壳聚糖及其衍生物在食品工业中的应用

黄国宏

（广西职业技术学院，广西南宁530226）

壳聚糖及其衍生物在食品工业中的应用

黄国宏

（广西职业技术学院，广西南宁530226）

对壳聚糖的制备及改性方法的研究动态进行了综述，并叙述了壳聚糖及其衍生物在水果保鲜、饮料、水产品及肉类保藏食品工业中的应用，并提出了壳聚糖研究发展方向。

壳聚糖；制备方法；衍生化；食品工业

甲壳素（Chitin）是一种自然界分布极广的多糖资源，在自然界中的年生物合成量高达100亿t，是仅次于纤维素的第二大天然聚合物，其广泛存在于虾、蟹等甲壳类动物的外壳及真菌细胞壁中。壳聚糖（Chitosan）是甲壳素N-脱乙酰基的产物，是由β-1，4-2-氨基-2-脱氧-吡喃葡萄糖和β-1，4-2-乙酰氨基-2-脱氧-吡喃葡萄糖单元构成的杂多糖[1]，是目前自然界中发现的唯一一种带阳离子的天然多糖。壳聚糖由于具有无毒副作用、可生物降解、生物学功能等优良特性[2]，近年来其在食品工业中的应用成为研究的热点。

1 壳聚糖的制备

在于虾、蟹等甲壳类动物的外壳及真菌细胞壁中除了含有甲壳素外，其余主要成分是碳酸盐和蛋白质及少量的色素。制备壳聚糖的关键是除去杂质和对甲壳素进行脱乙酰化反应，目前国内外采取的制备方法主要有化学法、酶法、微生物发酵法等。

1.1 化学法制备

化学制备法是早期从虾、蟹等甲壳类动物外壳传统方法：首先用稀碱热处理除去蛋白质，再用稀酸在常温下除去碳酸盐，，最后经高锰酸钾处理或用有机溶剂萃取除去色素后得到甲壳素，甲壳素在高温的浓碱溶液中进行脱乙酰化反应，得到不同的脱乙酰化度的壳聚糖产品。由于此法具有高能耗、高成本、环境污染严重等明显缺点，已有学者应用微波、超声波等技术对此方法进行了改进。

Rashid[3]等研究虾壳原料经γ-射线处理，再用传统法制备壳聚糖，可以降低脱乙酰反应过程中氢氧化钠的浓度和加热时间，得到高脱乙酰度的壳聚糖，不但降低生产成本也可以减少环境污染。经γ-射线处理制备的壳聚糖的分子量降低及水溶性、抗菌活性、与水结合能力等性能的改善，扩大了其应用范围。

1.2 酶法制备

Jounes[4]等研究用Alcalase蛋白酶、菠萝蛋白酶及另5种不同的微生物粗蛋白酶去除虾废弃物中蛋白质，其中莫海威芽孢杆菌A21粗蛋白酶对虾废弃物中蛋白质的去除率高达88%。再经后续工艺处理后可得到高纯度及高脱乙酰度的壳聚糖产品。Manni[5]等用腊状芽孢杆菌粗蛋白酶去除虾废弃物中的蛋白质也达到理想的效果。由于酶法制备不需要加入大量反应试剂，可以降低生产成本和减少环境污染。

1.3 微生物发酵法

微生物发酵法一种是以虾、蟹等甲壳类动物外壳为原料，利用微生物在发酵过程中产生的酸和酶，分别除去原料中的矿物质和蛋白质得到甲壳素，再经脱乙酰化反应得到壳聚糖。另一种是利用真菌培养，然后发酵直接获得壳聚糖。

Ghorbel-Bellaaj[6]等以虾壳为原料，加入适当的葡萄糖，配制成一定pH溶液后灭菌，然后接种铜绿假单胞菌株A2在一定条件下发酵，发酵后沉淀物（甲壳素）的蛋白质和矿物质去除率分别为90%和92%。甲壳素加入到50%氢氧化钠溶液中在130℃条件下进行脱乙酰反应4 h，既可得到脱乙酰度约73%的壳聚糖。王一婧[7]等采取直接培养黑曲霉，然后发酵制备壳聚糖。研究结果表明，壳聚糖的产率受发酵温度、转速、时间、接种量和培养基成分及pH等因素的影响，在最佳工艺条件下壳聚糖产率可高达18%，是一种具有工业化生产的理想方法。

