殼聚糖(chitosan)具有良好的保濕性、潤濕性、防止產生靜電,且無毒副作用,易于生物降解,有良好的生物相容性。殼聚糖具有良好的成膜特性和強的抗菌保鮮防腐能力。作為高效、無毒、無味、成本較低的天然保鮮劑,殼聚糖越來越受到人們的關注。本文對天然保鮮劑殼聚糖的特性、保鮮機理及其在食品中的應用等方面進行綜述。
1 殼聚糖的特性
1.1 天然性
殼聚糖屬天然產物,是由大部分氨基葡萄糖和少量N-乙酰基葡萄糖通過B-1,4-糖苷鍵連接起來的直鏈多糖,是由甲殼素(chitin)部分或全部脫除乙酰基后得到的。甲殼素是一種天然直鏈狀酰胺類多糖,廣泛存在于昆蟲和甲殼類動物(如蝦、蟹等)的硬殼及真菌的細胞壁中,是地球上蘊藏量最豐富的有機物之一。
1.2 成膜性
殼聚糖具有許多的優良的功能性質和潛在的應用價值。其中一個引人關注的特性就是成膜性。近年來,殼聚糖作為一種優良膜材料,越來越受到人們的重視。涂膜保鮮在食品工業中顯示出廣闊的前景。
殼聚糖以其氫鍵相互交聯成網狀結構,利用適當的溶劑,可制成透明的具有多孔結構的薄膜。殼聚糖的溶液具有粘性是一種理想的成膜物。對殼聚糖成膜特性的研究表明,成膜的半透性與其溶液的粘度相關。粘度隨濃度的增加而增大,呈典型親水性膠質特性,作為保鮮成膜劑的殼聚糖溶液濃度不宜太大,濃度高易使涂膜層過厚,不均勻,影響果實的呼吸,導致果實內部腐爛,在保鮮應用中一般選擇濃度為1%~2%;粘度隨溫度、pH值的升高而減小,故殼聚糖溶液具有良好的耐酸性,這對于水果保鮮特別有意義,酸性環境能抑制細菌的生長;適量的添加劑能提高透明度和凝膠強度,但是會使持水率下降。持水率高、持水能力強的凝膠最適宜做食品涂膜,因此作為保鮮成膜劑的殼聚糖,在保證一定強度的同時應考慮其持水率的高低;膜性能與成膜介質和溶液濃度有關,介質表面越粗糙,粘著性越好。溶液濃度越高則粘著性越差。
殼聚糖的結構對膜性質有影響。殼聚糖脫乙酰化度越高,其膜的溶脹性越低,脫乙酰化度也影響膜的抗拉強度。殼聚糖分子量越低,其膜的抗拉強度也越低,膜的通透性也越強。殼聚糖的分子量越大,分子晶形結構越多,分子間高度纏結,分子的柔順性越差,因此,其抗拉強度越高,同時膜的通透性也越差。殼聚糖分子存在游離氨基和羥基,可以發生很多的反應,衍生化反應對于殼聚糖膜的性質也有顯著的影響。
1.3 抗菌性
在食品工業中,殼聚糖的抗菌作用已受到關注。殼聚糖對細菌有很強的抑制能力,對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、變形桿菌、枯草桿菌、酵母菌都有較強的抑制力。對于殼聚糖的抗菌活性,國外已有文獻進行了報道。殼聚糖等甲殼素衍生物對許多植物病原真菌有一定程度的直接抑制作用。
殼聚糖的抗菌活性與其濃度、分子量有關,也與其分子結構中游離的氨基含量有關,對大腸桿菌的抑菌試驗表明,當脫乙酰度增加時,游離氨基含量增加,抑菌率增加。在分子量30.5萬以下的范圍內,隨殼聚糖濃度的增加,其抗菌作用的效果增強,當濃度為1.0%時,對革蘭氏陽性菌和對革蘭氏陰性菌,其抗菌率均達到100%。對革蘭氏陽性菌,隨殼聚糖的分子量
