水溶性壳聚糖的生物活性在水产品产业中应用的研究进展

李 玮，胡 勇，周梦舟，徐 宁，汪 超，李德远

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉430068）

壳聚糖是甲壳素脱乙酰的产物，甲壳素上的氮是以乙酰基形式存在的。在碱性条件下乙酰基水解，脱去乙酸基团，即生成了壳聚糖。通过控制反应温度和碱液浓度等条件，就可以得到不同脱乙酰度的壳聚糖[1]。一般而言，壳聚糖脱乙酰程度越高，在水中的溶解度越大；分子量越高，在水中的溶解度越小[2]。水溶性的壳聚糖是指能完全溶于水的壳聚糖，广义而言，水溶性壳聚糖也包括其衍生物和盐类，如能溶于水的壳聚糖盐酸盐、羧甲基壳聚糖等。

近年来，水溶性壳聚糖由于具有良好的成膜性、抑菌性和安全性，成为广大学者和科研工作者的研究热点，在农产品加工和贮藏过程中的应用也越来越广泛。我国作为水产养殖第一大国，水产品的加工和保鲜技术在农产品加工过程占据着举足轻重的地位，水溶性壳聚糖在水产品加工和保鲜技术中的应用研究，同样备受科研工作者的青睐。

综述了水溶性壳聚糖抗菌、抗氧化特性、成膜性及其凝胶增强特性在水产品加工与保鲜技术中的应用，旨在为广大科研工作者的理论研究提供参考。

1 水溶性壳聚糖在水产品中的应用

壳聚糖作为自然界中仅次于纤维素的第二大生物衍生资源，来源广泛且具有良好的生物相容性、生物可降解性、成膜性和抑菌防腐性能，不仅廉价而且安全；同时水溶性壳聚糖在也有形成水凝胶的能力[3-4]，作为天然的防腐剂、保鲜剂、氧化剂、絮凝剂[5-6]，水溶性壳聚糖在水产品加工过程中有着广泛的应用。

1.1 抗菌作用

壳聚糖具有良好的抑菌性能，对人肠杆菌、普通变形杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、假单抱菌、乳酸杆菌、微球菌、沙门氏菌、李斯特单核增生菌的生命有较强抑制作用，抑菌作用随壳聚糖平均分子量的降低而增强，壳聚糖的抗菌活性随其浓度增加而增强[7]。研究表明，壳聚糖在酸性条件下，分子中的-NH2与细菌细胞壁所含硅酸、磷酸酯等解离出的阴离子结合，使细菌的自由活动受阻，从而阻碍细菌的大量繁殖；然后，壳聚糖进一步低分子化，通过细胞壁进入细菌的细胞内，使遗传因子从DNA到RNA的转变过程受阻，造成细菌无法繁殖[8]。

谢主兰等人[9]用不同浓度的壳聚糖对腌制鱿鱼进行涂膜处理，通过对细菌总数、TVB-N值、TBA值及pH值检测发现，经过壳聚糖涂膜处理的腌制鱿鱼比未经壳聚糖涂膜处理的腌制鱿鱼更有防腐抗菌功效。熊建文等人[10]研究了脱乙酰度90%～95%的可溶性壳聚糖对南北美对虾贮藏品质的影响，结果发现采用1.5%的壳聚糖醋酸溶液处理的南北美对虾的微生物变化指标比对照组要慢，有效地延长了对虾的货架期。施海峰[11]研究了水溶性壳聚糖对鱼糜制品保鲜效果的影响，结果显示添加水溶性壳聚糖的鱼丸在冷藏过程中的微生物指标均低于对照组，而感官评定值则高于对照组。在此试验条件下，水溶性壳聚糖的保鲜效果与添加量呈正相关，在鱼丸中添加2.0%的水溶性壳聚糖具有较明显的保鲜作用，与空白组相比，可将鱼糜制品的冷藏保鲜期从9 d延长至14 d。

Cao R等人[12]研究发现5 g/L的水溶性壳聚糖溶液能显著延长太平洋牡蛎的货架期，并认为水溶性壳聚糖能使假单胞菌显著减少，能有效延长冻藏鱼肉的货架期。

水溶性壳聚糖浓度对各类微生物含量的影响见表1。

鱼丸因为具有很高的水分活度，常温下极易滋生微生物，在5℃条件下货架期只有4 d左右，而Kok T N等人[13]研究发现，在溶解状态下，水溶性壳聚糖有效抑制微生物的活性，显著延长冷冻鱼丸的货架期高达21 d。

