殼聚糖改性及其在肉制品保藏中的應用

李泓霖，王中偉，孟凡冰, ，李云成, *，劉達玉, ，張倩

1. 成都大學藥學與生物工程學院（成都 610106）；2. 肉類加工四川省重點實驗室（成都 610106）

殼聚糖是一種由多個D-氨基葡萄糖和N-乙酞-D-氨基葡萄糖單位通過β-1, 4糖苷鍵連接起來的天然高分子聚合物[1-2]，基本結構為殼二糖[3-4]，是自然界中唯一的堿性多糖（其上含有陽離子基團）[1,5]。殼聚糖可通過甲殼素脫乙?；玫絒1,6-7]，分子量和脫乙酰度（DD）可顯著影響其性質素[8]。殼聚糖來源豐富，可以穩定存在自然界中，因其具有可降解性、吸附性、無毒性、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、醫藥等方面得到廣泛應用，而被作為一種優良成膜材料和防腐劑[10, 12]。

1 殼聚糖的保鮮機制

殼聚糖具有良好廣譜抑菌性和抗氧化性能，其抑菌機理分3種[10,13]：一是經降解的小分子殼聚糖可改變細胞的通透性滲透到革蘭氏陰性菌細胞內，吸附帶負電荷的細胞質，發生絮凝作用，擾亂細胞正常的生理活動從而殺死細胞，達到抑菌效果[14]；二是大分子的殼聚糖吸附在革蘭氏陽性菌細胞表面，形成一層高分子膜，阻止營養物質的運輸；三是殼聚糖達到較高濃度時，可誘導幾丁質酶，即激活部分微生物本身的幾丁質酶活性，或使其被過分表達，導致其對自身細胞壁幾丁質降解，從而損傷細胞壁殺死細菌，達到抑菌效果[15]。

殼聚糖的抗氧化性能主要與其分子質量有關，研究認為殼聚糖分子量越小，抗氧化性能越強。其抗氧化作用機理主要為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揮抗氧化作用；二是殼聚糖堿性與游離脂肪酸充分結合形成復合物，與脂肪酸結合消耗脂肪產量，抑制油脂水解程度，達到抗氧化目的[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，因而殼聚糖的結晶性較高、水溶性低、力學性能差、防腐及抗氧化活性不理想，從而限制其應用。因此，實際應用中常對其進行適度改性，提高其功能性質及應用范圍。食品領域常用殼聚糖改性方法包括共混改性、化學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異，共混產物即保留殼聚糖本身優點，結合共混化合物優勢，使自身缺陷得以彌補。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行共混，如制成多孔殼聚糖/羧甲基殼聚糖共混復合膜，由于羧甲基化后殼聚糖易溶于水[16]，在制備膜的過程中導致溶失，故使殼聚糖和羧甲基殼聚糖中氨基進行交聯，減少羧甲基殼聚糖溶失，在殼聚糖羧甲基化過程中盡可能保存氨基，為后續兩性膜制備做好鋪墊[17]。

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

第三類為殼聚糖與無機大分子進行共混，如制成殼聚糖/納米TiO2復合膜[22]，單獨殼聚糖制備抗菌膜時其抑菌性能雖較好，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揮殺菌作用的缺陷，使其適用性更廣泛[23]。

2.2 化學改性

殼聚糖的化學改性主要是利用殼聚糖中的活性氨基和羥基反應，改變殼聚糖的性質及性能，達到特定使用效果。

2.2.1 殼聚糖?；男?/p>

殼聚糖分子上活性氨基和活性羥基與甲醇或乙醇進行酰胺化反應[24]，由于氨基的活性更強，通常氨基優先進行反應，得到的產物在水和有機溶劑中溶解性得到改善[3,25-26]，研究證明殼聚糖的酰化產物有良好抑菌性能[27-28]，如N-琥珀酰殼聚糖[25]在食品保鮮范圍內有廣泛應用。

2.2.2 羧甲基化改性

殼聚糖分子上的氨基和羥基均能發生羧甲基化反應，且二者競爭反應[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[30-31]。

2.2.3 酯化改性

殼聚糖殘基上羥基非常活潑，易于與各類酸發生酯化反應，生成無機酸酯、有機酸酯。殼聚糖硫酸酯化改性可增強其水溶性[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、大分子單體[3,26]，從而改變殼聚糖的性質與結構。接枝共聚分為三類：接枝共聚[34]、縮聚反應[35]、開環聚合[36]，這些方法不僅保存殼聚糖本身優良的性質，還可以增強殼聚糖的水溶性、物理特性或增加其緩釋性能等，使殼聚糖在生物、食品等領域內有更廣泛應用[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理隨著反應條件而改變，得到產物也不同，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交聯成凝膠功能，可作為載體，在藥品、保健食品中有較好應用前景。

