殼聚糖是由甲殼素部分脫乙?；玫降奶烊欢喙δ苌锞酆衔铮?-乙酰氨基葡萄糖胺和2-氨基葡萄糖殼二糖組成了復雜的雙螺旋結(jié)構(gòu)。殼聚糖廣泛存在于蝦蟹等甲殼類動物、藻類植物和蘑菇等大型真菌中，來源廣，資源豐富，是僅次于纖維素的第二大類高分子化合物。殼聚糖具有良好的抑菌性、生物相容性、成膜性和生物可降解性，以殼聚糖為基質(zhì)制得的膜表現(xiàn)出了良好的抑菌性、水蒸氣和氧氣阻隔性能。

大連海洋大學食品科學與工程學院的劉夢琪、呂瑞、周 慧*等人概述了殼聚糖的抑菌機制、抑菌活性功能的強化，尤其對殼聚糖可食性抗菌包裝在食品行業(yè)中的應用進行了詳細闡述，通過從基礎(chǔ)研究到實際應用等多視角總結(jié)殼聚糖作為抑菌劑的研究進展，以期為殼聚糖在食品包裝中的應用提供參考。

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殼聚糖的抗菌機制

殼聚糖具有廣譜抗菌性，對細菌、真菌等多種微生物均具有明顯的抑制作用，如圖3所示，其抗菌機制主要包括破壞細胞膜通透性、影響細菌細胞磷脂和蛋白質(zhì)合成、螯合金屬離子等。

1.1 破壞細菌細胞壁，改變細胞膜通透性

細菌的細胞壁和細胞膜具有保護微生物免受機械損傷、維持滲透壓、維持細胞外形等作用。殼聚糖分子中的—NH3+帶有正電荷，通過靜電相互作用，可吸附到帶負電荷的細菌上，從而破壞細胞壁的完整性，提高細胞膜的通透性，進而造成滲透不平衡，導致細胞內(nèi)容物滲出，使細胞生物活性下降。超高分子質(zhì)量殼聚糖的超長分子鏈可以包裹和結(jié)合大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，導致細胞逐漸破裂分解，大大增強了其抗菌活性。

1.2 影響細菌細胞核酸復制和蛋白質(zhì)合成

蛋白質(zhì)和mRNA的合成是細菌細胞生長過程中最基本的生命活動。殼聚糖進入細胞后可與帶負電荷的蛋白質(zhì)、核酸吸附結(jié)合，抑制蛋白質(zhì)和mRNA的合成，使細菌細胞正常的生理功能受到影響，從而抑制細菌的生長和繁殖。

1.3 螯合金屬離子

殼聚糖中的—NH2和—OH具有一定的金屬吸附能力，而革蘭氏陰性菌外膜含有由Mg2+、Ca2+等二價陽離子構(gòu)成的多陰離子脂多糖，因此，殼聚糖可選擇性結(jié)合細菌中的金屬離子和必需營養(yǎng)素，進而對細菌毒素的產(chǎn)生和微生物的生長發(fā)育起到抑制作用。

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提高殼聚糖抗菌性能的主要途徑

2.1 化學改性

殼聚糖為堿性多糖，其水溶解性較差，這極大地限制了殼聚糖的應用。通過羧甲基化、烷基化、磺化、季銨化反應可以為殼聚糖表面引入帶電或親水基團，修飾—NH2和—OH，提高水溶性，促進其發(fā)揮抑菌活性。在殼聚糖的—OH或—NH2上引入羧甲基可改善殼聚糖分子的表面親水性，反應過程如圖4A所示。羧甲基化改性后殼聚糖溶解性提高，羧基的存在使得反應溶液pH值降低，更多的—NH2質(zhì)子化成—NH3+，這使得抗菌基團數(shù)量有所增加；同時，由于其內(nèi)部的—COOH和—NH2可形成分子內(nèi)或分子間氫鍵，使得分子鏈舒展開來，可以與細菌充分接觸，提高了殼聚糖的抗菌性能。羧基的取代位置不同，抑菌效果也有所不同。這是因為殼聚糖的—NH2對其抗菌活性至關(guān)重要，而O-羧甲基殼聚糖未在—NH2位發(fā)生取代反應，保留了一定數(shù)量的—NH2，使其抗菌效果相對較強。

殼聚糖的烷基化改性一般發(fā)生在殼聚糖—NH2的氮原子和—OH的氧原子上，因此會得到N-烷基化殼聚糖和O-烷基化殼聚糖兩種不同取代位置的殼聚糖衍生物。改性方法包括生成席夫堿、過渡金屬離子合成、鄰苯二甲酸酐合成等，其中最常見的是殼聚糖與脂肪醛反應生成席夫堿后，再在酸性溶液中通過NaBH4還原得到N-烷基化殼聚糖，反應過程如圖4B所示。

