壳聚糖及其复合保鲜技术在水产品抗菌保鲜中的研究进展

李典典，刘然，牛欣璐，高畅，魏月*，马晶军*

（1.河北农业大学理工系，河北 沧州 061100；2.北京天宝康高新技术开发有限公司，北京 100084）

我国渔业资源丰富，是水产品养殖与流通大国，据《中国渔业统计年鉴》（2020年版）统计显示，2019年我国水产品总产量达6 480.36万t，与上年相比增长了0.35%[1]。水产品不仅为优质蛋白质源，而且口感及风味独特，因此其消费量呈逐年增长的趋势[2-3]。但新鲜的水产品在贮运过程中极易发生腐败变质，我国每年水产品损失率约15%，经济损失严重[4]。研究表明，微生物是引起多数水产品腐败的主要因素，其中特定腐败菌能最大程度上适应贮藏环境而成为优势菌群，因此控制特定腐败菌的滋生可有效延长其货架期[5]。

水产品保鲜的方法主要包括物理保鲜、化学保鲜及生物保鲜。利用物理技术抑制或杀灭水产品中的微生物，必须考虑温度及各种环境因素变化对水产品肌肉组织的影响[6]。化学防腐剂保鲜虽然高效快捷，但存在化合物残留的健康隐患[7]。随着人们对食品安全及品质关注度的不断提高，天然、安全、易降解的生物保鲜剂越来越受欢迎，逐渐成为国内外研究热点。

壳聚糖（chitosan，CTS）又称脱乙酰甲壳素，是广泛存在于虾、蟹、昆虫外壳中的甲壳素经脱乙酰化反应最终脱乙酰度达50%时的产物[8]。CTS作为一种天然碱性多糖，易溶于弱酸性水溶液，有效增强了其在较温和条件下的加工性能；经毒物代谢动力学检测，对人体免疫系统、神经系统、胎儿发育均无毒性作用；易在食品表面形成选择性透过膜；可降解，减少环境污染[9-10]。CTS因独特的理化性质及良好的抑菌性能被广泛应用于食品领域。2013年CTS被正式列入国家食品添加剂使用标准中，CTS在各类食品特别是水产品保鲜中的应用也逐渐增加。本文从CTS的抑菌机理及其复合保鲜剂、复合纳米材料、复合辐照、复合气调包装等复合保鲜技术在水产保鲜中的应用等方面进行概述，旨在为CTS的水产保鲜研究提供一定的参考，推动水产行业的发展。

1 水产品品质劣变原理

水产品死后品质的变化主要经历僵硬、自溶、腐败3个阶段。处于僵硬阶段的水产食品鲜度是完全良好的，到自溶阶段水产品原有的风味较易损失，鲜度有所降低，而进入腐败阶段将直接导致水产品风味和感官品质劣变。因此控制产品腐败的发生是水产保鲜的重要举措。水产品腐败是以革兰氏阴性杆菌为主的腐败菌生长繁殖到一定程度的结果[11]。水产品体内及其体表沾染的各种微生物的分解作用非常活跃而产生了多种酶。在这些酶的作用下，水产品肌肉组织中的氨基酸进一步分解生成氨和胺类、硫化氢、吲哚等各种具有腐臭特征的产物，影响产品气味；不饱和脂肪酸氧化分解生成有机物再与磷脂、蛋白质等结合生成色素及荧光产物，影响产品色泽[12]。在腐败菌存在的条件下，当腐败分解产物积累到一定程度时，水产品品质即劣变。

2 CTS的抑菌作用及机理

2.1 CTS抑菌作用

微生物的活动将导致食品品质劣变，严重缩短食品货架期，因此抑菌为食品保鲜的重要举措。CTS具有良好的广谱抑菌活性，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、霉菌及酵母菌均有抑制作用[13]。但由于各微生物对CTS的耐受力不同，致使CTS对其抑制作用也不尽相同。Orellano等[14]研究表明，CTS作用于金黄色葡萄球菌时最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）为1.6 mg/mL。大肠埃希氏菌MIC≤0.50 mg/mL[15]；荧光假单胞菌MIC为0.125 mg/mL[16]；李斯特菌及绿脓杆菌的MIC均为0.5 mg/mL，霉菌MIC一般小于2.0 mg/mL，白色假丝酵母MIC为2.0 mg/mL[17]。以上研究表明CTS可一定程度上抑制腐败菌的滋生，延缓食品品质劣变。

