甲殼素在食品領域的最新研究進展

望運滔 楊 紡 白艷紅

(1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院,河南 鄭州 450000；2. 河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450000; 3. 河南省食品生產與安全協同創新中心，河南 鄭州 450000；4. 華中農業大學食品科技學院，湖北 武漢 430070)

甲殼素是自然界中儲量僅次于纖維素的第二大多糖，廣泛來源于蝦殼、蟹殼等食品加工副產物[1]，其脫乙酰產物殼聚糖已被廣泛應用于食品各領域[2-4]，但關于原始甲殼素(未脫乙酰處理)的相關研究及應用較罕見，僅有傳統方法制備納米甲殼素及應用，甲殼素寡糖活性相關研究，研究內容不夠豐富，手段方式不夠先進，不能適應于其在食品領域中廣泛使用，主要是因為其分子間氫鍵作用力強烈，甲殼素在常規條件下難溶于普通溶劑。相比殼聚糖，甲殼素具有一些獨特特性，如其纖維狀納米纖維結構賦予納米纖維獨特的機械特性，特殊的糖環結構賦予甲殼素分子獨特的界面特性等。此外，基于甲殼素的新材料具有獨特的生物活性及功能特性。近年來，一系列新技術如堿尿素低溫溶解體系[5]、超聲[6]及高壓均質[7]等高能量處理手段的誕生為甲殼素的研究提供了方便。文章擬總結甲殼素在食品領域近5年的最新研究進展，并對其發展方向進行展望，以期為甲殼素的研究與應用提供參考。

1 基本概述

甲殼素主要有β-甲殼素和α-甲殼素兩種類型，β-甲殼素主要來源于某些軟體動物骨骼，在自然界中含量相對低，不溶于水等普通簡單溶劑，其分子間氫鍵作用力較弱，可通過超聲等低能機械力處理得到甲殼素納米纖維[8]。α-甲殼素主要來源于蝦、蟹等硬殼動物外殼，來源廣泛，產量大，因此更具備研究價值，然而其分子間氫鍵作用力強，難溶于普通溶劑，而且低能量機械力作用很難打開其分子鏈，因此需借助高新技術研究α-甲殼素[6]。

2 甲殼素提取、制備、溶解、改性等相關研究進展

傳統甲殼素提取法采用鹽酸去除蝦、蟹殼中碳酸鈣，熱堿去除蝦、蟹殼中蛋白質，從而得到甲殼素，該方法需消耗大量酸堿，對環境有一定污染。研究[9-11]表明，微生物中的蛋白酶能耐廣泛pH及高溫環境，可有效去除蝦、蟹殼中的蛋白質，可以取代傳統熱堿脫蛋白過程，且微生物發酵過程中產生的酸(如乳酸)能去除蝦、蟹殼中的碳酸鈣等成分，因此可以采用微生物發酵一步去除蝦、蟹殼中碳酸鈣蛋白質，從而得到甲殼素，且微生物發酵所得甲殼素產率及品質均高于傳統化學方法。研究[12]發現，新型非熱加工方式(如等離子體處理微生物)能增強微生物分解蛋白酶的能力，提高提取甲殼素的效率。

傳統溶劑(如三氯乙酸N-甲基嗎啉-N氧化物、六氟異丙醇、CaCl2-MeOH體系)因對環境有毒有害不能應用于食品等相關領域[13]。堿尿素低溫溶解體系為近年來發明的一種新型溶解體系，具有綠色環保，不產生有毒有害物質等優勢，利用該體系在低溫下能破壞甲殼素分子間強烈氫鍵的作用原理，通過反復凍融循環，甲殼素被成功溶解，得到透明的甲殼素溶液[14]。該體系所溶解的甲殼素對酸、溫度敏感，加酸、升高溫度均會導致甲殼素析出，故一系列甲殼素新材料如甲殼素微球[15]、甲殼素膜[16-17]、甲殼素凝膠[14]被成功制備。經該體系溶解再生得到的再生甲殼素，分子間氫鍵作用力大大削弱，在弱的機械力如超聲作用下，α-甲殼素能被分散形成甲殼素納米纖維、微米及納米甲殼素顆粒[6]。且經溶解再生過程，堿及尿素均能被完全去除。另外，該體系的堿性環境適合于取代反應的進行，在該體系下，可對其進行羧甲基改性[1]、丙烯酰胺改性[18]以及季銨鹽化改性[19]，改性后的產物均為水溶性甲殼素，季銨鹽改性后的甲殼素分子帶大量正電荷，丙烯酰胺改性的甲殼素為溫敏型甲殼素，可在37 ℃以上形成凝膠，低溫下又能形成溶液。因上述化學反應所用化學試劑均有一定毒性，盡管產物中化學試劑均已除去，但所得改性產物能否被允許應用于食品領域還有待進一步評估。