磺化反應是指殼聚糖的—NH2或—OH通過與硫酸、二氧化硫或氯磺酸等發(fā)生化學反應引入磺酸基（—SO3H）或其相應鹽、磺酰鹵基的過程，反應過程如圖4C所示?；腔蟮臍ぞ厶欠肿由洗嬖趲ж撾姾傻幕撬峄鶊F（RSO3-），能夠與細菌生長所需的金屬離子進行螯合，從而對細菌的生長發(fā)育產(chǎn)生一定影響。

季銨化反應是目前殼聚糖化學改性中研究時間最久、使用最廣泛的一種方法，主要包括直接在殼聚糖氨基上引入季銨鹽基團小分子的接枝季銨基團反應；殼聚糖與醛反應得到席夫堿，將席夫堿還原，利用鹵代烷與之反應得到殼聚糖季銨鹽和接枝季銨基團的直接季銨化反應，反應過程如圖4D所示。季銨化反應改性后，由于殼聚糖分子中含有質(zhì)子化的—NH2，使其在低pH值下具有良好的抗菌特性。

2.2 與其他物質(zhì)協(xié)同發(fā)揮抑菌作用

殼聚糖具有良好的生物相容性，可與無機納米粒子、精油、微生物代謝物等物質(zhì)協(xié)同，大大增強了其抑菌效果。

2.2.1 無機納米粒子與殼聚糖協(xié)同在殼聚糖殘基中，C2位上有一個—NH3，C3位上有一個—OH，平伏鍵的構(gòu)象使殼聚糖對鈦、銀、鋅、銅、鉻等金屬或金屬氧化物具有很強的螯合作用，利用殼聚糖對金屬的螯合實現(xiàn)殼聚糖分子中的氫鍵斷裂，使其分子鏈擴展和分解，生成更多的正電荷，增強殼聚糖的抗菌活性。其中，無機納米粒子通過黏附于微生物細胞、滲透到細胞內(nèi)破壞胞內(nèi)物質(zhì)、產(chǎn)生活性氧和自由基導致細胞氧化應激死亡、調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導途徑等多種方式潛在地發(fā)揮抗菌作。1 ) 金屬粒子Ag是目前應用最廣泛的抗菌金屬材料之一，銀離子具有空軌道，可與殼聚糖鏈上游離—NH2的氮原子的未共用電子對進行配位，形成殼聚糖-銀絡(luò)合物。Zhao Xixi等以葡萄籽提取物為穩(wěn)定劑和還原劑合成了銀納米顆粒AgNPs，并與殼聚糖復合制備殼聚糖納米復合涂層，在葡萄真菌污染實驗中，發(fā)現(xiàn)復合涂層涂覆的葡萄酵母菌和霉菌總數(shù)在貯藏期間最低為2.9（lg（CFU/g））。Cu納米粒子能穿透細胞壁，使蛋白質(zhì)和其他細胞內(nèi)成分泄漏，導致細菌細胞死亡從而發(fā)揮抑菌作用。采用原位還原法將Cu固定在殼聚糖表面可以提高殼聚糖的抗菌性能，使得殼聚糖-Cu納米復合材料對金黃色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌作用要強于原始殼聚糖。2)  金屬氧化物金屬氧化物納米粒子可在細胞內(nèi)釋放，從而改變細胞結(jié)構(gòu)和功能，誘導細菌氧化應激，導致細菌滅亡。金屬氧化物具有廣譜、安全、持久、不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢，因此通過結(jié)合殼聚糖與金屬氧化物實現(xiàn)協(xié)同作用可進一步提升抗菌效果。Rahman等采用一鍋法將ZnO納米顆粒分散于殼聚糖溶液中，制備了新型殼聚糖-ZnO薄膜并用于牛肉的包裝，發(fā)現(xiàn)在第6天仍未有金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等微生物生長，但ZnO納米顆粒在殼聚糖基質(zhì)中容易聚集，薄膜表面粗糙。TiO2通過釋放活性氧發(fā)揮光催化作用，從而破壞微生物細胞壁。Siripatrawan等將TiO2添加到殼聚糖薄膜中，發(fā)現(xiàn)當薄膜暴露在紫外光下時，TiO2會發(fā)生光催化反應，產(chǎn)生的活性氧增加了微生物細胞膜的通透性，從而引起了細胞內(nèi)輔酶A的氧化和脂質(zhì)的過氧化，進而導致細胞死亡。利用殼聚糖與金屬離子優(yōu)異的抗菌性能，將其協(xié)同抑菌性有機的結(jié)合起來，能顯著提升薄膜的抗菌性能，但金屬粒子的釋放和毒性問題仍處于被質(zhì)疑的階段，故如何開發(fā)出既能在食物表面發(fā)揮優(yōu)良的抑菌效果，又能保障食品安全的復合材料，還需要進行深入的研究。2.2.2 精油或植物提取物與殼聚糖協(xié)同精油是一種以揮發(fā)性芳香提取物為主的植物次生代謝產(chǎn)物，其中醛類、酚類和含氧萜類化合物是精油的主要抗菌活性物質(zhì)。植物提取物主要活性成分包括黃酮、多酚、生物堿、有機酸等，多是較為穩(wěn)定的次生代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)中的活性成分可以破壞細胞膜通透性，導致胞內(nèi)遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)無法正常合成，阻礙細菌菌體形成，從而發(fā)揮抑菌作用，是一種極具潛力的綠色抗菌劑。另外，植物提取物中的羥基化合物黃酮、皂苷等親水基團能夠提高殼聚糖的水溶性，使其具有更強的抗菌能力。精油或植物提取物與殼聚糖協(xié)同發(fā)揮抗菌活性方面具有發(fā)展?jié)摿?，然而，在其穩(wěn)定性、緩釋等方面還需進一步研究。2.2.3 微生物代謝產(chǎn)物與殼聚糖協(xié)同

