壳聚糖改性及其在肉制品保藏中的应用

李泓霖，王中伟，孟凡冰, ，李云成, *，刘达玉, ，张倩

1. 成都大学药学与生物工程学院（成都 610106）；2. 肉类加工四川省重点实验室（成都 610106）

壳聚糖是一种由多个D-氨基葡萄糖和N-乙酞-D-氨基葡萄糖单位通过β-1, 4糖苷键连接起来的天然高分子聚合物[1-2]，基本结构为壳二糖[3-4]，是自然界中唯一的碱性多糖（其上含有阳离子基团）[1,5]。壳聚糖可通过甲壳素脱乙酰化得到[1,6-7]，分子量和脱乙酰度（DD）可显著影响其性质素[8]。壳聚糖来源丰富，可以稳定存在自然界中，因其具有可降解性、吸附性、无毒性、光谱抗菌性及良好吸水性、保湿性、成膜性、增稠性、凝胶性等[5,9-11]，在生物、食品、医药等方面得到广泛应用，而被作为一种优良成膜材料和防腐剂[10, 12]。

1 壳聚糖的保鲜机制

壳聚糖具有良好广谱抑菌性和抗氧化性能，其抑菌机理分3种[10,13]：一是经降解的小分子壳聚糖可改变细胞的通透性渗透到革兰氏阴性菌细胞内，吸附带负电荷的细胞质，发生絮凝作用，扰乱细胞正常的生理活动从而杀死细胞，达到抑菌效果[14]；二是大分子的壳聚糖吸附在革兰氏阳性菌细胞表面，形成一层高分子膜，阻止营养物质的运输；三是壳聚糖达到较高浓度时，可诱导几丁质酶，即激活部分微生物本身的几丁质酶活性，或使其被过分表达，导致其对自身细胞壁几丁质降解，从而损伤细胞壁杀死细菌，达到抑菌效果[15]。

壳聚糖的抗氧化性能主要与其分子质量有关，研究认为壳聚糖分子量越小，抗氧化性能越强。其抗氧化作用机理主要为2种：一是壳聚糖分子链上活性氨基和羟基能与自由基作用而发挥抗氧化作用；二是壳聚糖碱性与游离脂肪酸充分结合形成复合物，与脂肪酸结合消耗脂肪产量，抑制油脂水解程度，达到抗氧化目的[10]。

2 壳聚糖的改性

由于壳聚糖分子链上分布众多氨基和羟基，易形成分子间氢键，因而壳聚糖的结晶性较高、水溶性低、力学性能差、防腐及抗氧化活性不理想，从而限制其应用。因此，实际应用中常对其进行适度改性，提高其功能性质及应用范围。食品领域常用壳聚糖改性方法包括共混改性、化学改性及分子量降解改性。

2.1 共混改性

壳聚糖的共混改性主要是引入另一种高分子化合物使其各类性能更加优异，共混产物即保留壳聚糖本身优点，结合共混化合物优势，使自身缺陷得以弥补。其共混形式主要分为三类。

第一类为2种改性后的壳聚糖进行共混，如制成多孔壳聚糖/羧甲基壳聚糖共混复合膜，由于羧甲基化后壳聚糖易溶于水[16]，在制备膜的过程中导致溶失，故使壳聚糖和羧甲基壳聚糖中氨基进行交联，减少羧甲基壳聚糖溶失，在壳聚糖羧甲基化过程中尽可能保存氨基，为后续两性膜制备做好铺垫[17]。

第二类为壳聚糖与多糖进行共混，如制备壳聚糖/纤维素复合膜、壳聚糖/淀粉复合膜等。壳聚糖常被制作成抗菌膜、抗菌包装材料，但它单独成膜时其机械性能、延展性、抗水性欠佳，脆性较大[18]，而与其结构相似又有良好亲和性的纤维素进行共混，可得到强度、柔韧性、拉伸强度及其透气性较好的产物。壳聚糖与淀粉共混时，力学性能、水溶性、透明性、透湿性等都会相应改变[19-20]。方建[21]研究表明，壳聚糖与淀粉含量比例1︰1时其机械性能达到最佳。另外，壳聚糖和淀粉为亲水性聚合物，透湿性较好，将二者共混后膜结构紧密有序，透湿性下降，更易于保湿。

