殼聚糖食品保鮮膜抗菌性及其應用的研究進展*

黃志成，唐冰，鐘杰平，李思東，楊子明，李普旺

1(廣東海洋大學食品科技學院，廣東 湛江，524088)2(華中農業大學食品科技學院，湖北 武漢，430070)3(廣東海洋大學理學院，廣東湛江，524088)4(中國熱帶農業科學院農產品加工研究所，廣東湛江，524001)

殼聚糖是(1，4)-2-氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖，由甲殼素部分或者全部脫乙?；漠a物［1］。由于殼聚糖具有獨特的生物學特性，包括良好的生物相溶性、無毒、抑菌性、良好的成膜性等，單獨的殼聚糖膜或者和其他天然大分子物質(淀粉、明膠、海藻酸鹽等)共混制備的膜在食品中有許多的應用［2－3］。

隨著生活水平的提高，一方面，人們對賴以生存的物質基礎——食品的質量和衛生水平提出了更高的要求。另一方面，微生物在食品中在一定條件下生長、繁殖，不僅造成食品腐敗變質，影響食品質量，而且微生物在食品包裝過程中可能產生有毒的代謝產物，嚴重影響人體健康。因此，如何確保食品質量與安全是亟待解決的重要問題。

殼聚糖是符合食品安全要求的包裝材料，越來越受到國內外學者的親睞。本文對殼聚糖食品薄膜的抗菌機理，國內外抗菌食品薄膜的近年研究現狀進行了總結，并對殼聚糖食品薄膜的未來發展趨勢進行了展望。

1 殼聚糖的抗菌機制

殼聚糖具有廣譜的抗菌性，對幾十種細菌以及十幾種真菌的生長都具有抑制作用［4］。大分子量的殼聚糖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較強的抑菌作用，對大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度(MIC)分別是 0.05%，0.025%［5］。此外，殼聚糖對食品中的部分霉菌以及植物病原菌也有良好的殺死或抑制作用［6］。

對殼聚糖抗菌機理國內外研究較多，殼聚糖膜的抗菌性能的優劣受到多種因素的影響，與殼聚糖相對分子質量、脫乙酰度、濃度以及環境溫度、pH、菌種、溶劑、金屬離子等相關［7］。由于受到眾多因素的影響，殼聚糖抑菌性非常復雜，不同研究者對殼聚糖的抗菌機理研究較多，有不同的結論，目前比較一致的抗菌機理有如下幾個:

(1)殼聚糖擁有許多帶正電荷的氨基基團與微生物細胞膜表面帶負電荷的物質相互作用，導致微生物細胞內蛋白質以及其他組成物質發生泄漏，使得微生物死亡［8］。

(2)殼聚糖充當絡合劑與微生物表面或內部的微量金屬元素作用，尤其是酶的輔助因子，從而抑制微生物生長繁殖和產生有毒代謝產物;也可能同時與DNA相互作用，擾亂DNA的復制與轉錄［9］。

(3)低分子量的殼聚糖可以通過滲透作用穿過多孔細胞壁，尤其是革蘭氏陰性菌，細胞壁較薄，交聯松散，低分子量殼聚糖進入細菌內部［10］，破壞細胞質中內含物的膠體狀態，使其絮凝、變性，細菌無法進行正常的生理活動，或者直接干擾其帶負電荷的遺傳物質DNA和RNA，抑制細菌的繁殖，導致微生物的死亡［11－12］。

(4)當殼聚糖濃度足夠高時，能夠激活部分微生物本身的幾丁質酶活性，或使幾丁質酶被過分表達，導致其對自身細胞壁幾丁質的降解，從而損傷細胞壁［13］。

(5)殼聚糖在微生物表面形成一層致密的膜，從而阻止微生物的呼吸作用以及阻隔營養物的轉運。

2 提高殼聚糖食品薄膜抗菌性的主要方式

雖然殼聚糖具有廣譜抗菌性，但是制備成的單純的殼聚糖薄膜的抗菌性能不佳，并且在不同條件下抗菌效果也不同。目前除了使用不同分子量以及脫乙酰度的方法以外，提高殼聚糖食品薄膜的抗菌性的主要方法是對殼聚糖進行改性、或加入抗菌劑以及添加納米金屬氧化物等和其他物質進行復合。