在水产品的防腐保鲜过程中，潘艳艳等[18]利用1%的CTS对鲈鱼进行涂膜处理后冷冻贮藏，其在第21天的菌落总数（total viable count，TVC）为 6.01 lg（CFU/g），对照组样品第15天时即达到。Carrión-Granda等[19]将95%脱乙酰度的CTS应用于4℃低温条件下的剥皮虾，结果发现处理组样品在12 d时TVC减少约1个对数值，可有效抑制虾肉中嗜冷菌和乳酸菌生长。Kakaei等[20]采用85%脱乙酰度的CTS涂膜处理冷藏虹鳟鱼鱼片，结果得出CTS可抑制样品中李斯特菌的生长。因此，CTS是一种抑菌作用良好的生物保鲜剂，在水产品抗菌保鲜方面有着广泛的应用价值。

2.2 CTS抑菌机理

CTS抑菌机理一直为研究的热点，目前，对CTS的抑菌机理已有一定的认知。Khoushab等[21]、Sudarshan等[22]提出，CTS分子链上的-NH2在酸性环境下可发生质子化，形成的抑菌基团-NH3+可与带负电荷的细菌产生静电相互作用，使得细胞膜破裂，细胞壁难以合成，细胞的功能性应答消失，从而起到杀菌功效。而Berizi等[23]提出CTS还可透过细胞膜（壁）将胞内蛋白质和核酸等物质作为目标靶，阻碍蛋白质、DNA及RNA的合成，造成微生物死亡。此外，CTS因良好的成膜性，能够在微生物表面形成一层高分子膜，一定程度上阻隔菌体细胞内外物质递运，从而抑制微生物活性[24]。

2.3 CTS的抑菌增强技术

CTS尽管具有一定的广谱抑菌作用，但其与自身脱乙酰度、相对分子质量有着密切关系，且由于CTS的水溶性差，其应用也受到相应的限制。因此，基于CTS的抑菌机理，对其表面的氨基、羟基进行化学修饰致使CTS发生改性，可达到增强CTS抑菌作用的目的。如Shagdarova等[25]利用CTS与缩水甘油三甲基氯化铵发生醚化反应，将CTS中的氨基基团替换为季铵基团从而得到CTS季铵盐（chitosan quaternary ammonium salt，HACC）。翟纬坤等[26]将利用流延法制备的聚乙烯醇（polyvinyl，PVA）/CTS季铵盐（PVA/HACC）膜用于黄骨鱼的保鲜，发现HACC的添加可有效抑制鱼肉中TVC增长，当HACC添加量为2%时，PVA/HACC膜可延长黄骨鱼货架期约3 d。王娟娟[27]利用甲壳素和氯乙酸为底物，使其在强碱条件下反应制得了羧基化CTS，与商业化CTS相比，改性CTS有着更强的抑菌作用，可使南美白对虾在冷藏贮存至第7天时仍处于二级鲜度指标，货架期延长3 d～4 d。

此外，利用美拉德反应对CTS进行改性，可以显著提高CTS的抗氧化性、抗菌性、溶解性等理化性质[28-29]。Mengíbar等[30]使 CTS 与 β-乳球蛋白发生美拉德反应，发现产物对自由基的清除能力提高，具有良好的抗氧化性。Huang等[31]以CTS、木糖混合液为底物通过美拉德反应制得更为有效的抗菌产物，结果表明产物的MIC是CTS的1/5，而且对革兰氏阳性菌表现出更强的抑制能力。Kanatt等[32]将CTS与葡萄糖混合加热，所得美拉德反应产物对假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等常见细菌的MIC达到0.05%。虽然这些研究表明改性CTS有着一定的抗氧化活性及抑菌性，但目前此保鲜剂在水产品中的应用仍鲜有报道。除了化学改性，众多研究显示，CTS历经复配后较单一保鲜剂对水产品抑菌作用更加显著。基于CTS的复合保鲜技术在水产品中应用前景良好。

3 CTS复合保鲜技术在水产品保鲜中的应用

近几年，复合保鲜技术逐渐成为研究的热点。复合保鲜是将2种或2种以上的物理、化学及生物保鲜手段相结合从而对食品进行保鲜的技术[33]。复合保鲜技术的应用不仅能够使不同保鲜技术相互协同，更好地延缓食品腐败，而且可在保证食品品质和安全的前提下减少单一保鲜剂的用量。目前CTS复合保鲜技术主要集中在与其它生物保鲜剂、纳米材料、辐照技术及气调包装复合使用。以下总结了近几年国内外关于几种CTS复合保鲜技术在水产品保鲜方面的研究与应用。

