殼聚糖與生物保鮮劑復合使用在水產品保鮮中的研究進展

裴 諾，施文正，汪之和

（上海海洋大學食品學院，上海 201306）

殼聚糖是天然多糖中唯一的堿性高分子多糖，其儲量僅次于纖維素。主要存在于蝦蟹、昆蟲的甲殼中和一些藻類、菌類的細胞壁中，此外，通過一些微生物的培養(yǎng)發(fā)酵也可生產殼聚糖。作為一種來源廣泛、產量大，且可再生的綠色生物資源，殼聚糖具有較好的生物可降解性、生物相容性、無毒性、抗氧化、抑菌、抗癌等特點[1?2]，在食品、醫(yī)藥、環(huán)保、工業(yè)、化妝品、紡織等領域應用較廣[3]。其中，因為其天然抑菌性及可降解性，在食品保鮮、包裝方面有很好的應用。但因其不易溶于水，常需要乙酸作為輔助溶劑，會對保鮮產品產生不良的影響；并且過量的殼聚糖的添加會給保鮮產品帶來澀感，影響其風味。因此，為了降低殼聚糖的使用量和對保鮮產品品質的損害，可將其與其他種類的保鮮劑進行復配，以彌補其不足，提高其在水產品保鮮上的效果。

生物保鮮劑是一類食品添加劑，是指從植物、動物、微生物等生物中提取或利用生物工程技術獲得的對人體安全的具有保鮮作用的物質，主要分為植物源生物保鮮劑、動物源生物保鮮劑、微生物保鮮劑及酶類保鮮劑。相對于物理保鮮劑的價格昂貴和化學保鮮劑的毒害性，生物保鮮劑作為新型且發(fā)展迅速的一類保鮮劑，因具有使用劑量小，作用效率高，對人體無害，應用范圍廣[4]等特點受到了研究人員的關注。在水產品的保鮮中，生物保鮮劑的應用可以保持水產品的新鮮度及良好的風味，并且通過較好的抑菌效果，抑制水產品中有害微生物的生長繁殖，以延長水產品的貯藏貨架期[5]。

大量研究表明，可降解、可食用的綠色、環(huán)保保鮮方式將會成為未來食品保鮮的方向，因此，殼聚糖與生物保鮮劑進行復配用于保鮮成為了目前的研究熱點。本文綜述了殼聚糖與各類常用生物保鮮劑的復配用于水產品的保鮮，以期為殼聚糖以及其他生物保鮮劑的深入利用，研究新型、綠色、環(huán)保的保鮮技術提供參考。

1 殼聚糖的保鮮特性、保鮮機理

殼聚糖（Chitosan）化學名為（1,4）-2-氨基-2-脫氧-β-D葡聚糖，是甲殼素脫乙?；漠a物，分子結構見圖1。一般認為，脫乙酰度達到50%的甲殼素則可被稱為殼聚糖。因具有較好的抑菌性、成膜性和抗氧化性等特點，殼聚糖可作為良好的食品保鮮材料。

圖1 殼聚糖分子結構Fig.1 Molecular structure of chitosan

1.1 殼聚糖的抑菌性

殼聚糖的抑菌性主要通過與微生物細胞膜作用產生的，目前，對于殼聚糖的抑菌機制并不明確，但主要認為有兩種抑菌機制。第一種認為殼聚糖在酸性條件下帶正電荷，可以與微生物細胞膜上帶負電荷的物質結合，通過這種吸附作用來破壞細胞膜的功能使微生物死亡[6]。第二種認為殼聚糖通過不同方式與細菌及真菌直接結合導致微生物死亡。對細菌作用是因為殼聚糖可與細菌細胞膜上的肽聚糖結合導致細胞膜裂解，從而造成電解質的滲漏并最終導致細菌死亡[7]，見圖2（a）；對真菌作用是因為殼聚糖可與真菌的膜磷脂結合導致真菌死亡[7]，見圖2（b）。殼聚糖的抑菌性與其脫乙酰度、來源及作用微生物的種類有關：殼聚糖脫乙酰度越高，產生的胺基越多導致它的抑菌性越強；真菌提取的殼聚糖抑菌性大于海洋生物中提取的殼聚糖[8]，但部分學者研究發(fā)現(xiàn)海洋生物提取的殼聚糖抑菌性大于真菌提取的殼聚糖抑菌性[9]；此外，殼聚糖對于常見水產品腐敗微生物乳酸菌、嗜冷菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等有良好的抑制作用[10]。