2.1 殼聚糖改性

殼聚糖進行羧甲基化或者是季銨化等形成殼聚糖的衍生物，在增加了殼聚糖的溶解度的同時，也能夠增加薄膜對部分微生物的抗菌性能。郭占勇［14］合成了多種殼聚糖衍生物:羧甲基殼聚糖希夫堿、脲取代羧甲基殼聚糖、N-取代羧甲基殼聚糖、殼聚糖季銨鹽以及羧甲基殼聚糖季銨鹽(HACC)等多種殼聚糖衍生物，通過抗菌性能實驗研究發現，季銨化的殼聚糖分子中帶正電性的季銨基團能夠顯著地促使殼聚糖分子和菌體細胞壁負離子之間相互結合，從而致使菌體死亡。HACC是這些衍生物中抑菌活性最強的，并且其他的抑菌活性隨著正電荷的增加而增強，這表明殼聚糖季銨鹽中正電荷在抑菌活性中起著異常顯著的作用。劉振儒等［15］、Sun 等［16］和李世遷等［17］在其所合成的殼聚糖季銨鹽的抗菌性能實驗中也得到類似的結果。趙希榮等［18］在對O-季銨鹽-N-殼聚糖肉桂醛希夫堿的抗菌活性研究中也發現，具有電子接受中心和電子給予中心組成的體系可顯著提高季銨化殼聚糖的抗菌活性。

2.2 添加抗菌劑

抗菌劑種類主要有無機抗菌劑、有機抗菌劑、天然抗菌劑，而傳統使用的許多化學合成抗菌劑對人體有一定的毒害作用。目前國內外為提高殼聚糖食品薄膜抗菌性，主要是采用添加納米金屬氧化物。

陶希芹等［19］將納米TiO2用表面改性劑月桂酸鈉改性后，以溶液共混法制備了殼聚糖—納米TiO2復合膜，并測試了其吸水率、透光率、力學性能和抑菌性能，進而探討了復合膜應用于金秋梨保鮮的效果。結果表明，與單膜相比，殼聚糖—納米TiO2復合膜的拉伸強度提高15.0%，斷裂伸長率提高27.2%，直角撕裂強度提高35.6%;抑菌性能明顯高于殼聚糖單膜及對照。

Li等［20］將不同質量的 AgNO3和ZnO溶解于醋酸溶液中制成1%殼聚糖-Ag+-Zn2+混合溶液流延成膜后，在溫度為60℃堿液中進行反應，Ag+和Zn2+分別還原為納米Ag和ZnO，此混合膜能完全抑制枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、青霉、根霉以及酵母菌生長，并且對曲霉生長也有良好的抑制作用。

Ricardo等［21］用檸檬酸鹽和氫硼化物還原的方法制備的納米銀膠體，作為填充劑分別添加入未改性的殼聚糖、水溶性的殼聚糖、N-乙酰化的殼聚糖衍生物中，通過加入不同含量的納米銀膠體流延成厚度為9～19 μm的膜，考察復合膜的抗菌性能，結果發現水溶性和兩性的殼聚糖抗菌性能更好，添加銀的含量變化范圍為0.5～3.9%w/w的殼聚糖復合膜對肺炎克雷伯菌和大腸桿菌具有良好的抗菌性。

2.3 其他方法

馮小強等［22］研究認為，隨著pH的降低，殼聚糖分子所帶正電荷增加，從而導致了抑菌性的增加。高魯璇等［23］研究低溫貯藏的水蜜桃表皮中類胡蘿卜素、葉綠素等的變化，以及保鮮處理對水蜜桃外觀品質的影響。結果表明:電解水浸泡加羧甲基殼聚糖保鮮涂膜劑能有效減緩水蜜桃果皮中類胡蘿卜素、葉綠素、類黃酮、花青素的分解速度，從而使經該法處理過的水蜜桃在2℃低溫下儲藏44 d后仍能保持優良的外觀品質;延長了貨架期，顯著提高了鮮桃經濟價值。

