殼聚糖及其衍生物在食品工業中的應用

黃國宏

（廣西職業技術學院，廣西南寧530226）

殼聚糖及其衍生物在食品工業中的應用

黃國宏

（廣西職業技術學院，廣西南寧530226）

對殼聚糖的制備及改性方法的研究動態進行了綜述，并敘述了殼聚糖及其衍生物在水果保鮮、飲料、水產品及肉類保藏食品工業中的應用，并提出了殼聚糖研究發展方向。

殼聚糖；制備方法；衍生化；食品工業

甲殼素（Chitin）是一種自然界分布極廣的多糖資源，在自然界中的年生物合成量高達100億t，是僅次于纖維素的第二大天然聚合物，其廣泛存在于蝦、蟹等甲殼類動物的外殼及真菌細胞壁中。殼聚糖（Chitosan）是甲殼素N-脫乙酰基的產物，是由β-1，4-2-氨基-2-脫氧-吡喃葡萄糖和β-1，4-2-乙酰氨基-2-脫氧-吡喃葡萄糖單元構成的雜多糖[1]，是目前自然界中發現的唯一一種帶陽離子的天然多糖。殼聚糖由于具有無毒副作用、可生物降解、生物學功能等優良特性[2]，近年來其在食品工業中的應用成為研究的熱點。

1 殼聚糖的制備

在于蝦、蟹等甲殼類動物的外殼及真菌細胞壁中除了含有甲殼素外，其余主要成分是碳酸鹽和蛋白質及少量的色素。制備殼聚糖的關鍵是除去雜質和對甲殼素進行脫乙酰化反應，目前國內外采取的制備方法主要有化學法、酶法、微生物發酵法等。

1.1 化學法制備

化學制備法是早期從蝦、蟹等甲殼類動物外殼傳統方法：首先用稀堿熱處理除去蛋白質，再用稀酸在常溫下除去碳酸鹽，，最后經高錳酸鉀處理或用有機溶劑萃取除去色素后得到甲殼素，甲殼素在高溫的濃堿溶液中進行脫乙酰化反應，得到不同的脫乙酰化度的殼聚糖產品。由于此法具有高能耗、高成本、環境污染嚴重等明顯缺點，已有學者應用微波、超聲波等技術對此方法進行了改進。

Rashid[3]等研究蝦殼原料經γ-射線處理，再用傳統法制備殼聚糖，可以降低脫乙酰反應過程中氫氧化鈉的濃度和加熱時間，得到高脫乙酰度的殼聚糖，不但降低生產成本也可以減少環境污染。經γ-射線處理制備的殼聚糖的分子量降低及水溶性、抗菌活性、與水結合能力等性能的改善，擴大了其應用范圍。

1.2 酶法制備

Jounes[4]等研究用Alcalase蛋白酶、菠蘿蛋白酶及另5種不同的微生物粗蛋白酶去除蝦廢棄物中蛋白質，其中莫海威芽孢桿菌A21粗蛋白酶對蝦廢棄物中蛋白質的去除率高達88%。再經后續工藝處理后可得到高純度及高脫乙酰度的殼聚糖產品。Manni[5]等用臘狀芽孢桿菌粗蛋白酶去除蝦廢棄物中的蛋白質也達到理想的效果。由于酶法制備不需要加入大量反應試劑，可以降低生產成本和減少環境污染。

1.3 微生物發酵法

微生物發酵法一種是以蝦、蟹等甲殼類動物外殼為原料，利用微生物在發酵過程中產生的酸和酶，分別除去原料中的礦物質和蛋白質得到甲殼素，再經脫乙酰化反應得到殼聚糖。另一種是利用真菌培養，然后發酵直接獲得殼聚糖。

Ghorbel-Bellaaj[6]等以蝦殼為原料，加入適當的葡萄糖，配制成一定pH溶液后滅菌，然后接種銅綠假單胞菌株A2在一定條件下發酵，發酵后沉淀物（甲殼素）的蛋白質和礦物質去除率分別為90%和92%。甲殼素加入到50%氫氧化鈉溶液中在130℃條件下進行脫乙酰反應4 h，既可得到脫乙酰度約73%的殼聚糖。王一婧[7]等采取直接培養黑曲霉，然后發酵制備殼聚糖。研究結果表明，殼聚糖的產率受發酵溫度、轉速、時間、接種量和培養基成分及pH等因素的影響，在最佳工藝條件下殼聚糖產率可高達18%，是一種具有工業化生產的理想方法。