圖2 殼聚糖對微生物的抑菌機理[7]Fig.2 Antimicrobial mechanism of chitosan on microorganisms[7]

1.2 殼聚糖的抗氧化性及成膜性

殼聚糖的抗氧化性主要是通過其結構上羥基和氨基的強還原性來實現(xiàn)的。在食品貯藏過程中，羥基和氨基可以與H2O2和自由基發(fā)生氧化還原反應，從而達到抗氧化和清除自由基的作用[11]。殼聚糖的抗氧化性與其分子量有關，分子量越大其抗氧化性越強，因為較短的分子鏈中不會形成分子內的氫鍵，從而產生更多的活化羥基和氨基來增強其抗氧化性[7]。殼聚糖的氨基葡萄糖殘基上的C3-OH可以與相鄰分子鏈上的糖苷鍵或糖苷基吡喃環(huán)上的氧原子形成氫鍵，此外，C2-NH2和C6-OH也可形成氫鍵，大量氫鍵的存在使得殼聚糖具有很好的成膜性[12?13]，在食品保鮮上能起到防止氧氣滲透及食品水分流失等作用。

2 殼聚糖與生物保鮮劑復合保鮮機理及應用

2.1 殼聚糖與植物源保鮮劑復合保鮮

植物源保鮮劑是指從植物中天然提取，分離得到的生物保鮮劑。植物保鮮劑的主要作用物質可分為黃酮類化合物、多酚類化合物、植物精油、中草藥提取物等。

2.1.1 黃酮類化合物 黃酮類化合物可以通過破壞細胞壁和細胞膜的完整性來達到抑菌效果[14]。LI等[15]發(fā)現(xiàn)用1%殼聚糖和0.3%山楂黃酮處理比目魚片后，魚片在冷藏過程中由于殼聚糖以及黃酮化合物的抑菌性能抑制細菌滋長，可保持魚的部分優(yōu)良品質，延長魚的貨架期4~6 d。由于水產類動物富含脂肪，在貯藏過程中易產生脂質氧化導致產品變質。黃酮類化合物極強的抗氧化性可與殼聚糖的抗氧化性產生協(xié)同作用有效抑制脂質氧化的發(fā)生。王健[16]在研究殼聚糖/淡竹葉提取物復合膜的DPPH自由基清除率時發(fā)現(xiàn)，與純殼聚糖膜的12.14%相比，殼聚糖/淡竹葉提取物復合膜能提高到42.25%。因此殼聚糖與黃酮類化合物進行復配可以明顯增強保鮮效能。但如何消除黃酮類化合物固有的淡黃色及特殊氣味對產品感官帶來的負面影響仍需進一步研究。

2.1.2 多酚類 多酚類化合物是植物特有的次級代謝產物，因其結構中特殊的酚羥基基團[17]可以提供氫供體與多種活性氧反應達到清除自由基的目的。ALVES等[18]將香芹酚加入到殼聚糖溶液中，對鮭魚塊進行涂膜保鮮，在4 ℃下冷藏14 d后，與未添加香芹酚的對照組相比，混合膜可有效保持樣品光度值接近新鮮鮭魚光度值。WONG等[19]用沒食子酸和殼聚糖制備聚乙烯薄膜用于羅非魚的保鮮，新鮮度結果表明，其抗氧化能力明顯優(yōu)于對照組，它能有效抑制微生物的生長并延緩揮發(fā)性鹽基氮的上升，延長貨架期7~8 d。各類多酚如沒食子酸、兒茶素、茶多酚等在與殼聚糖的復合保鮮時能有效提高保鮮的抗氧化性及抑菌性的效果。但目前對于植物多酚抑菌機理尚未完全明確，大多停留在它對細胞形態(tài)結構的影響，其與殼聚糖相互作用如何影響保鮮效果還未明確，需更進一步研究。