2.2.6 交聯化改性

殼聚糖可與多種物質發生交聯反應[26]，與不同物質交聯便可得到相應特性，與親水性物質交聯便可提升殼聚糖親水性[3]，與金屬物質交聯可提升物質機械性能[39]，拓寬殼聚糖的應用范圍，如經交聯化改性的殼聚糖樹脂有較強吸附作用，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，對其抑菌性能有較大影響[26,8]。研究表明，在一定分子量區間的殼聚糖，隨著分子量下降，其抑菌活性增強。劉楠[41]通過制備相同脫乙酰度、不同分子量殼聚糖，并對大腸桿菌的抑菌活性進行調查，結果表明在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殼聚糖樣品能促進大腸桿菌生長。喬德亮等[42]研究表明，經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、預防肝臟疾病等。低分子殼聚糖以其優異的各項性能在食品行業中廣泛應用，許多國家批準其作為食品添加劑，用于改善食品的黏度、風味、性質和結構，增加食品的穩定性。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降解法、物理降解法和酶解法。

化學降解法主要包括鹽酸法、酸-亞硝酸鹽法、過醋酸法及氧化降解，但化學降解法所得產物分子量較高，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、可見光和紅外線等）。微波降解法是在甲殼素脫乙酰反應的同時，使糖苷鍵斷裂，使殼聚糖分子量降解，還可降低脫乙?；^程中用堿量，降低生產成本[44]。γ-射線降解可使殼聚糖的1, 4-糖苷鍵斷裂，控制照射時間、吸收量，即可得到不同分子量的產物，其安全性、效率高，可控性強。

酶解法主要是利用殼聚糖與肽聚糖結構相似，利用專一性酶（殼聚糖酶）或非專一性酶（溶菌酶等）對殼聚糖的1, 4-糖苷鍵進行水解[8]，酶解法反應條件溫和，操作簡便，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，通過控制反應溫度和時間等參數達到最佳降解效率。經輕微水解后的殼聚糖在0.005%濃度時能抑制金黃葡萄球菌生長[45]，重均分子量在1 500左右時殼聚糖抑菌性達到最佳[46]。

3 改性殼聚糖在肉類制品中的應用

經過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，同時還能防止油脂等易氧化物質的變質，使肉制品的風味、顏色等得以良好保存，延長產品貨架期。

3.1 在傳統肉制品中的應用

傳統肉制品如腌臘肉、醬鹵肉、中式香腸等，一般在常溫下保藏，或經過熟制后保藏，微生物腐敗和脂肪氧化較易發生，因此工業上常使用防腐劑延長產品貨架期。楊錫洪等[47]研究發現經酶水解后的殼聚糖抑菌性能優于酸水解。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%時最為適宜。一定區間內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，延長產品貨架期。劉娜等[48]研究表明，殼聚糖與海藻酸鈉共混制成保鮮膜，加入質量分數0.08%溶菌酶涂于切片腌臘肉上，可有效對腌臘肉制品進行保鮮，延長保質期。

3.2 在冷鮮肉中的應用

經分割后冷鮮肉需經保鮮手段來維持其的形態、顏色、風味，以延長其保質期。將殼聚糖、淀粉及天然香辛料復配共混改性制成復合膜作用于冷鮮肉上，不僅大大提升防腐保鮮性能，同時香辛料還賦予肉制品獨特風味，抑制不良氣味產生。孫遠[49]研究表明，冷卻豬肉加入殼聚糖-淀粉（9︰1）復合保鮮液，在4 ℃條件下貯藏28 d仍保持鮮肉狀態，而對照組已腐敗。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，可有效延長冰鮮雞肉的保質期。

3.3 水產品中的應用

水產品需長期保持在濕潤環境中，潮濕環境使其更易滋生細菌，發生腐敗變質，還會產生腥味，極大影響其風味。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，容易發生腐敗變質，將殼聚糖經過共混改性制成殼聚糖-膠原蛋白復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變性腐敗，且極大程度地保存其風味[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，在貯藏期內能較好保持其風味。

4 結語與展望

殼聚糖是自然界中難得的可以大量穩定存在的堿性多糖，其來源豐富，還具有可降解性、吸附性、無毒性等眾多優良特性，是開發生物防腐劑、抗氧化劑的優良材料。殼聚糖抑菌劑、保鮮膜等在食品工業領域廣泛應用，但由于自身結構及性質缺陷[32,53]，其抑菌性能沒有發揮到最大，故要通過一定的方法進行改性，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，但是其改性及實際應用仍需加大研究。一是加強多種殼聚糖改性方法的聯合應用，如將化學改性與不同分子量降解后的殼聚糖結合，提升各項性能。二是加強改性殼聚糖在肉制品保鮮方面的商業化應用研究，研究其在實際應用過程中性能及參數，使改性殼聚糖在肉類貯藏、加工等領域廣泛推廣，推動肉制品保鮮劑及肉制品安全發展。