壳聚糖(chitosan)具有良好的保湿性、润湿性、防止产生静电,且无毒副作用,易于生物降解,有良好的生物相容性。壳聚糖具有良好的成膜特性和强的抗菌保鲜防腐能力。作为高效、无毒、无味、成本较低的天然保鲜剂,壳聚糖越来越受到人们的关注。本文对天然保鲜剂壳聚糖的特性、保鲜机理及其在食品中的应用等方面进行综述。
1 壳聚糖的特性
1.1 天然性
壳聚糖属天然产物,是由大部分氨基葡萄糖和少量N-乙酰基葡萄糖通过B-1,4-糖苷键连接起来的直链多糖,是由甲壳素(chitin)部分或全部脱除乙酰基后得到的。甲壳素是一种天然直链状酰胺类多糖,广泛存在于昆虫和甲壳类动物(如虾、蟹等)的硬壳及真菌的细胞壁中,是地球上蕴藏量最丰富的有机物之一。
1.2 成膜性
壳聚糖具有许多的优良的功能性质和潜在的应用价值。其中一个引人关注的特性就是成膜性。近年来,壳聚糖作为一种优良膜材料,越来越受到人们的重视。涂膜保鲜在食品工业中显示出广阔的前景。
壳聚糖以其氢键相互交联成网状结构,利用适当的溶剂,可制成透明的具有多孔结构的薄膜。壳聚糖的溶液具有粘性是一种理想的成膜物。对壳聚糖成膜特性的研究表明,成膜的半透性与其溶液的粘度相关。粘度随浓度的增加而增大,呈典型亲水性胶质特性,作为保鲜成膜剂的壳聚糖溶液浓度不宜太大,浓度高易使涂膜层过厚,不均匀,影响果实的呼吸,导致果实内部腐烂,在保鲜应用中一般选择浓度为1%~2%;粘度随温度、pH值的升高而减小,故壳聚糖溶液具有良好的耐酸性,这对于水果保鲜特别有意义,酸性环境能抑制细菌的生长;适量的添加剂能提高透明度和凝胶强度,但是会使持水率下降。持水率高、持水能力强的凝胶最适宜做食品涂膜,因此作为保鲜成膜剂的壳聚糖,在保证一定强度的同时应考虑其持水率的高低;膜性能与成膜介质和溶液浓度有关,介质表面越粗糙,粘着性越好。溶液浓度越高则粘着性越差。
壳聚糖的结构对膜性质有影响。壳聚糖脱乙酰化度越高,其膜的溶胀性越低,脱乙酰化度也影响膜的抗拉强度。壳聚糖分子量越低,其膜的抗拉强度也越低,膜的通透性也越强。壳聚糖的分子量越大,分子晶形结构越多,分子间高度缠结,分子的柔顺性越差,因此,其抗拉强度越高,同时膜的通透性也越差。壳聚糖分子存在游离氨基和羟基,可以发生很多的反应,衍生化反应对于壳聚糖膜的性质也有显著的影响。
1.3 抗菌性
在食品工业中,壳聚糖的抗菌作用已受到关注。壳聚糖对细菌有很强的抑制能力,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、变形杆菌、枯草杆菌、酵母菌都有较强的抑制力。对于壳聚糖的抗菌活性,国外已有文献进行了报道。壳聚糖等甲壳素衍生物对许多植物病原真菌有一定程度的直接抑制作用。
壳聚糖的抗菌活性与其浓度、分子量有关,也与其分子结构中游离的氨基含量有关,对大肠杆菌的抑菌试验表明,当脱乙酰度增加时,游离氨基含量增加,抑菌率增加。在分子量30.5万以下的范围内,随壳聚糖浓度的增加,其抗菌作用的效果增强,当浓度为1.0%时,对革兰氏阳性菌和对革兰氏阴性菌,其抗菌率均达到100%。对革兰氏阳性菌,随壳聚糖的分子量
