壳聚糖的抗菌机理及其在食品中的应用研究

张玲

摘 要：壳聚糖是自然界中天然存在的一类碱性多糖，因其具有良好的理化性质、生物相容性、抗菌性和生理活性而广泛应用于食品、化工、医药、环保等诸多领域。本文对壳聚糖的抗菌性进行探究，综述了壳聚糖的抗菌机理、壳聚糖抗菌性的影响因素，并介绍了壳聚糖在水果涂膜处理、肉制品保鲜、果汁保藏等食品领域的应用。

关键词：壳聚糖;抗菌机理;影响因素;食品保鲜

Abstract：Chitosan is a kind of natural alkaline polysaccharide. It has been widely used in food， chemical industry， medicine and many other fields because of its excellent physical and chemical properties， biocompatibility， antibacterial and physiological activity. In this paper， the antibacterial properties of chitosan were studied that the antibacterial mechanism of chitosan and its influencing factors were summarized. The application of chitosan in fruit coating treatment， meat products preservation， juice preservation and other food fields was mainly introduced.

Key words：Chitosan; Antibacterial mechanism; Influence factor; Food preservation

中图分类号：TS202

壳聚糖又名脱乙酰甲壳素，是由几丁质通过脱乙酰作用后得到的。几丁质广泛存在于水产品虾、蟹、昆虫的外壳和藻类、菌类的细胞壁中，是自然界中产量仅次于纤维素的第二大天然生物有机高分子化合物[1]。1859年，Rouget将甲壳素浸泡在浓KOH溶液中，煮沸一段时间，取出洗净后发现其可溶于有机酸，这种物质即为壳聚糖[2]。壳聚糖作为一种碱性高聚合物，因其具有独特的物理、化学性质以及良好的生物活性广泛应用于食品、化工、医药等各个领域。自1979年Allan等提出壳聚糖具有抗菌作用起，国内外学者对壳聚糖的抗菌性能及其抗菌机理进行了诸多研究，对壳聚糖抗菌机理、抗菌性能的影响因素有了较为清晰合理的认识[3]。本文基于前人的研究基础，综述了壳聚糖的抗菌机理、壳聚糖抗菌性的影响因素，以及壳聚糖抗菌剂在食品领域的应用。

1 壳聚糖的抗菌机理及其抗菌性的影响因素

1.1 壳聚糖的抗菌机理

壳聚糖是最常用的天然抗菌剂，它是一种带正电荷的活性物质[4]，其作用方式主要有损伤细胞壁、改变细胞的透性、改变蛋白质和核酸分子、抑制酶的作用、作为抗代谢物、抑制核酸的合成[5]。目前，对壳聚糖的抗菌机理认知主要有两种：①壳聚糖分子中带正电荷的-NH3+吸附在细菌的细胞表面，形成一层高分子膜，阻止营养物质从细胞外向细胞内运输的过程，使得细菌无法正常进行新陈代谢，从而起到抑菌作用。②带正电荷的-NH3+吸附带负电荷的细菌，使得细胞膜、细胞壁上的负电荷分布不均匀，扰乱细胞的正常生理活动，破坏细胞壁的合成，造成细胞膜的破裂，使细菌细胞溶解死亡，从而起到杀菌作用[6]。壳聚糖分子结构中带正电的氨基（-NH3+）易吸附呈负电性的菌体，破坏细菌细胞的生理活动，是壳聚糖具有良好抗菌活性的关键原因[7]。

1.2 壳聚糖抗菌性的影响因素

壳聚糖抗菌性能的主要影响因素有壳聚糖的相对分子质量、脱乙酰度、浓度及环境因素pH值、金属离子等[8-9]。

1.2.1 相对分子质量对壳聚糖抗菌性的影响

孙海香等研究了不同平均相对分子质量的壳聚糖对引起仔猪腹泻的大肠杆菌K88菌株的抑制作用[10]。结果表明，壳聚糖的分子质量不同，抗菌效果不同，相对分子质量低的壳聚糖的抑菌效果优于相对分子质量高的壳聚糖。尹秀莲等对用龙虾废弃物制备的甲壳素、壳聚糖及其衍生物甲壳低聚糖、氨基葡萄糖盐酸盐对3种革兰氏阴性菌（G-菌）与3种革兰氏阳性菌

（G+菌）的抗菌活性进行了研究[11]。通过绘制生长曲线，对4种物质的抑菌活性进行研究，结果表明0.1%的壳聚糖能抑制64%的枯草芽孢桿菌和蜡样芽孢杆菌，甲壳低聚糖对G+杀菌效果较强，氨基葡萄糖盐酸盐可以完全抑制金黄色葡萄球菌的生长。郑连英等[12]研究表明，高分子质量的壳聚糖通过氨基吸附在细胞表面，阻止营养物质运输至细胞内起到抑菌作用;低分子质量的壳聚糖是由于正电荷离子进入细胞内，吸附负电性的细胞使其发生絮凝、扰乱细胞新陈代谢，进而杀灭细菌。

1.2.2 脱乙酰度对壳聚糖抗菌性的影响

壳聚糖的抑菌活性与壳聚糖分子结构上的氨基有关，氨基含量与脱乙酰度有关，脱乙酰度越高，氨基含量越高[13]。由此可以推断，当壳聚糖具有较大的脱乙酰度和浓度，产生较多的游离氨基，接触带负电荷的细菌的概率越高，杀灭细菌的效果越好[14]。夏文水等[15]对甲壳低聚糖其脱乙酰度与抑菌率的关系进行了研究，采用一系列不同脱乙酰化度的甲壳低聚糖，对大肠杆菌进行抑菌试验。结果表明，增加脱乙酰化度，即游离氨基含量增加时，抑菌效率提高，且随着分子质量的增大，最小抑菌浓度提高，即抑菌作用减弱，表明脱乙酰度和分子质量均会影响抑菌效果。王鸿等通过实验研究表明，3种不同脱乙酰度的壳聚糖均能抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长，且随着壳聚糖脱乙酰度的增加，抑菌效果越强[16]。

