壳聚糖抗菌抗氧化活性及其在食品保鲜中应用

任建敏

（重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067）

壳聚糖抗菌抗氧化活性及其在食品保鲜中应用

任建敏

（重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067）

壳聚糖因其可生物可降解、生物相容好、无毒和具有天然抗菌抗氧化活性，使其成为食品保鲜与防腐研究的热点。本文在壳聚糖结构与抗菌抗氧化活性的基础上，重点概述了近年来壳聚糖在食品保鲜中的应用。

壳聚糖，抗菌活性，抗氧化活性，食品，保鲜

Abstract：Chitosan possesses a lot of advantages，including biodegraubility，biocompatibility，non-toxicity，strong antimicrobial andantioxiutive activities，it has become one of hot research topics for chitosan to be applied in foods as natural preservativeandantimicrobial agents.According to a large number of research results，the relationship between molecular structure of chitosan and its antimicrobial and antioxiutive activities was discussed，application of chitosan on food was mainly reviewed.

Key words：chitosan；antimicrobial；antioxiutive；food；keeping fresh

壳聚糖（chitosan），又称脱乙酰甲壳胺、甲壳素（chitin），是甲壳素在碱或甲壳酶等作用下，部分脱乙酰基的产物，在结构上与纤维素类似（图1），是纤维素D-葡萄糖单元2位的-OH，由大部分-NH2和少量-NH-CO-CH3（乙酰氨基）替代，形成D-葡萄糖胺和少量乙酰D-葡萄糖胺为单元，以β-1，4糖苷键连接的二元聚直链多糖。在自然界的量仅次于纤维素，是天然唯一的碱性多糖[1]，广泛存在于蟹壳、虾壳和一些真菌类如曲霉菌、毛霉菌等的细胞壁中[2]。自然界每年生物合成的甲壳素约达100亿t，其中海洋生物的生成量在10亿t以上。由于壳聚糖无毒、无害，来源广，化学稳定性好，可生物降解，生物相容性高，具有天然的抗菌抗氧化活性，且有助于调整食品的水活性，增进保水性，同时兼有调味和改良食品品质的作用。壳聚糖在人体内水解有限，与葡萄糖相比，在生物体代谢中所提供的能量少；同时酸性胃液溶胀的部分水解产物，经中性或碱性的肠道后，水溶解性降低，而肠道微生物对不溶物作用时间短，最终作为膳食纤维同小肠中等待吸收的胆固醇、脂肪等，通过氢键等分子间作用，或包裹在一起，与代谢废物一同排出体外；壳聚糖的-NH2还具有中和胃酸、抵制胃溃疡等药理作用[3]。目前，壳聚糖已广泛应用于食品保鲜、保健食品等领域。

1 壳聚糖结构与抗菌、抗氧化活性

1.1 壳聚糖的结构

图1 壳聚糖及质子化结构Fig.1 Structures of chitinand chitosan

壳聚糖分子中（图1）脱乙酰度（即-NH2含量高低）和相对分子量的大小，是影响理化性质及抗菌、抗氧化活性的两个重要参数[4-5，12]。

1.2 壳聚糖的抗菌活性

Gerasimenko等[4]用粘均分子量为5～27ku，脱乙酰度均为85%的壳聚糖，考查对致金色假单胞菌、成团泛菌、枯草杆菌和分叉双歧杆菌791抗菌活性，发现不同分子量的壳聚糖，在浓度0.060%～0.005%可致80%～100%的细菌死亡；在研究分子量4ku、脱乙酰度在55%～85%的壳聚糖，对大肠杆菌和分叉双歧杆菌791的抗菌效果，发现脱乙酰度越高，抗菌效果越好。Kulikov等[6]用酶解法获得重均分子量为1.2～40.4ku的低聚壳聚糖，研究了对豆轻花叶病毒的抗菌效果，得出不同分子量的壳聚糖，在浓度10～100μg/mL能抑制病菌积聚与增殖，抗菌能力随分子量的减小而增大；但组成壳聚糖分子的单元-葡萄糖胺或乙酰葡萄糖胺没有抗菌活性，也许是小分子量的寡糖单元粘附作用小，不能有效覆盖在细菌表面。

壳聚糖脱乙酰度越高，分子量越低，溶解性越好，单位量含-NH2与-OH数越多。壳聚糖的-NH2和-OH在生物介质或与细菌呈现出强的反应活性，-NH2易与醛类反应形成亚胺或与酰化剂反应生成相应的酰胺衍生物；-NH2和-OH易与细菌细胞中氨基酸、蛋白质、核酸等形成氢键或发生反应，使细菌正常生理功能（例如DNA的复制、蛋白质的合成等）受到影响[7]；壳聚糖在酸性介质中，-NH2接受H+，形成壳聚糖质子化产物，呈现出阳离子聚合物的性质，与细菌膜表面带负电荷COO-之间静电或化学健合，改变了细菌膜表面的正、负电荷分布，导致细胞膜弱化与破坏，引起细胞内物质渗漏，最后死亡[8]。壳聚糖质子化过程（图1）由下列平衡所控制：

