天然多糖保鮮劑在水產品冷藏中的保鮮機理及應用形式

李慧，包海蓉,2,3*

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海，201306) 3(農業部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海)，上海，201306)

水產品保鮮一直是研究的熱點問題，可分為冷藏保鮮和冷凍保鮮，主要的保鮮方法有物理保鮮、化學保鮮和生物保鮮。雖然這些方法都能達到一定的保鮮效果，但存在的弊端和不能在實際生產中工業化使用的局限性也不容忽視。例如氣調包裝保鮮需要充注不同比例的氣體，調控技術復雜、成本高昂，而且氣體比例失衡會影響產品品質，帶來安全隱患[1]；輻照保鮮技術目前在國內外發展較快，效率高且耗能低，但超過一定的輻照劑量不可避免地會導致食品營養成分的變化[2]；臭氧處理被許多國家認為是一種很好的保鮮方法，受控條件下也是一種安全的消毒劑，實際應用中臭氧濃度過高會給食品品質帶來負面效應，難以掌控[3]；使用SO2、CaO2等化學藥劑保鮮雖價格低廉，但食品表面的藥劑殘留給人們的健康帶來風險[4]。生物保鮮劑是從自然界中直接提取或利用生物工程技術改造而得到的一類保鮮劑，按照成分可分為酚類、多糖類、肽類、細菌素、酶類等化合物，其中酚類是從植物中提取且容易氧化，酶制劑雖然來源豐富但對革蘭氏陰性微生物不敏感[5-6]。

天然多糖作為一種來源廣泛、提取技術成熟、環境友好型的生物活性物質已發展為保鮮研究的熱門方向，廣泛應用于水產品、肉類、蔬菜、菌菇類等食品的保鮮。目前在水產品冷藏保鮮中應用較多的有殼聚糖(chitosan)、海藻酸鈉(sodium alginate)、普魯蘭多糖(pullulan)，這種保鮮技術無化學殘留、無污染、安全性高，適合各種規模的生產方式，保鮮的同時具有良好的保健功能，滿足消費者對健康的需求和社會的可持續發展。因此，本文闡述了天然多糖在水產品冷藏中的保鮮機理，創新性地總結了其應用型式，并提出了該領域今后研究的發展方向，以期為水產品冷藏保鮮技術的進步提供參考。

1 天然多糖保鮮劑的種類

天然多糖是一種天然可再生的綠色高分子化合物，其分布遍及自然界，按照來源可分為植物源多糖、動物源多糖和微生物源多糖，但在水產品冷藏保鮮中研究較深入的多糖種類屈指可數。植物源多糖包括纖維素(cellulose)、藻類多糖、部分親水膠體和其他植物提取多糖等；動物源多糖包括殼聚糖、蜂膠(propolis)等；微生物源多糖包括由出芽短梗霉發酵所產生的普魯蘭多糖和由野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料(如玉米淀粉)經發酵工程生產的黃原膠(xanthan)等，具體如表1所示。

表1 部分天然多糖保鮮劑在水產品冷藏保鮮中的應用Table 1 Application of some natural polysaccharide preservatives in aquatic products refrigeration

天然多糖大都具有良好的抑菌性、成膜性等性質，對二氧化碳和氧氣也有選擇滲透性[7]。為了增強天然多糖的保鮮效果，解決部分多糖有效成分含量低，抑制菌種單一的問題，有相關研究將天然多糖之間和與其他酚類、酸類、精油等物質進行混合,形成新型復配保鮮劑。

2 天然多糖保鮮劑的保鮮機理

天然多糖類物質含有羥基、羰基、氨基等親水性基團，亦包含大量氫鍵，通過分子間的氫鍵作用將會使天然高分子協同作用增強，形成穩定的網絡結構，產生良好的相容性形成可食性膜[25]。一般而言，成膜大分子的極性越強，膜溶液的黏性越高，所成膜的結構也越緊密[26]。這種致密的網狀結構可以阻隔氧氣、水蒸氣等物質的遷移。

水產品本身性質特殊，其出水后會由于微生物和酶(內源性蛋白酶、胞外酶等)的作用迅速腐敗變質，保質期相對較短[27-29]。天然多糖具有良好的保水性、隔氧性、成膜性等理化性質和抑菌性、抗氧化性等生物活性[30-31]，這些性質能夠抑制細菌增長及酶的活性，延緩脂質氧化并防止汁液流失，并且進一步抑制蛋白質、脂質等組分之間的相互作用，保持水產品新鮮的質量，延長保質期(圖1)。