2 殼聚糖的改性

由于殼聚糖分子內和分子間氫鍵的作用，使其不能直接溶于水而只溶于稀酸和某些特定的溶劑中，這大大限制了殼聚糖的應用范圍。殼聚糖分子中的活性基團-NH2及-OH易于與多種化學基團反應，對殼聚糖分子進行改性，引入新的化學活性基團，可以制得生理活性、物理化學性能優良的殼聚糖衍生物，對拓展殼聚糖及其衍生物的應用有重要作用，因此，近年來殼聚糖的改性成為了研究的熱點。目前，對殼聚糖進行化學改性的方法主要有酰化、羧甲基化、酯化、烷基化、交聯、氧化等，本文主要介紹上述的前3種改性方法。

2.1 酰化改性

殼聚糖分子鏈上含有羥基，能與多種有機酸的衍生物如酸酐，酰鹵（主要是酰氯）等發生O-酰化反應，即酰化反應。

Feng[8]等把富馬酸加入到殼聚糖懸浮水溶液中，再逐滴加入一定量的硫酸，在一定條件下反應，制備得到取代度從0.07～0.48的富馬酰殼聚糖。研究表明富馬酰殼聚糖的溶解度和抗菌性明顯比殼聚糖高，且隨取代度的增加而增加，并用紅外光譜、核磁共振表征了合成物的化學結構。Zhou[9]等把殼聚糖溶解于二甲基亞砜中，再不斷加入琥珀酸酐進行開環反應，可制備取代度為0.71的琥珀酰殼聚糖。并分析了殼聚糖與琥珀酰殼聚糖的X-衍射波譜區別，由于琥珀酰殼聚糖中氫鍵結合力下降而使其溶解度增大，因而可以擴大其就用范圍。

2.2 羧甲基化改性

殼聚糖羧甲基化是目前研究最多的改性方法，在殼聚糖上引入羧甲基可得到溶于水的羧甲基殼聚糖。又根據羧甲基的取代位置不同，可以分為O-羧甲基殼聚糖、N-羧甲基殼聚糖和N，O-羧甲基殼聚糖。

Zheng[10]等取適量的殼聚糖、氫氧化鈉和溶劑在一定條件下堿化，再逐滴加入定量的氯乙酸異丙醇溶液在50℃下反應7 h，分離，得到羧甲基殼聚糖鈉鹽。再把其鈉鹽浸入乙醇溶液中，并加入鹽酸酸化，分離純化、干燥后得到具有良好的水溶性的O-羧甲基殼聚糖產品。因O-羧甲基殼聚糖中含有羧基和氨基這兩種基團，從而使其具有良好的生物相容性、抑菌抗菌性和吸濕性等，是應用最廣泛的衍生物之一。王聰[11]等利用殼聚糖與乙醛酸作用形成希夫堿，再在強堿性條件下經硼氫化鈉還原制備得到得率為90%、羧甲基度達65%的N-羧甲基殼聚糖，且用紅外光譜、核磁共振表征了合成物的化學結構。Tao[12]等將殼聚糖加入到氫氧化鈉溶液中混合，冷藏24 h后，攪拌分散到異丙醇中，再加入氯乙酸在25℃條件下不停攪拌24 h，經分離純化后得到N，O-羧甲基殼聚糖。

2.3 酯化改性

殼聚糖上的6位羥基會與很多酸發生酯化反應，最常見的是磷酸酯化和硫酸酯化。

Jayakumar[13]等首先把殼聚糖與已醇混合，再加入P2O5、H3PO4、Et3PO4混合液，攪拌均勻后，在35℃下反應72 h，再在反應液中加入過量甲醇沉淀，沉淀物過濾、洗滌、干燥得到殼聚糖磷酸酯，其得率為78%，取代度為1.18。Yang[14]等將殼聚糖分散在嘧啶中，然后再加入三甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷，反應完全后，分離干燥得到淺褐色三甲基硅烷化殼聚糖。三甲基硅烷化殼聚糖懸浮于無水二甲基亞砜中，加熱攪拌使之完全溶解后，再加入三氧化硫-嘧啶絡合物，待反應完全后，分離純化即得到取代度超過2.0的殼聚糖硫酸酯。