2 壳聚糖的改性

由于壳聚糖分子内和分子间氢键的作用，使其不能直接溶于水而只溶于稀酸和某些特定的溶剂中，这大大限制了壳聚糖的应用范围。壳聚糖分子中的活性基团-NH2及-OH易于与多种化学基团反应，对壳聚糖分子进行改性，引入新的化学活性基团，可以制得生理活性、物理化学性能优良的壳聚糖衍生物，对拓展壳聚糖及其衍生物的应用有重要作用，因此，近年来壳聚糖的改性成为了研究的热点。目前，对壳聚糖进行化学改性的方法主要有酰化、羧甲基化、酯化、烷基化、交联、氧化等，本文主要介绍上述的前3种改性方法。

2.1 酰化改性

壳聚糖分子链上含有羟基，能与多种有机酸的衍生物如酸酐，酰卤（主要是酰氯）等发生O-酰化反应，即酰化反应。

Feng[8]等把富马酸加入到壳聚糖悬浮水溶液中，再逐滴加入一定量的硫酸，在一定条件下反应，制备得到取代度从0.07～0.48的富马酰壳聚糖。研究表明富马酰壳聚糖的溶解度和抗菌性明显比壳聚糖高，且随取代度的增加而增加，并用红外光谱、核磁共振表征了合成物的化学结构。Zhou[9]等把壳聚糖溶解于二甲基亚砜中，再不断加入琥珀酸酐进行开环反应，可制备取代度为0.71的琥珀酰壳聚糖。并分析了壳聚糖与琥珀酰壳聚糖的X-衍射波谱区别，由于琥珀酰壳聚糖中氢键结合力下降而使其溶解度增大，因而可以扩大其就用范围。

2.2 羧甲基化改性

壳聚糖羧甲基化是目前研究最多的改性方法，在壳聚糖上引入羧甲基可得到溶于水的羧甲基壳聚糖。又根据羧甲基的取代位置不同，可以分为O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和N，O-羧甲基壳聚糖。

Zheng[10]等取适量的壳聚糖、氢氧化钠和溶剂在一定条件下碱化，再逐滴加入定量的氯乙酸异丙醇溶液在50℃下反应7 h，分离，得到羧甲基壳聚糖钠盐。再把其钠盐浸入乙醇溶液中，并加入盐酸酸化，分离纯化、干燥后得到具有良好的水溶性的O-羧甲基壳聚糖产品。因O-羧甲基壳聚糖中含有羧基和氨基这两种基团，从而使其具有良好的生物相容性、抑菌抗菌性和吸湿性等，是应用最广泛的衍生物之一。王聪[11]等利用壳聚糖与乙醛酸作用形成希夫碱，再在强碱性条件下经硼氢化钠还原制备得到得率为90%、羧甲基度达65%的N-羧甲基壳聚糖，且用红外光谱、核磁共振表征了合成物的化学结构。Tao[12]等将壳聚糖加入到氢氧化钠溶液中混合，冷藏24 h后，搅拌分散到异丙醇中，再加入氯乙酸在25℃条件下不停搅拌24 h，经分离纯化后得到N，O-羧甲基壳聚糖。

2.3 酯化改性

壳聚糖上的6位羟基会与很多酸发生酯化反应，最常见的是磷酸酯化和硫酸酯化。

Jayakumar[13]等首先把壳聚糖与已醇混合，再加入P2O5、H3PO4、Et3PO4混合液，搅拌均匀后，在35℃下反应72 h，再在反应液中加入过量甲醇沉淀，沉淀物过滤、洗涤、干燥得到壳聚糖磷酸酯，其得率为78%，取代度为1.18。Yang[14]等将壳聚糖分散在嘧啶中，然后再加入三甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷，反应完全后，分离干燥得到浅褐色三甲基硅烷化壳聚糖。三甲基硅烷化壳聚糖悬浮于无水二甲基亚砜中，加热搅拌使之完全溶解后，再加入三氧化硫-嘧啶络合物，待反应完全后，分离纯化即得到取代度超过2.0的壳聚糖硫酸酯。

