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摘要：保鲜剂是肉类保鲜及贮藏的主要手段之一。壳聚糖作为一种广泛应用的天然保鲜剂，具有优异的抗氧化性、抗菌性及良好的生物相容性，与传统的合成保鲜剂相比更具有优势。该文围绕壳聚糖的保鲜机理、壳聚糖在肉类产品保鲜中的应用、影响壳聚糖保鲜效果的因素3个方面的最新成果进行综述，以期为肉及肉制品贮藏及保鲜提供科学依据和理论基础。
关键词：壳聚糖；保鲜机理；复配；纳米改性；可食用膜中国近30年肉类总产量和消费量均位列世界第一。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
脂质氧化是诱发肉及肉制品变质的主要因素之一。壳聚糖减缓脂质氧化的机理分为物理和化学两方面。物理方面指制壳聚糖涂膜具有水和氧气的隔绝性，可在一定程度上避免产品中的油脂与氧气接触。CHANG等报道称，采用喷塑法和氢氧化钠溶液中和法制备了壳聚糖膜，与低密度聚乙烯保鲜膜对照，进行冷鲜肉保鲜效果对比。经过10d保藏，壳聚糖涂抹产品显示较低的滴水损失、硫代巴比妥酸等。最佳的隔绝水和氧气的效果接近聚乙烯保鲜膜。而化学方面，壳聚糖分子上的活性氨基和羟基使其具备抗氧化性，包括对DPPH自由基、超氧阴离子自由基（·O2－）和H2O2的清除能力，以及对金属离子更好的螯合能力，能有效抑制肉类产品的氧化变质。壳聚糖完全脱乙酰后涂布在白虾表面，涂层能够显著降低产品的总需氧量进而有效抑制过氧化物形成。壳聚糖的抗氧化能力在常见天然抗氧化剂中相对较弱，联合使用效果更佳。如有研究表明，壳聚糖和三七叶黄酮制成复合保鲜剂后具有有优良的抗氧化能力，其DPPH自由基清除率随着三七叶黄酮的比例增加而升高（三七与壳聚糖质量比效果：2：1＞1∶1＞1∶2）。壳聚糖本身具有的抗氧化性，使其可以与脂类抑菌剂联合使用。如壳聚糖与甘油二酯混合添加到鲜牛肉糜中，能够有效抑制pH值升高、微生物繁殖和脂质氧化，提高牛肉感官品质评分，延长保鲜期。壳聚糖除了本身的抗氧化性，在与脂类抑菌剂联合使用中，还可起到稳定作用。如壳聚糖与月桂精油脂质体混合，可改善精油的不稳定性和延缓其银纳米粒子（AgNPs）的释放。将混合物涂覆聚乙烯（polyethylene，PE）膜包装猪肉，显示出良好的抗氧化性能和抑菌活性。除了作为混合物起稳定作用，壳聚糖本身也可作为壁材用于制备纳米微胶囊发挥抗氧化性。WU等制备的壳聚糖-乳酸链球菌素纳米微胶囊可有效抑制脂质氧化，将贮藏期间小黄鱼的保质期延长6～9ｄ。
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；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。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3d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2d。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5d。另外，纳米改性同样也可增强壳聚糖的抗菌性能。WANG等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15d，比对照组多出7d，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2d。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。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。
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
壳聚糖与其他多糖能过氢键和静电引力作用形成保鲜膜层。多糖类成膜基材主要包括卡拉胶、普鲁兰多糖、黑木耳多糖、蔗糖、葡萄糖、海藻糖、淀粉等。这些多糖自身也具备一定的保鲜性能，或对肉的品质有一定保护作用，如卡拉胶对鱼糜类产品感官品质的保持和增强作用。因此，加入多糖可提升壳聚糖的性能及功效。如在壳聚糖中添加一定量的普鲁兰多糖，单独的普鲁兰多糖膜没有抑菌圈，普鲁兰多糖-壳聚糖抗菌复合膜的抑菌性能在多糖交联矩阵中依然保持良好，对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、沙门氏菌和革兰氏菌均有抑制作用。合成的复合抗菌保鲜膜具有良好的机械性能和抑菌性能，处理组微生物增长较缓慢，第13天菌落总数仍低于对照组第9天，大肠O157:H7、单增李斯特菌和沙门氏菌数量也较少，并且在贮存末期具有较好的感官、质地、挥发性盐基氮、pH值、色度指标（a*/b*）等指标。有些成分的加入可改善壳聚糖膜的性能，如黑木耳多糖与壳聚糖共混后，复合膜的密度、溶解度、抗拉强度均明显提高。冷鲜牛肉于4℃条件下贮藏10d，结果表明黑木耳多糖/壳聚糖可食性复合膜包装组肉制品感官分数和pH值都高于市售聚对苯二甲酸乙二酯/PE复合真空包装袋及壳聚糖膜包装组，黑木耳多糖/壳聚糖组中所含菌落总数和硫代巴比妥酸值都较低。关于淀粉基材，研究发现玉米淀粉和壳聚糖复配结合后，复合膜的拉伸强度、断裂伸长率、透光率等力学性能与包装性能均得到提升。另外，多糖物质还可作为低温保护剂对复配后壳聚糖纳米粒的物理化学特性起保护作用。但是，并非所有多糖基材都能有效地对壳聚糖进行改性。如壳聚糖与淀粉通过分子间-NH3＋与-OH形成新氢键，产生交联作用，但部分淀粉使复合膜的稳定性受到了影响。与直链淀粉的交联作用破坏了直链淀粉的结晶结构促使不同链/支比交联薄膜均呈无定型态，形成的无定型结构，导致淀粉-壳聚糖交联薄膜中大分子裂解阻力减弱，热稳定性降低。也有研究表明，壳聚糖/淀粉复合薄膜中存在未参与形成有序结构的壳聚糖分子，外源环境极易改变这些不稳定的分子，使得复合薄膜致密性下降，进而影响了壳聚糖的性能。
