壳聚糖在肉类贮藏及保鲜中的应用进展

甄宗圆，唐子深，李志杰，李先保

1(安徽科技学院 食品工程学院，安徽 滁州，233100)2(枣庄学院 食品科学与制药工程学院，山东 枣庄，277160)

中国近30年肉类总产量和消费量均位列世界第一[1]。肉和肉制品中富含多种营养物质，是均衡膳食的重要组成部分。然而，肉类产品极易在运输和贮藏中滋生腐败菌，如处理不当会导致产品鲜度降低、肉质变差甚至腐败变质，产生有毒物质。保鲜剂作为防腐抑菌的方式之一，因其价格低廉和使用方便深受生产者青睐。近年来，消费者对肉类产品品质和安全性的需求日益增加，合成保鲜剂、防腐剂的保鲜效果及潜在风险逐渐受到关注，肉类保鲜领域迫切需要高效的新型天然保鲜剂。与其他常规保鲜剂相比，壳聚糖不仅具有优异的抗氧化性和抗菌性，还可以通过多种工艺和天然抗氧化剂、抑菌剂进行复配结合形成复合膜，其优良的保鲜性能能够很好地满足市场需求。本研究对壳聚糖的保鲜机理、保鲜工艺以及影响因素3个方面进行了综述。

1 壳聚糖的保鲜机理

1.1 减缓脂质氧化

1.2 抑制微生物

壳聚糖具有优良的抗菌性，可以有效地抑制多种微生物的繁衍，延缓肉及肉制品的腐败劣变。壳聚糖抑菌保鲜是依靠其分子上的—NH2+能质子转化形成抑菌基团—NH3+。一方面，这些阳离子基团能够作用于细菌或真菌带阴离子的细胞质或带负电荷的细胞膜/壁，改变其通透性，从而影响微生物活性；另一方面，壳聚糖还可以通过阳离子氨基螯合金属抑制细胞内酶的活性，以及络合细胞质DNA/mRNA导致蛋白质合成的抑制[8]；因此，壳聚糖的抑菌效果首先取决于微生物细胞膜/璧和细胞质的组成和带电荷情况。如研究表明，壳聚糖对大肠杆菌、假单胞菌和葡萄球菌等微生物有显著的抑制效果。随着壳聚糖浓度升高，对大肠杆菌、乳酸菌抑制作用持续增加，而对假单胞菌、葡萄球菌的抑制效果则为先升后降[9]。基于壳聚糖的抑菌机理，对其表面的氨基进行修饰，提高表面活性，可增强其抑菌性能。如将壳聚糖中的氨基基团替换成季铵基团而得到的壳聚糖衍生物——壳聚糖季铵盐。翟纬坤等[10]采用溶液流延法制备聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐(聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐)薄膜并应用于黄骨鱼保鲜，发现壳聚糖季铵盐的添加显著抑制菌落总数和维持肉样感官。添加2%壳聚糖季铵盐的聚乙烯醇包装可延长鱼肉的货架期3 d左右。除了化学修饰，许多研究表明，壳聚糖通过复配改性和纳米改性后比单一保鲜剂对于肉类的抑菌作用更加显著。李楠等[4]研究发现，相比于壳聚糖对照组，壳聚糖-三七叶黄酮复合保鲜剂处理的冷鲜黄牛肉菌落总数及挥发性盐基氮含量的增速均较低，保鲜期延长2 d。对于壳聚糖抑制作用较弱的微生物，也可通过复配改善抑菌效果。如壳聚糖膜对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌活性较弱，如果在膜中添加丁香酸则可增强抗菌效果，延长保鲜期5 d[11]。另外，纳米改性同样也可增强壳聚糖的抗菌性能。WANG等[12]采用壳聚糖包埋纳米胶囊对冷却猪肉进行保鲜，菌落总数显示壳聚糖组货架期可延长至15 d，比对照组多出7 d，表明其对贮藏猪肉具有良好的抗菌作用。

2 壳聚糖在肉类保鲜中的应用

肉及肉制品富含营养物质，外源环境中的腐败菌极易在产品的贮藏及运输中对其造成影响，使肉的鲜度品质下降甚至腐败变质。壳聚糖本身具有抑菌功能，加之良好的生物相容性，使其可以与多种抗菌剂、抗氧化剂结合，通过不同的工艺、种类对壳聚糖进行改性可以进一步增强其保鲜性能。

