殼聚糖及其復合保鮮技術在水產品抗菌保鮮中的研究進展

李典典，劉然，牛欣璐，高暢，魏月*，馬晶軍*

（1.河北農業大學理工系，河北 滄州 061100；2.北京天寶康高新技術開發有限公司，北京 100084）

我國漁業資源豐富，是水產品養殖與流通大國，據《中國漁業統計年鑒》（2020年版）統計顯示，2019年我國水產品總產量達6 480.36萬t，與上年相比增長了0.35%[1]。水產品不僅為優質蛋白質源，而且口感及風味獨特，因此其消費量呈逐年增長的趨勢[2-3]。但新鮮的水產品在貯運過程中極易發生腐敗變質，我國每年水產品損失率約15%，經濟損失嚴重[4]。研究表明，微生物是引起多數水產品腐敗的主要因素，其中特定腐敗菌能最大程度上適應貯藏環境而成為優勢菌群，因此控制特定腐敗菌的滋生可有效延長其貨架期[5]。

水產品保鮮的方法主要包括物理保鮮、化學保鮮及生物保鮮。利用物理技術抑制或殺滅水產品中的微生物，必須考慮溫度及各種環境因素變化對水產品肌肉組織的影響[6]?；瘜W防腐劑保鮮雖然高效快捷，但存在化合物殘留的健康隱患[7]。隨著人們對食品安全及品質關注度的不斷提高，天然、安全、易降解的生物保鮮劑越來越受歡迎，逐漸成為國內外研究熱點。

殼聚糖（chitosan，CTS）又稱脫乙酰甲殼素，是廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲外殼中的甲殼素經脫乙?；磻罱K脫乙酰度達50%時的產物[8]。CTS作為一種天然堿性多糖，易溶于弱酸性水溶液，有效增強了其在較溫和條件下的加工性能；經毒物代謝動力學檢測，對人體免疫系統、神經系統、胎兒發育均無毒性作用；易在食品表面形成選擇性透過膜；可降解，減少環境污染[9-10]。CTS因獨特的理化性質及良好的抑菌性能被廣泛應用于食品領域。2013年CTS被正式列入國家食品添加劑使用標準中，CTS在各類食品特別是水產品保鮮中的應用也逐漸增加。本文從CTS的抑菌機理及其復合保鮮劑、復合納米材料、復合輻照、復合氣調包裝等復合保鮮技術在水產保鮮中的應用等方面進行概述，旨在為CTS的水產保鮮研究提供一定的參考，推動水產行業的發展。

1 水產品品質劣變原理

水產品死后品質的變化主要經歷僵硬、自溶、腐敗3個階段。處于僵硬階段的水產食品鮮度是完全良好的，到自溶階段水產品原有的風味較易損失，鮮度有所降低，而進入腐敗階段將直接導致水產品風味和感官品質劣變。因此控制產品腐敗的發生是水產保鮮的重要舉措。水產品腐敗是以革蘭氏陰性桿菌為主的腐敗菌生長繁殖到一定程度的結果[11]。水產品體內及其體表沾染的各種微生物的分解作用非?；钴S而產生了多種酶。在這些酶的作用下，水產品肌肉組織中的氨基酸進一步分解生成氨和胺類、硫化氫、吲哚等各種具有腐臭特征的產物，影響產品氣味；不飽和脂肪酸氧化分解生成有機物再與磷脂、蛋白質等結合生成色素及熒光產物，影響產品色澤[12]。在腐敗菌存在的條件下，當腐敗分解產物積累到一定程度時，水產品品質即劣變。

2 CTS的抑菌作用及機理

2.1 CTS抑菌作用

微生物的活動將導致食品品質劣變，嚴重縮短食品貨架期，因此抑菌為食品保鮮的重要舉措。CTS具有良好的廣譜抑菌活性，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、霉菌及酵母菌均有抑制作用[13]。但由于各微生物對CTS的耐受力不同，致使CTS對其抑制作用也不盡相同。Orellano等[14]研究表明，CTS作用于金黃色葡萄球菌時最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）為1.6 mg/mL。大腸埃希氏菌MIC≤0.50 mg/mL[15]；熒光假單胞菌MIC為0.125 mg/mL[16]；李斯特菌及綠膿桿菌的MIC均為0.5 mg/mL，霉菌MIC一般小于2.0 mg/mL，白色假絲酵母MIC為2.0 mg/mL[17]。以上研究表明CTS可一定程度上抑制腐敗菌的滋生，延緩食品品質劣變。