增大,抗菌作用逐漸增強。對革蘭氏陰性菌,隨聚糖的分子量減小,抗菌作用逐漸增強,分子量為5000以下,抗菌作用最強。
夏文水等就殼聚糖對食品中一些常見的細菌、霉菌和酵母菌進行抗菌試驗。結果表明,殼聚糖對細菌和酵母其抑菌率明顯超過對照組,并隨著質量濃度的增加其抑菌率逐漸變大。殼聚糖對不同菌抑制作用的敏感性不同,細菌易被抑制,酵母菌其次,而對霉菌則抑制作用略小,這可能與甲殼低聚糖的抗菌機理有關。但是,隨著甲殼低聚糖質量濃度的增加,對各種菌的抑菌作用都相應增強。谷田孝雄等人用水解殼聚糖(分子量為1萬~5萬)作抗菌試驗,結果表明對有害菌有抑制作用,對確定食品的保質期,起到關鍵作用。張偉[11]等合成了殼聚糖水溶性衍生物,通過測定證明此物質確有較強的抑菌作用,且其抗菌作用對高溫、高壓穩定。
2 殼聚糖的保鮮機理
2.1 膜機理
殼聚糖涂到果蔬表面在果蔬表面形成一層膜,此膜具有半透性,對O2、CO2、C2H4具有一定的選擇滲透作用,并且還要有一定的保水性。一方面阻止外界的空氣進入膜層內,從而抑制果蔬原料的呼吸作用,另一方面能使呼吸產生的二氧化碳外逸,防止出現無氧發酵。果蔬被膜保鮮的機理
是通過果蔬表面的膜調節體內的氧氣和二氧化碳濃度,使其呼吸作用減弱,達到保鮮的目的。同時,殼聚糖的成膜性也阻礙了病原菌與寄主組織或細胞的直接接觸,減少了病原菌的有效侵入。殼聚糖膜層的厚度是影響保鮮效果的主要因素。不同粘度的殼聚糖均存在一個最適宜的殼聚糖濃度[1]。小于其最適濃度,保鮮劑的粘度過小,在果蔬表面形成的殼聚糖膜層很薄,它對果蔬體內與空氣的氣體交換的阻力就小,導致果蔬體內氧氣濃度升高,二氧化碳濃度降低,果蔬呼吸作用增強,保鮮效果下降。高于最適宜濃度,保鮮效果也下降,這是由于保鮮劑粘度太高,在果蔬表面形成的殼聚糖膜層很厚,使果蔬體內氧氣濃度太低,不能滿足完全的正常呼吸,而為部分缺氧呼吸所代替,果蔬不但成熟快,而且品質下降。
2.2 抗菌機理
殼聚糖的抗菌作用主要有以下兩種機理[9]:一種是殼聚糖通過吸附在細胞表面,形成一層高分子膜,阻止營養物質向細胞內的運輸,從而起到抑菌殺菌作用;另外一種機理是殼聚糖通過滲透進入細胞體內,附細胞體內帶有陰離子的細胞質,并發生絮凝作用,擾亂細胞正常的生理活動,從而殺滅細菌。因為革蘭氏陽性菌(St.aur℃us)和革蘭氏陰性菌(℃.coti)的細胞壁結構不同,兩種作用對它們影響程度也不同,故不同分子量的殼聚糖,其抗菌機理不同。對于St.aur℃us,前一種作用機理起主導作用,主要是分子量越大,所形成外層膜越致密,越能阻止營養物質進入細菌細胞,因而抗菌作用效果更明顯。而對于℃.coti來講,后一種作用機理起主導作用,因為分子量越小,越容易進入細胞壁的空隙結構內,從而干擾細胞的新陳代謝,殺死細菌。
