壳聚糖—多酚复合膜研究进展

胡 飞 孙 涛,2,3 谢 晶,2,3 康永锋,2,3 邵则淮,2,3 甘建红,2,3 李晓晖,2,3

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；3. 农业部冷库及制冷设备质量监督检验测试中心，上海 201306)

近年来以天然物质为基质的食品包装膜备受关注，其中壳聚糖因具有无毒性、生物可降解性、良好的成膜性和生物相容性、内在的抗氧化和抗菌活性，已被广泛应用于食品包装领域[1]。但单一成分壳聚糖膜机械性能不足[2]，抗氧化和抗菌活性低，使其在食品包装领域的应用受到一定限制。而采用化学改性或物理共混法制备的复合膜，有望改善壳聚糖膜的性能，以满足食品包装的需要[3]。

在各类复合膜中，壳聚糖多酚类复合膜备受关注[4]。这是因为多酚类物质具有良好的抗氧化和抗菌活性，此外具有共同的结构特性，即含有至少一个羟基取代基的芳香环[5]，可分为多酚单体和单宁两大类[6]，它们可以与壳聚糖共价键合或共混复合成膜。因此可将多酚类物质，如姜黄素、阿魏酸、没食子酸、原儿茶酸和鞣酸等用于制备壳聚糖复合膜，以提升膜的物理、机械和生物活性[7]。本文从壳聚糖和多酚类物质共价或共混结合的角度，分别综述了壳聚糖和多酚类物质共价膜、共混膜的机械性能、抗氧化和抗菌活性。以期通过对共价膜和共混膜的讨论为壳聚糖多酚类食品包装膜的研究提供参考。

1 壳聚糖—多酚类物质共价膜

化学改性是在壳聚糖链上引入特定基团使其性能发生改变，是提高壳聚糖膜性能的一种有效手段[8]。作为一种重要的改性方法，接枝共聚可将多酚类物质键合到壳聚糖上[9]，用以提升壳聚糖膜抗氧化和抗菌活性。此外，共价膜中多酚类物质和壳聚糖分子间存在酯键、酰胺键等相互作用，可以提高复合膜的机械强度[10]，进而拓宽了壳聚糖膜在食品包装领域的应用范围。如没食子酸(gallic acid，GA)、咖啡酸(caffeic acid，CA)、阿魏酸(ferulic acid，FA)，常用于与壳聚糖共价键合成膜。

1.1 GA—壳聚糖共价膜

GA是一种普遍存在的天然多酚类化合物，具有很强的抗氧化和抗菌活性。将GA接枝共聚到壳聚糖上可以减少壳聚糖分子内和分子间的氢键，提高其共价膜的抗氧化能力[11]。采用漆酶催化阿魏酸、原儿茶酸、没食子酸和壳聚糖的接枝共聚反应中，没食子酸—壳聚糖共聚物的抗氧化活性更强。此外，采用漆酶催化酚酸和壳聚糖的接枝共聚，较酪氨酸酶更能提高共聚物的抗氧化活性[12]。

通过偶联接枝制得GA—壳聚糖共价膜，与GA—壳聚糖共混膜对比时发现，GA—壳聚糖共价膜表面比较粗糙，而共混膜表面有均匀分布的白色颗粒，可能是GA晶体或GA和明胶相互作用的结果。此外，GA—壳聚糖共价膜具有更好的抗氧化和抗菌活性，而GA—壳聚糖共混膜却表现出更强的机械性能和阻水性。GA的量对共价膜抗氧化活性有较大的影响，当GA接枝量为209.9 mg/g时，共价膜表现出了最强的抗氧化活性[13]。将GA—壳聚糖衍生物用于圣女果保鲜时发现，它能有效保护圣女果抗坏血酸—谷胱甘肽循环和抗氧化酶系统，并抑制酶促褐变[14]。此外接枝GA后，共价膜大大提升对鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、李斯特菌、枯草芽孢杆菌的抗菌活性，且使鼠伤寒沙门氏菌的细菌生长量降低了2个数量级[15]。当溶液的浓度为10 mg/mL时，对大肠杆菌的抑菌圈直径达到11.44 cm[16]。同时接枝也使得共聚物具有更高的黏度，但共聚物的黏度随着GA接枝率的增加而降低[17]。对GA—壳聚糖共价膜成膜液的流变学特性研究表明，当GA接枝率较低时，有利于壳聚糖链上大分子间相互作用和缠绕，进而增加了成膜液的动态模量，且动态模量随着GA接枝率的增加而降低。较壳聚糖膜相比，共价膜拉伸强度有所提高，但断裂伸长率却有所降低。同时拉伸强度和断裂伸长率均随膜中GA接枝率的增加而降低，这和它们表现的流变学特性一致。当壳聚糖和GA的摩尔比为10∶1时，共价膜的水蒸气渗透率(water vapor permeability，WVP)低于壳聚糖膜，但随着共价膜中GA接枝率的增加，膜的WVP也随之增加，可能是壳聚糖链中的GA取代基降低或破坏了壳聚糖链上分子间和分子内作用力[18]。