3 殼聚糖及其衍生物在食品工業中的應用

由于殼聚糖具有良好的生物安全性和生物學功能，在食品加工業上可用作為保鮮劑、增稠劑、抗氧化劑、果汁澄清劑、脫色劑、抗菌劑、食品防腐劑、功能性甜味劑等廣泛應用于食品工業中。

3.1 在飲料中的應用

殼聚糖是少有的天然無毒聚陽離子，分子中含有氨基和羥基活性基團，能與果膠、蛋白質、單寧類多酚等陰離子物質結合凝聚沉淀，是一種新型果汁澄清劑。

Domingues[15]等比較了采用酶法、普通離心法與加絮凝劑殼聚糖后再離心澄清西番蓮果汁飲料，發現酶法處理主要只降低西番蓮果肉汁的黏稠性，普通離心使果汁色澤及混濁度下降。而經殼聚糖在最佳工藝條件下處理后再離心，不但果汁幾乎澄清無色，其黏稠性也顯著下降。由于殼聚糖的高性能和低成本，其可作為一種經濟、適宜的輔助手段用于果汁飲料的澄清。Ghorbel-Bellaaj[6]等研究用殼聚糖澄清蘋果汁、檸檬汁和橘子汁，3種果汁經殼聚糖澄清處理后其混濁度都有明顯的下降。蘋果汁、檸檬汁和橘子汁達到最好澄清效果時，殼聚糖濃度分別為0.025%、0.1%和0.025%；僅稍降低果汁中還原糖和抗壞血酸含量，幾乎對果汁的營養價值、pH、可滴定酸度、總固形物含量等沒有影響。上述研究表明殼聚糖是一種理想的天然澄清劑。

3.2 在果蔬保鮮中的應用

殼聚糖及其衍生物具有良好的成膜性和抗菌性，因而采用殼聚糖涂膜處理對抑制果蔬褐變、降低酶活性、保持果蔬品質和延長保鮮期等有明顯的效果，而在果蔬保鮮上獲得了廣泛的應用。

Ali[16]等用0.5%～2%殼聚糖溶液處理新鮮木瓜，在（12±1）℃和85%～95%濕度下保藏，在貯藏期間與未經處理的對照組相對比，研究表明用濃度適宜的殼聚糖處理可以減緩果實的呼吸強度和降低乙烯的產生，因此延遲了果實的成熟期，使處理組的失重率降低、硬度高、表皮色澤變化小、可溶性固形物含量降低等，延長了果實貯藏期，提高了果實品質。Qiu[17]等用不同分子量及不同濃度的殼聚糖溶液處理蘆筍在2℃和95%濕度條件下貯藏5周，研究結果表明，用0.25%的高分子殼聚糖和0.50%低分子量殼聚糖溶液處理的蘆筍與其他對照相比呈顯出更好的質量特征，其顏色變化程度減輕、失重率和抗壞血酸損失減少，特別是經0.25%的高分子殼聚糖溶液處理的蘆筍大約能延長9 d的貯藏期。Lin[18]等研究表明，經1%殼聚糖溶液涂膜處理的荔枝，其呼吸速率、果肉溫度、多酚氧化酶活性及失重率均低于未經涂膜處理的對照組，且在室溫下保鮮期超過對照組5 d，延長了果實的貯藏期。

