殼聚糖的抗菌機理及其在食品中的應用研究

張玲

摘 要：殼聚糖是自然界中天然存在的一類堿性多糖，因其具有良好的理化性質、生物相容性、抗菌性和生理活性而廣泛應用于食品、化工、醫藥、環保等諸多領域。本文對殼聚糖的抗菌性進行探究，綜述了殼聚糖的抗菌機理、殼聚糖抗菌性的影響因素，并介紹了殼聚糖在水果涂膜處理、肉制品保鮮、果汁保藏等食品領域的應用。

關鍵詞：殼聚糖;抗菌機理;影響因素;食品保鮮

Abstract：Chitosan is a kind of natural alkaline polysaccharide. It has been widely used in food， chemical industry， medicine and many other fields because of its excellent physical and chemical properties， biocompatibility， antibacterial and physiological activity. In this paper， the antibacterial properties of chitosan were studied that the antibacterial mechanism of chitosan and its influencing factors were summarized. The application of chitosan in fruit coating treatment， meat products preservation， juice preservation and other food fields was mainly introduced.

Key words：Chitosan; Antibacterial mechanism; Influence factor; Food preservation

中圖分類號：TS202

殼聚糖又名脫乙酰甲殼素，是由幾丁質通過脫乙酰作用后得到的。幾丁質廣泛存在于水產品蝦、蟹、昆蟲的外殼和藻類、菌類的細胞壁中，是自然界中產量僅次于纖維素的第二大天然生物有機高分子化合物[1]。1859年，Rouget將甲殼素浸泡在濃KOH溶液中，煮沸一段時間，取出洗凈后發現其可溶于有機酸，這種物質即為殼聚糖[2]。殼聚糖作為一種堿性高聚合物，因其具有獨特的物理、化學性質以及良好的生物活性廣泛應用于食品、化工、醫藥等各個領域。自1979年Allan等提出殼聚糖具有抗菌作用起，國內外學者對殼聚糖的抗菌性能及其抗菌機理進行了諸多研究，對殼聚糖抗菌機理、抗菌性能的影響因素有了較為清晰合理的認識[3]。本文基于前人的研究基礎，綜述了殼聚糖的抗菌機理、殼聚糖抗菌性的影響因素，以及殼聚糖抗菌劑在食品領域的應用。

1 殼聚糖的抗菌機理及其抗菌性的影響因素

1.1 殼聚糖的抗菌機理

殼聚糖是最常用的天然抗菌劑，它是一種帶正電荷的活性物質[4]，其作用方式主要有損傷細胞壁、改變細胞的透性、改變蛋白質和核酸分子、抑制酶的作用、作為抗代謝物、抑制核酸的合成[5]。目前，對殼聚糖的抗菌機理認知主要有兩種：①殼聚糖分子中帶正電荷的-NH3+吸附在細菌的細胞表面，形成一層高分子膜，阻止營養物質從細胞外向細胞內運輸的過程，使得細菌無法正常進行新陳代謝，從而起到抑菌作用。②帶正電荷的-NH3+吸附帶負電荷的細菌，使得細胞膜、細胞壁上的負電荷分布不均勻，擾亂細胞的正常生理活動，破壞細胞壁的合成，造成細胞膜的破裂，使細菌細胞溶解死亡，從而起到殺菌作用[6]。殼聚糖分子結構中帶正電的氨基（-NH3+）易吸附呈負電性的菌體，破壞細菌細胞的生理活動，是殼聚糖具有良好抗菌活性的關鍵原因[7]。

1.2 殼聚糖抗菌性的影響因素

殼聚糖抗菌性能的主要影響因素有殼聚糖的相對分子質量、脫乙酰度、濃度及環境因素pH值、金屬離子等[8-9]。

1.2.1 相對分子質量對殼聚糖抗菌性的影響

孫海香等研究了不同平均相對分子質量的殼聚糖對引起仔豬腹瀉的大腸桿菌K88菌株的抑制作用[10]。結果表明，殼聚糖的分子質量不同，抗菌效果不同，相對分子質量低的殼聚糖的抑菌效果優于相對分子質量高的殼聚糖。尹秀蓮等對用龍蝦廢棄物制備的甲殼素、殼聚糖及其衍生物甲殼低聚糖、氨基葡萄糖鹽酸鹽對3種革蘭氏陰性菌（G-菌）與3種革蘭氏陽性菌

（G+菌）的抗菌活性進行了研究[11]。通過繪制生長曲線，對4種物質的抑菌活性進行研究，結果表明0.1%的殼聚糖能抑制64%的枯草芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌，甲殼低聚糖對G+殺菌效果較強，氨基葡萄糖鹽酸鹽可以完全抑制金黃色葡萄球菌的生長。鄭連英等[12]研究表明，高分子質量的殼聚糖通過氨基吸附在細胞表面，阻止營養物質運輸至細胞內起到抑菌作用;低分子質量的殼聚糖是由于正電荷離子進入細胞內，吸附負電性的細胞使其發生絮凝、擾亂細胞新陳代謝，進而殺滅細菌。

1.2.2 脫乙酰度對殼聚糖抗菌性的影響

殼聚糖的抑菌活性與殼聚糖分子結構上的氨基有關，氨基含量與脫乙酰度有關，脫乙酰度越高，氨基含量越高[13]。由此可以推斷，當殼聚糖具有較大的脫乙酰度和濃度，產生較多的游離氨基，接觸帶負電荷的細菌的概率越高，殺滅細菌的效果越好[14]。夏文水等[15]對甲殼低聚糖其脫乙酰度與抑菌率的關系進行了研究，采用一系列不同脫乙?；鹊募讱さ途厶?，對大腸桿菌進行抑菌試驗。結果表明，增加脫乙?；?，即游離氨基含量增加時，抑菌效率提高，且隨著分子質量的增大，最小抑菌濃度提高，即抑菌作用減弱，表明脫乙酰度和分子質量均會影響抑菌效果。王鴻等通過實驗研究表明，3種不同脫乙酰度的殼聚糖均能抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長，且隨著殼聚糖脫乙酰度的增加，抑菌效果越強[16]。