1.2 抗氧化性

鱼类油脂中含长链ω-3不饱和脂肪酸，如二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸，对于人体而言具有极强的保健功能，因此鱼肉食品被认为是营养均衡性最好的功能性食品[14]，但是由于不饱和脂肪酸的不稳定性，即使在冷冻的情况下也容易由于被氧化而使风味改变，不利于产品的贮藏。

表1 水溶性壳聚糖质量浓度对各类微生物含量的影响/g·L-1

Kok T N等人[13]研究发现，在4℃条件下，比较不同特征黏度（360，50，14 cP） 和不同含量（50，100，200 mg/L） 的水溶性壳聚糖对煮熟的鲱鱼鱼肉进行处理，8 d后与未经壳聚糖处理的空白组对比，特征黏度为14 cP的壳聚糖用量为200 mg/L时TBA反应物减少了52%。

Kim K W等人[15]研究发现壳聚糖在鱼肉中抗氧化特性与分子质量和质量分数有关。Kim K W和Thomas R L研究认为水溶性壳聚糖的抗氧化特性取决于其分子质量（30，90，120 kD） 和质量分数（0.2%，0.5%，1%W/W），研究发现30 KD的壳聚糖具有较强的自由基清除力，自由基的清除效果与壳聚糖的质量分数成正相关，而不同质量分数梯度的120 KD的壳聚糖，其自由基清除能力没有显著影响[16]。

Ahn C B研究了高盐条件下壳聚糖对鲭鱼的保鲜效果，将鲭鱼于15%的高盐浸泡30 min后，于40℃条件下风干2 h，于5℃下冷藏20 d，检测并比较TBA和PV值，发现有壳聚糖涂层的样品比未使用壳聚糖涂层的样品低[17-18]。Lopez-Caballero M E[19]等人也发现将鳕鱼用水溶性壳聚糖涂膜处理，能有效减少鳕鱼脂肪的氧化，但是难溶的壳聚糖粉末却没有体现出抗氧化的结果。

1.3 生物活性涂膜

随着远洋技术和水产品深加工的不断发展，鱼类资源和产品也面临着新的挑战——包装与储运[4]。传统的包装大多采用易老化的材料，如塑料及其衍生物，由于不易降解的特性，极易造成环境的污染，这一问题已经引起科研工作者的广泛关注。

Li X等人[20]研究了脱乙酰度83.9%不同分子量的壳聚糖涂膜对鲫鱼的保鲜作用，研究发现壳聚糖涂膜能明显抑制需氧细菌、厌氧菌的繁殖，减缓挥发性盐基氮的增长，且分子量大的壳聚糖比分子量小的壳聚糖具有更好的保鲜抑菌作用。宣伟[21]研究了壳聚糖涂膜对中国对虾的保鲜效果，研究表明在冷藏过程中，较之对照组，壳聚糖涂膜处理组能够延缓pH值，TVB-N等理化指标的增加，细菌总数的增长较为缓慢，保持了较好的感官品质。且随着壳聚糖质量分数的增加，保鲜效果较好。其中2%的壳聚糖植酸溶液保鲜效果最为明显，有效延长了货架期4 d。

Chen L C等人[22]研究了水溶性壳聚糖涂膜的生物活性，表明壳聚糖涂层能时鱼肉中水分的损失和空气中水分的渗入，延缓鱼肉中脂质的氧化和风味物质的挥发。与其他多糖类活性涂膜相比较而言，壳聚糖的单体几丁质一般不具备亲水性和亲脂性，不利于空气中的水分与鱼肉中的水分相互渗透传质，因此抗水性和抗油脂性比其他多糖类活性涂膜要好。基于这个特点，利用水溶性壳聚糖和其他材料共混复合制备壳聚糖生物活性涂膜，将具备更广泛的应用前景。

Ye M等人[23]研究称低脱乙酰度的壳聚糖（难溶于水的壳聚糖）形成的涂膜由于其脆性，不具备机械性能，并研究出水溶性壳聚糖和乳酸钠（SL）和山梨酸钾（PS）等共混制备出抗菌可食性涂膜，对冷藏的冷熏鲑鱼中单产核细胞李斯特菌具有极好的抑制作用。不仅解决了涂膜的脆性，还提高了涂膜的食品安全性能，是可溶性壳聚糖涂膜制备上的一大创新。