3 壳聚糖及其衍生物在食品工业中的应用

由于壳聚糖具有良好的生物安全性和生物学功能，在食品加工业上可用作为保鲜剂、增稠剂、抗氧化剂、果汁澄清剂、脱色剂、抗菌剂、食品防腐剂、功能性甜味剂等广泛应用于食品工业中。

3.1 在饮料中的应用

壳聚糖是少有的天然无毒聚阳离子，分子中含有氨基和羟基活性基团，能与果胶、蛋白质、单宁类多酚等阴离子物质结合凝聚沉淀，是一种新型果汁澄清剂。

Domingues[15]等比较了采用酶法、普通离心法与加絮凝剂壳聚糖后再离心澄清西番莲果汁饮料，发现酶法处理主要只降低西番莲果肉汁的黏稠性，普通离心使果汁色泽及混浊度下降。而经壳聚糖在最佳工艺条件下处理后再离心，不但果汁几乎澄清无色，其黏稠性也显著下降。由于壳聚糖的高性能和低成本，其可作为一种经济、适宜的辅助手段用于果汁饮料的澄清。Ghorbel-Bellaaj[6]等研究用壳聚糖澄清苹果汁、柠檬汁和橘子汁，3种果汁经壳聚糖澄清处理后其混浊度都有明显的下降。苹果汁、柠檬汁和橘子汁达到最好澄清效果时，壳聚糖浓度分别为0.025%、0.1%和0.025%；仅稍降低果汁中还原糖和抗坏血酸含量，几乎对果汁的营养价值、pH、可滴定酸度、总固形物含量等没有影响。上述研究表明壳聚糖是一种理想的天然澄清剂。

3.2 在果蔬保鲜中的应用

壳聚糖及其衍生物具有良好的成膜性和抗菌性，因而采用壳聚糖涂膜处理对抑制果蔬褐变、降低酶活性、保持果蔬品质和延长保鲜期等有明显的效果，而在果蔬保鲜上获得了广泛的应用。

Ali[16]等用0.5%～2%壳聚糖溶液处理新鲜木瓜，在（12±1）℃和85%～95%湿度下保藏，在贮藏期间与未经处理的对照组相对比，研究表明用浓度适宜的壳聚糖处理可以减缓果实的呼吸强度和降低乙烯的产生，因此延迟了果实的成熟期，使处理组的失重率降低、硬度高、表皮色泽变化小、可溶性固形物含量降低等，延长了果实贮藏期，提高了果实品质。Qiu[17]等用不同分子量及不同浓度的壳聚糖溶液处理芦笋在2℃和95%湿度条件下贮藏5周，研究结果表明，用0.25%的高分子壳聚糖和0.50%低分子量壳聚糖溶液处理的芦笋与其他对照相比呈显出更好的质量特征，其颜色变化程度减轻、失重率和抗坏血酸损失减少，特别是经0.25%的高分子壳聚糖溶液处理的芦笋大约能延长9 d的贮藏期。Lin[18]等研究表明，经1%壳聚糖溶液涂膜处理的荔枝，其呼吸速率、果肉温度、多酚氧化酶活性及失重率均低于未经涂膜处理的对照组，且在室温下保鲜期超过对照组5 d，延长了果实的贮藏期。