2.1.3 植物精油 植物精油中含有高濃度的醛類，酯類化合物具有廣譜抑菌活性，能有效抑制微生物的生長[20]。研究表明，植物精油的添加能降低膜的水蒸氣透過性從而提升殼聚糖膜對水、CO2、O2等的阻隔性[21]。LIU等[22]將完全脫乙?；臍ぞ厶桥c丁香精油和曲酸復合對凡納濱對蝦進行保鮮，結果表明，在15 d的冷藏貨架期期間，該生物保鮮劑對蝦的總需氧菌落總數，總揮發(fā)性氮含量、pH的增加有明顯的抑制作用；RUCHIR等[23]向殼聚糖膜中添加杏仁精油形成的復合膜在抑菌性提高的同時，抗水性、抗水蒸氣透過性、拉伸強度等都有了顯著提高；BREDEN等[24]在研究殼聚糖涂膜與丁香精油對冷凍淡水魚魚片保鮮的協(xié)同作用時發(fā)現(xiàn)，殼聚糖良好的成膜性可在魚片表面形成復合薄膜，且在復配過程中兩物質抑菌性之間的協(xié)同作用能有效抑制可培養(yǎng)冷營養(yǎng)細菌的生長。在殼聚糖與植物精油的復合保鮮中，因為活性基團的增加能有效提高保鮮的各項生物活性，有效提升保鮮效率。

2.1.4 中草藥提取物 中草藥中的小分子有機物大多是疏水性的，可干擾微生物細胞膜組織達到抑制微生物生長的作用，同時能通過降低水產品中酶的活性來達到保鮮效果。WU等[25]研究殼聚糖與迷迭香提取物復合液對草魚進行涂膜保鮮并研究儲藏過程中蛋白質的變化發(fā)現(xiàn)復合液有較強的緩釋特性和自由基清除力，能有效延緩蛋白質的氧化速度，保持草魚的原有品質。KENAR等[26]用殼聚糖和鼠尾草茶提取物處理沙丁魚，發(fā)現(xiàn)在儲藏過程中微生物指標和化學指標比對照組低，并能延長沙丁魚的貨架期約20 d。目前將殼聚糖與中草藥提取物復合保鮮時都將中草藥提取物作為整體進行研究，加強對不同中草藥提取液之間不同活性成分之間協(xié)同作用的研究可以進一步促進該復合保鮮方法的發(fā)展。

殼聚糖在與植物源保鮮劑復合保鮮時，通過與各類植物源保鮮劑所具有的抗氧化性及抑菌性之間的協(xié)同作用，提高對水產品的保鮮效率。但由于植物源保鮮劑部分抑菌機理及抑菌成分尚不明確，影響了植物源保鮮劑種類的選擇與復合添加量的確定。與其他生物保鮮劑相比，植物源保鮮劑來源廣、成本低、效率高[14]，具有很好的應用前景及應用空間。

2.2 殼聚糖與動物源保鮮劑復合保鮮

目前，主要的動物源保鮮劑有抗菌肽、蜂膠、魚精蛋白等。其作為生物源保鮮劑最主要的原因是大多的動物源生物保鮮劑都具有一定的抗菌性，在與殼聚糖進行復合保鮮時能增強保鮮的抑菌效果，提升保鮮效果。