在水產品的防腐保鮮過程中，潘艷艷等[18]利用1%的CTS對鱸魚進行涂膜處理后冷凍貯藏，其在第21天的菌落總數（total viable count，TVC）為 6.01 lg（CFU/g），對照組樣品第15天時即達到。Carrión-Granda等[19]將95%脫乙酰度的CTS應用于4℃低溫條件下的剝皮蝦，結果發現處理組樣品在12 d時TVC減少約1個對數值，可有效抑制蝦肉中嗜冷菌和乳酸菌生長。Kakaei等[20]采用85%脫乙酰度的CTS涂膜處理冷藏虹鱒魚魚片，結果得出CTS可抑制樣品中李斯特菌的生長。因此，CTS是一種抑菌作用良好的生物保鮮劑，在水產品抗菌保鮮方面有著廣泛的應用價值。

2.2 CTS抑菌機理

CTS抑菌機理一直為研究的熱點，目前，對CTS的抑菌機理已有一定的認知。Khoushab等[21]、Sudarshan等[22]提出，CTS分子鏈上的-NH2在酸性環境下可發生質子化，形成的抑菌基團-NH3+可與帶負電荷的細菌產生靜電相互作用，使得細胞膜破裂，細胞壁難以合成，細胞的功能性應答消失，從而起到殺菌功效。而Berizi等[23]提出CTS還可透過細胞膜（壁）將胞內蛋白質和核酸等物質作為目標靶，阻礙蛋白質、DNA及RNA的合成，造成微生物死亡。此外，CTS因良好的成膜性，能夠在微生物表面形成一層高分子膜，一定程度上阻隔菌體細胞內外物質遞運，從而抑制微生物活性[24]。

2.3 CTS的抑菌增強技術

CTS盡管具有一定的廣譜抑菌作用，但其與自身脫乙酰度、相對分子質量有著密切關系，且由于CTS的水溶性差，其應用也受到相應的限制。因此，基于CTS的抑菌機理，對其表面的氨基、羥基進行化學修飾致使CTS發生改性，可達到增強CTS抑菌作用的目的。如Shagdarova等[25]利用CTS與縮水甘油三甲基氯化銨發生醚化反應，將CTS中的氨基基團替換為季銨基團從而得到CTS季銨鹽（chitosan quaternary ammonium salt，HACC）。翟緯坤等[26]將利用流延法制備的聚乙烯醇（polyvinyl，PVA）/CTS季銨鹽（PVA/HACC）膜用于黃骨魚的保鮮，發現HACC的添加可有效抑制魚肉中TVC增長，當HACC添加量為2%時，PVA/HACC膜可延長黃骨魚貨架期約3 d。王娟娟[27]利用甲殼素和氯乙酸為底物，使其在強堿條件下反應制得了羧基化CTS，與商業化CTS相比，改性CTS有著更強的抑菌作用，可使南美白對蝦在冷藏貯存至第7天時仍處于二級鮮度指標，貨架期延長3 d～4 d。

此外，利用美拉德反應對CTS進行改性，可以顯著提高CTS的抗氧化性、抗菌性、溶解性等理化性質[28-29]。Mengíbar等[30]使 CTS 與 β-乳球蛋白發生美拉德反應，發現產物對自由基的清除能力提高，具有良好的抗氧化性。Huang等[31]以CTS、木糖混合液為底物通過美拉德反應制得更為有效的抗菌產物，結果表明產物的MIC是CTS的1/5，而且對革蘭氏陽性菌表現出更強的抑制能力。Kanatt等[32]將CTS與葡萄糖混合加熱，所得美拉德反應產物對假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等常見細菌的MIC達到0.05%。雖然這些研究表明改性CTS有著一定的抗氧化活性及抑菌性，但目前此保鮮劑在水產品中的應用仍鮮有報道。除了化學改性，眾多研究顯示，CTS歷經復配后較單一保鮮劑對水產品抑菌作用更加顯著?；贑TS的復合保鮮技術在水產品中應用前景良好。

3 CTS復合保鮮技術在水產品保鮮中的應用

近幾年，復合保鮮技術逐漸成為研究的熱點。復合保鮮是將2種或2種以上的物理、化學及生物保鮮手段相結合從而對食品進行保鮮的技術[33]。復合保鮮技術的應用不僅能夠使不同保鮮技術相互協同，更好地延緩食品腐敗，而且可在保證食品品質和安全的前提下減少單一保鮮劑的用量。目前CTS復合保鮮技術主要集中在與其它生物保鮮劑、納米材料、輻照技術及氣調包裝復合使用。以下總結了近幾年國內外關于幾種CTS復合保鮮技術在水產品保鮮方面的研究與應用。