2.1 壳聚糖单独应用于保鲜

壳聚糖的抗菌性和抗氧化性使其具备一定的保鲜性能。壳聚糖涂抹在食品表面后，能形成一层保鲜膜，该保鲜膜对空气中的水分子和气体分子均具有选择透过性，穿透阻力的增强和保湿性能提升，使肉及肉制品内的氧气含量降低，二氧化碳含量增加，抑制了产品的呼吸作用、生物代谢以及水分流散，延长了食品的保质期。添加壳聚糖的聚乙烯醇薄膜包装应用于鸡胸肉的保藏，结果显示处理组挥发性盐基氮值最低、pH 值最小和感官评分最高，该复合膜保藏的鸡胸肉第7天仍属于次鲜肉，相比空白组货架期延长了2 d[13]。研究发现壳聚糖生物保鲜剂虽然能够有效地延长冷鲜牛肉的贮存期，但其保鲜效果差于复合保鲜剂[14-15]。同样，在烧鸡、培根和火腿等肉制品的保鲜研究中, 复配/复合保鲜剂的性能普遍优于单一保鲜剂，保鲜效果更为显著[16-17]。

2.2 壳聚糖与其他保鲜剂的复配

复配工艺是以壳聚糖为主要基质，添加增塑剂、抗菌剂等，再利用分子之间的相互作用，形成一层具有保鲜性能的致密薄膜。改性后的壳聚糖复合膜抑菌效果和膜的稳定性得到了显著增强。根据所使用的基材不同，分为多糖、蛋白质及其他物质。

2.2.1 壳聚糖与多糖

2.2.2 壳聚糖与蛋白质

以蛋白为基材的复合膜是通过氢键、二硫键、疏水作用等连接而成的，复合膜具有一定力学性能及阻隔性。蛋白质成膜基材主要包括大豆蛋白、明胶、胶原蛋白等植物分离蛋白和动物分离蛋白。如大豆分离蛋白，其具有优良的膨胀性以及保湿性。崔心禹等[25]发现在可食膜中加入大豆分离蛋白和壳聚糖，采用微波处理的手段可改善膜的械性能和阻水性。明胶作为生物大分子涂膜保鲜剂，具有良好的成膜性，与壳聚糖共混可制成可生物降解的食品保鲜复合膜，广泛应用于肉及肉制品贮藏中。张立挺等[26]在制备1.5%(质量分数)壳聚糖和1.5%(质量分数)明胶复合膜液过程中发现，膜液对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有抑制作用。胶原蛋白经过水解后形成胶原蛋白肽，具有抗氧化和抑菌等诸多生物活性[27]。用胶原蛋白/壳聚糖复合膜对新鲜鸭肉进行涂膜处理, 相较于对照组, 涂膜组在肉样贮藏过程中有着显著的抑菌作用，肉品的品质大幅提高[28]。

2.2.3 壳聚糖与其他

其他基材主要以脂质类为主，脂质类可食性膜难溶于水而具有较强的疏水特性，但其极性低易受限。研究发现甘油二酯和壳聚糖各2%(质量分数)混合物混合，对腐败菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有抑制作用，可以通过抑制油脂的氧化和微生物的生长，延缓冷鲜肉的腐败和颜色的变化，效果优于空白及2种成分单独使用[29]。采用纳米粒封装的形式，可进一步提高壳聚糖与脂质的保鲜活性和稳定性，例如，刘善智等[30]利用离子交联法，在壳聚糖、三聚磷酸钠和迷迭香精油质量浓度分别为2、1.5和2 mg/mL，体积比5∶2∶1，pH 4的条件下制备迷迭香精油壳聚糖纳米制剂并应用于草鱼肉的冷藏保鲜，结果显示菌落总数微生物及脂质氧化均受到抑制，货架期为8 d以上，相比对照组延长3～4 d，其保鲜效果优于迷迭香精油和壳聚糖纳米粒的单独使用。壳聚糖与脂质复配可与其他保鲜方法协同发挥作用，如利用肉桂精油有效的提升了壳聚糖涂膜性能，协同聚偏二氯乙烯低氧气调(50% CO2+35% O2+15% N2)包装+0 ℃贮藏，有效抑制圆香黑猪肉pH、总挥发性盐基氮含量、菌落总数、假单胞菌数、热杀索丝菌数、汁液损失率的上升，同时可显著减缓红度值a*和弹性的下降，延长了冷鲜肉的货架期约4 d[31]。

