殼聚糖在肉類貯藏及保鮮中的應用進展

甄宗圓，唐子深，李志杰，李先保

1(安徽科技學院 食品工程學院，安徽 滁州，233100)2(棗莊學院 食品科學與制藥工程學院，山東 棗莊，277160)

中國近30年肉類總產(chǎn)量和消費量均位列世界第一[1]。肉和肉制品中富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，是均衡膳食的重要組成部分。然而，肉類產(chǎn)品極易在運輸和貯藏中滋生腐敗菌，如處理不當會導致產(chǎn)品鮮度降低、肉質(zhì)變差甚至腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生有毒物質(zhì)。保鮮劑作為防腐抑菌的方式之一，因其價格低廉和使用方便深受生產(chǎn)者青睞。近年來，消費者對肉類產(chǎn)品品質(zhì)和安全性的需求日益增加，合成保鮮劑、防腐劑的保鮮效果及潛在風險逐漸受到關注，肉類保鮮領域迫切需要高效的新型天然保鮮劑。與其他常規(guī)保鮮劑相比，殼聚糖不僅具有優(yōu)異的抗氧化性和抗菌性，還可以通過多種工藝和天然抗氧化劑、抑菌劑進行復配結合形成復合膜，其優(yōu)良的保鮮性能能夠很好地滿足市場需求。本研究對殼聚糖的保鮮機理、保鮮工藝以及影響因素3個方面進行了綜述。

1 殼聚糖的保鮮機理

1.1 減緩脂質(zhì)氧化

1.2 抑制微生物

殼聚糖具有優(yōu)良的抗菌性，可以有效地抑制多種微生物的繁衍，延緩肉及肉制品的腐敗劣變。殼聚糖抑菌保鮮是依靠其分子上的—NH2+能質(zhì)子轉(zhuǎn)化形成抑菌基團—NH3+。一方面，這些陽離子基團能夠作用于細菌或真菌帶陰離子的細胞質(zhì)或帶負電荷的細胞膜/壁，改變其通透性，從而影響微生物活性；另一方面，殼聚糖還可以通過陽離子氨基螯合金屬抑制細胞內(nèi)酶的活性，以及絡合細胞質(zhì)DNA/mRNA導致蛋白質(zhì)合成的抑制[8]；因此，殼聚糖的抑菌效果首先取決于微生物細胞膜/璧和細胞質(zhì)的組成和帶電荷情況。如研究表明，殼聚糖對大腸桿菌、假單胞菌和葡萄球菌等微生物有顯著的抑制效果。隨著殼聚糖濃度升高，對大腸桿菌、乳酸菌抑制作用持續(xù)增加，而對假單胞菌、葡萄球菌的抑制效果則為先升后降[9]?；跉ぞ厶堑囊志鷻C理，對其表面的氨基進行修飾，提高表面活性，可增強其抑菌性能。如將殼聚糖中的氨基基團替換成季銨基團而得到的殼聚糖衍生物——殼聚糖季銨鹽。翟緯坤等[10]采用溶液流延法制備聚乙烯醇/殼聚糖季銨鹽(聚乙烯醇/殼聚糖季銨鹽)薄膜并應用于黃骨魚保鮮，發(fā)現(xiàn)殼聚糖季銨鹽的添加顯著抑制菌落總數(shù)和維持肉樣感官。添加2%殼聚糖季銨鹽的聚乙烯醇包裝可延長魚肉的貨架期3 d左右。除了化學修飾，許多研究表明，殼聚糖通過復配改性和納米改性后比單一保鮮劑對于肉類的抑菌作用更加顯著。李楠等[4]研究發(fā)現(xiàn)，相比于殼聚糖對照組，殼聚糖-三七葉黃酮復合保鮮劑處理的冷鮮黃牛肉菌落總數(shù)及揮發(fā)性鹽基氮含量的增速均較低，保鮮期延長2 d。對于殼聚糖抑制作用較弱的微生物，也可通過復配改善抑菌效果。如殼聚糖膜對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的抗菌活性較弱，如果在膜中添加丁香酸則可增強抗菌效果，延長保鮮期5 d[11]。另外，納米改性同樣也可增強殼聚糖的抗菌性能。WANG等[12]采用殼聚糖包埋納米膠囊對冷卻豬肉進行保鮮，菌落總數(shù)顯示殼聚糖組貨架期可延長至15 d，比對照組多出7 d，表明其對貯藏豬肉具有良好的抗菌作用。

2 殼聚糖在肉類保鮮中的應用

肉及肉制品富含營養(yǎng)物質(zhì)，外源環(huán)境中的腐敗菌極易在產(chǎn)品的貯藏及運輸中對其造成影響，使肉的鮮度品質(zhì)下降甚至腐敗變質(zhì)。殼聚糖本身具有抑菌功能，加之良好的生物相容性，使其可以與多種抗菌劑、抗氧化劑結合，通過不同的工藝、種類對殼聚糖進行改性可以進一步增強其保鮮性能。

