納米殼聚糖的制備及其在食品保鮮應(yīng)用中的研究進(jìn)展

孫濤，劉偉佳，謝晶,2,3，邵則淮,2,3，甘建紅,2,3，李曉暉,2,3，薛斌,2,3

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)2(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海，201306)3(農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心(上海)，上海，201306)

殼聚糖(聚(1,4)-2-氨基-2-脫氧-β-D葡萄糖)是甲殼素通過脫乙酰作用得到的陽離子聚合物[1]，由于其環(huán)境友好性、生物降解性、生物相容性、高質(zhì)量成膜能力、可食性和無毒性被廣泛應(yīng)用于食品包裝中[2]，用來替代傳統(tǒng)食品保鮮膜(聚乙烯、聚氯乙烯以及聚偏二氯乙烯等)，以改善傳統(tǒng)保鮮膜造成的環(huán)境污染問題[3]。單獨(dú)的殼聚糖保鮮膜機(jī)械性能差，抗菌性和抗氧化性有限，故而將殼聚糖與淀粉(或蛋白)復(fù)合成膜以提升殼聚糖膜的機(jī)械性能[4]，將殼聚糖與酚類物質(zhì)通過化學(xué)改性或物理共混得到復(fù)合膜以改善其抗菌性和抗氧化性[5]，但復(fù)合膜機(jī)械性能和保鮮效果依然有所欠缺。納米殼聚糖用于食品保鮮的研究應(yīng)運(yùn)而生。

納米殼聚糖是由殼聚糖經(jīng)過物理化學(xué)方法改性制得的納米顆粒，可用作食品保鮮。小尺寸的粒徑為納米顆粒與基質(zhì)的接觸提供了更大的比表面積，從而提高了納米殼聚糖的生物活性[6]。納米形式大大改善了殼聚糖的水溶性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍[7]，而且納米殼聚糖在抗氧化性、抗菌性、滲透性和吸收性等方面也得到了顯著提高[8]。在食品保鮮中，納米粒子的使用可以減少氣體的滲透，減少氣味損失以增加對食品的保護(hù)[9]。納米殼聚糖已經(jīng)在果蔬和肉類等食品的保鮮中得以應(yīng)用，其保鮮效果在一定程度上優(yōu)于殼聚糖保鮮膜。本文簡要介紹了納米殼聚糖的常見制備方法，包括離子交聯(lián)法、乳化交聯(lián)法和噴霧干燥法，總結(jié)了3種方法各自的特點(diǎn)，同時(shí)較為詳細(xì)地綜述了納米殼聚糖在食品保鮮中的應(yīng)用，希望能對納米殼聚糖保鮮膜在食品保鮮方面的研究提供依據(jù)。

1 納米殼聚糖的制備

納米殼聚糖的制備方法多種多樣，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑧?yīng)用領(lǐng)域，選擇不同的制備方法，常見的有離子交聯(lián)法，乳化交聯(lián)法和噴霧干燥法等(表1)。其中離子交聯(lián)法和乳化交聯(lián)法得到的是納米殼聚糖懸浮液，可用作涂膜保鮮，而噴霧干燥法制得的是固體殼聚糖納米粒子，主要用于荷載藥物。

表1 納米殼聚糖的制備方法比較Table 1 Comparison of three methods for preparing nano-chitosan

注：CS為殼聚糖，TPP為三聚磷酸鈉，/表示文中未提到(下同)

1.1 離子交聯(lián)法

離子交聯(lián)法制備納米殼聚糖的操作過程是：殼聚糖在溶液中帶陽離子，聚陽離子與聚陰離子[常用三聚磷酸鈉(TPP)]通過靜電相互作用，形成電離凝膠，得到殼聚糖納米顆粒[10]。

