甲壳素在食品领域的最新研究进展

望运滔 杨 纺 白艳红

(1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院,河南 郑州 450000；2. 河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450000; 3. 河南省食品生产与安全协同创新中心，河南 郑州 450000；4. 华中农业大学食品科技学院，湖北 武汉 430070)

甲壳素是自然界中储量仅次于纤维素的第二大多糖，广泛来源于虾壳、蟹壳等食品加工副产物[1]，其脱乙酰产物壳聚糖已被广泛应用于食品各领域[2-4]，但关于原始甲壳素(未脱乙酰处理)的相关研究及应用较罕见，仅有传统方法制备纳米甲壳素及应用，甲壳素寡糖活性相关研究，研究内容不够丰富，手段方式不够先进，不能适应于其在食品领域中广泛使用，主要是因为其分子间氢键作用力强烈，甲壳素在常规条件下难溶于普通溶剂。相比壳聚糖，甲壳素具有一些独特特性，如其纤维状纳米纤维结构赋予纳米纤维独特的机械特性，特殊的糖环结构赋予甲壳素分子独特的界面特性等。此外，基于甲壳素的新材料具有独特的生物活性及功能特性。近年来，一系列新技术如碱尿素低温溶解体系[5]、超声[6]及高压均质[7]等高能量处理手段的诞生为甲壳素的研究提供了方便。文章拟总结甲壳素在食品领域近5年的最新研究进展，并对其发展方向进行展望，以期为甲壳素的研究与应用提供参考。

1 基本概述

甲壳素主要有β-甲壳素和α-甲壳素两种类型，β-甲壳素主要来源于某些软体动物骨骼，在自然界中含量相对低，不溶于水等普通简单溶剂，其分子间氢键作用力较弱，可通过超声等低能机械力处理得到甲壳素纳米纤维[8]。α-甲壳素主要来源于虾、蟹等硬壳动物外壳，来源广泛，产量大，因此更具备研究价值，然而其分子间氢键作用力强，难溶于普通溶剂，而且低能量机械力作用很难打开其分子链，因此需借助高新技术研究α-甲壳素[6]。

2 甲壳素提取、制备、溶解、改性等相关研究进展

传统甲壳素提取法采用盐酸去除虾、蟹壳中碳酸钙，热碱去除虾、蟹壳中蛋白质，从而得到甲壳素，该方法需消耗大量酸碱，对环境有一定污染。研究[9-11]表明，微生物中的蛋白酶能耐广泛pH及高温环境，可有效去除虾、蟹壳中的蛋白质，可以取代传统热碱脱蛋白过程，且微生物发酵过程中产生的酸(如乳酸)能去除虾、蟹壳中的碳酸钙等成分，因此可以采用微生物发酵一步去除虾、蟹壳中碳酸钙蛋白质，从而得到甲壳素，且微生物发酵所得甲壳素产率及品质均高于传统化学方法。研究[12]发现，新型非热加工方式(如等离子体处理微生物)能增强微生物分解蛋白酶的能力，提高提取甲壳素的效率。

传统溶剂(如三氯乙酸N-甲基吗啉-N氧化物、六氟异丙醇、CaCl2-MeOH体系)因对环境有毒有害不能应用于食品等相关领域[13]。碱尿素低温溶解体系为近年来发明的一种新型溶解体系，具有绿色环保，不产生有毒有害物质等优势，利用该体系在低温下能破坏甲壳素分子间强烈氢键的作用原理，通过反复冻融循环，甲壳素被成功溶解，得到透明的甲壳素溶液[14]。该体系所溶解的甲壳素对酸、温度敏感，加酸、升高温度均会导致甲壳素析出，故一系列甲壳素新材料如甲壳素微球[15]、甲壳素膜[16-17]、甲壳素凝胶[14]被成功制备。经该体系溶解再生得到的再生甲壳素，分子间氢键作用力大大削弱，在弱的机械力如超声作用下，α-甲壳素能被分散形成甲壳素纳米纤维、微米及纳米甲壳素颗粒[6]。且经溶解再生过程，碱及尿素均能被完全去除。另外，该体系的碱性环境适合于取代反应的进行，在该体系下，可对其进行羧甲基改性[1]、丙烯酰胺改性[18]以及季铵盐化改性[19]，改性后的产物均为水溶性甲壳素，季铵盐改性后的甲壳素分子带大量正电荷，丙烯酰胺改性的甲壳素为温敏型甲壳素，可在37 ℃以上形成凝胶，低温下又能形成溶液。因上述化学反应所用化学试剂均有一定毒性，尽管产物中化学试剂均已除去，但所得改性产物能否被允许应用于食品领域还有待进一步评估。