3 甲殼素與食品領域應用相關的功能特性

甲殼素在食品領域中的應用形式主要包括甲殼素膜、甲殼素微球、納米甲殼素、甲殼素寡糖等，根據甲殼素在食品領域應用形式以及應用特點，以下將從甲殼素在食品包裝，吸附、分離、固定、遞送食品成分，穩定油水界面，調節食品質構，保健等方面分別介紹其主要研究熱點。

3.1 新型甲殼素膜的功能特性

甲殼素作為一種多糖，具有溶膠凝膠特性，可制備甲殼素膜材料。Duan等[16]利用堿尿素溶解體系在低溫條件下溶解甲殼素，并通過溶劑交換絮凝、去除堿尿素、干燥等步驟制備得到了高強度及高阻氣性甲殼素薄膜，通過在不同凝固浴中絮凝，可得到機械性能、阻氣性能、微觀結構不同的甲殼素膜，可望在食品保鮮等領域發揮作用。Wang等[17]首先根據以上所描述的方法制備得到了高強度甲殼素薄膜，并在此基礎上利用甲殼素與多酚分子間強烈的氫鍵及疏水相互作用，通過一種簡單的界面組裝方法一步得到了具有高強抗氧化性及抗菌性的甲殼素多酚復合膜，該膜具有機械強度高、水蒸氣透過率低、阻氣性強、抗氧化抗菌能力強等特點，可望作為新型包裝材料在食品保鮮等領域應用。

3.2 甲殼素微球與食品成分吸附、分離、固定、遞送等相關功能特性

高分子微球因其多孔結構，比表面積大等優點而廣泛應用于吸附分離、大分子固定等領域[20]。Wang等[21]利用甲殼素在堿尿素體系中的溶膠凝膠特性，通過乳液模板法制備了粒徑為90 μm～1 mm的甲殼素微球，該方法綠色環保，不需使用任何交聯劑，且可通過調節油相水相比例、乳化劑濃度、攪拌轉速調節所制備微球的粒徑。同時，微球制備過程中相分離導致的多孔結構適合于作為大分子的固定載體、吸附劑等，可在制備過程中添加磁性四氧化三鐵得到磁性甲殼素微球，便于回收。同時該研究還采用濃堿低溫脫乙酰方法制備了磁性脫乙酰甲殼素微球，采用戊二醛交聯方法固定食品用α-淀粉酶，所固定的α-淀粉酶具有較好的重復使用性能，可提高淀粉酶的使用效率。此外，該研究還利用甲殼素分子在堿性條件下能與活性染料發生親核加成反應，在磁性甲殼素微球中引入了帶負電荷的磺酸基團，因此該磁性甲殼素微球可以對食品中帶正電荷的食品色素具有較好的吸附性能。因磁性甲殼素微球中含有乙酰氨基基團，在pH 6.5以下，磁性甲殼素均帶正電荷，因而對食品中帶負電荷的食品色素具有一定的吸附能力。研究[22]表明，甲殼素與多酚之間具有強烈的相互作用，即氫鍵及疏水相互作用，因而甲殼素能吸附大量多酚，且甲殼素微球的多孔及親疏水性結構使得甲殼素微球能夠吸附大量花青素，可作為花青素的遞送載體，保護花青素在加工過程中免遭光、熱等環境因素的破壞，同時負載花青素的甲殼素微球在胃及腸道中釋放量均較少，可在結腸中被微生物降解后發揮其健康功效。

3.3 納米甲殼素的制備及其與穩定油水界面、調節食品質構、抗菌、保健等相關功能特性

因甲殼素特殊的纖維狀結構，可通過機械力作用得到甲殼素納米纖維，此納米纖維為高度分散狀態，可在食品不同領域發揮作用。而不同制備方法所得納米甲殼素形貌性質等均不同，因此該領域研究熱點主要聚焦于納米甲殼素的新型制備方法及新型應用。