在1997年CALVO等[11]首次提出用離子交聯(lián)法制備納米殼聚糖，將三聚磷酸鈉溶液緩慢勻速滴加到殼聚糖乙酸溶液中，即可得到納米殼聚糖，通過調(diào)節(jié)殼聚糖和三聚磷酸鈉溶液的濃度，以及殼聚糖溶液與三聚磷酸鈉溶液的比例，可改變納米殼聚糖粒徑大小，而且在一定范圍內(nèi)，殼聚糖和三聚磷酸鈉濃度越低，殼聚糖納米粒子的粒徑越小。通過添加活性物質(zhì)可以提高納米殼聚糖的性能。納米殼聚糖負(fù)載抗壞血酸后，會(huì)對抗壞血酸有一定的保護(hù)作用，延長其抗氧化時(shí)間，維持其生物活性，故而實(shí)現(xiàn)納米顆?？寡趸缘拇蟠筇岣遊12]。將殼聚糖納米粒子懸浮液與溶菌酶混合，溶菌酶能抑制某些革蘭氏陽性菌，但是對革蘭氏陰性菌不夠敏感，將溶菌酶整合到納米殼聚糖上可以拓寬溶菌酶的抗菌譜，故而抗菌性能得到大幅提升[13]。另外將硫酸銅加入到納米殼聚糖懸浮液中，可得到負(fù)載銅離子的納米殼聚糖，銅離子在體外具有較高的抗菌活性，而且貯存過程穩(wěn)定，所以載銅納米殼聚糖的抗菌性會(huì)有提高[14]。將納米殼聚糖與塑化淀粉制成復(fù)合材料，因?yàn)樗芑矸蹤C(jī)械性能和水分敏感性差，在塑化淀粉基體中引入納米殼聚糖填料，形成淀粉基納米殼聚糖復(fù)合材料，可以提高力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、水蒸氣滲透性能和熱降解性能[15]。除此之外，將生物活性魚明膠溶液與納米殼聚糖懸浮液混合，不僅能提高納米殼聚糖的抗菌活性，而且還改善了機(jī)械性能[16]。離子交聯(lián)法操作簡便，用料便宜易得，中間引入的試劑少，且不具有毒性[17]，故而應(yīng)用廣泛。

1.2 乳化交聯(lián)法

乳化交聯(lián)法制備納米殼聚糖的過程是：殼聚糖溶液為水相，與一種油相混合，形成類似油包水(W/O)或水包油(O/W)型乳劑，然后使用交聯(lián)劑進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，超聲處理后形成納米殼聚糖顆粒。

1.3 噴霧干燥法

噴霧干燥法是通過噴霧干燥機(jī)將殼聚糖溶液變?yōu)楦煞?、顆?；驁F(tuán)聚物的一種工藝，從而制備殼聚糖納米顆粒。

噴霧干燥法的核心儀器為噴霧干燥機(jī)，在殼聚糖乙酸溶液中加入戊二烯或甲醛作為交聯(lián)劑，送入噴霧干燥機(jī)中，從噴嘴處噴出干燥的殼聚糖納米顆粒。通過噴霧干燥法制得的納米殼聚糖粒徑約為95～358 nm，zeta電位較高，且顆粒均一。殼聚糖溶液的濃度、殼聚糖的分子質(zhì)量，會(huì)影響納米殼聚糖的性能[24]。且殼聚糖納米顆粒的粒徑與制備參數(shù)也有一定的關(guān)系，速度快，泵嘴大，空氣輸入量小的情況下，可以形成較大粒徑的殼聚糖納米顆粒[25]。通過改變這些因素，可控制納米殼聚糖的性能。采用噴霧干燥法將三聚磷酸鈉作為交聯(lián)劑，得到了包埋維生素C的納米殼聚糖顆粒。三聚磷酸鈉是一種無毒的交聯(lián)劑，優(yōu)于其他毒性交聯(lián)劑，并且可以通過改變?nèi)哿姿徕c溶液的用量，得到不同大小、zeta電位、包封率和表面形貌的納米殼聚糖顆粒[26]。