3 甲壳素与食品领域应用相关的功能特性

甲壳素在食品领域中的应用形式主要包括甲壳素膜、甲壳素微球、纳米甲壳素、甲壳素寡糖等，根据甲壳素在食品领域应用形式以及应用特点，以下将从甲壳素在食品包装，吸附、分离、固定、递送食品成分，稳定油水界面，调节食品质构，保健等方面分别介绍其主要研究热点。

3.1 新型甲壳素膜的功能特性

甲壳素作为一种多糖，具有溶胶凝胶特性，可制备甲壳素膜材料。Duan等[16]利用碱尿素溶解体系在低温条件下溶解甲壳素，并通过溶剂交换絮凝、去除碱尿素、干燥等步骤制备得到了高强度及高阻气性甲壳素薄膜，通过在不同凝固浴中絮凝，可得到机械性能、阻气性能、微观结构不同的甲壳素膜，可望在食品保鲜等领域发挥作用。Wang等[17]首先根据以上所描述的方法制备得到了高强度甲壳素薄膜，并在此基础上利用甲壳素与多酚分子间强烈的氢键及疏水相互作用，通过一种简单的界面组装方法一步得到了具有高强抗氧化性及抗菌性的甲壳素多酚复合膜，该膜具有机械强度高、水蒸气透过率低、阻气性强、抗氧化抗菌能力强等特点，可望作为新型包装材料在食品保鲜等领域应用。

3.2 甲壳素微球与食品成分吸附、分离、固定、递送等相关功能特性

高分子微球因其多孔结构，比表面积大等优点而广泛应用于吸附分离、大分子固定等领域[20]。Wang等[21]利用甲壳素在碱尿素体系中的溶胶凝胶特性，通过乳液模板法制备了粒径为90 μm～1 mm的甲壳素微球，该方法绿色环保，不需使用任何交联剂，且可通过调节油相水相比例、乳化剂浓度、搅拌转速调节所制备微球的粒径。同时，微球制备过程中相分离导致的多孔结构适合于作为大分子的固定载体、吸附剂等，可在制备过程中添加磁性四氧化三铁得到磁性甲壳素微球，便于回收。同时该研究还采用浓碱低温脱乙酰方法制备了磁性脱乙酰甲壳素微球，采用戊二醛交联方法固定食品用α-淀粉酶，所固定的α-淀粉酶具有较好的重复使用性能，可提高淀粉酶的使用效率。此外，该研究还利用甲壳素分子在碱性条件下能与活性染料发生亲核加成反应，在磁性甲壳素微球中引入了带负电荷的磺酸基团，因此该磁性甲壳素微球可以对食品中带正电荷的食品色素具有较好的吸附性能。因磁性甲壳素微球中含有乙酰氨基基团，在pH 6.5以下，磁性甲壳素均带正电荷，因而对食品中带负电荷的食品色素具有一定的吸附能力。研究[22]表明，甲壳素与多酚之间具有强烈的相互作用，即氢键及疏水相互作用，因而甲壳素能吸附大量多酚，且甲壳素微球的多孔及亲疏水性结构使得甲壳素微球能够吸附大量花青素，可作为花青素的递送载体，保护花青素在加工过程中免遭光、热等环境因素的破坏，同时负载花青素的甲壳素微球在胃及肠道中释放量均较少，可在结肠中被微生物降解后发挥其健康功效。

3.3 纳米甲壳素的制备及其与稳定油水界面、调节食品质构、抗菌、保健等相关功能特性

因甲壳素特殊的纤维状结构，可通过机械力作用得到甲壳素纳米纤维，此纳米纤维为高度分散状态，可在食品不同领域发挥作用。而不同制备方法所得纳米甲壳素形貌性质等均不同，因此该领域研究热点主要聚焦于纳米甲壳素的新型制备方法及新型应用。