1.2 CA—壳聚糖共价膜

咖啡酸是一种酚酸，由酚类和丙烯酸类官能团组成[19]，将咖啡酸分子接枝到壳聚糖分子链上可以提高壳聚糖膜的抗氧化和抗菌活性。

利用硝酸铈铵(ammonium ceric nitrate，CAN)，采用自由基引发接枝法制得CA和壳聚糖的共聚物，加入京尼平作为交联剂制得CA—壳聚糖共价膜，该共价膜和壳聚糖膜具有相似的机械性能。而添加1.5%的壳聚糖，4%的CA，制得的共价膜抗氧化活性最高，是单一成分壳聚糖膜的2倍。此外，在中性环境条件下，将京尼平作为交联剂添加到CA—壳聚糖共价膜中，其抗氧化活性较壳聚糖膜提升80%，而将京尼平添加到壳聚糖膜中却不会影响其抗氧化活性。接枝CA后共价膜的杨氏模量低于壳聚糖膜，可能是CA与壳聚糖的共价连接，导致了共价膜中网络交联程度的降低，从而引起共价膜刚性降低[20]。采用偶联接枝法合成CA—壳聚糖共价膜，再采用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基清除活性来评价共价膜的抗氧化活性时发现，共价膜的自由基清除活性几乎完全取决于膜中的CA含量，当CA浓度相同时，CA和CA—壳聚糖共价膜对DPPH自由基清除活性相近，因此CA—壳聚糖共价膜的抗氧化活性完全依赖于酚基[21]。Liu等[22]采用自由基引发接枝的方式，通过VC和H2O2氧化还原体系，在惰性气体环境中成功的将CA接枝到壳聚糖上。X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)结果表明，CA与壳聚糖的接枝共聚在一定程度上降低了壳聚糖的晶体结构，可能是由于壳聚糖分子间和分子内氢键在接枝共聚后减少所致。此外，pH对CA—壳聚糖共聚物的抗菌活性有显著影响，当pH=4.5时，共聚物对大肠杆菌，单核增生李斯特菌具有较强的抗菌活性，而当pH=6.5时，其对真菌具有较强的抗菌活性[23]。采用滤纸片法评估复合膜对大肠杆菌，金黄色葡萄球菌的抗菌活性得出，CA—壳聚糖共价膜的抑菌圈明显大于GA—壳聚糖共价膜[24]。

1.3 FA—壳聚糖共价膜

阿魏酸是广泛存在于植物界的一种酚酸，可以共价交联蛋白质和多糖。利用阿魏酸对壳聚糖—胶原蛋白复合膜进行改性，制得FA—壳聚糖—胶原蛋白共价膜。当FA浓度为2%、热处理温度为70 ℃、时间为30 min时，它可使膜拉伸强度增加12.50%、断裂伸长率降低24.36%、水蒸气透过率降低39.46%[25]。较壳聚糖膜相比，FA—壳聚糖共价膜对DPPH、羟基及H2O2自由基的清除能力显著增强。但当接枝率相同时，FA—壳聚糖共价膜的抗氧化活性却低于CA—壳聚糖共价膜[26]，与Liu等[22]的研究结果一致，说明壳聚糖共价膜的抗氧化活性取决于接枝共聚多酚类物质的含量和种类。此外，FA—壳聚糖共聚物可以溶于水和甘油[27]，这些对扩大壳聚糖在食品包装领域的应用具有重要意义。