增大,抗菌作用逐渐增强。对革兰氏阴性菌,随聚糖的分子量减小,抗菌作用逐渐增强,分子量为5000以下,抗菌作用最强。
夏文水等就壳聚糖对食品中一些常见的细菌、霉菌和酵母菌进行抗菌试验。结果表明,壳聚糖对细菌和酵母其抑菌率明显超过对照组,并随着质量浓度的增加其抑菌率逐渐变大。壳聚糖对不同菌抑制作用的敏感性不同,细菌易被抑制,酵母菌其次,而对霉菌则抑制作用略小,这可能与甲壳低聚糖的抗菌机理有关。但是,随着甲壳低聚糖质量浓度的增加,对各种菌的抑菌作用都相应增强。谷田孝雄等人用水解壳聚糖(分子量为1万~5万)作抗菌试验,结果表明对有害菌有抑制作用,对确定食品的保质期,起到关键作用。张伟[11]等合成了壳聚糖水溶性衍生物,通过测定证明此物质确有较强的抑菌作用,且其抗菌作用对高温、高压稳定。
2 壳聚糖的保鲜机理
2.1 膜机理
壳聚糖涂到果蔬表面在果蔬表面形成一层膜,此膜具有半透性,对O2、CO2、C2H4具有一定的选择渗透作用,并且还要有一定的保水性。一方面阻止外界的空气进入膜层内,从而抑制果蔬原料的呼吸作用,另一方面能使呼吸产生的二氧化碳外逸,防止出现无氧发酵。果蔬被膜保鲜的机理
是通过果蔬表面的膜调节体内的氧气和二氧化碳浓度,使其呼吸作用减弱,达到保鲜的目的。同时,壳聚糖的成膜性也阻碍了病原菌与寄主组织或细胞的直接接触,减少了病原菌的有效侵入。壳聚糖膜层的厚度是影响保鲜效果的主要因素。不同粘度的壳聚糖均存在一个最适宜的壳聚糖浓度[1]。小于其最适浓度,保鲜剂的粘度过小,在果蔬表面形成的壳聚糖膜层很薄,它对果蔬体内与空气的气体交换的阻力就小,导致果蔬体内氧气浓度升高,二氧化碳浓度降低,果蔬呼吸作用增强,保鲜效果下降。高于最适宜浓度,保鲜效果也下降,这是由于保鲜剂粘度太高,在果蔬表面形成的壳聚糖膜层很厚,使果蔬体内氧气浓度太低,不能满足完全的正常呼吸,而为部分缺氧呼吸所代替,果蔬不但成熟快,而且品质下降。
2.2 抗菌机理
壳聚糖的抗菌作用主要有以下两种机理[9]:一种是壳聚糖通过吸附在细胞表面,形成一层高分子膜,阻止营养物质向细胞内的运输,从而起到抑菌杀菌作用;另外一种机理是壳聚糖通过渗透进入细胞体内,附细胞体内带有阴离子的细胞质,并发生絮凝作用,扰乱细胞正常的生理活动,从而杀灭细菌。因为革兰氏阳性菌(St.aur℃us)和革兰氏阴性菌(℃.coti)的细胞壁结构不同,两种作用对它们影响程度也不同,故不同分子量的壳聚糖,其抗菌机理不同。对于St.aur℃us,前一种作用机理起主导作用,主要是分子量越大,所形成外层膜越致密,越能阻止营养物质进入细菌细胞,因而抗菌作用效果更明显。而对于℃.coti来讲,后一种作用机理起主导作用,因为分子量越小,越容易进入细胞壁的空隙结构内,从而干扰细胞的新陈代谢,杀死细菌。