3.3.1 纳米甲壳素的制备方法 因甲壳素分子间氢键作用力较强，传统简单处理方法很难得到纳米甲壳素，需使用强机械作用力才能获得纳米甲壳素。目前常用的强机械力处理方法为高压均质法[23]。在酸性条件下，甲壳素分子带正电荷，高压均质能打散甲壳素形成纳米纤维，但这种方法耗时且需要高能量投入。此外，可通过强酸水解去除甲壳素无定型区域，得到含有结晶区域的甲壳素纳米晶[24]以及通过化学试剂氧化甲壳素得到纳米甲壳素[25]。酸水解存在产率低，而氧化需使用昂贵的化学试剂以及过程难控、在食品中使用时安全性不能保障等问题。Wang等[6]通过碱尿素体系溶解甲壳素，采用溶剂交换方法得到再生甲壳素，该再生甲壳素在酸性条件下经超声处理能得到微米及纳米级别的甲壳素粒子，且可通过延长超声时间，降低甲壳素粒子粒径，这是因为甲壳素经溶解再生处理后分子间氢键作用力减弱，超声处理可分散甲壳素。Zhang等[26]通过浓磷酸溶解甲壳素，利用溶剂再生得到甲壳素纳米纤维，进一步验证了通过溶解再生处理制备纳米甲壳素的原理。

3.3.2 纳米甲壳素与稳定食品油水界面相关的功能特性

甲壳素因特殊的糖环结构具有两亲性，能稳定油水界面。Perrin等[27-28]通过酸水解甲壳素得到甲壳素纳米晶，用于稳定油水界面得到普通乳液及高内向乳液。因甲壳素耐高温、耐酸碱、耐盐离子，所得纳米甲壳素稳定乳液也具备耐高温、耐酸碱、耐盐离子等特性。Wang等[6]发现超声处理所得纳米甲壳素稳定乳液能耐90 ℃以下高温，且乳液不被破乳，粒径不发生明显变化。此外，纳米甲壳素能在更宽pH范围内稳定乳液，但pH会影响所稳定乳液粒径大小，因为甲壳素在不同pH条件下所带电荷不同，分子间斥力不同，因而所稳定乳液的网络结构不同。Sun等[29]研究发现，甲壳素纳米纤维玉米醇溶蛋白复合物稳定乳液比单独玉米醇溶蛋白稳定乳液具有更好的离心稳定性，更小的粒径以及更紧密的网络结构，这是因为甲壳素纳米晶须与玉米醇溶蛋白质之间存在强烈的氢键及疏水相互作用，分子组装后赋予复合物更好的乳化性。

3.3.3 纳米甲壳素与调节食品材料机械性能、增强食品质构相关的功能特性 甲壳素纳米晶为甲壳素的结晶区域，具有较高的机械强度，可作为材料增强剂，也可用于调节食品质构。Wu等[30]研究发现，在制备多功能魔芋葡甘露聚糖膜材料时，添加氧化甲壳素纳米晶一方面可增强膜的机械性能，同时纳米甲壳素因其与多酚具有强烈的相互作用，可作为花青素的固定载体，控制花青素在膜中的释放速率，进而制备智能食品包装膜材料。Ge等[31]研究表明，在明胶中加入甲壳素纳米晶后，明胶的凝胶温度提高了11.7 ℃，明胶的凝胶网络结构更致密，这是因为甲壳素纳米晶须与明胶之间存在强烈的氢键及静电相互作用，导致明胶甲壳素形成更加致密的凝胶网络结构，进而增强了明胶的凝胶强度及凝胶能力；该研究还发现在明胶中添加甲壳素纳米晶后，明胶的耐盐性能及耐酸碱性能均提高。Yuan等[32]通过在大豆蛋白中添加甲壳素纳米纤维，采用谷氨酰胺转氨酶交联从而得到了质构性能可调节的新型大豆蛋白凝胶，这归功于甲壳素纳米纤维的高机械性能及其与大豆蛋白之间强烈的相互作用。

3.3.4 纳米甲壳素与食品抗菌相关的功能特性 纳米甲壳素还具有一定的抗菌作用。研究[33]发现，纳米甲壳素经适度脱乙酰(脱乙酰度为21%，只有当甲壳素脱乙酰度>55%时，甲壳素可被称为壳聚糖)处理后，更多氨基的暴露将导致甲壳素纳米晶抗菌作用更强，因此部分程度脱乙酰纳米甲壳素(脱乙酰度为21%)在作为材料增强剂时，还可赋予材料一定的抗菌性能。Qin等[34]研究发现，在制备玉米淀粉膜过程中加入一定甲壳素纳米晶须，除了所得玉米淀粉膜的机械性能得到大幅度增强外，复合膜还具有一定的抑菌性能；复合膜对革兰氏阳性菌单增李斯特菌的抑制作用强于革兰氏阴性菌大肠杆菌，主要是由于这两种细菌的细胞壁结构不同，而抑菌机理主要是带正电荷的甲壳纳米晶须与细菌的细胞壁之间发生作用。与此类似，Shankar等[35]发现酸水解及高压均质后所得纳米甲壳素能增强卡拉胶膜的机械性能及抑菌性能，所得纳米甲壳素卡拉胶复合膜对李斯特菌也具有较强的抑制作用。