3.1 CTS与其它生物保鲜剂复配

CTS复合生物保鲜剂在水产品中已有广泛应用。常用于与CTS进行复配的保鲜成分包括天然酶、抗菌肽、植物源提取物等。这些保鲜成分或与CTS存在协同抑菌作用，或在抗氧化性能上互补。Na等[34]发现赖氨酸-CTS复合保鲜剂能有效抑制太平洋白虾中嗜温菌与嗜冷菌数，使产品货架期延长至12 d。将溶菌酶加入到CTS中对大黄鱼进行涂膜处理，显著抑制了大肠杆菌的生长，货架期由原来的9 d延长至15 d[35]。明胶-CTS复合可食性涂膜不仅较好地保持了鳕鱼块中挥发性盐基氮（total volatile base nitrogen，TVB-N）含量及硫代巴比妥酸值（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）等鲜度化学指标，而且使得保鲜剂在被洗脱后不会影响到鱼块烹饪后的口感[36]。CTS与ε-聚赖氨酸、迷迭香酸复合使用，可使半滑舌鳎鱼片中丙醛、己醛等异味物质的相对含量明显降低[37]。CTS-植物源提取物复合保鲜剂在水产品保鲜方面的应用研究如表1所示。

表1 CTS-植物源提取物复合保鲜剂在水产品保鲜中的应用Table 1 Application of CTS-plant extract compound preservative in the preservation of aquatic products

3.2 CTS与纳米材料复合保鲜技术

纳米级抗菌材料，如纳米氧化锌（ZnO）颗粒、含纳米Ag抗菌聚合物、纳米纤维素（nanocellulose，NC）等，这些材料均具有高反应活性及广泛生物兼容性，目前已成功用于食品的活性包装中[45]。莫新迎等[46]利用层层组装流延法制备的载有ZnO纳米颗粒的CTS-海藻酸钠复合膜抗拉强度明显提高，水溶性、水蒸气透过率及透光率降低，表现出良好的包装特性和适用性。NC是通过物理、生物、化学或几者相结合的手段处理纤维素得到的直径小于1 000 nm，长度可达微米级的一种纤维素聚集体，目前NC主要分为细菌纤维素（bacterial cellulose，BC）、纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils，CNF）、纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystal，CNC）[47]。与普通纤维素相比，NC 比表面积大，且表面具有大量的羟基，易使CTS等抗菌粒子原位负载或分散负载到NC上形成无机复合抗菌材料[48]。沈慧颖等[49]采用戊二醛交联法制备了BC-CTS复合纤维膜，并在其表面沉积铜（Cu）纳米颗粒得到BC-CTS-Cu交联复合膜，后经研究人员发现BC-CTS-Cu复合膜作用20 min时对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌效果便达到了99.999%。

在食品保鲜方面，可将抗菌活性材料负载于NC上，制备能用于活性食品包装的复合高分子NC。目前已有CTS/NC生物复合膜作为食品活性包装的研究。Ceylan等[50]将百里香酚和液体烟雾成功载入CTS/NC膜，用该复合膜包裹海鲈鱼鱼片并于6℃低温条件下贮藏，发现其可减缓鱼片内嗜冷菌、好氧菌和霉菌的生长，抑制60%细菌的生长。杨华等[51]以CTS为成膜机制，在纳米SiOX改性的基础上加入溶菌酶（lysozyme，LZM）和茶多酚（tea polyphenols，TP），利用流延法制备SiOX/LZM/TP-CTS复合保鲜膜，研究发现纳米SiOX/LZM/TP-CTS复合膜可有效抑制水产品内腐败希瓦氏菌的生长，更好地维持产品的感官品质。因此，以上研究表明CTS结合纳米材料复合保鲜技术显示出优良的理化性能及抗菌保鲜性能，有效控制水产品腐败变质的发生。