将FA—壳聚糖共聚物和生物降解膜在高温下进行复合挤压，然后吹塑制膜。结果表明将FA共价交联到壳聚糖上，可以使FA热稳定性得到改善，且在一定程度上减少FA在加热过程中的损失。当FA—壳聚糖共聚物质量分数在0.02%～0.08%时，膜的拉伸强度无明显改变，但膜的延展性却有所降低。此外，膜的水蒸气透过率增加了11.7%～29.8%，氧气透过率则降低了0.1%～20.6%，与共混膜相比，FA—壳聚糖共价膜的DPPH自由基清除活性可以提高3倍[28]。采用漆酶作为催化剂，分别将FA氧化产物和阿魏酸乙酯(ethyl ferulate，EF)氧化产物接枝到壳聚糖上，其中FA氧化产物在壳聚糖上的接枝率更高，两种共聚物的抗氧化活性均得以提升，且FA—壳聚糖共聚物抗氧化活性增加更为显著，但抗菌活性却未发生改变。对其流变学特性研究得出，当溶液的浓度高于8 mg/mL时，二者均形成黏稠溶液，随着溶液浓度增加，其黏度也随之增加，且FA—壳聚糖共聚物溶液黏度增加更为明显[29]。这可能是壳聚糖链上不同侧链基团间疏水相互作用形成的物理交联，这些交联形成了具有流变学特性的聚合物网络[30]。而采用重组细菌漆酶为催化剂，制备FA—壳聚糖共聚物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌活性均强于壳聚糖。但抗菌活性并未随共聚物浓度的增加而增加，当浓度较低时，其共聚物可改变细胞膜的通透性，阻止营养物质进入导致细胞死亡；而当浓度较高时，共聚物可以密集的包裹在细胞表面，减少细胞质渗漏，而使抗菌活性不能得到有效提高[31]。

壳聚糖和多酚类物质共价键合成膜可以显著提高膜的抗氧化和抗菌活性，主要和膜内多酚类物质的种类和含量有关。同时接枝共聚也影响了壳聚糖分子间和分子内相互作用，复合膜的机械性能未得到明显改善，可在膜内添加交联剂类物质以改善这种影响。

2 壳聚糖—酚类物质共混膜

共混复合也是提高壳聚糖膜性能常用的方法，将多酚类物质和壳聚糖共混，以期综合各组分的优良特性，拓宽壳聚糖的应用范围[32]。多酚类物质和壳聚糖共混主要存在氢键和静电相互作用[33]，研究[34]表明共混可以改善膜的物理、机械性能及生物活性。在实际应用过程中，共混膜中的多酚类物质可以从薄膜基质释放到包装食品中，从而在食品储存过程中提供持续的抗氧化和抗菌活性[35]。常见的植物多酚类物质如姜黄素(curcumin，Cur)、茶多酚(tea polyphenols，TP)、苹果多酚(apple polyphenols，AP)，常用于和壳聚糖共混制膜。

2.1 Cur—壳聚糖共混膜

姜黄素是一种功能性的天然多酚类物质，是姜黄的一种重要成分，具有良好的抗氧化和抗菌活性[36]。将姜黄素添加到壳聚糖中可制得Cur—壳聚糖共混膜，红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)研究表明，姜黄素和壳聚糖之间存在氢键相互作用。此外，当姜黄素浓度较低时，Cur—壳聚糖共混膜和单一成分壳聚糖膜的WVP无明显差别[37]。扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)显示姜黄素的加入并未使共混膜产生多孔和分裂结构，虽然共混膜没有单一成分壳聚糖膜那样结构紧凑，但其截面却是均匀连续的，表明姜黄素和壳聚糖之间具有良好的相容性[37]，与Portes等[38]的报道一致。加入姜黄素后膜的拉伸强度提升了2倍，但断裂伸长率却发生了明显的下降。对金黄色葡萄球菌的抑制结果表明，添加姜黄素后，抑菌圈直径由原来的10 mm 增加到了12 mm，即共混膜的抗菌活性得到提高[37]。将Cur和壳聚糖共混，再加入增塑剂可以提高膜的阻水性，进而导致膜的WVP降低。添加Cur后并未改变膜的杨氏模量，但膜的拉伸强度和断裂伸长率却与添加的Cur量有关，当Cur量较低时，能够提高复合膜的拉伸强度[39]。