3.3.5 纳米甲壳素与保健相关的功能特性 研究[36]发现，甲壳素纳米纤维纳米晶须具有一定的降血脂作用，对于高脂肪膳食老鼠，甲壳素纳米纤维的摄入能防止老鼠血脂的升高，并减少脂肪在肝脏中的积累，从而避免脂肪肝；甲壳素纳米纤维的摄入能降低老鼠体重并减少老鼠脂肪存储组织。此种甲壳素纳米纤维是一种高度结晶的膳食纤维，能较好地分散于食品中，在胃酸中不溶解、不产生黏度，可添加于各种食品中。相比于传统乳化剂如乳清蛋白，纳米甲壳素所稳定乳液在胃肠内消化慢，脂肪酸释放速率慢，因而所提供能量小。这是因为甲壳素纳米颗粒不可逆吸附于油水界面，且纳米甲壳素在连续相中形成网络结构，胆盐及脂肪酶不能进入油水界面，脂肪消化速率减慢；甲壳素纳米晶破坏了进入乳液中胰脂肪酶的活力，导致脂肪水解速率减慢[37]。研究[38]还发现，可通过控制甲壳素所稳定乳液的结构，控制乳液的消化速率及脂肪吸收，进而控制能量摄入及体重。

3.3.6 纳米甲壳素与其他食品相关的功能特性 Ji等[39]研究发现，在淀粉制品中加入甲壳素纳米晶须，能延缓淀粉的短期及长期老化行为，这是因为甲壳素纳米晶须与淀粉分子之间存在强烈的氢键及疏水相互作用，阻止了淀粉分子的重排，从而延缓淀粉的老化。且甲壳素作为一种膳食纤维，不消化提供能量，能在肠道内被微生物降解，从而发挥健康功效。

研究[40]表明，纳米甲壳素作为食品配料进入口腔后，可与口腔中的α-淀粉酶发生强烈相互作用，且相互作用改变了淀粉酶结构，并增强了α-淀粉酶酶活，说明利用纳米甲壳素可作为一种新型功能性食品配料。

3.4 甲壳素寡糖的新型制备方法

寡糖是一类有利于改善肠道微生物结构的益生元，可作为食品功能因子添加到各种食品中。甲壳素的高度结晶结构导致甲壳素寡糖的制备相对困难，当前该领域研究热点主要聚焦于寻找高效方法制备甲壳素寡糖[41]。通常可通过酸水解方法得到甲壳素寡糖，但酸水解存在产率低、产品品质低，环境污染大等缺点。酶水解是一种比较温和、环境友好的寡糖生产方式，通常采用甲壳素酶水解甲壳素得到高品质、高产率、高生物活性的甲壳素寡糖[42]。由于甲壳素分子间强烈的氢键作用阻碍了酶分子水解甲壳素，常使用预处理如球磨、碾压、超声、高压均质、溶解再生、发酵等手段改变甲壳素的分子结构，从而有利于酶解[43-44]。Zhang等[45]通过对甲壳素进行发酵预处理，然后酶解，发现经预处理后甲壳素的酶解效率提高了3～5倍，6 h内甲壳素几乎全部转化为寡糖，是因为预处理降低了甲壳素的结晶度，有利于酶解。这种方法易于大规模化生产，且具有能耗低、环境污染低、成本低等优点。

Margoutidis等[46]研究发现，球磨处理甲壳素可得到甲壳素寡糖，球磨后甲壳素糖苷键断裂，但仍保留了乙酰氨基，所得产物为聚合度为1～5的甲壳素寡糖；球磨过程中添加高岭土后所得甲壳素寡糖的溶解度为75.8%，而未添加高岭土时的溶解度为35%，是因为高岭土可作为一种催化剂，加速了球磨过程中甲壳素糖苷键的断裂，从而使甲壳素寡糖的聚合度更低，该研究为甲壳素寡糖的制备提供了一种不需液体参与的新方法。

4 展望

甲壳素作为世界上储量第二的多糖资源，来源广泛。随着一系列技术及手段的诞生，必将为甲壳素在食品包装材料、大分子吸附固定载体、食品添加剂及配料、保健食品等领域中的应用带来新机遇。且甲壳素作为一种膳食纤维，能对人体健康发挥多方面作用，在健康中国的大时代背景下，甲壳素作为一种新型食品或食品配料必将有广阔的应用潜力。