2.2.1 抗菌肽 抗菌肽是從昆蟲，兩棲類動物，哺乳動物中提取出的一類具有抗菌性的堿性多肽類化合物?？咕牡囊志Ч饕且驗樗芘c微生物細胞膜的脂質雙層結合形成跨膜孔洞使細胞內容物流出致細胞死亡[27]。宋宏霞[28]研究了紫貽貝抗菌肽與殼聚糖的復合保鮮液對新鮮鱸魚的保鮮效果，保鮮液處理后的鱸魚K值在第6 d達到65.8%，與對照組85.03%有顯著下降，并且延緩了菌落總數和總揮發(fā)性鹽基氮的上升。王盼等[29]在研究山羊乳源抗菌肽與殼聚糖的復合保鮮液對草魚的保鮮效果時發(fā)現(xiàn)，復合液在草魚表面形成一層膜，這層膜不僅可以減少微生物在魚體表面的附著，同時能夠阻斷氧氣的交流，降低微生物的新陳代謝的速度與速率，以此抑制微生物的成長，延長草魚的貨架期4~6 d。王亞茹[30]向魚肌漿蛋白-殼聚糖復合膜中添加抗菌肽后對真鯛魚片進行保鮮，通過指標測定發(fā)現(xiàn)復合膜能明顯抑制微生物的生長繁殖，延緩脂質和蛋白質的氧化速率，使真鯛魚片在冷藏期間具有良好的感官特性，增加魚片的貨架期?？咕囊志詮?，在復合保鮮過程中能提高復合保鮮的抑菌效果。但由于抗菌肽的提取成本很高，產業(yè)化困難，所以要把抗菌肽應用于食品保鮮的前景并不可觀。

2.2.2 蜂膠 蜂膠是蜜蜂采集的植物樹脂與其上顎腺、蠟腺等分泌物混合形成的具有黏性的固體膠狀物，具有極強的抑菌、抗氧化、增強免疫力等功能[31]。蜂膠中存在的大量黃酮類、醛類、酚類等活性物質可以破壞細菌細胞壁和細胞膜結構導致細菌死亡[32?33]。齊鳳生等[34]用殼聚糖與蜂膠作復合保鮮劑對海灣扇貝柱進行保鮮，該保鮮劑能明顯抑制冷藏過程中細菌的增長繁殖，減緩蛋白質的變性，有效保持扇貝柱的感官品質，延長其貨架期10 d。劉金昉等[35]研究了殼聚糖與蜂膠的復合保鮮液對南美白對蝦的保鮮作用，結果表明該復合保鮮液能有效延緩南美白對蝦的腐敗黑變效果，能使南美白對蝦在?4 ℃冷藏條件下貨架期延長8~10 d。蜂膠作為一種天然產物，與化學保鮮劑相比，其抑菌時間要長出數倍，其廣譜抑菌性使其在與殼聚糖復合保鮮方面有很好的應用前景。

2.2.3 魚精蛋白 魚精蛋白是存在于各類動物成熟精巢組織中的一類多聚陽離子肽，具有極強的抑菌活性。魚精蛋白結構中的聚精氨酸等幾個氨基酸結構能與微生物細胞的細胞壁和細胞膜結合，破壞其物質運輸、能量轉換等功能來達到抑菌效果[36?37]。張家源等[38]以南美白對蝦為原料，研究魚精蛋白-殼聚糖復配保鮮劑的保鮮效果，結果表明當0.01 g/mL殼聚糖與0.003 g/mL魚精蛋白復配時，可有效控制微生物和酶的活性，從而延緩pH、K值、菌落總數和揮發(fā)性鹽基氮的升高。錢旭等[39]在研究羅非魚的保鮮時發(fā)現(xiàn)，殼聚糖與魚精蛋白的復合保鮮液能明顯抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長，延長魚片貨架期6 d左右。在食品保鮮中，與其他生物保鮮劑相比，魚精蛋白的抗菌活性是殺菌并非抑菌，在保鮮過程中具有安全性高、快速、高效的特點。