2.2 TP—壳聚糖共混膜

茶多酚是一种良好的抗氧化剂，与壳聚糖共混可以开发出抗氧化活性高的食品包装膜[40]，还可提高膜的机械强度、耐水性等性能[41]。此外，绿茶多酚的添加增强了膜的阻水性，同时也降低了膜溶液的表观黏度和膜的延展性[42]。而将茶多酚添加到壳聚糖—聚乙烯醇复合膜中，FTIR分析表明茶多酚、壳聚糖和聚乙烯醇共混时发生了较强的氢键作用；当茶多酚的质量分数为2%时，膜的综合性能最好，其拉伸强度提高了4.99%，水溶性、水蒸气渗透率和氧气透过率分别降低了82.43%，51.40%，72.77%，膜的抗氧化能力增强了58.54%[43]。将茶多酚和壳聚糖共混，再通过流延法可制备茶多酚—壳聚糖共混膜，添加茶多酚后壳聚糖膜外观呈现出红褐色，膜的透明度降低。此外添加茶多酚有利于提升膜的拉伸强度，当茶多酚含量为20%时，拉伸强度提升最为明显，此时膜也具备较好的阻氧性。但添加茶多酚后使得膜的断裂伸长率降低，说明膜的韧性变差[44]。当共混膜中茶多酚质量分数为40%时，其DPPH自由基清除活性最高，较壳聚糖膜增加了12倍以上，但共混膜自由基清除活性随时间的增加而降低，24 d后约降低了33%～43%[45]。

2.3 AP—壳聚糖共混膜

苹果多酚是苹果中所含多元酚类物质的通称，具有抗氧化及广谱抑菌作用[46]。将AP和壳聚糖共混制得食品包装膜，随着AP添加量的增加，膜的颜色在逐渐加深，SEM表示AP—壳聚糖共混膜和壳聚糖膜的外观都是光滑均匀的，说明AP中的多酚均匀分布在壳聚糖基质中。共混膜的厚度和密度也随着AP量的增加而显著增加，Peng等[47]的研究中也出现相似的结果。另外随着AP含量的增加，共混膜的阻水性得到提高，WVP逐渐减低。当AP含量由0.25%增加到1.00%时，共混膜的拉伸强度和断裂伸长率逐渐降低[48]，可能是膜微观结构、膜内分子间作用力的改变，以及膜结晶度的降低所致。壳聚糖膜表现出了较低的DPPH自由基清除活性[48]，但AP的加入却显著的提高了膜的抗氧化活性，添加1.00%的AP后，共混膜抗氧化活性几乎是壳聚糖膜的3倍。同时AP的加入显著提升了共混膜对细菌和霉菌的抗菌活性，但对酵母却未表现出抗菌活性[49]。将AP—壳聚糖共混膜用于草鱼片保鲜时，可有效阻止冷藏过程中微生物的增殖，脂质和蛋白质的氧化[50]。目前，AP—壳聚糖共混膜作为合成材料的替代品，对食品保质期的延长具有极大的应用潜力。

壳聚糖和多酚类物质共混复合成膜，可以在一定程度上提高膜的抗氧化和抗菌活性。共混产生的分子间和分子内相互作用，可以使多酚类物质均匀分布在壳聚糖基质中。此外，膜的机械性能与添加多酚类物质的量有关，当添加量较低时，共混膜的拉伸强度、阻水性均优于壳聚糖膜，但断裂伸长率却有所降低。

3 展望

综上所述，壳聚糖多酚类复合膜因其显著的抗氧化和抗菌活性使其在食品包装领域具有广泛的应用前景，相比较而言，共价膜抗氧化和抗菌活性提升更加明显。另一方面，膜在机械性能方面的改变却和添加多酚类物质的种类和含量，及其与壳聚糖的结合方式有关。因壳聚糖和多酚类物质共价键合后减少了壳聚糖分子间和分子内氢键作用，所以共混膜较共价膜在机械性能方面表现更佳。此外，目前壳聚糖多酚类复合膜多集中在对其性质进行分析研究，而对于复合膜在食品包装的具体应用却较少。在以后的研究中需要不断去探求与壳聚糖结合的多酚类物质的种类，另一方面，也应立足于复合膜在食品包装上的应用，对膜在使用过程中的多项理化性质进行讨论与分析。