第三类为壳聚糖与无机大分子进行共混，如制成壳聚糖/纳米TiO2复合膜[22]，单独壳聚糖制备抗菌膜时其抑菌性能虽较好，但其耐热性较差，保持药效能力欠佳[3]，故将TiO2与其共混既提升壳聚糖耐热、持药性能，又克服TiO2需要紫外线照射才能发挥杀菌作用的缺陷，使其适用性更广泛[23]。

2.2 化学改性

壳聚糖的化学改性主要是利用壳聚糖中的活性氨基和羟基反应，改变壳聚糖的性质及性能，达到特定使用效果。

2.2.1 壳聚糖酰化改性

壳聚糖分子上活性氨基和活性羟基与甲醇或乙醇进行酰胺化反应[24]，由于氨基的活性更强，通常氨基优先进行反应，得到的产物在水和有机溶剂中溶解性得到改善[3,25-26]，研究证明壳聚糖的酰化产物有良好抑菌性能[27-28]，如N-琥珀酰壳聚糖[25]在食品保鲜范围内有广泛应用。

2.2.2 羧甲基化改性

壳聚糖分子上的氨基和羟基均能发生羧甲基化反应，且二者竞争反应[29]，羧甲基化后使壳聚糖易溶于水，溶解性得到极大改善。羧甲基壳聚糖可制成涂膜液，有效延缓食品腐败变质[30-31]。

2.2.3 酯化改性

壳聚糖残基上羟基非常活泼，易于与各类酸发生酯化反应，生成无机酸酯、有机酸酯。壳聚糖硫酸酯化改性可增强其水溶性[3,32]，壳聚糖磷酸酯可在果汁制备中作为澄清剂[33]。

2.2.4 接枝共聚改性

在壳聚糖分子上的活性羟基或活性氨基上可控地引入各种功能性官能团、大分子单体[3,26]，从而改变壳聚糖的性质与结构。接枝共聚分为三类：接枝共聚[34]、缩聚反应[35]、开环聚合[36]，这些方法不仅保存壳聚糖本身优良的性质，还可以增强壳聚糖的水溶性、物理特性或增加其缓释性能等，使壳聚糖在生物、食品等领域内有更广泛应用[32]，如阿魏酸接枝壳聚糖有良好保鲜作用[37]。

2.2.5 氧化改性

壳聚糖氧化改性的机理随着反应条件而改变，得到产物也不同，既可将壳聚糖分子上的羟基氧化成羧基和醛基，又可将氨基氧化为羰基，氧化成酸的壳聚糖易生成钠盐，从而提高水溶性，Azevedo等[38]研究表明含醛氧化壳聚糖具有自动交联成凝胶功能，可作为载体，在药品、保健食品中有较好应用前景。

2.2.6 交联化改性

壳聚糖可与多种物质发生交联反应[26]，与不同物质交联便可得到相应特性，与亲水性物质交联便可提升壳聚糖亲水性[3]，与金属物质交联可提升物质机械性能[39]，拓宽壳聚糖的应用范围，如经交联化改性的壳聚糖树脂有较强吸附作用，可吸附海带中砷，还可提取辣椒中辣椒素[40]。

2.3 分子量降解改性

壳聚糖水解程度、分子量不同，对其抑菌性能有较大影响[26,8]。研究表明，在一定分子量区间的壳聚糖，随着分子量下降，其抑菌活性增强。刘楠[41]通过制备相同脱乙酰度、不同分子量壳聚糖，并对大肠杆菌的抑菌活性进行调查，结果表明在55和155 kDa之间，低分子量壳聚糖比高分子量壳聚糖样品抑菌活性高，90 kDa壳聚糖样品能促进大肠杆菌生长。乔德亮等[42]研究表明，经降解得到的小分子壳聚糖具有一定保健功能，如降低胆固醇、预防肝脏疾病等。低分子壳聚糖以其优异的各项性能在食品行业中广泛应用，许多国家批准其作为食品添加剂，用于改善食品的黏度、风味、性质和结构，增加食品的稳定性。因此制备低聚壳聚糖较为重要，壳聚糖分子量降解方法主要有化学降解法、物理降解法和酶解法。

化学降解法主要包括盐酸法、酸-亚硝酸盐法、过醋酸法及氧化降解，但化学降解法所得产物分子量较高，效率较低[43]。

物理降解法主要包括微波降解法、γ-射线降解法、光照射法（包括紫外线、可见光和红外线等）。微波降解法是在甲壳素脱乙酰反应的同时，使糖苷键断裂，使壳聚糖分子量降解，还可降低脱乙酰化过程中用碱量，降低生产成本[44]。γ-射线降解可使壳聚糖的1, 4-糖苷键断裂，控制照射时间、吸收量，即可得到不同分子量的产物，其安全性、效率高，可控性强。