噴霧干燥法直觀簡單，可以直接得到固體樣品，而且得到的納米顆粒粒徑可控。此法在荷載藥物領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在食品涂膜保鮮方面并不常見。

2 納米殼聚糖的食品保鮮機(jī)理

3 納米殼聚糖與殼聚糖的食品安全評估

殼聚糖作為一種安全可食的制膜材料，具有良好的殺滅微生物性能，而且毒性低，穩(wěn)定性好[30]。殼聚糖制備成納米殼聚糖后毒性作用不明顯，用作食品包裝材料安全性比較高。LIMA等[9]研究了納米殼聚糖在食品包裝薄膜中的遺傳毒性，結(jié)果表明，納米殼聚糖對DNA沒明顯的損傷，但是82和111 nm納米粒子在最高濃度下降低了有絲分裂指數(shù)，體外毒性試驗(yàn)表明，顆粒只有在較大的尺寸和較高的濃度時(shí)才具有毒性。另外殼聚糖和納米殼聚糖均能促進(jìn)植物生長，使植物器官擴(kuò)增，類似激素的作用[31]。

4 納米殼聚糖在食品保鮮中的應(yīng)用

4.1 水果保鮮

水果的呼吸作用以及蒸騰作用旺盛，水分和糖分損失嚴(yán)重，而且容易腐敗變質(zhì)[32]。殼聚糖保鮮膜可以有效地阻水隔氧，降低水果呼吸作用和蒸騰作用，延長保質(zhì)期[33]。而納米殼聚糖在水果保鮮方面大多展現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。

納米殼聚糖涂膜保鮮技術(shù)在水果保鮮中有著較為良好的效果(表2)。納米殼聚糖的粒徑大小對保鮮效果有一定的影響，用離子交聯(lián)法分別制得110 nm和300 nm納米殼聚糖涂膜液，噴涂在蘋果切片表面，在5 ℃環(huán)境中放置10 d。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)殼聚糖涂膜相比，殼聚糖納米粒子涂膜具有更好的抗菌效果，而且110 nm納米殼聚糖涂膜在抗菌活性、色澤、多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)、過氧化物酶(peroxidase,POD)和硬度等方面表現(xiàn)出更好的效果，這是由于110 nm顆粒較小，納米殼聚糖的遷移率和表面相互作用強(qiáng)，從而提高了抗菌活性[34]。除此之外，納米殼聚糖的濃度也會(huì)對保鮮效果造成影響。用0.2%和0.5%的納米殼聚糖溶液，涂布在蘋果表面，在溫度(1±1) ℃，濕度80%～90%的情況下存放9周。結(jié)果表明，納米殼聚糖涂層能顯著降低蘋果的失重率、呼吸速率、乙烯釋放量和過氧化物酶活性，且0.5%的納米殼聚糖溶液對蘋果的保鮮效果更好，更為有效地延長了蘋果的貨架期[35]。納米殼聚糖負(fù)載其它物質(zhì)是水果保鮮的主要趨勢之一。用離子交聯(lián)法分別制得納米殼聚糖和載銅納米殼聚糖，涂布在新鮮草莓表面，在溫度(4±1) ℃，濕度70%的環(huán)境中放置20 d。2種涂層對草莓多酚氧化酶和過氧化物酶活性均表現(xiàn)出明顯的抑制作用，但二者對草莓的保鮮效果相近，綜合考慮各方面的因素，前者可能更容易被消費(fèi)者接受[36]。

表2 納米殼聚糖涂膜對水果保鮮效果Table 2 Preservative effect of nano-chitosan on fruit

注：CSNPs為納米殼聚糖的簡稱，PPO活性為多酚氧化酶活性，POD活性為過氧化物酶活性，本圖表只列舉了幾個(gè)重要且常見的指標(biāo)