3.1 CTS與其它生物保鮮劑復配

CTS復合生物保鮮劑在水產品中已有廣泛應用。常用于與CTS進行復配的保鮮成分包括天然酶、抗菌肽、植物源提取物等。這些保鮮成分或與CTS存在協同抑菌作用，或在抗氧化性能上互補。Na等[34]發現賴氨酸-CTS復合保鮮劑能有效抑制太平洋白蝦中嗜溫菌與嗜冷菌數，使產品貨架期延長至12 d。將溶菌酶加入到CTS中對大黃魚進行涂膜處理，顯著抑制了大腸桿菌的生長，貨架期由原來的9 d延長至15 d[35]。明膠-CTS復合可食性涂膜不僅較好地保持了鱈魚塊中揮發性鹽基氮（total volatile base nitrogen，TVB-N）含量及硫代巴比妥酸值（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）等鮮度化學指標，而且使得保鮮劑在被洗脫后不會影響到魚塊烹飪后的口感[36]。CTS與ε-聚賴氨酸、迷迭香酸復合使用，可使半滑舌鰨魚片中丙醛、己醛等異味物質的相對含量明顯降低[37]。CTS-植物源提取物復合保鮮劑在水產品保鮮方面的應用研究如表1所示。

表1 CTS-植物源提取物復合保鮮劑在水產品保鮮中的應用Table 1 Application of CTS-plant extract compound preservative in the preservation of aquatic products

3.2 CTS與納米材料復合保鮮技術

納米級抗菌材料，如納米氧化鋅（ZnO）顆粒、含納米Ag抗菌聚合物、納米纖維素（nanocellulose，NC）等，這些材料均具有高反應活性及廣泛生物兼容性，目前已成功用于食品的活性包裝中[45]。莫新迎等[46]利用層層組裝流延法制備的載有ZnO納米顆粒的CTS-海藻酸鈉復合膜抗拉強度明顯提高，水溶性、水蒸氣透過率及透光率降低，表現出良好的包裝特性和適用性。NC是通過物理、生物、化學或幾者相結合的手段處理纖維素得到的直徑小于1 000 nm，長度可達微米級的一種纖維素聚集體，目前NC主要分為細菌纖維素（bacterial cellulose，BC）、纖維素納米纖絲（cellulose nanofibrils，CNF）、纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal，CNC）[47]。與普通纖維素相比，NC 比表面積大，且表面具有大量的羥基，易使CTS等抗菌粒子原位負載或分散負載到NC上形成無機復合抗菌材料[48]。沈慧穎等[49]采用戊二醛交聯法制備了BC-CTS復合纖維膜，并在其表面沉積銅（Cu）納米顆粒得到BC-CTS-Cu交聯復合膜，后經研究人員發現BC-CTS-Cu復合膜作用20 min時對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌效果便達到了99.999%。

在食品保鮮方面，可將抗菌活性材料負載于NC上，制備能用于活性食品包裝的復合高分子NC。目前已有CTS/NC生物復合膜作為食品活性包裝的研究。Ceylan等[50]將百里香酚和液體煙霧成功載入CTS/NC膜，用該復合膜包裹海鱸魚魚片并于6℃低溫條件下貯藏，發現其可減緩魚片內嗜冷菌、好氧菌和霉菌的生長，抑制60%細菌的生長。楊華等[51]以CTS為成膜機制，在納米SiOX改性的基礎上加入溶菌酶（lysozyme，LZM）和茶多酚（tea polyphenols，TP），利用流延法制備SiOX/LZM/TP-CTS復合保鮮膜，研究發現納米SiOX/LZM/TP-CTS復合膜可有效抑制水產品內腐敗希瓦氏菌的生長，更好地維持產品的感官品質。因此，以上研究表明CTS結合納米材料復合保鮮技術顯示出優良的理化性能及抗菌保鮮性能，有效控制水產品腐敗變質的發生。