当介质pH=pKa时，有50%的-NH2被质子化；pH5.5时，有90%的-NH2被质子化；pH4.5时，有99%的-NH2被质子化；pH6以下，被质子化的壳聚糖呈现高的抗菌与杀菌活性[9]；pH6以上，壳聚糖水溶性低，大量活性的-NH2与-OH，对细菌生长起关键作用的微量金属离子如Cu2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+，通过强的螯合与絮凝作用，抑制细菌生长和产毒[10]。此外，壳聚糖对于不同细菌的抑制作用，除与壳聚糖的分子结构有关外，也与细菌细胞膜组成、结构、厚度和电化学性质等有关[11]。

1.3 壳聚糖的抗氧化活性

壳聚糖的抗氧化能力也有不少研究报道。Li WJ[12]等用电子自旋共振技术，研究了壳聚糖对超氧阴离子自由基与亚油酸脂质自由基的抑制作用，得出壳聚糖的浓度对两种自由基的抑制率成正比；分子量越低、脱乙酰度越高，清除自由基的能力越强。Feng T等[13]研究了不同分子量壳聚糖，对超氧阴离子自由基与羟基自由基的猝灭效果和H2O2的清除活性，得出水溶性好的低分子量壳聚糖还原能力强；分子量越低，清除自由基能力、抗氧化活性越高。SunT等[14]用分子量8.5×105u的壳聚糖，采用微波辅助H2O2氧化降解，获得了粘均分子量为2300、3270、6120、15250u的壳聚糖，应用流动注射荧光分析技术，研究了对超氧阴离子自由基与羟基自由基的清除效果，发现分子量15250u壳聚糖对二种自由基的清除效果最差。其余三种壳聚糖依分子量由小至大，其半抑制浓度分别为5.54、8.11、12.15mg/mL；在实验的浓度，四种分子量壳聚糖，对超氧阴离子自由基最高清除率依次为89%、75%、74%、41%；对羟基自由基的清除率分别为71%、65%、51%、7%。分子量小的壳聚糖抗氧化能力强，也许是其分子中的活性的-OH与-NH2形成分子内氢键能力减弱，有助于提高壳聚糖对H2O2、自由基等的抗氧化能力。

壳聚糖的抗氧化活性，源于-OH与-NH2二基团较强的还原性，添加在食品中，可与贮存过程中产生的H2O2、自由基等氧化物质，发生氧化还原反应，起抗氧化、清除自由基等作用[12]，以减缓果蔬等中VC、酚类、不饱和脂等物质氧化及色素褪色。

2 壳聚糖在食品保鲜中的应用

壳聚糖因其抗菌、抗氧化效果好，作为一种天然的抗菌与抗氧化剂，近年来倍受瞩目，已广泛应用在食品保鲜等方面。

2.1 淀粉、大米类保鲜

Huang[15]等将含0.05g壳聚糖/100mL的醋酸，加入到新鲜面条中，可抑制细菌生长，在4℃保存6d以上。Del Nobile[16-17]等用气调包装与壳聚糖配合，处理新鲜面团，可有效抑制嗜温细菌、葡萄球菌、酵母菌、霉菌和大肠杆菌的生长，在4℃可保存2个月以上。Lee J等[18]用分子量为37ku、质量浓度为1%～2%的壳聚糖处理米糕与米线，后真空包装，可明显延长其货架期。

2.2 蛋类、奶与豆制品保鲜

Kim等[19-20]将水煮蛋用壳聚糖溶解酵素复合物包衣，可抑制在其内注入的李司忒氏菌、肠道沙门菌生长，控制大肠杆菌、酵母菌和霉菌的繁殖，在10℃贮存可阻止湿度降低和pH变化，提高微生物安全性与货架期，防止水煮蛋后加工污染，延缓变质。在蛋黄酱中加入壳聚糖，在25℃可有效抑制沙雷氏菌与接合酵母菌[21]。