这样,当壳聚糖涂膜用到食品表面,壳聚糖及其降解产物能抑制微生物生长,从而防止食品腐烂变质。当然,壳聚糖及其衍生物对食品的保鲜作用不仅仅是由于其膜作用和抗菌、抑菌能力。另外,尤其对果蔬而言,壳聚糖可以诱导植物的结构抗病性,包括使植物细胞壁加厚或木质化程度加强;调节植物体内与抗病有关的酶活性变化,这些酶包括苯丙氨酸解氨酶(PAL)超氧物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(PO)、多酚氧化酶(PPO)等;产生植保素(如豌豆素pisatin)、酚类化合物等抗菌物质;诱导产生病程相关蛋白(pathog℃n℃sisr℃lat℃dprot℃ins,PR蛋白)[7,8,12],如几丁质酶和B-1,3-葡聚糖酶是二种重要的PR蛋白,它们能水解病原真菌的细胞壁,抑制病原物生长,产生新的激发子诱导植物一系列防御反应。
3 壳聚糖在食品保鲜中的应用研究进展
壳聚糖用作食品的保鲜剂,由于其来源广泛,天然、无毒副作用,涂膜保鲜简单易行等优点,受到国内外的广泛研究。壳聚糖作保鲜剂,主要用于果蔬的保鲜,在肉类及饮料等方面也有一定的应用研究。
3.1 在果蔬中的应用研究
刘青梅等用1.5%壳聚糖+0.5%苯甲酸钠涂被,保鲜纸包装的冬笋,在7℃左右的室温下可保鲜30d,笋壳笋肉色泽基本不变,好笋率达85%,优于其它保鲜剂蔗糖脂肪酸酯、海藻酸钠处理。
用浓度为2%的壳聚糖对番茄进行涂膜保鲜,保藏15d后,番茄的总酸度总糖量、维生素C含量均与原番茄接近,保藏效果比0.2%的苯甲酸钠溶液好。陈忻等以甲壳素为原料制备氨基葡萄糖盐酸盐,该盐作为番茄保鲜剂有较好的保鲜效果。
用含VC0.01kg/L和壳聚糖0.01kg/L的混合液涂膜保鲜荔枝,与不涂膜的相比,果皮颜色号好、烂果率低、质量损失小、呼吸率低。室温下(33~34℃)荔枝货架寿命可延长3d。在巴梨表面涂上一层壳聚糖膜做保鲜剂,保鲜效果比0℃冷藏保鲜效果要好,可以明显地延长货价期。
羧甲基化壳聚糖[16](NOCC)可溶于水,是一种良好保鲜剂,对果蔬具有一定的保鲜能力。用其对黄瓜进行保鲜,12d后其维生素C、酸、糖分别比空白黄瓜高62%、32%和70%。卢柑在涂膜保鲜23d后其维生素C、水分仅有少量的变化,较好地保存了卢柑的色香味。苹果可保鲜9个月以上,西红柿可保鲜半年以上。
钱倚剑]等以天然高分子物质甲壳素为基本组分,研制出了适用于热带果蔬在海南湿热气候条件下常温保鲜的CH-I喷涂型保鲜剂,该制剂对芒果、黄瓜、青椒、番茄等无绿叶瓜菜一般都有明显的保鲜效果。经喷涂的芒果在室温条件下,普通库房存放可以使成熟期延长一倍。黄瓜、青椒等品种也可延长存储期3~5d。果蔬的失水率明显降低,比不喷涂的对照样品大约低50%。覃志英等用自制的壳聚糖水果保鲜剂,该保鲜剂能有效地抑制微生物侵蚀芒果,防止芒果失水,延长芒果贮藏期并保持芒果原有的香甜可口的风味。
3.2 在其它食品中的应用研究
渡边清研究了用壳聚糖来延长面条保鲜时间的办法。他把壳聚糖液用碳酸氢钠调pH至4.9后加入面条里,在25℃条件下,可保存15d不变质。当甲壳低聚糖作为防腐剂应用于苹果原汁保藏时,在果汁中含4g/L甲壳低聚糖可使果汁的保藏期由对照实验中37℃时9d增加到70d,显示了很好的防腐效保鲜果。