微生物能夠產(chǎn)生乳酸鏈球菌素、ε-聚賴氨酸（ε-PL）、溶菌酶等多種代謝產(chǎn)物，其抗菌能力強、安全無毒、易培養(yǎng)，被廣泛應用于抗菌材料中，其中ε-PL和乳酸鏈球菌素主要是通過破壞細胞膜使細胞內(nèi)物質(zhì)流失、影響膜分子間相互作用等機制達到抗菌效果，溶酶菌主要通過水解微生物細胞壁、破壞肽聚糖骨架物質(zhì)導致微生物裂解死亡。微生物代謝產(chǎn)物與殼聚糖的復合可緩解微生物代謝產(chǎn)物易降解、抑菌穩(wěn)定性差的問題，確保了其抗菌作用效果。然而，微生物代謝產(chǎn)物的毒性尚需評估，需保證其使用量在可食用范圍內(nèi)。

03

殼聚糖在新型食品包裝中的應用

在食品加工、貯藏和運輸過程中，微生物易造成食品腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生有毒有害代謝物，危害人體健康。使用活性抗菌包裝能夠顯著降低微生物侵染水平，延長食品貨架期。將多糖、脂質(zhì)或蛋白質(zhì)等膜基質(zhì)與活性抗菌物質(zhì)殼聚糖復合制備活性包裝膜，能夠賦予薄膜更好的機械性能、阻隔性能和抗菌活性，從而延緩經(jīng)微生物引起的食品腐敗變質(zhì)。

3.1 殼聚糖-多糖復合膜

多糖如海藻酸鹽、纖維素、淀粉、普魯蘭多糖等物質(zhì)富含—OH、羰基、—NH2等官能團，殼聚糖通過氫鍵、靜電作用等作用于多糖類物質(zhì)，可以顯著提升整體多糖類膜結(jié)構(gòu)的抗菌能力。

海藻酸鹽是一種生物可降解、無毒、生物黏附性以及凝膠特性良好的天然陰離子聚合物，殼聚糖和海藻酸鹽均為水生來源多糖，可以通過靜電相互作用和非共價交聯(lián)制備抑菌膜。纖維素是自然界最豐富的天然聚合物，含有易于修飾的—OH，可以作為抗菌劑的良好支撐材料。淀粉是由葡萄糖單元通過糖苷鍵連接的碳水化合物，聚合物之間可以形成大量氫鍵，因此經(jīng)常用于開發(fā)淀粉基復合材料。普魯蘭多糖作為微生物源多糖，具有良好的溶解性和成膜性，是一種良好的薄膜基質(zhì)。盡管多糖類復合膜作為可降解材料適用于食品包裝，但多糖復合時會形成高分子聚合物，薄膜難以涂布均勻，其次，多糖類復合膜的阻濕性差，在濕度較大環(huán)境的下會影響其機械性能，這也限制了多糖類復合膜的廣泛使用，故改善食品包裝膜性能也成為目前多糖膜改性研究中必不可缺少的環(huán)節(jié)。