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机械性能和阻水性。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。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。
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。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2mg/mL，体积比5:2:1，pH4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8d以上，相比对照组延长3～4d，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4d。
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。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。同样，刘均等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。
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。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。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。ZHANG等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。
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
壳聚糖由甲壳素经过脱乙酰化后而形成。在酸性pH下，壳聚糖是一种多阳离子结构，由N-乙酰-D-氨基葡萄糖和D-氨基葡萄糖单元组成，由β（1→4）糖苷键连接（图1）。其中，Ｄ-氨基葡萄糖单元所占比例称为脱乙酰度，通常在60%～95%。脱乙酰度影响壳聚糖在水溶液中的固有黏度和溶解度，并影响壳聚糖的生物降解性和生物相容性行为、抗菌活性和许多其他性能。壳聚糖的成膜性能和膜液流动状态与脱乙酰度密切相关，随着脱乙酰度升高，壳聚糖的膜性能会不断的提升。TAVARES等研究了不同脱乙酰度（83%、94%、96%）对壳聚糖交联和凝胶的影响，结果显示脱乙酰度较高的壳聚糖具有较低的凝胶化温度和较强的凝胶网络结构。壳聚糖和交联剂表面电荷在二者之间的静电相互作用中起着重要作用，因为具有较高脱乙酰度的壳聚糖具有较高的游 离氨基，可与交联剂交联。随着壳聚糖脱乙酰度的增加，其机械强度得到了改善，更耐破裂。壳聚糖链的生物活性取决于糖链上质子化胺基（-NH3+）分布和数量的关键参数，脱乙酰度越高，生物活性也好，壳聚糖脱乙酰度的高低也直接影响其抑菌性能。因此，脱乙酰度是决定壳聚糖特定生理活性的重要参数之一，更是判定壳聚糖产品质量的一个主要指标。壳聚糖脱乙酰度受到制备反应时间、温度、过氧化氢质量分数和乙酸质量分数4种因素的影响，其中乙酸质量分数对脱乙酰度的影响最大，过氧化氢质量分数影响最小。
图1 壳聚糖的化学结构和碳位置的命名（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（pH4.5）至中性（pH7.2）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（＜pKa≈6.5），壳聚糖显示的抗菌活性越高。不同形式的壳聚糖的对反应pH要求不同，如壳聚糖创伤敷料在不同pH值PBS缓冲溶液中，对微生物的抑制性能在pH6.7时对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的抑菌率达到最大。壳聚糖在改性工艺中也常常受到pH值的调控。何鹏等发现，以壳聚糖为壁材，以三聚磷酸钠为交联剂，采用离子凝胶法制备丁香精油-壳聚糖纳米胶囊，在pH4.0～6.0范围内，壳聚糖纳米胶囊粒径和包埋率先下降后上升，pH4.5时最低。另有实验表明，将壳聚糖季铵化后，其溶液也受pH影响，取代度为37.3%的壳聚糖季铵盐溶液受pH影响较大。特别是当溶液发生酸碱性转变时，透光率下降幅度达到最大。
3.3 分子质量与质量浓度
同分子质量壳聚糖抗氧化性能存在差异。在羟基自由基的清除实验中，壳聚糖的分子质量越高，清除率越高；对·O2－和DPPH自由基而言，中低分子质量壳聚糖的清除效果均优于高分子壳聚糖，中分子质量壳聚糖清除·O2－能力最佳，而低分子质量壳聚糖清除DPPH自由基能力最佳。分子质量对壳聚糖的抗菌活性也具有显著影响。低分子质量链比较长的链更有效，这可能是由于小链的流动性更高，能够更好地穿透细菌膜。
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，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。
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