日本将壳聚糖与乳酸钙或醋酸钙溶液加热处理制成一种具有高杀菌活性、安全无毒的水溶性保鲜剂。将该保鲜剂1g与130g大米加280ml水混合蒸发后,于28℃条件下存放18d,米饭无长霉变质现象;加拿大学者用N,O-羧甲级壳聚糖制成一种叫做NutriSar℃的水果保鲜剂;美国学者则用N-羧甲级壳聚糖制成肉食防腐剂。其用量为万分之五,即可防止牛肉在冷藏一周内不发生腐败变质;此防腐剂还可用于防止鱼、禽、蛋以及日用食品的酸败和变味。
壳聚糖对冷却猪肉有明显的保鲜作用,且脱乙酰度越高的壳聚糖对冷却肉的保鲜效果越好;溶于1%醋酸的1%壳聚糖溶液(醋酸浓度为1%)能使猪肉的货架期达到一周;且冷却肉的感观品质好,2.5%的水溶性壳聚糖溶液的保鲜效果略低于1%酸溶性壳聚糖,但水溶性壳聚糖处理的肉样完全没有酸味,且感观品质好。
4 意义、最新研究进展及展望
我国海岸线长,虾壳、蟹壳资源非常丰富,弃之污染环境,因此对虾蟹壳进行深加工,从中提取甲壳素,制备壳聚糖,可以达到净化环境,变废为宝目的。另外,由于壳聚糖具有生物官能性、安全无毒、可生物降解和生物相容性等优点,在农业上,壳聚糖是一很有效的化肥和农药的载体,能减少农用化肥对环境的污染,有效地保护环境和维持生态平衡。
我国山东青岛市利中用壳质公司[20],研制出了一种无公害天然生物保鲜剂,主要成分为壳聚糖及其衍生物,具有广谱抗菌性,可有效防止瓜果蔬菜腐烂变质,满足果蔬以采摘、贮藏、运输到销售全过程的保鲜要求,对人体无任何副作用。实验表明,使用该保鲜剂好果率达99%。
加拿大研制出一种从昆虫、龙虾等外壳提取的果蔬保鲜剂,这种动物甲壳质的聚合衍生物具有优良的密封保护膜作用。若用这种保鲜剂配成极稀的溶液喷洒在水果上,即形成一层半透性涂层。此涂层有阻隔氧气、延长水果休眠期、使水果新鲜如初,其保鲜期可达9个月。如将水果加以冷藏,则可使水果的保鲜期长达18个月。
日本日清公司研制出一种甲壳质衍生物保鲜剂[22],该产品对抑制肉制品和水产品表面的细菌生产特别有效,抑菌率达99.9%以上,可使鲜肉在夏季(35℃)的保质期达到7~10d;用1mg/L质量浓度的壳聚糖溶液浸泡草莓、樱桃等鲜果和鲜蘑菇,保鲜期可延长到8d以上;在鲜鱼表面涂上20~30mg/L的该产品,夏季保鲜期液可达到5d以上。
目前,我国壳聚糖作为保鲜剂的产品大多是粘度不高、质量不太稳定,主要是用于果蔬的保鲜。在今后的研究中,一方面要提高壳聚糖保鲜剂产品档次,形成工业规模;另一方面,加强壳聚糖保鲜防腐的研究,扩大其应用范围,这种安全无毒天然多糖作为新型的天然食品保鲜防腐剂,不仅可推广应用到其他果汁中,而且特别适合应用于酸性或低酸性的食品保藏。
总之,壳聚糖不仅是天然的大量的存在于自然界中,而且无毒,可降解;不同于石油和煤,壳聚糖是一种可再生的资源。且又具备强的保鲜能力,所以作为一种引起全球关注的新型天然食品保鲜剂,具有巨大的潜在市场和广阔的应用前景。