3.3 在肉類制品中的應用

Siripatrawan[19]等研究用殼聚糖與綠茶提取物制備的可食用復合包裝薄膜（CGT薄膜）包裝的豬肉香腸在4℃下保藏，與未經此處理的對照組相比，采用CGT薄膜包裝的樣品的色澤、質地、硫代巴比妥酸值、微生物增長等指標變化很小。研究結果表明，在冷藏條件下的，用CGT薄膜包裝可以抑制油脂氧化和微生物的增長，可以保持豬肉香腸品質與延長貨架期。Li[20]等用殼聚糖、木糖與殼聚糖美拉德反應產物（MRPs）水溶液處理新鮮豬肉，以沒有經過任何溶液浸漬處理的樣品為對照組，在4℃條件下貯藏20 d。對不同貯藏期樣品的脂肪氧化值、菌落總數等指標進行測定，結果顯示對照組的硫代巴比妥酸值在貯藏期9 d和15 d時分別為476.0 μg/kg和597.6 μg/kg，接近或超過消費者對酸敗的感知閾值（500 μg/kg），而用殼聚糖、MRPs水溶液處理組的硫代巴比妥酸值在貯藏期20 d時都遠低于500 μg/kg；對照組菌落總數在貯藏期9 d和15 d分別為6.88和10.74（log10 cfu/g），分別接近和超過菌落總數為7（log10 cfu/g）的可接受水平；用殼聚糖溶液處理組菌落總數在貯藏期15 d和20 d分別為5.90和7.28（log10 cfu/g），分別低于和略高于菌落總數的可接受水平；MRPs水溶液處理組菌落總數在貯藏期15 d時均低于菌落總數的可接受水平，在貯藏期20 d時其菌落總數與美拉德反應時間有關，反應時間適宜制備的MRPs抑菌性能好，使菌落總數遠低于菌落總數的可接受水平。上述研究結果表明，殼聚糖及其衍生物作為一種天然防腐劑，在肉類制品中有廣闊的應用前景。

3.4 在水產品中的應用

Cao[21]等分別用殼聚糖溶液、臭氧水和殼聚糖混合液處理太平洋牡蠣，在5℃的條件下貯藏，對不同貯藏期的牡蠣進行微生物學分析、生化指標測定及感官評定。研究表明在沒有經過任何處理的對照組中，貯藏8 d后，經微生物學分析結果顯示超過牡蠣在菌落總數上的可接受水平（107cfu/g），而用殼聚糖溶液、臭氧水和殼聚糖混合液處理后菌落總數達到可接受水平的保存期分別為接近14 d和超過20 d；而化學分析結果表明在上述的保存期揮發性鹽基氮對照組為20.65 mg N/100 g（8 d），殼聚糖溶液、臭氧水和殼聚糖混合液處理組分別為23.16 mg N/100 g（14 d）和22.25 mg N/100 g（20 d），都沒超過新鮮水產品達到腐敗程度時揮發性鹽基氮的上限值30 mg N/100 g。而感官評定結果表明對照組、殼聚糖溶液、臭氧水和殼聚糖混合液處理組達到不可接受新鮮度評分標準時的貨架期分別為8、15 d和21 d。上述研究結果表明殼聚糖溶液、臭氧水和殼聚糖混合液是一種良好的保藏劑，能顯著延長牡蠣的貨架期。Fan[22]等用2%殼聚糖溶液對鰱魚涂膜處理，在-3℃條件下凍藏30 d。在貯藏期間定期測定處理組及對照的菌落總數、pH、硫代巴比妥酸值、揮發性鹽基氮、感官特性等指標，研究結果表明經殼聚糖涂膜處理的鰱魚質量保持良好，而且延長了其凍藏期限。

4 研究趨勢

1）研究提取率高、生產成本低、環境污染小、易于工業化生產的殼聚糖提取工藝。微生物發酵法基本具備上述條件，是一種有待進一步深入研究的制備殼聚糖的方法。

2）研究殼聚糖的衍生化方法。殼聚糖經引入一些基團后，改變其物理化學性質和提高其生理活性，進一步擴大其應用范圍是近年來國內外研究的熱點。

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Application of Chitosan and Its Derivatives in Food Industry

HUANG Guo-hong
（Guangxi Polytechnic，Nanning 530226，Guangxi，China）

The preparation of chitosan and its derivation methods were reviewed in this paper.Besides the application of chitosan and its derivatives in fresh fruits，beverage，aquatic products and meat preservation were introduced and its research direction and development trend were put forward.

chitosan；preparation methods；derivative；food industry

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.08.035

黃國宏（1972—），男（漢），副教授，在讀博士（碩士學位），研究方向：食品科學及天然活性成分的分離純化。

2013-10-24