另一类经常与壳聚糖复配的物质为植物源活性物质，如茶多酚和没食子酸。这类物质有较强的抗氧化能力，安全无毒，复配结合后的保鲜性能强于单一保鲜剂[32]。如在壳聚糖中加入茶多酚复配结合后，壳聚糖复合保鲜能抑制肌肉内源酶活性，延缓鱼肉的品质劣变进程[33]。同样，刘均等[34]也发现加入茶多酚后，复合膜可以有效抑制三文鱼中细菌增殖和脂质氧化，延长货架期。壳聚糖和没食子酸的包装薄膜同样可以维持肉的品质，抑制挥发性盐基氮的产生，保护肉质的颜色[35-36]。

2.3 壳聚糖的改性纳米工艺

相较于多糖、蛋白、脂类等天然高分子物质，经过纳米工艺改性后制得的壳聚糖纳米复合膜在强度、杀菌性和阻隔性有着显著的优势。如多糖物质与壳聚糖形成复合膜后，强度、成膜性和保鲜性能能得到加强，但部分存在结构较为松散，阻隔性能差的问题[37]。有报道称利用水热合成法制备的钛酸纳米管TNTs对果胶/壳聚糖复合膜进行改性，发现其可以填补壳聚糖分子与多糖链之间的间隙，使复合膜结构更加致密[38]。纳米粒子能够改善壳聚糖薄膜的微观结构和理化性能，使其能够显著减缓肉类的感官评分值和质构指标下降[39]。ZHANG等[40]将含龙蒿精油或龙蒿精油纳米粒对壳聚糖-明胶复合膜进行改性，可显著抑制猪肉片的品质劣变。纳米复合膜表现出令人满意的机械性能和疏水性，对于肉及肉制品的保鲜及贮藏具有较大的潜力[41]。

3 影响壳聚糖保鲜效果的因素

壳聚糖抗菌效果温和成膜机械强度高，阻隔性能好，但也存在一些制约因素，如本体分子质量、脱乙酰度、外界 pH及质量浓度等。

3.1 脱乙酰度

图1 壳聚糖的化学结构和碳位置的命名(C1-C6)Fig.1 Chemical structure of chitosan and denomination of carbon position (C1-C6)注：DDA表示脱乙酰度

3.2 pH值

pH值对壳聚糖的性能影响较明显，不仅会改变壳聚糖自身状态以及抗菌性能，还会使壳聚糖的改性发生变化。例如，壳聚糖的黏度会随着pH值的增大，先减小后增大，当pH为4.9时黏度降到最低。ROCHA等[46]以壳聚糖和透明质酸为主要原料，利用层层组装技术制备薄膜。在酸性(pH 4.5)至中性(pH 7.2)条件下，随着pH增加，薄膜的厚度、粗糙度和疏水性增加。通过改变pH和壳聚糖的脱乙酰度可制备厚度、粗糙度、亲水性等指标不同的薄膜，从而实现有针对性的应用。壳聚糖的抗菌活性是由于质子化氨基的存在。因此，pH强烈影响壳聚糖的抗菌效果，pH越低(

3.3 分子质量与质量浓度

壳聚糖的质量浓度会影响壳聚糖保鲜膜成膜的时间长短，以及成膜的拉伸强度和断裂伸长率。凡玉杰等[52]发现壳聚糖复合膜的拉伸强度和断裂伸长率随着壳聚糖质量浓度的增大而增大。壳聚糖质量浓度过高时，所形成的膜厚度就比较大，浓度过低所形成的膜很薄，不易成膜，而且抗菌性能也比较差。有学者使用不同质量浓度的壳聚糖对冷却猪肉进行处理，发现随着质量浓度的增加壳聚糖的抑菌效果越来越明显[53]，但也并非质量浓度越高保鲜效果就越好，肉的种类以及复配溶液都会影响质量浓度的选择。

4 结语

近年来国内的保鲜技术愈发成熟，各种新型、绿色的保鲜技术在不断地发展。因壳聚糖具有抗菌性和抗氧化性，成为很好的保鲜基材。同时，其良好的生物相溶性使其能和多糖、蛋白质等物质结合，提升复合膜的机械性能和抑菌效果。但是，简单复配的复合膜通常机械性能较差，不易推广应用，通过纳米工艺能够有效地增强壳聚糖复合膜的性能。目前，纳米壳聚糖保鲜膜的研究尚处于起步阶段，还存在一些问题，壳聚糖纳米化后与有机物之间的作用机理尚不明确，有待深入研究。总之，壳聚糖在肉类保鲜领域中有着巨大的研究价值，希望未来能够通过引入更多的反应基材及研究新的改性工艺，使壳聚糖在肉类的贮藏及保鲜领域中得到更好的应用。