3.3 CTS與輻照復合保鮮技術

電子束輻照是新興的冷殺菌保鮮技術，其利用具有高能量密度的電子束照射食品以達到延長貨架期的目的[52]。利用電子束輻照保鮮可有效降低食品營養損失、控制微生物的生長繁殖，近年來已廣泛應用于各種水產品中，如蟹肉經1 kGy～9 kGy電子束輻照后，對其營養和色澤無不良影響[53]；1.0 kGy的電子束輻照可降低真空包裝章魚中生物胺的產生，冷藏期延長至35 d[54]；0.5 kGy的電子束輻照能夠更好地保持三文魚的品質，延長其貨架期[55]。但輻照劑量過大時會使水產品的肉色產生一定變化，如白鯧魚魚肉會發生黃變[56]，鱈魚在輻照后表皮出現輕微發紅的現象[57]。因此若將輻照技術與生物保鮮劑復合使用，一定程度上能減少輻照劑量，對實現食品保質、保色、保味效果具有重要意義。

白嬋等[58]將新鮮鱸魚片先浸泡于復合生物保鮮液（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，后再經4kGy的60Co-γ射線輻照處理，結果發現與空白對照組相比，CTS復合保鮮劑結合輻照技術可延長鱸魚貨架期9d以上，鱸魚片于4℃條件下貯藏至第15天時的TVC僅達5.91lg（CFU/g），仍未超過6.0 lg（CFU/g）的國家標準限量，且產品的TVB-N含量、TBARS值均較低，仍滿足可食用的要求。但目前CTS與輻照復合保鮮技術在水產品中應用的報道還不多見，仍亟需研究者通過大量試驗來進一步考究。CTS與電子束輻照技術相結合，可有效減少輻照劑量，在保障水產品色澤、營養等品質的同時最大程度實現抗菌保鮮，CTS與輻照保鮮技術協同作用，未來可在水產品抗菌保鮮方面成為新的發展趨勢。

3.4 CTS與氣調包裝復合保鮮技術

氣調包裝（modified atmosphere packaging，MAP）技術是以高阻隔性能的復合材料為外包層，將CO2、O2、N2等氣體按一定的比例充入食品包裝容器內達到抑制微生物生長、降低酶活性和減緩組織氧化速率的目的，延長水產品在低溫條件下的貯藏期[59-60]。但不同腐敗微生物對CO2、O2等氣體的敏感性不同，且不適宜的MAP條件易加速水產品氧化酸敗，這限制了該保鮮技術在水產品中的應用。因此多將MAP與其他保鮮技術結合以保證水產品在冷藏期間的品質。

目前多采用CTS復合保鮮劑與MAP復合。Merlo等[61]研究CTS薄膜中添加粉胡椒渣提取物，并結合MAP（100%CO2）處理去皮的三文魚片，在2℃下冷藏28 d的過程中，CTS-粉胡椒渣提取物復合保鮮劑具有較高的抑菌活性，有效減少菌落總數、控制風味，較好地保持了冷藏三文魚片的質量。Duan等[62]對鱈魚片進行CTS-磷蝦油涂膜保鮮，并結合MAP貯藏于2℃環境下，結果表明，保鮮劑復合MAP處理的鱈魚片在貯藏末期的TVB-N含量和菌落總數均低于空氣對照組，保質期由5 d延長至10 d。以上研究均表明CTS保鮮劑與MAP技術相結合的復合保鮮技術能夠發揮二者的協同互補作用，有效抑制水產品在貯藏過程中的腐敗變質，延長水產品的貨架期。

4 展望

CTS作為一種具有較強抑菌性和抗氧化特性的天然生物保鮮劑，在水產品保鮮領域存在著巨大的研究及應用價值。CTS在一定程度上可有效抑制水產品內微生物的滋生，降低水產品貯藏期間脂肪氧化及蛋白質降解速率，延長貨架期。但單一CTS在水產品保鮮應用中仍存在限制因素，不及CTS復合其他保鮮技術時的保鮮效果。CTS與其它復合保鮮劑、納米材料、氣調包裝及低劑量輻照保鮮技術復合，能使各保鮮技術協同互補，以達到最佳的水產品保鮮效果。目前，CTS在水產品保鮮上的研究主要集中于復合保鮮劑及復合氣調包裝對貯運過程中水產品品質的影響，而與其他一些新型保鮮技術復合使用的研究報道較少。隨著新型保鮮技術的發展，CTS可結合的保鮮技術也會隨之增加，但如何從CTS的自身特性出發結合其他保鮮技術，發揮CTS及其復合保鮮技術的互補優勢，使水產品保鮮領域有新的突破仍是值得深入探究的問題。