胡瑛等［24］測定了6種不同分子量殼聚糖對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、棒狀桿菌、大腸桿菌、綠膿桿菌、白色念珠菌的抑菌活性及對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌活性，并研究了pH值、濃度對殼聚糖抑菌活性的影響。結果表明，隨著分子量的升高，抑菌活性先升高后降低。此外，在實驗中還發現酸性條件有利于增強殼聚糖的抑菌活性;增加殼聚糖濃度可使其抑菌活性增強。

蔣霞云等［25］通過對比α與β型殼聚糖的抑菌性得出，具有高粘度和高脫乙酰度的β型殼聚糖的抑菌性強于α型殼聚糖，從而彌補了殼聚糖抑菌性研究在該方面的空白。

3 殼聚糖食品保鮮薄膜的應用

3.1 在果蔬保鮮上的應用

Vargas等［26］研究殼聚糖-油酸可食性保鮮膜結合冷藏(4±1℃)，通過感官評定，理化特性，真菌感染腐敗率以及呼吸速率等為指標對草莓進行保鮮效果進行評價，結果表明1%殼聚糖－2%油酸組合時綜合保鮮效果最好，保存12天的草莓真菌腐敗率接近45%，油酸濃度更高時雖然抗真菌作用增強，但同時也影響了草莓的風味。

Jurmkwan Sangsuwan等［27］研究了普通的商業薄膜、殼聚糖/甲基纖維素薄膜、以及添加抗菌劑0.9g香草醛的殼聚糖/甲基纖維素薄膜對鮮切哈密瓜和菠蘿在10℃冰箱貯存的微生物防治以及保鮮效果研究，實驗結果表明:殼聚糖/甲基纖維素薄膜能夠減少接種在哈密瓜和菠蘿的啤酒酵母菌及大腸桿菌的數量，而添加香草醛的殼聚糖/甲基纖維素薄膜抗啤酒酵母的性能更加優越，但是添加0.9g香草醛的復合膜菠蘿的維生素含量減少較快，貯存6d后的菠蘿的維生素只有開始的10%，普通商業薄膜的保水性比實驗組的效果好，在貯存12d后，商業薄膜組水分含量減少在5%左右，而實驗組減少了50%左右。

此外，針對殼聚糖制膜的不足，國內科學家也開發出一些新型的復合膜。陳佳陽等［28］以龍眼為試材對比殼聚糖與其衍生物殼聚糖雙胍鹽酸鹽對龍眼在常溫下的涂膜保鮮效果及兩者對龍眼焦腐病菌和龍眼炭疽菌生長的抑制作用。將龍眼分別浸泡于質量分數為1%的CTS和0.2%、0.5%、1.0%CTG的溶液中取出晾干，分裝于聚乙烯籃中，于(28±2℃)的室內存放5d。測定果實的細胞膜滲透率、丙二醛、失重率、VC、可溶性固形物、可滴定酸含量的變化和爛果率。結果表明，用質量分數為1.0%的CTG處理后的龍眼的各項生理指標均優于其他各組，說明1.0%CTG的保鮮效果優于其他幾種涂膜處理。當濃度為4.0 mg/mL時，可完全抑制龍眼焦腐病菌菌絲的生長，當濃度大于1 mg/mL時對龍眼炭疽菌菌絲的生長有明顯的抑制作用。