4.2 蔬菜保鮮

與水果相似，蔬菜同樣容易腐敗變質(zhì)，故而蔬菜保鮮也是及其重要的，納米殼聚糖膜對多種常見蔬菜均具有良好的保鮮效果。

納米殼聚糖膜及其復(fù)合涂膜能顯著延長各類蔬菜的保質(zhì)期(表3)。將殼聚糖納米涂膜液涂布在番茄表面，放置在溫度(15±2)℃，濕度70%～80%的環(huán)境中20 d。結(jié)果表明，納米殼聚糖處理后的番茄失重率稍高，但硬度、葉綠素含量的喪失以及可溶性固形物的含量等指標(biāo)均優(yōu)于未處理的番茄，這是因?yàn)橄噍^于殼聚糖，殼聚糖納米顆粒小得多，形成的膜更加致密，可降低水蒸氣和其他氣體滲透性，并且可以阻擋更多的微生物進(jìn)入[19]。另外納米殼聚糖也用于平菇保鮮，用納米殼聚糖和殼聚糖分別處理平菇，4 ℃環(huán)境下放置14 d，每2 d檢查1次失重率，呼吸強(qiáng)度，可溶性固形物，細(xì)胞滲透性和多酚氧化酶活性等指標(biāo)。結(jié)果表明，納米殼聚糖處理的平菇保鮮效果更佳[37]。納米殼聚糖涂膜處理能顯著延緩鮮切茭白褐變和木質(zhì)化，提高抗氧化酶類活性，最終維持其較好的品質(zhì)[38]。LUO等[39]探究了殼聚糖/納米殼聚糖復(fù)合涂膜對茭白的保鮮效果，考察茭白褐變和木質(zhì)化情況。結(jié)果表明，與殼聚糖涂膜相比，殼聚糖/納米殼聚糖復(fù)合涂膜控制茭白褐變和木質(zhì)化效果更為明顯。扎塔里亞多花香精油(ZEO)具有顯著的抗氧化作用和抗菌特性，納米殼聚糖對ZEO有一定的裝載和遞送能力，所以用負(fù)載ZEO的納米殼聚糖涂膜處理黃瓜，與涂有單一的納米殼聚糖膜的黃瓜相比，具有更好的理化性質(zhì)和微生物指標(biāo)，更好地維持了黃瓜的品質(zhì)[40]。香芹酚是由牛至、百里香、馬郁蘭和夏得薄荷提取的主要成分，具有極強(qiáng)的抗菌性，被普遍認(rèn)為是一種安全的食物級添加劑，用香芹酚負(fù)載納米殼聚糖涂膜液處理鮮切胡蘿卜，具有更好的保鮮效果，主要表現(xiàn)在，具有更好的微生物抑制能力，更好的可溶性固形物含量指標(biāo)、顏色指標(biāo)和感官品質(zhì)指標(biāo)等[41]。

4.3 肉類保鮮

肉類非常容易腐敗變質(zhì)，貨架期普遍很短。肉制品是高蛋白質(zhì)含量的食品，其水分活度較大，給微生物的繁殖生長提供了很好的條件，極易腐敗[42]。殼聚糖能夠在肉制品貯藏期間減緩其脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的發(fā)生，并抑制腐敗性細(xì)菌的繁殖，保持肉品質(zhì)量的穩(wěn)定性，延長肉品保存期[43]。