3.3.1 納米甲殼素的制備方法 因甲殼素分子間氫鍵作用力較強，傳統簡單處理方法很難得到納米甲殼素，需使用強機械作用力才能獲得納米甲殼素。目前常用的強機械力處理方法為高壓均質法[23]。在酸性條件下，甲殼素分子帶正電荷，高壓均質能打散甲殼素形成納米纖維，但這種方法耗時且需要高能量投入。此外，可通過強酸水解去除甲殼素無定型區域，得到含有結晶區域的甲殼素納米晶[24]以及通過化學試劑氧化甲殼素得到納米甲殼素[25]。酸水解存在產率低，而氧化需使用昂貴的化學試劑以及過程難控、在食品中使用時安全性不能保障等問題。Wang等[6]通過堿尿素體系溶解甲殼素，采用溶劑交換方法得到再生甲殼素，該再生甲殼素在酸性條件下經超聲處理能得到微米及納米級別的甲殼素粒子，且可通過延長超聲時間，降低甲殼素粒子粒徑，這是因為甲殼素經溶解再生處理后分子間氫鍵作用力減弱，超聲處理可分散甲殼素。Zhang等[26]通過濃磷酸溶解甲殼素，利用溶劑再生得到甲殼素納米纖維，進一步驗證了通過溶解再生處理制備納米甲殼素的原理。

3.3.2 納米甲殼素與穩定食品油水界面相關的功能特性

甲殼素因特殊的糖環結構具有兩親性，能穩定油水界面。Perrin等[27-28]通過酸水解甲殼素得到甲殼素納米晶，用于穩定油水界面得到普通乳液及高內向乳液。因甲殼素耐高溫、耐酸堿、耐鹽離子，所得納米甲殼素穩定乳液也具備耐高溫、耐酸堿、耐鹽離子等特性。Wang等[6]發現超聲處理所得納米甲殼素穩定乳液能耐90 ℃以下高溫，且乳液不被破乳，粒徑不發生明顯變化。此外，納米甲殼素能在更寬pH范圍內穩定乳液，但pH會影響所穩定乳液粒徑大小，因為甲殼素在不同pH條件下所帶電荷不同，分子間斥力不同，因而所穩定乳液的網絡結構不同。Sun等[29]研究發現，甲殼素納米纖維玉米醇溶蛋白復合物穩定乳液比單獨玉米醇溶蛋白穩定乳液具有更好的離心穩定性，更小的粒徑以及更緊密的網絡結構，這是因為甲殼素納米晶須與玉米醇溶蛋白質之間存在強烈的氫鍵及疏水相互作用，分子組裝后賦予復合物更好的乳化性。

3.3.3 納米甲殼素與調節食品材料機械性能、增強食品質構相關的功能特性 甲殼素納米晶為甲殼素的結晶區域，具有較高的機械強度，可作為材料增強劑，也可用于調節食品質構。Wu等[30]研究發現，在制備多功能魔芋葡甘露聚糖膜材料時，添加氧化甲殼素納米晶一方面可增強膜的機械性能，同時納米甲殼素因其與多酚具有強烈的相互作用，可作為花青素的固定載體，控制花青素在膜中的釋放速率，進而制備智能食品包裝膜材料。Ge等[31]研究表明，在明膠中加入甲殼素納米晶后，明膠的凝膠溫度提高了11.7 ℃，明膠的凝膠網絡結構更致密，這是因為甲殼素納米晶須與明膠之間存在強烈的氫鍵及靜電相互作用，導致明膠甲殼素形成更加致密的凝膠網絡結構，進而增強了明膠的凝膠強度及凝膠能力；該研究還發現在明膠中添加甲殼素納米晶后，明膠的耐鹽性能及耐酸堿性能均提高。Yuan等[32]通過在大豆蛋白中添加甲殼素納米纖維，采用谷氨酰胺轉氨酶交聯從而得到了質構性能可調節的新型大豆蛋白凝膠，這歸功于甲殼素納米纖維的高機械性能及其與大豆蛋白之間強烈的相互作用。

3.3.4 納米甲殼素與食品抗菌相關的功能特性 納米甲殼素還具有一定的抗菌作用。研究[33]發現，納米甲殼素經適度脫乙酰(脫乙酰度為21%，只有當甲殼素脫乙酰度>55%時，甲殼素可被稱為殼聚糖)處理后，更多氨基的暴露將導致甲殼素納米晶抗菌作用更強，因此部分程度脫乙酰納米甲殼素(脫乙酰度為21%)在作為材料增強劑時，還可賦予材料一定的抗菌性能。Qin等[34]研究發現，在制備玉米淀粉膜過程中加入一定甲殼素納米晶須，除了所得玉米淀粉膜的機械性能得到大幅度增強外，復合膜還具有一定的抑菌性能；復合膜對革蘭氏陽性菌單增李斯特菌的抑制作用強于革蘭氏陰性菌大腸桿菌，主要是由于這兩種細菌的細胞壁結構不同，而抑菌機理主要是帶正電荷的甲殼納米晶須與細菌的細胞壁之間發生作用。與此類似，Shankar等[35]發現酸水解及高壓均質后所得納米甲殼素能增強卡拉膠膜的機械性能及抑菌性能，所得納米甲殼素卡拉膠復合膜對李斯特菌也具有較強的抑制作用。