袁志等［29］利用納米TiO2對殼聚糖進行改性，優化殼聚糖納米TiO2復合膜，檢測納米TiO2添加量對復合膜的透性的影響，并對嫩姜進行涂膜保鮮。結果表明:當殼聚糖含量為1g，納米TiO2為0.03 g，冰乙酸為1 mL時，優化膜透 O2系數為0.043 7 g/d，透CO2系數為0.270 2 g/d，透O2系數比空白膜增強了4倍，透CO2系數降低了24% ，透光率有所降低。應用于嫩姜保鮮時，經優化膜處理嫩姜的維生素C、姜辣素含量比不涂膜的嫩姜提高了23%和26% ，故改性殼聚糖納米TiO2復合保鮮膜有利于延長果蔬采后貯藏的保鮮時間。

祝美云等［30］采用殼聚糖、海藻酸鈉和卡拉膠制作成不同配比的可食性復合膜，利用L9(33)正交試驗對獼猴桃進行涂膜保鮮，在4℃下觀察獼猴桃在貯藏期間的品質變化，通過對獼猴桃失重率、果實硬度等幾項指標的測定，分析了可食性復合膜的保鮮效果。結果表明，殼聚糖保鮮效果達到極顯著水平，卡拉膠保鮮效果達到顯著水平，而海藻酸鈉保鮮效果不明顯。綜合方差分析結果得出可食性復合膜的最佳配比為殼聚糖1%、海藻酸鈉0.3%、卡拉膠0.3%。在此條件下，新鮮的獼猴桃保鮮40 d左右，可有效保持其營養成分。

3.2 在肉類保鮮中的應用

殼聚糖的保鮮技術還被應用于冷鮮肉中。韓銳等［31］研究不同濃度的羧甲基殼聚糖保鮮液對冷卻肉(4℃冰箱保存)的防腐保鮮效果，對冷卻肉的微生物指標、感官品質和理化指標進行檢測。結果表明，濃度為2.0%的羧甲基殼聚糖保鮮液可使冷卻豬肉的保質期達12 d以上，羧甲基殼聚糖保鮮液對冷卻肉中潛在致病菌—單核增生李斯特菌有較好的抑制作用。

夏秀芳等［32］利用不同配比的殼聚糖與淀粉復合制備可食性膜，測定了膜的厚度、水溶性和透光率等特性。結果表明:在其他條件相同時，復合膜中殼聚糖的比例越大，保鮮效果越好。在4℃條件下，冷卻肉貯藏第28天時，保鮮液與殼聚糖淀粉復合膜處理的冷卻肉保鮮效果好，并與對照組差異顯著。當殼聚糖∶淀粉為9∶1時，各測定的保鮮指標分別是:細菌總數的對數值為4.98、汁液流失率為1.59%、紅度值為17.86、TVB-N值為17.91 mg/100 g，即冷卻豬肉處于鮮肉狀態，肉色鮮紅。段靜蕓等［33］試驗結果也與此類似。羅愛平等［34］研究出:2% 膠原蛋白+2%殼聚糖+1%醋酸+0.05%VC+0.03%煙酰胺的復合保鮮膜的保鮮時間較長。

Ouattara等［35］將有機酸、香精油加入殼聚糖中制備可食性膜，用于肉制品真空包裝，研究顯示，其可以有效抑制肉表面的自帶菌(乳酸菌和腸菌屬)和接種菌(乳酸菌和沙雷氏菌屬)的生長。

3.3 在水產品保鮮中的應用

殼聚糖及其衍生物在水產品的保鮮中也有很好的應用。賈艷菊等［36］試驗比較了不同殼聚糖抗菌膜對草魚魚片的保鮮效果，以殼聚糖作為成膜材料，以蔥、姜、蒜乙醇提取液作為抗菌劑，制備了4種涂膜液，以蒸餾水作為對照，對草魚魚片浸漬涂膜后進行冷藏保存(8℃)，分別在冷藏0、3、6d時取樣，對魚片進行感官分析，測定魚片的細菌總數、揮發性鹽基氮(TVB-N)和pH。試驗結果表明，試驗結果為4種涂膜液組魚片的感官評分均顯著高于對照組，而細菌總數、TVB-N和pH顯著低于對照組;殼聚糖+蔥、殼聚糖+蒜組的感官評分顯著高于殼聚糖組，而細菌總數、TVB-N和pH之顯著低于殼聚糖組。試驗結果表明，殼聚糖涂膜利于草魚魚片的貯藏，添加蔥、蒜提取液可提高殼聚糖涂膜的保鮮效果。