這樣,當殼聚糖涂膜用到食品表面,殼聚糖及其降解產物能抑制微生物生長,從而防止食品腐爛變質。當然,殼聚糖及其衍生物對食品的保鮮作用不僅僅是由于其膜作用和抗菌、抑菌能力。另外,尤其對果蔬而言,殼聚糖可以誘導植物的結構抗病性,包括使植物細胞壁加厚或木質化程度加強;調節植物體內與抗病有關的酶活性變化,這些酶包括苯丙氨酸解氨酶(PAL)超氧物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(PO)、多酚氧化酶(PPO)等;產生植保素(如豌豆素pisatin)、酚類化合物等抗菌物質;誘導產生病程相關蛋白(pathog℃n℃sisr℃lat℃dprot℃ins,PR蛋白)[7,8,12],如幾丁質酶和B-1,3-葡聚糖酶是二種重要的PR蛋白,它們能水解病原真菌的細胞壁,抑制病原物生長,產生新的激發子誘導植物一系列防御反應。
3 殼聚糖在食品保鮮中的應用研究進展
殼聚糖用作食品的保鮮劑,由于其來源廣泛,天然、無毒副作用,涂膜保鮮簡單易行等優點,受到國內外的廣泛研究。殼聚糖作保鮮劑,主要用于果蔬的保鮮,在肉類及飲料等方面也有一定的應用研究。
3.1 在果蔬中的應用研究
劉青梅等用1.5%殼聚糖+0.5%苯甲酸鈉涂被,保鮮紙包裝的冬筍,在7℃左右的室溫下可保鮮30d,筍殼筍肉色澤基本不變,好筍率達85%,優于其它保鮮劑蔗糖脂肪酸酯、海藻酸鈉處理。
用濃度為2%的殼聚糖對番茄進行涂膜保鮮,保藏15d后,番茄的總酸度總糖量、維生素C含量均與原番茄接近,保藏效果比0.2%的苯甲酸鈉溶液好。陳忻等以甲殼素為原料制備氨基葡萄糖鹽酸鹽,該鹽作為番茄保鮮劑有較好的保鮮效果。
用含VC0.01kg/L和殼聚糖0.01kg/L的混合液涂膜保鮮荔枝,與不涂膜的相比,果皮顏色號好、爛果率低、質量損失小、呼吸率低。室溫下(33~34℃)荔枝貨架壽命可延長3d。在巴梨表面涂上一層殼聚糖膜做保鮮劑,保鮮效果比0℃冷藏保鮮效果要好,可以明顯地延長貨價期。
羧甲基化殼聚糖[16](NOCC)可溶于水,是一種良好保鮮劑,對果蔬具有一定的保鮮能力。用其對黃瓜進行保鮮,12d后其維生素C、酸、糖分別比空白黃瓜高62%、32%和70%。盧柑在涂膜保鮮23d后其維生素C、水分僅有少量的變化,較好地保存了盧柑的色香味。蘋果可保鮮9個月以上,西紅柿可保鮮半年以上。
錢倚劍]等以天然高分子物質甲殼素為基本組分,研制出了適用于熱帶果蔬在海南濕熱氣候條件下常溫保鮮的CH-I噴涂型保鮮劑,該制劑對芒果、黃瓜、青椒、番茄等無綠葉瓜菜一般都有明顯的保鮮效果。經噴涂的芒果在室溫條件下,普通庫房存放可以使成熟期延長一倍。黃瓜、青椒等品種也可延長存儲期3~5d。果蔬的失水率明顯降低,比不噴涂的對照樣品大約低50%。覃志英等用自制的殼聚糖水果保鮮劑,該保鮮劑能有效地抑制微生物侵蝕芒果,防止芒果失水,延長芒果貯藏期并保持芒果原有的香甜可口的風味。
3.2 在其它食品中的應用研究
渡邊清研究了用殼聚糖來延長面條保鮮時間的辦法。他把殼聚糖液用碳酸氫鈉調pH至4.9后加入面條里,在25℃條件下,可保存15d不變質。當甲殼低聚糖作為防腐劑應用于蘋果原汁保藏時,在果汁中含4g/L甲殼低聚糖可使果汁的保藏期由對照實驗中37℃時9d增加到70d,顯示了很好的防腐效保鮮果。