在奶酪制品的保鲜中，用壳聚糖包衣，调节pH至5，可抑制奶酪中李司忒氏菌、金黄色葡萄球菌[22]。壳聚糖溶解酵素膜或包衣可有效抑制奶酪中的大肠杆菌、李司忒氏菌、假单胞菌、酵母菌和霉菌，与气调包装结合，可改善奶酪微生物安全性与感官质量，延长奶酪的货架期。用含有壳聚糖分子的纸盒包装牛奶，在3℃可抑制牛奶中需氧菌生长[23]。在生产豆腐的过程中，用浓度1.5%的壳聚糖与0.1%的牡蛎壳粉和0.1%Nisin复配，加入豆浆中，豆腐在20℃条件下保存5d，菌落总数≤105CFU/g，感官上保持了豆腐原有的色泽、香味、风味和质地结构，切面平整光滑[24]。

2.3 水果、水果汁与蔬菜保鲜

水果、水果汁与蔬菜易受病菌、自身腐败组织与细菌毒素等破坏，实验得出壳聚糖对其具有良好的天然杀菌、抗氧化保鲜作用。

在柑橘果实内注入酸腐或黑腐病菌，后用分子量为350ku壳聚糖或15～20个单元的壳寡糖溶液浸润，可抑制病菌孢子萌发和芽管伸长，防治柑橘采收后的腐烂变质，提高采收后质量[25]。用壳聚糖的醋酸液处理鲜食葡萄，可有效控制在采收贮存下产生的葡萄灰霉菌，而葡萄的质感没有明显变化[26]。采用5.0g/L壳聚糖乳酸溶液浸泡处理枸杞，可有效降低采收后的腐烂率，明显延缓贮藏期间可溶性固形物和可滴定酸含量的降低，贮藏30d仍具有新鲜枸杞固有的风味[27]。

胡晓亮等[28]研究了壳聚糖、海藻酸钠、乳酸链球菌素和溶菌酶4种天然保鲜剂对马陆葡萄贮藏保鲜的效果，得出1%壳聚糖包衣葡萄，感官效果最好。在（4±1）℃条件下贮藏25d后，果实的质量损失率仅为9.34%，VC含量为2.3mg/100g，可溶性固形物含量为12.1%，SOD酶比活力为87.3U/g，保鲜效果最佳。用壳聚糖包衣去皮的荔枝，可保持其质量参数，提高低温贮存微生物安全性，延长货架期，改良荔枝质量[29]。用壳聚糖处理芒果，可延缓成熟、提高质量、减少腐烂，延长鲜切芒果的货架期[30-31]。

用壳聚糖浸泡液包衣新鲜草莓与山莓，可明显降低其腐烂变质，并对其VC和花青素有好的稳定效果。壳聚糖对草莓中的枝孢霉菌、酒曲菌有强的抗真菌特性，降低需氧菌、大肠杆菌的数量，减小贮存期的重量损失，延长货架期[32]。低分子量壳聚糖对葡萄汁、柑桔汁有显著的抗真菌特性和抗氧化、清除自由基作用，延长货架期[33]。将胡萝卜片用1.5%壳聚糖淀粉液浸润，可抑制大肠杆菌与腐烂组织生长，10℃可保存15d以上，明显延长货架期[34]。壳聚糖能有效抑制番茄与葡萄的晚疫病菌与炭疽菌生长[35]。南瓜与番薯用壳聚糖包衣，可抑制嗜温需氧细菌生长，甜味更好[36-37]。用质量分数1.5%壳聚糖涂膜液，可以减轻鲜切生姜贮藏过程中的褐变、质量损失，抑制可溶性总糖及VC的减少，抑制粗纤维的增加，从而延长鲜切生姜货架期[38]。

2.4 肉类保鲜

在烤好的牛排表面，涂抹一层壳聚糖的醋酸液或乳酸液，14d后其表面的李司忒氏菌降低2～3个对数单位[39]，壳聚糖醋酸液的抗菌效果优于后者。与迷迭香提取液或维生素E对照，壳聚糖的抗氧化效果，优于迷迭香提取液或维生素E，而与迷迭香提取液混合，对牛排的抗氧化作用最好[40]。在火腿表面涂层壳聚糖膜，可抑制李司忒氏菌和表面的腐败菌[41]。羊肉辐照加工过程中，加入壳聚糖可降低羊肉的腐臭；壳聚糖经辐照降解，产生的壳聚寡糖和溶解酵素，能协同抑制羊肉或肉末中的病原体，清除蜡状芽孢杆菌、大肠杆菌和荧光假单胞菌，在低温可贮存15d以上[42]。Sagoo S等研究发现，用含0.05%的壳聚糖溶于pH6.2的0.9%盐水溶液，可抑制猪肉路德类酵母菌生长；用0.25%～0.5%的溶液，可使乳酸菌与李斯特菌失活；将无皮的猪肉香肠，浸入1%的壳聚糖溶液中，在7℃贮存18d后，可降低微生物菌群1～3个对数单位，提高货架期7～15d[43]。气调包装的新鲜鸡胸中，若加入壳聚糖，可抑制沙门氏菌；若1.5%壳聚糖与0.2%百里香油混合，可抑制乳酸菌、假单胞菌、热死坏丝菌与肠杆菌生长，延长货架期4～6d[44]。熟火鸡与牛肉末，若零售温度由54.4℃降到7.2℃，在12、15、18、21h后，牛肉末将产生3.1、4.51、5.03、4.7lgCFU/g的产气荚膜梭菌；火鸡将产生5.27、4.52、5.11、5.38 lgCFU/g的产气荚膜梭菌。若加入3%的壳聚糖则有效抑制该贮存条件下产气荚膜梭菌孢子的萌发与生长[45]。采用1.0%壳聚糖醋酸液浸渍新鲜黄鳝段后于0℃冷藏，不同时间TVB－N值、pH、失水率、细菌总数均低于对照组，延长货架期[46]。