3.3 在肉类制品中的应用

Siripatrawan[19]等研究用壳聚糖与绿茶提取物制备的可食用复合包装薄膜（CGT薄膜）包装的猪肉香肠在4℃下保藏，与未经此处理的对照组相比，采用CGT薄膜包装的样品的色泽、质地、硫代巴比妥酸值、微生物增长等指标变化很小。研究结果表明，在冷藏条件下的，用CGT薄膜包装可以抑制油脂氧化和微生物的增长，可以保持猪肉香肠品质与延长货架期。Li[20]等用壳聚糖、木糖与壳聚糖美拉德反应产物（MRPs）水溶液处理新鲜猪肉，以没有经过任何溶液浸渍处理的样品为对照组，在4℃条件下贮藏20 d。对不同贮藏期样品的脂肪氧化值、菌落总数等指标进行测定，结果显示对照组的硫代巴比妥酸值在贮藏期9 d和15 d时分别为476.0 μg/kg和597.6 μg/kg，接近或超过消费者对酸败的感知阈值（500 μg/kg），而用壳聚糖、MRPs水溶液处理组的硫代巴比妥酸值在贮藏期20 d时都远低于500 μg/kg；对照组菌落总数在贮藏期9 d和15 d分别为6.88和10.74（log10 cfu/g），分别接近和超过菌落总数为7（log10 cfu/g）的可接受水平；用壳聚糖溶液处理组菌落总数在贮藏期15 d和20 d分别为5.90和7.28（log10 cfu/g），分别低于和略高于菌落总数的可接受水平；MRPs水溶液处理组菌落总数在贮藏期15 d时均低于菌落总数的可接受水平，在贮藏期20 d时其菌落总数与美拉德反应时间有关，反应时间适宜制备的MRPs抑菌性能好，使菌落总数远低于菌落总数的可接受水平。上述研究结果表明，壳聚糖及其衍生物作为一种天然防腐剂，在肉类制品中有广阔的应用前景。

3.4 在水产品中的应用

Cao[21]等分别用壳聚糖溶液、臭氧水和壳聚糖混合液处理太平洋牡蛎，在5℃的条件下贮藏，对不同贮藏期的牡蛎进行微生物学分析、生化指标测定及感官评定。研究表明在没有经过任何处理的对照组中，贮藏8 d后，经微生物学分析结果显示超过牡蛎在菌落总数上的可接受水平（107cfu/g），而用壳聚糖溶液、臭氧水和壳聚糖混合液处理后菌落总数达到可接受水平的保存期分别为接近14 d和超过20 d；而化学分析结果表明在上述的保存期挥发性盐基氮对照组为20.65 mg N/100 g（8 d），壳聚糖溶液、臭氧水和壳聚糖混合液处理组分别为23.16 mg N/100 g（14 d）和22.25 mg N/100 g（20 d），都没超过新鲜水产品达到腐败程度时挥发性盐基氮的上限值30 mg N/100 g。而感官评定结果表明对照组、壳聚糖溶液、臭氧水和壳聚糖混合液处理组达到不可接受新鲜度评分标准时的货架期分别为8、15 d和21 d。上述研究结果表明壳聚糖溶液、臭氧水和壳聚糖混合液是一种良好的保藏剂，能显著延长牡蛎的货架期。Fan[22]等用2%壳聚糖溶液对鲢鱼涂膜处理，在-3℃条件下冻藏30 d。在贮藏期间定期测定处理组及对照的菌落总数、pH、硫代巴比妥酸值、挥发性盐基氮、感官特性等指标，研究结果表明经壳聚糖涂膜处理的鲢鱼质量保持良好，而且延长了其冻藏期限。

4 研究趋势

1）研究提取率高、生产成本低、环境污染小、易于工业化生产的壳聚糖提取工艺。微生物发酵法基本具备上述条件，是一种有待进一步深入研究的制备壳聚糖的方法。

2）研究壳聚糖的衍生化方法。壳聚糖经引入一些基团后，改变其物理化学性质和提高其生理活性，进一步扩大其应用范围是近年来国内外研究的热点。

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Application of Chitosan and Its Derivatives in Food Industry

HUANG Guo-hong
（Guangxi Polytechnic，Nanning 530226，Guangxi，China）

The preparation of chitosan and its derivation methods were reviewed in this paper.Besides the application of chitosan and its derivatives in fresh fruits，beverage，aquatic products and meat preservation were introduced and its research direction and development trend were put forward.

chitosan；preparation methods；derivative；food industry

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.08.035

黄国宏（1972—），男（汉），副教授，在读博士（硕士学位），研究方向：食品科学及天然活性成分的分离纯化。

2013-10-24