3.3.5 納米甲殼素與保健相關的功能特性 研究[36]發現，甲殼素納米纖維納米晶須具有一定的降血脂作用，對于高脂肪膳食老鼠，甲殼素納米纖維的攝入能防止老鼠血脂的升高，并減少脂肪在肝臟中的積累，從而避免脂肪肝；甲殼素納米纖維的攝入能降低老鼠體重并減少老鼠脂肪存儲組織。此種甲殼素納米纖維是一種高度結晶的膳食纖維，能較好地分散于食品中，在胃酸中不溶解、不產生黏度，可添加于各種食品中。相比于傳統乳化劑如乳清蛋白，納米甲殼素所穩定乳液在胃腸內消化慢，脂肪酸釋放速率慢，因而所提供能量小。這是因為甲殼素納米顆粒不可逆吸附于油水界面，且納米甲殼素在連續相中形成網絡結構，膽鹽及脂肪酶不能進入油水界面，脂肪消化速率減慢；甲殼素納米晶破壞了進入乳液中胰脂肪酶的活力，導致脂肪水解速率減慢[37]。研究[38]還發現，可通過控制甲殼素所穩定乳液的結構，控制乳液的消化速率及脂肪吸收，進而控制能量攝入及體重。

3.3.6 納米甲殼素與其他食品相關的功能特性 Ji等[39]研究發現，在淀粉制品中加入甲殼素納米晶須，能延緩淀粉的短期及長期老化行為，這是因為甲殼素納米晶須與淀粉分子之間存在強烈的氫鍵及疏水相互作用，阻止了淀粉分子的重排，從而延緩淀粉的老化。且甲殼素作為一種膳食纖維，不消化提供能量，能在腸道內被微生物降解，從而發揮健康功效。

研究[40]表明，納米甲殼素作為食品配料進入口腔后，可與口腔中的α-淀粉酶發生強烈相互作用，且相互作用改變了淀粉酶結構，并增強了α-淀粉酶酶活，說明利用納米甲殼素可作為一種新型功能性食品配料。

3.4 甲殼素寡糖的新型制備方法

寡糖是一類有利于改善腸道微生物結構的益生元，可作為食品功能因子添加到各種食品中。甲殼素的高度結晶結構導致甲殼素寡糖的制備相對困難，當前該領域研究熱點主要聚焦于尋找高效方法制備甲殼素寡糖[41]。通?？赏ㄟ^酸水解方法得到甲殼素寡糖，但酸水解存在產率低、產品品質低，環境污染大等缺點。酶水解是一種比較溫和、環境友好的寡糖生產方式，通常采用甲殼素酶水解甲殼素得到高品質、高產率、高生物活性的甲殼素寡糖[42]。由于甲殼素分子間強烈的氫鍵作用阻礙了酶分子水解甲殼素，常使用預處理如球磨、碾壓、超聲、高壓均質、溶解再生、發酵等手段改變甲殼素的分子結構，從而有利于酶解[43-44]。Zhang等[45]通過對甲殼素進行發酵預處理，然后酶解，發現經預處理后甲殼素的酶解效率提高了3～5倍，6 h內甲殼素幾乎全部轉化為寡糖，是因為預處理降低了甲殼素的結晶度，有利于酶解。這種方法易于大規?；a，且具有能耗低、環境污染低、成本低等優點。

Margoutidis等[46]研究發現，球磨處理甲殼素可得到甲殼素寡糖，球磨后甲殼素糖苷鍵斷裂，但仍保留了乙酰氨基，所得產物為聚合度為1～5的甲殼素寡糖；球磨過程中添加高嶺土后所得甲殼素寡糖的溶解度為75.8%，而未添加高嶺土時的溶解度為35%，是因為高嶺土可作為一種催化劑，加速了球磨過程中甲殼素糖苷鍵的斷裂，從而使甲殼素寡糖的聚合度更低，該研究為甲殼素寡糖的制備提供了一種不需液體參與的新方法。

4 展望

甲殼素作為世界上儲量第二的多糖資源，來源廣泛。隨著一系列技術及手段的誕生，必將為甲殼素在食品包裝材料、大分子吸附固定載體、食品添加劑及配料、保健食品等領域中的應用帶來新機遇。且甲殼素作為一種膳食纖維，能對人體健康發揮多方面作用，在健康中國的大時代背景下，甲殼素作為一種新型食品或食品配料必將有廣闊的應用潛力。