1.2.3 濃度、pH和金屬離子對殼聚糖抗菌性的影響

殼聚糖的抑菌性與氨基有關，當殼聚糖溶液的濃度增加時，其氨基的濃度也增加，殼聚糖的抗菌性增強。Sudarshan等認為，適當的低濃度殼聚糖的氨基吸附細菌的負電荷，從而發生凝聚，抑制細菌的生理活動，而高濃度的殼聚糖在細胞壁表面形成致密包裹層可導致細胞質泄漏量降低，殺菌效果下降[17]。

殼聚糖在弱酸環境下抑菌性良好，這是由于在較低的pH條件下，殼聚糖中的-NH2與弱酸性的H+結合成-NH3+，與負電荷的細菌結合抑制細菌生長，當pH過低時，H+與-NH3+在細菌表面競爭性結合，當pH過高時，殼聚糖中的-NH3+減少[18]。

殼聚糖中的-NH2可與金屬離子發生螯合作用，隨著金屬離子的增加，與金屬離子的螯合能力越強，殼聚糖的抗菌性能減弱[19]。吳小勇等研究發現，環境中的Ca2+、Mg2+、Na+對殼聚糖抗菌性能的影響強度為Ca2+>Mg2+>Na+ [20]。

2 殼聚糖抗菌劑在食品中的應用

殼聚糖不僅有良好的抑菌作用，還具有優良的成膜性，增加氣體的穿透阻力，形成微氣調環境。同時，殼聚糖還能激發一些有益酶的作用以及抑制一些有害酶的作用。因此，殼聚糖可以作為食品果蔬表面的涂膜劑，起到保鮮作用。吳昊等將殼聚糖改性用于蘋果保鮮中，能有效抑制微生物的生長[21]。莫芳制備的富馬酸二甲酯/交聯殼聚糖微球涂膜處理荔枝，可以阻止微生物的增長，延緩荔枝的腐敗變質，起到保鮮作用[22]。

許多研究人員對殼聚糖用于蘋果、梨、草莓、番茄、肉制品等的保鮮作用進行了研究[23-26]，結果表明，經殼聚糖處理的蘋果皮、梨皮中的抗菌物質酯類含量較高，可起到較好的抑菌作用;采用改性的殼聚糖對金秋梨涂膜保鮮，殼聚糖納米復合膜對金秋梨的殺菌效果和保鮮效果明顯，抑菌率排序為殼聚糖納米復合膜>

殼聚糖單膜>空白對照，保鮮時間由室溫下20 d延長至60 d，好果率為80%;將殼聚糖-淀粉-肉桂醛復合抑菌膜應用于草莓保鮮中，復合保鮮薄膜抑菌性能和阻隔性能良好，能夠有效保持草莓的新鮮度，延緩其營養價值的降低。殼聚糖通過其溶解性與環境酸堿性變化，在細菌細胞表面形成致密的保護膜，阻止了細胞的營養運輸，破壞細胞生長，與化學抗菌劑比較，殼聚糖的抗菌性是非常安全溫和的，其主要來源于可食用的蝦和蟹等天然產物，其環保、無殘毒的特點，使殼聚糖在食品應用上受到重視，夏文水將甲殼低聚糖用于蘋果汁保藏試驗，結果表明，含有4 g·L-1的甲殼低聚糖在蘋果汁的保藏中發揮了防腐效果，延長了蘋果汁的保藏期;納米殼聚糖處理后的番茄能夠延緩腐敗變質，是由于殼聚糖納米顆粒形成更致密的膜，可以阻擋更多微生物的入侵;用納米殼聚糖處理冷凍鯉魚魚片，起到良好的保鮮作用，是由于納米殼聚糖的比表面積更大，與細菌細胞的親和力更高，具有優異的抑菌性能[15]。程麗麗等人研究了殼聚糖復合劑對牛肉的涂膜保鮮效果，并進行了殼聚糖濃度的單因素試驗。結果表明，保鮮效果較好的殼聚糖濃度為2%，并采用殼聚糖濃度為2%的復合涂膜劑，保鮮時間比對照組延長了48 h[27]。

3 結語

殼聚糖是天然存在的堿性多糖，其具有良好的抗菌性能。對于殼聚糖的抗菌機理，其分子結構中帶正電荷的氨基，吸附負電性的細菌，被認為是殼聚糖具有良好抗菌性能的關鍵。殼聚糖的抗菌性能受殼聚糖分子量、脫乙酰度、濃度、環境因素pH、金屬離子等因素的影響，其中低分子量的殼聚糖的抑菌效果優于相分子質量高的殼聚糖，殼聚糖脫乙酰度高，濃度較大，pH呈弱酸性，溶液中無干擾性的螯合能力強的高濃度金屬離子存在時，殼聚糖的抗菌性能較強。殼聚糖具有的抗菌性能，在食品領域中應用于水果涂膜處理、肉制品保鮮、果汁保藏等，通過抑制細菌的繁殖、延緩食品腐敗、增加穩定性，延長食品的貨架期。由此可以預見，殼聚糖這種抗菌性能優良的天然高分子化合物在食品領域具有非常好的實用價值和應用前景。

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