3.3 CTS与辐照复合保鲜技术

电子束辐照是新兴的冷杀菌保鲜技术，其利用具有高能量密度的电子束照射食品以达到延长货架期的目的[52]。利用电子束辐照保鲜可有效降低食品营养损失、控制微生物的生长繁殖，近年来已广泛应用于各种水产品中，如蟹肉经1 kGy～9 kGy电子束辐照后，对其营养和色泽无不良影响[53]；1.0 kGy的电子束辐照可降低真空包装章鱼中生物胺的产生，冷藏期延长至35 d[54]；0.5 kGy的电子束辐照能够更好地保持三文鱼的品质，延长其货架期[55]。但辐照剂量过大时会使水产品的肉色产生一定变化，如白鲳鱼鱼肉会发生黄变[56]，鳕鱼在辐照后表皮出现轻微发红的现象[57]。因此若将辐照技术与生物保鲜剂复合使用，一定程度上能减少辐照剂量，对实现食品保质、保色、保味效果具有重要意义。

白婵等[58]将新鲜鲈鱼片先浸泡于复合生物保鲜液（含1 g/100 mL CTS、0.3 g/100 mL葡萄籽提取物、0.3 g/100mL大蒜素）中，后再经4kGy的60Co-γ射线辐照处理，结果发现与空白对照组相比，CTS复合保鲜剂结合辐照技术可延长鲈鱼货架期9d以上，鲈鱼片于4℃条件下贮藏至第15天时的TVC仅达5.91lg（CFU/g），仍未超过6.0 lg（CFU/g）的国家标准限量，且产品的TVB-N含量、TBARS值均较低，仍满足可食用的要求。但目前CTS与辐照复合保鲜技术在水产品中应用的报道还不多见，仍亟需研究者通过大量试验来进一步考究。CTS与电子束辐照技术相结合，可有效减少辐照剂量，在保障水产品色泽、营养等品质的同时最大程度实现抗菌保鲜，CTS与辐照保鲜技术协同作用，未来可在水产品抗菌保鲜方面成为新的发展趋势。

3.4 CTS与气调包装复合保鲜技术

气调包装（modified atmosphere packaging，MAP）技术是以高阻隔性能的复合材料为外包层，将CO2、O2、N2等气体按一定的比例充入食品包装容器内达到抑制微生物生长、降低酶活性和减缓组织氧化速率的目的，延长水产品在低温条件下的贮藏期[59-60]。但不同腐败微生物对CO2、O2等气体的敏感性不同，且不适宜的MAP条件易加速水产品氧化酸败，这限制了该保鲜技术在水产品中的应用。因此多将MAP与其他保鲜技术结合以保证水产品在冷藏期间的品质。

目前多采用CTS复合保鲜剂与MAP复合。Merlo等[61]研究CTS薄膜中添加粉胡椒渣提取物，并结合MAP（100%CO2）处理去皮的三文鱼片，在2℃下冷藏28 d的过程中，CTS-粉胡椒渣提取物复合保鲜剂具有较高的抑菌活性，有效减少菌落总数、控制风味，较好地保持了冷藏三文鱼片的质量。Duan等[62]对鳕鱼片进行CTS-磷虾油涂膜保鲜，并结合MAP贮藏于2℃环境下，结果表明，保鲜剂复合MAP处理的鳕鱼片在贮藏末期的TVB-N含量和菌落总数均低于空气对照组，保质期由5 d延长至10 d。以上研究均表明CTS保鲜剂与MAP技术相结合的复合保鲜技术能够发挥二者的协同互补作用，有效抑制水产品在贮藏过程中的腐败变质，延长水产品的货架期。

4 展望

CTS作为一种具有较强抑菌性和抗氧化特性的天然生物保鲜剂，在水产品保鲜领域存在着巨大的研究及应用价值。CTS在一定程度上可有效抑制水产品内微生物的滋生，降低水产品贮藏期间脂肪氧化及蛋白质降解速率，延长货架期。但单一CTS在水产品保鲜应用中仍存在限制因素，不及CTS复合其他保鲜技术时的保鲜效果。CTS与其它复合保鲜剂、纳米材料、气调包装及低剂量辐照保鲜技术复合，能使各保鲜技术协同互补，以达到最佳的水产品保鲜效果。目前，CTS在水产品保鲜上的研究主要集中于复合保鲜剂及复合气调包装对贮运过程中水产品品质的影响，而与其他一些新型保鲜技术复合使用的研究报道较少。随着新型保鲜技术的发展，CTS可结合的保鲜技术也会随之增加，但如何从CTS的自身特性出发结合其他保鲜技术，发挥CTS及其复合保鲜技术的互补优势，使水产品保鲜领域有新的突破仍是值得深入探究的问题。