日本將殼聚糖與乳酸鈣或醋酸鈣溶液加熱處理制成一種具有高殺菌活性、安全無毒的水溶性保鮮劑。將該保鮮劑1g與130g大米加280ml水混合蒸發后,于28℃條件下存放18d,米飯無長霉變質現象;加拿大學者用N,O-羧甲級殼聚糖制成一種叫做NutriSar℃的水果保鮮劑;美國學者則用N-羧甲級殼聚糖制成肉食防腐劑。其用量為萬分之五,即可防止牛肉在冷藏一周內不發生腐敗變質;此防腐劑還可用于防止魚、禽、蛋以及日用食品的酸敗和變味。
殼聚糖對冷卻豬肉有明顯的保鮮作用,且脫乙酰度越高的殼聚糖對冷卻肉的保鮮效果越好;溶于1%醋酸的1%殼聚糖溶液(醋酸濃度為1%)能使豬肉的貨架期達到一周;且冷卻肉的感觀品質好,2.5%的水溶性殼聚糖溶液的保鮮效果略低于1%酸溶性殼聚糖,但水溶性殼聚糖處理的肉樣完全沒有酸味,且感觀品質好。
4 意義、最新研究進展及展望
我國海岸線長,蝦殼、蟹殼資源非常豐富,棄之污染環境,因此對蝦蟹殼進行深加工,從中提取甲殼素,制備殼聚糖,可以達到凈化環境,變廢為寶目的。另外,由于殼聚糖具有生物官能性、安全無毒、可生物降解和生物相容性等優點,在農業上,殼聚糖是一很有效的化肥和農藥的載體,能減少農用化肥對環境的污染,有效地保護環境和維持生態平衡。
我國山東青島市利中用殼質公司[20],研制出了一種無公害天然生物保鮮劑,主要成分為殼聚糖及其衍生物,具有廣譜抗菌性,可有效防止瓜果蔬菜腐爛變質,滿足果蔬以采摘、貯藏、運輸到銷售全過程的保鮮要求,對人體無任何副作用。實驗表明,使用該保鮮劑好果率達99%。
加拿大研制出一種從昆蟲、龍蝦等外殼提取的果蔬保鮮劑,這種動物甲殼質的聚合衍生物具有優良的密封保護膜作用。若用這種保鮮劑配成極稀的溶液噴灑在水果上,即形成一層半透性涂層。此涂層有阻隔氧氣、延長水果休眠期、使水果新鮮如初,其保鮮期可達9個月。如將水果加以冷藏,則可使水果的保鮮期長達18個月。
日本日清公司研制出一種甲殼質衍生物保鮮劑[22],該產品對抑制肉制品和水產品表面的細菌生產特別有效,抑菌率達99.9%以上,可使鮮肉在夏季(35℃)的保質期達到7~10d;用1mg/L質量濃度的殼聚糖溶液浸泡草莓、櫻桃等鮮果和鮮蘑菇,保鮮期可延長到8d以上;在鮮魚表面涂上20~30mg/L的該產品,夏季保鮮期液可達到5d以上。
目前,我國殼聚糖作為保鮮劑的產品大多是粘度不高、質量不太穩定,主要是用于果蔬的保鮮。在今后的研究中,一方面要提高殼聚糖保鮮劑產品檔次,形成工業規模;另一方面,加強殼聚糖保鮮防腐的研究,擴大其應用范圍,這種安全無毒天然多糖作為新型的天然食品保鮮防腐劑,不僅可推廣應用到其他果汁中,而且特別適合應用于酸性或低酸性的食品保藏。
總之,殼聚糖不僅是天然的大量的存在于自然界中,而且無毒,可降解;不同于石油和煤,殼聚糖是一種可再生的資源。且又具備強的保鮮能力,所以作為一種引起全球關注的新型天然食品保鮮劑,具有巨大的潛在市場和廣闊的應用前景。