2.1 殼聚糖單獨應用于保鮮

殼聚糖的抗菌性和抗氧化性使其具備一定的保鮮性能。殼聚糖涂抹在食品表面后，能形成一層保鮮膜，該保鮮膜對空氣中的水分子和氣體分子均具有選擇透過性，穿透阻力的增強和保濕性能提升，使肉及肉制品內(nèi)的氧氣含量降低，二氧化碳含量增加，抑制了產(chǎn)品的呼吸作用、生物代謝以及水分流散，延長了食品的保質(zhì)期。添加殼聚糖的聚乙烯醇薄膜包裝應用于雞胸肉的保藏，結果顯示處理組揮發(fā)性鹽基氮值最低、pH 值最小和感官評分最高，該復合膜保藏的雞胸肉第7天仍屬于次鮮肉，相比空白組貨架期延長了2 d[13]。研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖生物保鮮劑雖然能夠有效地延長冷鮮牛肉的貯存期，但其保鮮效果差于復合保鮮劑[14-15]。同樣，在燒雞、培根和火腿等肉制品的保鮮研究中, 復配/復合保鮮劑的性能普遍優(yōu)于單一保鮮劑，保鮮效果更為顯著[16-17]。

2.2 殼聚糖與其他保鮮劑的復配

復配工藝是以殼聚糖為主要基質(zhì)，添加增塑劑、抗菌劑等，再利用分子之間的相互作用，形成一層具有保鮮性能的致密薄膜。改性后的殼聚糖復合膜抑菌效果和膜的穩(wěn)定性得到了顯著增強。根據(jù)所使用的基材不同，分為多糖、蛋白質(zhì)及其他物質(zhì)。

2.2.1 殼聚糖與多糖

2.2.2 殼聚糖與蛋白質(zhì)

以蛋白為基材的復合膜是通過氫鍵、二硫鍵、疏水作用等連接而成的，復合膜具有一定力學性能及阻隔性。蛋白質(zhì)成膜基材主要包括大豆蛋白、明膠、膠原蛋白等植物分離蛋白和動物分離蛋白。如大豆分離蛋白，其具有優(yōu)良的膨脹性以及保濕性。崔心禹等[25]發(fā)現(xiàn)在可食膜中加入大豆分離蛋白和殼聚糖，采用微波處理的手段可改善膜的械性能和阻水性。明膠作為生物大分子涂膜保鮮劑，具有良好的成膜性，與殼聚糖共混可制成可生物降解的食品保鮮復合膜，廣泛應用于肉及肉制品貯藏中。張立挺等[26]在制備1.5%(質(zhì)量分數(shù))殼聚糖和1.5%(質(zhì)量分數(shù))明膠復合膜液過程中發(fā)現(xiàn)，膜液對于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑制作用。膠原蛋白經(jīng)過水解后形成膠原蛋白肽，具有抗氧化和抑菌等諸多生物活性[27]。用膠原蛋白/殼聚糖復合膜對新鮮鴨肉進行涂膜處理, 相較于對照組, 涂膜組在肉樣貯藏過程中有著顯著的抑菌作用，肉品的品質(zhì)大幅提高[28]。

2.2.3 殼聚糖與其他

其他基材主要以脂質(zhì)類為主，脂質(zhì)類可食性膜難溶于水而具有較強的疏水特性，但其極性低易受限。研究發(fā)現(xiàn)甘油二酯和殼聚糖各2%(質(zhì)量分數(shù))混合物混合，對腐敗菌大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有抑制作用，可以通過抑制油脂的氧化和微生物的生長，延緩冷鮮肉的腐敗和顏色的變化，效果優(yōu)于空白及2種成分單獨使用[29]。采用納米粒封裝的形式，可進一步提高殼聚糖與脂質(zhì)的保鮮活性和穩(wěn)定性，例如，劉善智等[30]利用離子交聯(lián)法，在殼聚糖、三聚磷酸鈉和迷迭香精油質(zhì)量濃度分別為2、1.5和2 mg/mL，體積比5∶2∶1，pH 4的條件下制備迷迭香精油殼聚糖納米制劑并應用于草魚肉的冷藏保鮮，結果顯示菌落總數(shù)微生物及脂質(zhì)氧化均受到抑制，貨架期為8 d以上，相比對照組延長3～4 d，其保鮮效果優(yōu)于迷迭香精油和殼聚糖納米粒的單獨使用。殼聚糖與脂質(zhì)復配可與其他保鮮方法協(xié)同發(fā)揮作用，如利用肉桂精油有效的提升了殼聚糖涂膜性能，協(xié)同聚偏二氯乙烯低氧氣調(diào)(50% CO2+35% O2+15% N2)包裝+0 ℃貯藏，有效抑制圓香黑豬肉pH、總揮發(fā)性鹽基氮含量、菌落總數(shù)、假單胞菌數(shù)、熱殺索絲菌數(shù)、汁液損失率的上升，同時可顯著減緩紅度值a*和彈性的下降，延長了冷鮮肉的貨架期約4 d[31]。