3.2 殼聚糖-蛋白質(zhì)復合膜

殼聚糖的—NH2帶有正電荷，可與蛋白質(zhì)的去質(zhì)子化羧基發(fā)生靜電相互作用，從而提高復合膜的抗菌貯藏穩(wěn)定性。研究人員對殼聚糖與蛋白質(zhì)生物聚合物如明膠、大豆分離蛋白和玉米醇溶蛋白的復合進行了深入研究。

研究發(fā)現(xiàn)，明膠與殼聚糖可以通過氫鍵和靜電相互作用使其與殼聚糖具有良好的混溶性。殼聚糖與大豆分離蛋白通過靜電相互作用在分子間形成緊密的結(jié)構(gòu)，從而制得機械性能、阻隔性能良好的薄膜。殼聚糖在酸性條件下具有較好的黏性，其大分子殘基可與玉米醇溶蛋白官能團發(fā)生交聯(lián)作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，殼聚糖-玉米醇溶蛋白復合材料具有良好的機械性能、抗菌性、抗氧化性以及疏水性。

3.3 殼聚糖-脂質(zhì)復合膜

殼聚糖可與蠟質(zhì)型薄膜、植物油型薄膜復合，其中殼聚糖與蜂蠟的—OH之間的發(fā)生氫鍵作用使兩者之間吸附更緊密。功能性殼聚糖和蜂蠟為食品包裝提供抗菌屏障具有積極前景。

殼聚糖大分子的陽離子—NH3+可與帶負電的油脂之間產(chǎn)生電荷吸引作用，從而制備復合涂膜。

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結(jié)語

殼聚糖由于其抗菌活性和無毒性，具有作為抗菌材料的巨大潛力，通過改性、與其他物質(zhì)協(xié)同等方式在一定程度上可提高殼聚糖抗菌復合材料的抗菌活性，有效防止食物腐敗和致病微生物的滋生。殼聚糖作為天然抗菌劑賦予了不同成膜基材抗菌活性，有效延長了各種食品和其他農(nóng)產(chǎn)品的貨架壽命，同時減少了合成塑料和添加劑的使用，降低了環(huán)境污染，因此殼聚糖在食品抗菌包裝領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣闊。

食品包裝膜的長效抑菌性、安全性和生產(chǎn)成本等仍然是殼聚糖應用到工業(yè)推廣中所面臨的問題，因此，在未來研究中，可進一步探索殼聚糖基抗菌包裝材料在不同條件下的抗菌穩(wěn)定性以及活性物質(zhì)的緩釋過程，以確保其可長時間維持抗菌活性；提高殼聚糖體系的機械性能、阻隔性能、抑菌性能等綜合性能，為擴大殼聚糖膜的應用范圍提供可能性；含有活性物質(zhì)的食品包裝膜在應用中是否會對食物的感官特性，如刺激性氣味產(chǎn)生影響有待進一步研究；殼寡糖復合材料尤其是復合金屬材料的毒性情況仍需重點關(guān)注，對抗菌包裝的安全性評價需要確定合適的方法和相關(guān)標準，保障消費者食用過程中的安全性；避免繁瑣的原料分離純化和成膜工藝，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

通信作者

周 慧 講師

大連海洋大學食品科學與工程學院2003年6月于成都理工大學獲得化學工程與工藝專業(yè)學士學位，2006年6月于四川大學獲得化學工藝專業(yè)碩士學位，2017年1月于大連化學物理研究所獲得工業(yè)催化專業(yè)博士學位。2006年6月至2011年9月在西南石油大學化學化工學院從事教學科研工作。2017年3月進入大連海洋大學食品科學與工程學院工作。主要從事海洋生物活性物質(zhì)（寡糖、活性肽）的分離純化、褐藻膠可食性膜的制備等研究工作，近年來，主持國家自然基金青年基金1 項，遼寧省科技廳項目1 項，遼寧省教育廳項目1 項，校博士啟動項目1 項，催化基礎(chǔ)國家重點實驗室開放基金1 項；申請國家發(fā)明專利4 項；已發(fā)表論文20余篇。

第一作者

劉夢琪 碩士研究生

大連海洋大學 食品科學與工程學院

碩士期間主要從事褐藻膠膜抗菌保鮮性能研究，探索含抗菌類物質(zhì)的薄膜對冷藏保鮮鱸魚中微生物的抑制水平，提供理想的鱸魚魚片保鮮效果，實現(xiàn)功能性食品包裝。參與發(fā)表學術(shù)論文3 篇，其中SCI和EI收錄3 篇。