圖1 天然多糖在水產品冷藏中的保鮮機制Fig.1 Preservation mechanism of natural polysaccharides in aquatic products refrigeration

2.1 抑菌作用

天然多糖良好的成膜性可以阻止外源微生物的污染，同時其抗菌活性光譜較廣泛，可以破壞細菌的細胞壁和細胞膜，增加細胞通透性，使其內部結構損傷、細菌成分分解，降低與水產品組分的相互作用，從而造成細菌死亡[32]。林斌[33]研究山藥多糖(yam polysaccharide)對冷藏羅非魚抑菌效果的影響，隨著冷藏時間的延長，對照組的菌落總數(total viable counts，TVC)在第7天達到了6.12 lgCFU/g，超出了可食用值(6 lgCFU/g)，并且隨著山藥多糖濃度的增加，TVC明顯減少。

在水產品貯藏過程中，細菌繁殖過程中的代謝產物會將蛋白質分解，天然多糖使細菌的增長受到抑制，則細菌對蛋白質的分解作用也會被抑制。邢曉亮等[34]采用海藻酸鈉涂膜處理冰溫大黃魚后，其TVC和產H2S菌上升趨勢較平緩，對照組在第10天揮發性鹽基氮值(total volatile basic nitrogen，TVB-N)達到了限定值(29.8 mg/100g)，而1.5%海藻酸鈉處理的冰溫大黃魚貨架期延長至29 d。

2.2 抑制酶的活性

蝦是很受人們喜愛的一種水產品，但新鮮的蝦死后，體內的多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)會被激活發生酶促褐變生成黑色素，即常見的蝦頭部分黑變[35]。天然多糖可以通過與酪氨酸酶活性中心以外的氨基酸殘基結合并且清除過氧自由基終止自由基鏈的發生[36]。BAO等[37]、丁小梅等[38]發現了多糖與酪氨酸酶之間是通過非共價鍵可逆結合的，多糖的抑制只會使酶活力降低，對有效酶量沒有影響，屬于非競爭性抑制。熊青等[39]對比了殼聚糖、溶菌酶、檸檬酸等不同保鮮劑對冷藏南美白對蝦的保鮮效果，結果發現1.5%殼聚糖在貯藏前期對PPO有一定的抑制作用，減緩了黑變的發生，但第8天時抑制作用減弱，相對酶活力上升到62.83%。也有學者發現天然多糖對PPO的抑制作用并不明顯。LI等[40]研究從藻類中提取紫菜多糖(porphyra yezoensis polysaccharide)和多酚對太平洋白蝦冷藏品質的影響，與對照組(相對活性72.5%)相比，紫菜多酚組及復合組的PPO相對活性明顯低于對照組，但紫菜多糖組的PPO相對活性無顯著差異。

有研究報道，組織蛋白酶和鈣蛋白酶等內源性酶活性與魚類死后蛋白水解和結構降解有著密切的關系[41]，過氧化物酶、脂氧合酶等酶促氧化是脂質氧化啟動和傳播的主要機制[28]。天然多糖對這些酶類也有抑制作用，但相關研究較少且抑制機制尚不明確。YU等[42]探究了殼聚糖對保存于4 ℃的草魚魚片內源酶活性的影響，研究表明殼聚糖對組織蛋白酶B、組織蛋白酶B+L和鈣蛋白酶活性的抑制效果顯著，最大降幅分別能達到58%、65%和41%，減弱了蛋白質的水解，改善了冷藏草魚魚片的質量。

2.3 減緩脂質氧化

天然多糖可以抑制活性氧自由基的生成，其分子質量和分子結構中糖醛酸含量皆可影響天然多糖的抗氧化能力，但機制尚不清楚[43]。除了優異的抗氧化活性，天然多糖之間成膜后還可以阻隔氧氣，進一步抑制水產品中的脂質氧化反應。VOLPE等[44]發現虹鱒魚片冷藏15 d后，對照組的飽和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)為(27.44±1.5)%，卡拉膠處理組的SFA為(24.43±0.9)%，卡拉膠有助于保持整個貯藏期間的SFA水平低于對照組，并減緩了單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的下降趨勢，這可能是由于卡拉膠涂層對氧的保護屏障作用，減緩了虹鱒魚片的脂質氧化。BAO等[45]也證實了蒲公英多糖(dandelion polysaccharide)處理南極磷蝦可以降低其SFA含量，且不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acid，UFA)含量沒有明顯變化。EBADI等[46]報道了日本金線魚片在冷藏期間由于魚的部分脫水和UFA氧化的增加導致2-硫代巴比妥酸反應性物質的增加，殼聚糖和蜂膠可抑制這種現象并且減少游離脂肪酸的產生，殼聚糖和蜂膠之間存在正向協同作用。