Sathivel S等人[24]研究1%的水溶性壳聚糖对粉红鲑鱼鱼片的保鲜效果，发现使用壳聚糖涂膜处理粉红鲑鱼鱼片后，其水分含量和乳酸菌含量在解冻前后基本保持不变；通过流变仪观测发现壳聚糖溶液具备 假塑性和黏弹性特征，该涂膜的玻璃化转变温度为80.23℃，并证明了水溶性壳聚糖涂膜的抗氧化特性，对水蒸气的传输具有很好的隔绝作用；同时证明壳聚糖溶液剪切变稀和温度依赖性，推测壳聚糖涂层充当着粉红鲑鱼的屏障作用，隔绝了空气中氧气和水蒸气的渗入[25]。

1.4 凝胶增强剂

鱼糜制品是一种高蛋白、低脂肪、营养结构合理、安全健康的一类深加工水产食品，它是以鲜鱼为原料，去头、皮、内脏，机械去骨采肉后漂洗得到的鱼浆，经过精滤、脱水后得到鱼糜原料，经调味斩拌后加热制成的鱼肉精加工食品，广受消费者喜欢。衡量鱼糜质量的关键是其凝胶形成能力，凝胶形成能力越强，其弹性、口感和品质也就越好。

Chen C等人[26]研究发现壳聚糖能显著改善狭鳕鲟鱼糜的凝胶特性，结果表明1.5%的壳聚糖能加速鱼肉蛋白中肌球蛋白重链的聚集；除此之外，鱼肉中内源性转谷氨酰胺酶（TG）也能改善鱼糜凝胶特性，添加壳聚糖能起到促进作用。目前，对于壳聚糖这种促进作用的机理还缺乏系统的研究，但是对于壳聚糖与鱼肉蛋白间疏水相互作用、氢键和静电相互作用提出了许多理论猜想[17]。他们在研究中发现，添加1%的水溶性壳聚糖能增大鱼糜凝胶的破断力，但是高脱乙酰度的壳聚糖容易抑制鱼糜蛋白中EDTA与Ca2+的螯合，因此推测可能是介导作用的原因，生成蛋白—蛋白与蛋白—壳聚糖的结合物。其中，转谷氨酰胺酶扮演者相当重要的作用，生成的蛋白—蛋白与蛋白—壳聚糖结合物通过壳聚糖充当氨基偶联物受体。

Gomez-Cuillen M[17]认为水溶性壳聚糖的添加不会增加竹荚鱼的凝胶特性和流变特性，高浓度的水溶性壳聚糖会降低鱼糜的凝胶强度。Kok T N等人[13]研究认为鲅鲷鱼糜中蛋白—蛋白与蛋白—壳聚糖百分比含量决定了鱼糜的凝胶强度。

Mao L等人[18]研究水溶性壳聚糖对草鱼鱼糜凝胶特性的影响发现，蛋白—壳聚糖结合物是由葡萄糖胺的活性氨基集团与鱼肉中肌原纤维蛋白的谷氨酰胺残基结合产生的，壳聚糖与肌原纤维蛋白的共价键与非共价键形成的最终结构直接影响着草鱼鱼糜的凝胶特性，这种凝胶特性同时也与内源性转谷氨酰胺酶息息相关。

Li X和Xia W通过研究不同分子量和脱乙酰度的壳聚糖对鲢鱼鱼糜凝胶特性的影响，发现脱乙酰度为77.3%的壳聚糖对鲢鱼鱼糜的凝胶特性具有良好的破断强度和储能模量，随着壳聚糖分子质量的增大，其凝胶强度随之增强。研究表明，壳聚糖与鲢鱼鱼肉中肌原纤维蛋白的主要作用力为静电相互作用和氢键[26]。

2 展望

我国是一个淡水鱼养殖和加工大国，发展淡水鱼糜加工对于我国的水产品产业具有极大的现实意义。随着淡水鱼工业的不断发展和海洋资源的可持续发展，使用淡水鱼加工生产淡水鱼鱼糜替代海水鱼糜来满足紧迫的鱼糜市场需求，已经成为必然的趋势。由于淡水鱼鱼糜的凝胶品质与海水鱼鱼糜相比存在着差异，在冷冻鱼糜的生产加工过程中，需要大量的淡水对鱼糜进行漂洗来填补淡水鱼糜凝胶品质上缺陷。

水溶性壳聚糖由于具有良好的抗菌、抗氧化和凝胶增强特性，相信在淡水鱼鱼糜加工过程中的应用也必将大放异彩。同时，水溶性壳聚糖是一种阳性碱性多糖，对含高蛋白浓度的鱼糜漂洗废水的絮凝处理效果也令人瞩目。