趙海鵬等［37］用殼聚糖作成膜劑，在殼聚糖涂膜液中添加功能性成分抗壞血酸(Vc)、植酸并對南美白對蝦進行涂膜，處理后于4℃冷藏保鮮。以感官評定、TVB-N值、細菌總數、pH等作為鮮度指標，研究殼聚糖涂膜對延長南美白對蝦貨架期的效果。試驗結果表明:涂膜的保鮮劑組效果明顯優于空白組，并且添加有0.5%抗壞血酸和0.1%植酸能有效地延緩蝦黑變1～2 d，同時貨架期可達到8 d，比空白組延長了3～4 d。

3.4 在蛋類及其他食品保鮮上的應用

在蛋類或其他食品保鮮中，選用殼聚糖作為保鮮劑，可以抑制食品表面的微生物生長繁殖以及向食品內滲透。洪伯鏗等［38］對常用的幾種涂膜保鮮劑做雞蛋保鮮實驗，認為羧甲基殼聚糖的保鮮效果最好。保鮮劑以羧甲基殼聚糖為主劑，輔以兩種以上助劑組成。用HCF保鮮劑涂膜雞蛋放入聚乙烯薄膜袋內，在實驗室溫度9～24℃，相對濕度50% ～60%，貯存149 d，好蛋率占85%。

Caner［39］等人分別用乙酸、乳酸、丙酸溶解殼聚糖后涂膜鮮雞蛋，結果顯示:殼聚糖涂膜有效地延長了雞蛋的保鮮期，減緩了其質量減輕的速度，而且保持了蛋黃內的多種礦物質。

Kim等［40］對煮熟的雞蛋進行研究，分析了殼聚糖涂膜雞蛋后大腸桿菌、霉菌、酵母菌、質量、pH值以及雞蛋顏色的變化，得到的結果是:在10℃條件下貯藏10周，殼聚糖涂膜雞蛋后大腸桿菌、霉菌、酵母菌數量明顯少于未涂膜的雞蛋，并且未涂膜殼聚糖的雞蛋質量下降了7.1%，而涂膜的雞蛋質量則只下降了4.1%～4.8%，涂膜殼聚糖的雞蛋pH值變化程度也小于未涂膜的雞蛋。

4 存在的問題及展望

綜上可見，殼聚糖及其衍生物作為一種資源豐富、性能優良的天然高分子化合物，在食品工業中表現出良好的應用前景，特別由于其獨特的特點，在果蔬、肉制品、水產品的保鮮包裝中已獲得了廣泛的應用。但殼聚糖食品保鮮膜的研究與應用還存在以下問題:

(1)殼聚糖的抗菌作用機理尚未清楚，即殼聚糖作為一種極性分子是通過什么途徑進入細菌細胞內，抑菌的靶位是細胞核內的遺傳物質還是與生長代謝相關的細胞器，作用的方式是簡單的靜電吸附，還是復雜的化學反應，殼聚糖對其他微生物如植物病毒、真菌、病原體抗菌機理是否相同有待進一步研究;

(2)殼聚糖膜的抗菌性能、力學性能、阻隔性能等功能特性不佳，有待進一步的改善;

通過殼聚糖衍生改性或與其他材料復合改性，可以使殼聚糖食品保鮮膜獲得更全面的保鮮效果，如將具有天然無毒和多種保健功能的烏賊墨多糖添加到殼聚糖保鮮膜中，控制抗菌物質緩釋釋放，可得到一種持久緩釋抗菌保鮮膜。隨著殼聚糖食品保鮮膜的研究發展，殼聚糖食品保鮮膜將會朝著高性能、多功能的方向發展。

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