表3 納米殼聚糖涂膜對蔬菜保鮮效果Table 3 Preservative effect of nano-chitosan on vegetables

注：ZEO為扎塔里亞多花香精油

納米殼聚糖應(yīng)用于肉類保鮮中表現(xiàn)出良好的效果，有效延長其保質(zhì)期(見表4)。用殼聚糖和納米殼聚糖分別處理冷凍鯉魚魚片，結(jié)果表明，殼聚糖和納米殼聚糖涂膜對冷凍鯉魚魚片均有一定的保鮮效果，但納米殼聚糖的比表面積更大，與細(xì)菌細(xì)胞的親和力更高，所以納米殼聚糖的抗菌性能優(yōu)于殼聚糖[44]。同樣是對鯉魚魚片保鮮，先在桔皮和石榴果皮提取液中分別浸泡處理，再用納米殼聚糖浸泡涂膜后，保鮮效果明顯優(yōu)于只用納米殼聚糖進(jìn)行涂膜處理的魚片，且石榴皮提取物浸泡過的魚片保鮮效果更佳[45]。納米殼聚糖也可用于黃鰭金槍魚的保鮮，以提高野生黃鰭金槍魚的貨架期。用納米殼聚糖分散液浸泡黃鰭金槍魚樣品30 min，在2種不同溫度(4 ℃和28 ℃)下放置，測量魚的變質(zhì)情況，包括揮發(fā)性鹽基氮值(total volatile basic nitrogen，TVB-N)，細(xì)菌總數(shù)，感官評價(jià)，pH和水含量等指標(biāo)。結(jié)果表明，納米殼聚糖保鮮效果良好，一定程度上延長了貯藏期，且28 ℃時(shí)抑制細(xì)菌活性效果更為明顯[46]。另外WANG等[47]比較了羧甲基殼聚糖和納米殼聚糖涂膜對凡納濱對蝦的保鮮效果。結(jié)果表明，與羧甲基殼聚糖涂層相比，殼聚糖納米粒子涂層對蝦的品質(zhì)保持效果更好，這是由于納米殼聚糖具有更好的防腐抗氧化作用。

表4 納米殼聚糖涂膜對肉類保鮮效果Table 4 Preservative effect of nano-chitosan on meat

注：O+CSNPs為橘皮提取物與納米殼聚糖的復(fù)合膜，P+CSNPs為石榴皮提取物與納米殼聚糖的復(fù)合膜，TBARS值為硫代巴比妥酸反應(yīng)性物質(zhì)值，TVB-N值為總揮發(fā)性鹽基氮值

4.4 納米殼聚糖在食品保鮮領(lǐng)域的其他應(yīng)用

納米殼聚糖除了可以用于水果，肉類和蔬菜保鮮，還可以在食品保鮮的其他領(lǐng)域得以應(yīng)用。在牛奶中添加抗壞血酸可溶性納米殼聚糖，可以改善牛奶品質(zhì)。研究結(jié)果表明，低濃度(體積分?jǐn)?shù)1%～3%)的納米殼聚糖溶液可用于制備納米殼聚糖乳，不會(huì)對牛奶的物理、化學(xué)和感官特性產(chǎn)生明顯的不良影響[48]。納米殼聚糖在食品包裝中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，并趨向于多種類，多形式，更實(shí)用，更有效。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，納米殼聚糖已初步應(yīng)用于水果，蔬菜，肉類及其他食品的保鮮中，與殼聚糖相比，其抗菌性以及抗氧化性均有所提高，但保鮮效果依然有待進(jìn)一步改善。目前納米殼聚糖在食品保鮮方面的應(yīng)用以涂膜保鮮為主，納米殼聚糖制膜保鮮研究較為罕見。多酚類物質(zhì)具有良好的抗氧化能力，常用來與殼聚糖形成共價(jià)膜或共混膜，保鮮效果可觀。納米殼聚糖有望通過同樣的方法提升其保鮮性能。與殼聚糖膜相比，納米殼聚糖膜具有更好的力學(xué)性能，但與聚乙烯及聚氯乙烯等傳統(tǒng)保鮮膜相比，還是有很大不足，通過將納米殼聚糖與淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)形成復(fù)合膜，來提高保鮮膜的機(jī)械拉伸性能，也可能是將來研究納米殼聚糖保鮮膜的一個(gè)重要方向。除此以外，納米殼聚糖的應(yīng)用還應(yīng)該朝著更多樣，更大范圍的方向發(fā)展，一些加工食品也可以應(yīng)用納米殼聚糖進(jìn)行包裝，以減輕白色污染的威脅，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。