酶解法主要是利用壳聚糖与肽聚糖结构相似，利用专一性酶（壳聚糖酶）或非专一性酶（溶菌酶等）对壳聚糖的1, 4-糖苷键进行水解[8]，酶解法反应条件温和，操作简便，污染物少，因此使用广泛。为了降低成本，通常采用非专一性酶，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、纤维素酶等，通过控制反应温度和时间等参数达到最佳降解效率。经轻微水解后的壳聚糖在0.005%浓度时能抑制金黄葡萄球菌生长[45]，重均分子量在1 500左右时壳聚糖抑菌性达到最佳[46]。

3 改性壳聚糖在肉类制品中的应用

经过改性的壳聚糖在肉类制品中可作为防腐剂，抑制肉制品中微生物繁殖，同时还能防止油脂等易氧化物质的变质，使肉制品的风味、颜色等得以良好保存，延长产品货架期。

3.1 在传统肉制品中的应用

传统肉制品如腌腊肉、酱卤肉、中式香肠等，一般在常温下保藏，或经过熟制后保藏，微生物腐败和脂肪氧化较易发生，因此工业上常使用防腐剂延长产品货架期。杨锡洪等[47]研究发现经酶水解后的壳聚糖抑菌性能优于酸水解。在中式煮制肉中加入不同比例、不同重均分子量的壳聚糖得到的抑菌效果不同，添加比例6%时最为适宜。一定区间内重均分子量越小抑菌效果越好，可有效抑制腌腊肉制品中微生物繁殖，延长产品货架期。刘娜等[48]研究表明，壳聚糖与海藻酸钠共混制成保鲜膜，加入质量分数0.08%溶菌酶涂于切片腌腊肉上，可有效对腌腊肉制品进行保鲜，延长保质期。

3.2 在冷鲜肉中的应用

经分割后冷鲜肉需经保鲜手段来维持其的形态、颜色、风味，以延长其保质期。将壳聚糖、淀粉及天然香辛料复配共混改性制成复合膜作用于冷鲜肉上，不仅大大提升防腐保鲜性能，同时香辛料还赋予肉制品独特风味，抑制不良气味产生。孙远[49]研究表明，冷却猪肉加入壳聚糖-淀粉（9︰1）复合保鲜液，在4 ℃条件下贮藏28 d仍保持鲜肉状态，而对照组已腐败。施肇源等[50]研究表明，壳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鲜剂涂于冰鲜鸡肉上，0～4 ℃ 条件下贮藏，可有效延长冰鲜鸡肉的保质期。

3.3 水产品中的应用

水产品需长期保持在湿润环境中，潮湿环境使其更易滋生细菌，发生腐败变质，还会产生腥味，极大影响其风味。如斜带石斑鱼肉具有高蛋白、低脂肪、多不饱和高脂肪酸特性，容易发生腐败变质，将壳聚糖经过共混改性制成壳聚糖-胶原蛋白复合膜处理斜带石斑鱼，可有效抑制斜带石斑鱼中微生物滋生和蛋白质变性腐败，且极大程度地保存其风味[51]。徐晨等[52]研究表明，将1%壳聚糖与0.8%鱼精蛋白共混作为草鱼保鲜剂，可较好地保持草鱼品质，在贮藏期内能较好保持其风味。

4 结语与展望

壳聚糖是自然界中难得的可以大量稳定存在的碱性多糖，其来源丰富，还具有可降解性、吸附性、无毒性等众多优良特性，是开发生物防腐剂、抗氧化剂的优良材料。壳聚糖抑菌剂、保鲜膜等在食品工业领域广泛应用，但由于自身结构及性质缺陷[32,53]，其抑菌性能没有发挥到最大，故要通过一定的方法进行改性，提升其抑菌和抗氧化性能。

壳聚糖改性方法虽然得到广泛研究，但是其改性及实际应用仍需加大研究。一是加强多种壳聚糖改性方法的联合应用，如将化学改性与不同分子量降解后的壳聚糖结合，提升各项性能。二是加强改性壳聚糖在肉制品保鲜方面的商业化应用研究，研究其在实际应用过程中性能及参数，使改性壳聚糖在肉类贮藏、加工等领域广泛推广，推动肉制品保鲜剂及肉制品安全发展。