2.5 海产食品保鲜

壳聚糖对富含不饱和脂类的海产食品，是优良的天然抗菌抗氧化剂。由雪蟹制备的不同分子量的壳聚糖，浓度为50～200ppm，可有效控制鳕鱼肉末在烹煮过程中脂类氧化[47]，浓度越高，抗氧化能力越强。用壳聚糖与鱼油包衣新鲜鳕鱼，在不影响鳕鱼外观情况下，能调节pH与湿度，降低脂类与ω-3脂肪酸氧化，抑制微生物生长，延长货架期[48]。用1%的壳聚糖溶液处理鱼排，可阻止大肠菌、弧菌、气单孢菌和嗜温菌等生长所产生的挥发N2，货架期由5d延长至9d[49]。壳聚糖加入熟鲱鱼肉末中，可有效防护鲱鱼氧化变质，8d后脂类氧化产生的H2O2与2-硫代巴比土酸，分别降低61%与52%[50]。与乳酸链球菌肽和乳酸钠混合制备的壳聚糖膜，能完全抑制大马哈鱼乳酸杆菌与接合酵母菌生长，提高质量并延长货架期[51]。用9mg/g壳聚糖包衣小虾，可有效控制虾原生菌群生长，贮存4周后，可使原生菌群由8个对数单位降为4个lgCFU/g[52]。

3 壳聚糖保鲜食品的机理

壳聚糖以粉末与大米、淀粉和豆制品等混合，或以溶液涂抹或浸润在食品（水果、蔬菜、肉、蛋等）表面，因其具有优良的抗菌抗氧化活性，以阻抗食品中腐败菌和自由基、H2O2、O2等对食品的腐败和氧化变质；分子量较大的壳聚糖水溶液或醋酸等溶液，除了具有良好的抗菌、抗氧化活性外，易在被涂抹或浸润的食品表面成膜，在对食品抗菌抗氧化的同时，可阻断周围环境中各种微生物或环境介质侵染食品，防止食品腐烂变质，从而延长货架期。

在果蔬等表面形成的壳聚糖膜，增加了其呼吸产生的CO2散失和大气中O2渗入的穿透阻力，阻抑了果蔬内、外气体交换，从而抑制了果蔬等的呼吸强度，起到类似于气调包装的效果[53]。壳聚糖中大量的亲水-OH和-NH2，有很高的持水性和保湿性，可以阻碍果蔬等水分的蒸腾作用，减少水分散失，降低失重率，延缓食品皱缩和萎蔫，以保持果蔬等的风味和品质。

除此，壳聚糖在食品表面成膜后，在一定程度上还能改变钙在细胞内存在的状态，螯合钙增多，可溶性钙减少，螯合钙可增强细胞壁和细胞膜的稳定性，缓解果蔬等的后熟作用[54]。

4 结论

在重视食品安全的今天，人们对使用合成防腐、保鲜剂安全性的担忧，寻找广谱、高效、无毒、廉价的纯天然的食品防腐、保鲜剂，具有重要的科学意义和应用价值。由于壳聚糖来源广，且具有独特的天然抗菌、抗氧化、无毒等优良特性，使壳聚糖在食品及相关领域拥有巨大的应用前景。二十多年来，人们对壳聚糖物理化学性质、生物活性、生物代谢等进行了大量研究，已取得了系列成果，并已应用于食品、医学等工业，相信随着人们对壳聚糖认识和研究的深入，壳聚糖必将在食品等工业中发挥更大的作用。

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Antimicrobial and antioxiutive activities of chitosan and its application in food fresh-keeping

REN Jian-min
（School of Environment and Biological，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

TS201.1

A

1002-0306（2012）16-0400-05

2012－01－10

任建敏（1964-），男，博士，教授，研究方向：功能材料及在生物与环境中应用。