微波降解法是在甲殼素脫乙酰反應(yīng)的同時(shí)，使糖苷鍵斷裂，使殼聚糖分子量降解，還可降低脫乙?；^(guò)程中用堿量，降低生產(chǎn)成本[44]。γ-射線降解可使殼聚糖的1, 4-糖苷鍵斷裂，控制照射時(shí)間、吸收量，即可得到不同分子量的產(chǎn)物，其安全性、效率高，可控性強(qiáng)。

酶解法主要是利用殼聚糖與肽聚糖結(jié)構(gòu)相似，利用專一性酶（殼聚糖酶）或非專一性酶（溶菌酶等）對(duì)殼聚糖的1, 4-糖苷鍵進(jìn)行水解[8]，酶解法反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便，污染物少，因此使用廣泛。為了降低成本，通常采用非專一性酶，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、纖維素酶等，通過(guò)控制反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)達(dá)到最佳降解效率。經(jīng)輕微水解后的殼聚糖在0.005%濃度時(shí)能抑制金黃葡萄球菌生長(zhǎng)[45]，重均分子量在1 500左右時(shí)殼聚糖抑菌性達(dá)到最佳[46]。

3 改性殼聚糖在肉類制品中的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)改性的殼聚糖在肉類制品中可作為防腐劑，抑制肉制品中微生物繁殖，同時(shí)還能防止油脂等易氧化物質(zhì)的變質(zhì)，使肉制品的風(fēng)味、顏色等得以良好保存，延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。

3.1 在傳統(tǒng)肉制品中的應(yīng)用

傳統(tǒng)肉制品如腌臘肉、醬鹵肉、中式香腸等，一般在常溫下保藏，或經(jīng)過(guò)熟制后保藏，微生物腐敗和脂肪氧化較易發(fā)生，因此工業(yè)上常使用防腐劑延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。楊錫洪等[47]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)酶水解后的殼聚糖抑菌性能優(yōu)于酸水解。在中式煮制肉中加入不同比例、不同重均分子量的殼聚糖得到的抑菌效果不同，添加比例6%時(shí)最為適宜。一定區(qū)間內(nèi)重均分子量越小抑菌效果越好，可有效抑制腌臘肉制品中微生物繁殖，延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。劉娜等[48]研究表明，殼聚糖與海藻酸鈉共混制成保鮮膜，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%溶菌酶涂于切片腌臘肉上，可有效對(duì)腌臘肉制品進(jìn)行保鮮，延長(zhǎng)保質(zhì)期。

3.2 在冷鮮肉中的應(yīng)用

經(jīng)分割后冷鮮肉需經(jīng)保鮮手段來(lái)維持其的形態(tài)、顏色、風(fēng)味，以延長(zhǎng)其保質(zhì)期。將殼聚糖、淀粉及天然香辛料復(fù)配共混改性制成復(fù)合膜作用于冷鮮肉上，不僅大大提升防腐保鮮性能，同時(shí)香辛料還賦予肉制品獨(dú)特風(fēng)味，抑制不良?xì)馕懂a(chǎn)生。孫遠(yuǎn)[49]研究表明，冷卻豬肉加入殼聚糖-淀粉（9︰1）復(fù)合保鮮液，在4 ℃條件下貯藏28 d仍保持鮮肉狀態(tài)，而對(duì)照組已腐敗。施肇源等[50]研究表明，殼聚糖和魔芋葡甘聚糖共混改性，再混合肉桂、生姜等天然精油制成保鮮劑涂于冰鮮雞肉上，0～4 ℃ 條件下貯藏，可有效延長(zhǎng)冰鮮雞肉的保質(zhì)期。

3.3 水產(chǎn)品中的應(yīng)用

水產(chǎn)品需長(zhǎng)期保持在濕潤(rùn)環(huán)境中，潮濕環(huán)境使其更易滋生細(xì)菌，發(fā)生腐敗變質(zhì)，還會(huì)產(chǎn)生腥味，極大影響其風(fēng)味。如斜帶石斑魚肉具有高蛋白、低脂肪、多不飽和高脂肪酸特性，容易發(fā)生腐敗變質(zhì)，將殼聚糖經(jīng)過(guò)共混改性制成殼聚糖-膠原蛋白復(fù)合膜處理斜帶石斑魚，可有效抑制斜帶石斑魚中微生物滋生和蛋白質(zhì)變性腐敗，且極大程度地保存其風(fēng)味[51]。徐晨等[52]研究表明，將1%殼聚糖與0.8%魚精蛋白共混作為草魚保鮮劑，可較好地保持草魚品質(zhì)，在貯藏期內(nèi)能較好保持其風(fēng)味。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

殼聚糖是自然界中難得的可以大量穩(wěn)定存在的堿性多糖，其來(lái)源豐富，還具有可降解性、吸附性、無(wú)毒性等眾多優(yōu)良特性，是開(kāi)發(fā)生物防腐劑、抗氧化劑的優(yōu)良材料。殼聚糖抑菌劑、保鮮膜等在食品工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但由于自身結(jié)構(gòu)及性質(zhì)缺陷[32,53]，其抑菌性能沒(méi)有發(fā)揮到最大，故要通過(guò)一定的方法進(jìn)行改性，提升其抑菌和抗氧化性能。

殼聚糖改性方法雖然得到廣泛研究，但是其改性及實(shí)際應(yīng)用仍需加大研究。一是加強(qiáng)多種殼聚糖改性方法的聯(lián)合應(yīng)用，如將化學(xué)改性與不同分子量降解后的殼聚糖結(jié)合，提升各項(xiàng)性能。二是加強(qiáng)改性殼聚糖在肉制品保鮮方面的商業(yè)化應(yīng)用研究，研究其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中性能及參數(shù)，使改性殼聚糖在肉類貯藏、加工等領(lǐng)域廣泛推廣，推動(dòng)肉制品保鮮劑及肉制品安全發(fā)展。