1.2.3 浓度、pH和金属离子对壳聚糖抗菌性的影响

壳聚糖的抑菌性与氨基有关，当壳聚糖溶液的浓度增加时，其氨基的浓度也增加，壳聚糖的抗菌性增强。Sudarshan等认为，适当的低浓度壳聚糖的氨基吸附细菌的负电荷，从而发生凝聚，抑制细菌的生理活动，而高浓度的壳聚糖在细胞壁表面形成致密包裹层可导致细胞质泄漏量降低，杀菌效果下降[17]。

壳聚糖在弱酸环境下抑菌性良好，这是由于在较低的pH条件下，壳聚糖中的-NH2与弱酸性的H+结合成-NH3+，与负电荷的细菌结合抑制细菌生长，当pH过低时，H+与-NH3+在细菌表面竞争性结合，当pH过高时，壳聚糖中的-NH3+减少[18]。

壳聚糖中的-NH2可与金属离子发生螯合作用，随着金属离子的增加，与金属离子的螯合能力越强，壳聚糖的抗菌性能减弱[19]。吳小勇等研究发现，环境中的Ca2+、Mg2+、Na+对壳聚糖抗菌性能的影响强度为Ca2+>Mg2+>Na+ [20]。

2 壳聚糖抗菌剂在食品中的应用

壳聚糖不仅有良好的抑菌作用，还具有优良的成膜性，增加气体的穿透阻力，形成微气调环境。同时，壳聚糖还能激发一些有益酶的作用以及抑制一些有害酶的作用。因此，壳聚糖可以作为食品果蔬表面的涂膜剂，起到保鲜作用。吴昊等将壳聚糖改性用于苹果保鲜中，能有效抑制微生物的生长[21]。莫芳制备的富马酸二甲酯/交联壳聚糖微球涂膜处理荔枝，可以阻止微生物的增长，延缓荔枝的腐败变质，起到保鲜作用[22]。

许多研究人员对壳聚糖用于苹果、梨、草莓、番茄、肉制品等的保鲜作用进行了研究[23-26]，结果表明，经壳聚糖处理的苹果皮、梨皮中的抗菌物质酯类含量较高，可起到较好的抑菌作用;采用改性的壳聚糖对金秋梨涂膜保鲜，壳聚糖纳米复合膜对金秋梨的杀菌效果和保鲜效果明显，抑菌率排序为壳聚糖纳米复合膜>

壳聚糖单膜>空白对照，保鲜时间由室温下20 d延长至60 d，好果率为80%;将壳聚糖-淀粉-肉桂醛复合抑菌膜应用于草莓保鲜中，复合保鲜薄膜抑菌性能和阻隔性能良好，能够有效保持草莓的新鲜度，延缓其营养价值的降低。壳聚糖通过其溶解性与环境酸碱性变化，在细菌细胞表面形成致密的保护膜，阻止了细胞的营养运输，破坏细胞生长，与化学抗菌剂比较，壳聚糖的抗菌性是非常安全温和的，其主要来源于可食用的虾和蟹等天然产物，其环保、无残毒的特点，使壳聚糖在食品应用上受到重视，夏文水将甲壳低聚糖用于苹果汁保藏试验，结果表明，含有4 g·L-1的甲壳低聚糖在苹果汁的保藏中发挥了防腐效果，延长了苹果汁的保藏期;纳米壳聚糖处理后的番茄能够延缓腐败变质，是由于壳聚糖纳米颗粒形成更致密的膜，可以阻挡更多微生物的入侵;用纳米壳聚糖处理冷冻鲤鱼鱼片，起到良好的保鲜作用，是由于纳米壳聚糖的比表面积更大，与细菌细胞的亲和力更高，具有优异的抑菌性能[15]。程丽丽等人研究了壳聚糖复合剂对牛肉的涂膜保鲜效果，并进行了壳聚糖浓度的单因素试验。结果表明，保鲜效果较好的壳聚糖浓度为2%，并采用壳聚糖浓度为2%的复合涂膜剂，保鲜时间比对照组延长了48 h[27]。

3 结语

壳聚糖是天然存在的碱性多糖，其具有良好的抗菌性能。对于壳聚糖的抗菌机理，其分子结构中带正电荷的氨基，吸附负电性的细菌，被认为是壳聚糖具有良好抗菌性能的关键。壳聚糖的抗菌性能受壳聚糖分子量、脱乙酰度、浓度、环境因素pH、金属离子等因素的影响，其中低分子量的壳聚糖的抑菌效果优于相分子质量高的壳聚糖，壳聚糖脱乙酰度高，浓度较大，pH呈弱酸性，溶液中无干扰性的螯合能力强的高浓度金属离子存在时，壳聚糖的抗菌性能较强。壳聚糖具有的抗菌性能，在食品领域中应用于水果涂膜处理、肉制品保鲜、果汁保藏等，通过抑制细菌的繁殖、延缓食品腐败、增加稳定性，延长食品的货架期。由此可以预见，壳聚糖这种抗菌性能优良的天然高分子化合物在食品领域具有非常好的实用价值和应用前景。

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