動物源保鮮劑具有的抑菌性可與殼聚糖的抑菌性產生協(xié)同作用提高復合保鮮的抑菌性，并且動物源保鮮劑的添加可以延緩產品脂質及蛋白質氧化速率，使該類復合保鮮方式用于水產品保鮮時起到事半功倍的效果。但由于動物源保鮮劑蛋白質含量偏高導致復合液的稠度較高，在復合保鮮過程中難于涂開，且濃稠的復合液也會導致所成膜的透氣性不好，影響保鮮效果。

2.3 殼聚糖與微生物保鮮劑復合保鮮

微生物源保鮮劑是由微生物代謝過程中產生的具有抑菌效果的物質。微生物源保鮮劑主要通過微生物代謝產生的細菌素等抑菌物質來抑制或殺死微生物。目前與殼聚糖解復合用于水產保鮮的有乳酸鏈球菌素、ε-聚賴氨酸等。

2.3.1 乳酸鏈球菌素（Nisin） Nisin是由一些乳酸鏈球菌菌株產生的一類天然抗菌肽，是目前世界上唯一被允許作為食品添加劑的細菌素[40]。它的抑菌效果主要通過兩種途徑實現(xiàn)，第一種是Nisin能與靶細胞細胞膜上的脂質結合影響肽聚糖的合成從而影響細胞膜的合成[41]，第二種是Nisin可以與在靶細胞上的細胞膜上形成離子通道從而影響細胞的物質交換等功能[42]。歐陽銳等[43]研究了殼聚糖-Nisin的復合保鮮液對鯖魚的保鮮效果，該復合液結合真空包裝能使鯖魚在?4 ℃下7 d內仍處于鮮度，能有效延長其貨架期3~4 d。鄒小欠等[44]將超高壓與殼聚糖-Nisin的復合保鮮液結合處理腌制生食泥螺，研究表明，在泥螺4 ℃的冷藏過程中，它的感官品質較對照組低，但能抑制菌落總數、揮發(fā)性鹽基氮、硫代巴比妥酸值的上升。由于Nisin能夠減弱熱處理溫度，改善風味，所以被大規(guī)模的應用于水產品保鮮。Nisin在酸性條件下活性更高，而殼聚糖的溶劑為酸性，兩種物質復合能發(fā)揮更好的保鮮效果，并且還能改善Nisin市場價格偏高、抗菌譜窄的問題。

2.3.2ε-聚賴氨酸ε-聚賴氨酸是由放線菌產生的具有廣譜抑菌性的一種聚陽離子多肽。作為一類天然防腐劑，它對Nisin不能抑制的革蘭氏陰性的大腸桿菌、沙門氏菌的抑菌效果也很好。它的抑菌性主要是通過與靶細胞膜作用，它通過靜電作用鋪滿靶細胞整個膜面，導致細胞膜磷脂雙分子層彎曲受損直至破裂分解，導致細胞內容物電解質、蛋白質等流出導致細胞死亡[45?46]。ZHANG等[47]發(fā)現(xiàn)用殼聚糖和ε-聚賴氨酸復合液對中國對蝦進行涂膜時能明顯抑制微生物的生長并延緩脂肪和蛋白質的氧化速度，延長其貨架期4~6 d。NA等[48]發(fā)現(xiàn)在用殼聚糖和ε-聚賴氨酸復合液對凡納濱對蝦蝦仁涂膜冷藏過程中，中溫和嗜冷菌能得到明顯抑制，在貯藏第9 d的抑制率達到3個對數周期，延長蝦仁的貨架期。LI等[49]用ε-聚賴氨酸復合殼聚糖對新鮮半滑舌鰨魚片進行保鮮，研究發(fā)現(xiàn)，半光滑舌鰨片在4 ℃貯藏過程中能減少產生影響風味保持和感官特性的化合物，并延長魚片貨架期。殼聚糖與ε-聚賴氨酸有協(xié)同抑菌作用，殼聚糖也可對ε-聚賴氨酸的抗氧化性進行互補，兩種物質復合保鮮時在抑制水產品中微生物生長、保持其質構品質及色澤方面比單獨使用某種保鮮劑效果好，具有良好的水產品保鮮應用前景。