此外，脂質和蛋白質的氧化是由相同的化合物催化的，這些過程可以獨立或并行發展。這兩個過程可以相互作用，脂質氧化產生的自由基、氫過氧化物和二級化合物等中間體可與蛋白質發生反應，形成更多的羰基和巰基，導致蛋白質功能喪失。脂質氧化過程中形成的醛能與蛋白質中的氨基相互作用，形成希夫堿產物，影響蛋白質的溶解性和疏水性等功能特征[28-29]。

2.4 防止汁液流失

水產品中的水可分為結合水、截留水和游離水，其中大部分存在于肌肉和肌肉細胞結構中，被截留的水受到環境因素的影響，可能會成為游離水，因此在貯存過程中容易造成汁液損失[25]。天然多糖分子中的羥基、羧基等極性基團對水分子具有很強的作用力，多糖之間致密的網狀結構也可以阻止部分水分流失[47]。李佳藝等[48]采用殼聚糖復合保鮮液處理草魚，發現相比于對照組，保鮮組的汁液流失率上升緩慢，殼聚糖膜的保水性可以減輕魚肉中水分、蛋白質、無機鹽等營養成分的流失，延緩其品質敗壞進程。也有研究表明，水分子被鑲嵌在蛋白質的三維網狀結構中，當這種結構受到破壞時，水產品的持水力會隨之降低，因此抑制蛋白質的消極變化也能增強水產品持水性能[49]。

3 天然多糖保鮮劑的應用形式

3.1 保鮮冰

水產品極易腐爛，捕獲后不久質量便迅速下降。溫度是影響海鮮保質期的關鍵參數，但不能完全抑制水產品基質中的微生物反應。因此將天然多糖保鮮劑與冰結合制成，二者共同發揮抑制微生物生長、脂質氧化和內源性酶活性的作用，進而延緩水產品腐敗變質。ABHIRAMA等[50]以三聚磷酸酯為交聯劑，采用離子凝膠法制備了抗菌活性效果更好的殼聚糖納米粒子，隨后制成1 g/L的納米殼聚糖溶液，冷凍后制成納米殼聚糖分散的冰塊，將冰塊和羅非魚放在聚苯乙烯盒中保存72 h不換冰。結果表明，納米殼聚糖冰保鮮的最佳魚冰比例為1∶0.75，且當冰融化時，只要溫度低于室溫，納米殼聚糖抑制微生物生長和酶活性的能力可以繼續保持，這種方法相對于傳統自來水冰減少了25%的用冰量。

保鮮冰正在發展為傳統自來水冰的替代冰，冰融化后保鮮劑仍具有保鮮功能，因此可以減少頻繁更換融化冰的工序，提高效率。但在保藏水產品時保鮮冰魚比例、換冰時間的控制仍沒有明確的依據和標準。此外，制冰過程是否會對天然多糖的有效活性成分產生負面影響、冰融化后天然多糖的保鮮效果和在水產品中的滲透效果是否會減弱還有待研究。

3.2 可食性膜

可食性膜是食品活性包裝的一種，具有環保可降解、健康無污染的特點，現是食品包裝領域研究的熱點問題，有望成為傳統塑料包裝的替代品。天然多糖可食性膜是以天然多糖為基質，加入增塑劑、抑菌劑、抗氧化劑、乳化劑等物質，經過一定的處理工序使不同成膜劑分子間產生相互作用，干燥后形成的安全無毒可食用膜,根據生產工藝不同可分為涂膜和薄膜(圖2)。多糖類的可食性膜均勻透明，具有一定選擇透過性、力學性能、光學性能和阻隔性能，但水蒸氣透過率較高，可加入其他物質制備復合膜來彌補這一缺點[52]。天然多糖可食性膜的主要功能是將食品與周圍環境分離，減少與腐敗因子(如微生物、水蒸氣、氧氣和異味)的相互作用，避免理想化合物(如芳香物質)的損失，從而延長食品的貨架期。現今大多數研究中可食性膜的制備和性能測試均是在常溫下，關于水產品低溫保存環境中溫度、濕度對可食性膜特性影響的研究十分匱乏，因此，適合低溫的可食性膜制備、檢測及其加工系統的商業化等一系列問題有待研究[53]。