另一類經(jīng)常與殼聚糖復配的物質(zhì)為植物源活性物質(zhì)，如茶多酚和沒食子酸。這類物質(zhì)有較強的抗氧化能力，安全無毒，復配結合后的保鮮性能強于單一保鮮劑[32]。如在殼聚糖中加入茶多酚復配結合后，殼聚糖復合保鮮能抑制肌肉內(nèi)源酶活性，延緩魚肉的品質(zhì)劣變進程[33]。同樣，劉均等[34]也發(fā)現(xiàn)加入茶多酚后，復合膜可以有效抑制三文魚中細菌增殖和脂質(zhì)氧化，延長貨架期。殼聚糖和沒食子酸的包裝薄膜同樣可以維持肉的品質(zhì)，抑制揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生，保護肉質(zhì)的顏色[35-36]。

2.3 殼聚糖的改性納米工藝

相較于多糖、蛋白、脂類等天然高分子物質(zhì)，經(jīng)過納米工藝改性后制得的殼聚糖納米復合膜在強度、殺菌性和阻隔性有著顯著的優(yōu)勢。如多糖物質(zhì)與殼聚糖形成復合膜后，強度、成膜性和保鮮性能能得到加強，但部分存在結構較為松散，阻隔性能差的問題[37]。有報道稱利用水熱合成法制備的鈦酸納米管TNTs對果膠/殼聚糖復合膜進行改性，發(fā)現(xiàn)其可以填補殼聚糖分子與多糖鏈之間的間隙，使復合膜結構更加致密[38]。納米粒子能夠改善殼聚糖薄膜的微觀結構和理化性能，使其能夠顯著減緩肉類的感官評分值和質(zhì)構指標下降[39]。ZHANG等[40]將含龍蒿精油或龍蒿精油納米粒對殼聚糖-明膠復合膜進行改性，可顯著抑制豬肉片的品質(zhì)劣變。納米復合膜表現(xiàn)出令人滿意的機械性能和疏水性，對于肉及肉制品的保鮮及貯藏具有較大的潛力[41]。

3 影響殼聚糖保鮮效果的因素

殼聚糖抗菌效果溫和成膜機械強度高，阻隔性能好，但也存在一些制約因素，如本體分子質(zhì)量、脫乙酰度、外界 pH及質(zhì)量濃度等。

3.1 脫乙酰度

圖1 殼聚糖的化學結構和碳位置的命名(C1-C6)Fig.1 Chemical structure of chitosan and denomination of carbon position (C1-C6)注：DDA表示脫乙酰度

3.2 pH值

pH值對殼聚糖的性能影響較明顯，不僅會改變殼聚糖自身狀態(tài)以及抗菌性能，還會使殼聚糖的改性發(fā)生變化。例如，殼聚糖的黏度會隨著pH值的增大，先減小后增大，當pH為4.9時黏度降到最低。ROCHA等[46]以殼聚糖和透明質(zhì)酸為主要原料，利用層層組裝技術制備薄膜。在酸性(pH 4.5)至中性(pH 7.2)條件下，隨著pH增加，薄膜的厚度、粗糙度和疏水性增加。通過改變pH和殼聚糖的脫乙酰度可制備厚度、粗糙度、親水性等指標不同的薄膜，從而實現(xiàn)有針對性的應用。殼聚糖的抗菌活性是由于質(zhì)子化氨基的存在。因此，pH強烈影響殼聚糖的抗菌效果，pH越低(

3.3 分子質(zhì)量與質(zhì)量濃度

殼聚糖的質(zhì)量濃度會影響殼聚糖保鮮膜成膜的時間長短，以及成膜的拉伸強度和斷裂伸長率。凡玉杰等[52]發(fā)現(xiàn)殼聚糖復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率隨著殼聚糖質(zhì)量濃度的增大而增大。殼聚糖質(zhì)量濃度過高時，所形成的膜厚度就比較大，濃度過低所形成的膜很薄，不易成膜，而且抗菌性能也比較差。有學者使用不同質(zhì)量濃度的殼聚糖對冷卻豬肉進行處理，發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)量濃度的增加殼聚糖的抑菌效果越來越明顯[53]，但也并非質(zhì)量濃度越高保鮮效果就越好，肉的種類以及復配溶液都會影響質(zhì)量濃度的選擇。

4 結語

近年來國內(nèi)的保鮮技術愈發(fā)成熟，各種新型、綠色的保鮮技術在不斷地發(fā)展。因殼聚糖具有抗菌性和抗氧化性，成為很好的保鮮基材。同時，其良好的生物相溶性使其能和多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)結合，提升復合膜的機械性能和抑菌效果。但是，簡單復配的復合膜通常機械性能較差，不易推廣應用，通過納米工藝能夠有效地增強殼聚糖復合膜的性能。目前，納米殼聚糖保鮮膜的研究尚處于起步階段，還存在一些問題，殼聚糖納米化后與有機物之間的作用機理尚不明確，有待深入研究?？傊瑲ぞ厶窃谌忸惐ｕr領域中有著巨大的研究價值，希望未來能夠通過引入更多的反應基材及研究新的改性工藝，使殼聚糖在肉類的貯藏及保鮮領域中得到更好的應用。