微生物源生物保鮮劑存在抗菌譜窄、作用范圍小[46]等問題，其抑菌保鮮功效也相對有限，根據柵欄技術原理，在與殼聚糖按一定比例復配，組成復合生物保鮮劑，不僅可使單一生物保鮮劑用量減少，同時抑菌效果也會明顯增強。

2.4 殼聚糖與酶類保鮮劑復合保鮮

研究表明，酶類保鮮劑具有高效抑菌性，但由于酶類保鮮劑的價格昂貴，因此在與殼聚糖的復合保鮮中常以低劑量復合主要起提高抑菌性的作用，與殼聚糖復合較多的有溶菌酶等。

溶菌酶是一種具有水解作用的堿性酶，廣泛存在于鳥禽類的蛋清以及其他各種哺乳動物體內，是一種天然存在的抗菌物質。溶菌酶可以通過破壞細胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖之間的β-1,4糖苷鍵，使細胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，導致細胞壁破裂內容物逸出而使細菌溶解；同時溶菌酶因具有陽離子和疏水特性，并且含有能夠裂解細胞膜的多肽序列，可以吸附和穿透細胞膜的脂質單層，形成孔洞結構改變細胞膜的通透性最終導致脂質體的裂解[50?51]。QIN等[52]研究了殼聚糖與溶菌酶雙層膜對魚類腐敗菌熒光假單胞菌和腐敗希瓦氏菌的影響，經雙層膜處理后，細菌的表面受損嚴重，細胞膜的通透性和核酸滲漏增加，該膜對魚類腐敗菌具有優(yōu)異的抗菌性能。張澤凌等[53]以白姑魚為實驗對象，利用殼聚糖成膜特性和抗氧化性，使其與溶菌酶復合，在白姑魚表面形成一層保護膜，能明顯抑制白姑魚冷藏過程中TBA和TVB-N的升高。

溶菌酶作為一種天然蛋白質，對人體無毒害，亦不會在體內殘留[50]。但因為溶菌酶具有專一性，并不會對所有腐敗微生物起作用，因此，溶菌酶與殼聚糖進行復合使用可產生協(xié)同作用來提升保鮮效果。

2.5 殼聚糖在與各類生物保鮮劑復配中的優(yōu)缺點

在殼聚糖在與各類生物保鮮劑復配使用進行保鮮的過程中，各類物質的加入在一定程度上都能提升復合保鮮的效果，但依然存在一定的缺點，具體見表1。

表1 與殼聚糖復合的生物保鮮劑的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of biological preservative compound with chitosan

3 結語與展望

隨著社會經濟的發(fā)展及居民生活水平的提高，消費者對于食品質量與安全的要求越來越高。綠色、環(huán)保、安全的新型食品保鮮方式將成為未來食品市場的主流發(fā)展方向。目前，關于殼聚糖與生物保鮮劑復合使用的研究主要集中于生物保鮮劑的篩選及復配工藝的優(yōu)化，其目的在于使用生物保鮮劑彌補殼聚糖自身缺陷，從而提高保鮮效率；但少有研究通過直接改善殼聚糖性質而提高保鮮效果，所以今后的研究可集中在以下幾方面：a.通過對殼聚糖的結構進行改性修飾，提高其溶解度、改善其化學特性，以此提高殼聚糖的使用率；b.使用納米化等工藝優(yōu)化殼聚糖粒子的粒徑大小并擴大其使用范圍；c.在殼聚糖與其他生物保鮮劑復合使用的過程中，因各類水產品的性質不同，需要選擇不同保鮮劑進行保鮮，因此每種保鮮劑的具體保鮮機制也需深入探究。