圖2 涂層和薄膜生產示意圖[51]Fig.2 Schematic representation for production of coatings and films

3.2.1 涂膜

保鮮涂膜作為一種保證冷藏期間水產品質量的安全且環保的工藝正日益受到關注。在應用時浸泡法操作簡單、對樣品的形狀要求低，魷魚[17]、貝類[18]等不規則水產品也適用，是如今首要的涂膜方式。另外，處理樣品時天然多糖質量濃度大約是0.5～40 g/L，浸泡時間通常在30 s～2 h，瀝干時間一般為10 s～1 h。HAMZEH等[54]將虹鱒魚片在30 g/L海藻酸鈉溶液中浸泡1 min，瀝干30 s后浸入20 g/L的CaCl2水溶液中30 s，通過與多價金屬離子的交聯反應有助于其形成強力凝膠。實驗數據顯示虹鱒魚片在(4±2) ℃冷藏20 d過程中，海藻酸鈉涂層能有效地保護魚片的質量特性，抑制細菌生長，延長其貨架期，并提高虹鱒魚片的整體感官值。

也有學者在研究整魚或魚片保鮮時采用直接涂抹的方式。MERIAM等[55]將質量分數為0.2%和0.5%的殼聚糖微粒涂料直接均勻涂布在金頭海鯛魚片的肌肉側，并單獨使用真空包裝，然后放在帶有片冰(質量比1∶1)的聚苯乙烯盒中，2～4 ℃冷藏24 d。研究結果表明，該涂料可以有效地保持真空包裝魚片冷藏期間的質量，抑制細菌生長，抑制pH的升高等，同時，所有有益影響都對殼聚糖劑量有依賴性，劑量最高的效果更好。DUMAN等[56]將適量的蜂膠水提取物用微移液管添加到魚片的表面，然后直接用手指對每個樣本輕輕按摩，與對照樣品相比，加入1 g/L蜂膠水提取物可延長魚片的貨架期約6 d，而加入5 g/L蜂膠水提取物可顯著延長魚片的貨架期約12 d。雖然目前有多種可供選擇的涂覆方式，但尚無關于不同的涂覆方式是否會對水產品保鮮效果產生不同影響的報道。

3.2.2 薄膜

可食性薄膜也是一種有效的保鮮包裝材料，可以直接包裹住需要保鮮的水產品，當下研究最多的多糖類薄膜是殼聚糖，包括單一殼聚糖和含有殼聚糖的復合保鮮劑，并且結合其他保鮮技術加以應用。MERLO等[57]研究殼聚糖薄膜中加入粉胡椒渣提取物，并結合氣調包裝(100%CO2)處理去皮三文魚片。在 2 ℃ 下冷藏28 d的過程中，含有粉胡椒渣提取物的殼聚糖薄膜具有較高的抗菌活性，有效地減少了菌落總數,控制風味，較好地保持三文魚魚片的冷藏質量。

可食性涂膜和薄膜在生產工藝上有著細微的差別，其保鮮效果是否亦存在差異也引起了某些學者的關注。VASCONEZ等[58]研究了殼聚糖的抗菌作用與應用工藝的關系，發現殼聚糖在涂膜溶液中的作用大于在固體膜基質中的作用，將三文魚用1%(質量分數)殼聚糖溶液處理保存3 d后有氧嗜溫細菌和嗜酸性細菌分別達到4 lgCFU/cm2和4.5 lgCFU/cm2，而且山梨酸鉀、木薯淀粉或兩者對殼聚糖的抑菌效果均有拮抗作用。

4 展望

天然多糖作為一種高效環保的保鮮劑，未來在水產品保鮮方面有廣闊的應用前景。但目前在水產品冷藏保鮮中有以下幾個方面仍需提升：(1)除了殼聚糖、海藻酸鈉、普魯蘭多糖等，更多安全無毒、綠色健康的天然多糖待開發并應用到水產品冷藏保鮮中，并且與其他保鮮劑復合是一種比較理想的選擇；(2)天然多糖對不同微生物種類的抑菌和抑制酶活性方面的作用機制尚不明確；(3)有研究表明天然多糖的理化性質也是保鮮效果的影響因素之一，但在使用時其濃度、粒徑、分子質量等參數參差不齊，缺少最佳范圍的研究；(4)可以將天然多糖保鮮劑與電解水冰、氣調包裝等其他保鮮方式結合，利用多個柵欄因子之間的相互作用來提高水產品質量和保鮮技術水平。