壳聚糖及其衍生物在水果保鲜上应用

时间：2022-10-08 22:30:17 生物制药毕业论文我要投稿

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壳聚糖及其衍生物在水果保鲜上应用

　　摘要：壳聚糖因具有成膜性、金属絮凝性、抑菌性等特性，能被应用于水果保鲜上。本文综述了壳聚糖与水果保鲜相关特性及其应用的研究进展;讨论了壳聚糖及其衍生物对水果保鲜效果和应用潜在的危险性，指出今后应着重保鲜膜的作用机理和人体食用后代谢特性进行研究。

壳聚糖及其衍生物在水果保鲜上应用

　　论文关键词：壳聚糖;保鲜;水果;应用;特性

　　引言

　　壳聚糖作为天然存在的唯一碱性多糖，来源广泛，具有如成膜性，吸湿保湿性，金属絮凝性，生物可降解性，安全无毒性等特性。自1977年在美国波士顿召开了第一次有关甲壳素壳聚糖的国际会议后，甲壳素及其壳聚糖的开发应用得到较大的发展，经过一定的改性，有更广泛的应用前景，在食品、化妆品、废水处理、重金属回收、生物、医药、照相、纺织、印染、造纸等领域中均有广泛应用。本文将从与水果保鲜密切相关的特性，及其在水果保鲜的效果来介绍壳聚糖在此方面的研究进展。

　　1壳聚糖特性

　　1.1成膜性

　　壳聚糖是氨基纤维素衍生物，具有聚阳离子特性，能够将阳离子聚积于阴离子表面，然后通过阴阳离子的相互作用，使其具有生物粘合特性，而粘合周围分子形成胶状薄膜。它所形成的膜具有独特的性质，如能够通过改变水蒸气，氧气和二氧化碳的量来改变果实内部气体的成分以降低呼吸作用，减少水分蒸发，延迟水果后熟;同时它可以作为其他高聚物形成膜的增塑剂，增强的空气选择性;可以减少果实细胞的膜脂过氧化，提高细胞的超氧化物岐化酶的活性及可溶性钙的含量。这为壳聚糖应用于水果保鲜提供了依据。

　　1.2抑菌性

　　壳聚糖具有自由基-NH3+，能够结合微生物细胞壁的唾液酸磷脂等阴离子来束缚微生物，抑制微生物的生长过程，通过化学修饰，增加结构单元抗菌因子-NH3+的密度，可以提高抗菌性能;冯小强等研究不同分子量的壳聚糖对大肠杆菌抑菌作用，得到抑菌机理：在酸性环境下，壳聚糖分子链上的氨基与H+结合形成氨根正离子，并且随着分子量减小，单位氨基含量增多，对细菌得静电引力增强;在酸性环境下质子化氨可以与营养物质结合，使植物细胞表面微生物需要的阳离子减少，破坏了细胞结构完整的完整性。Kyoon等[2]研究了6种壳聚糖和壳聚糖低聚物在不同分子量下对4种革兰氏阴性菌(埃希氏菌属，荧光假单胞菌，沙门氏菌，弧菌)和7种革兰氏阳性菌(李斯特菌，巨大芽孢杆菌，蜡状芽孢杆菌，葡萄球菌，植物乳杆菌，乳酸菌，L-保加利亚菌)作用，结果表明，0.1%壳聚糖作用于戈兰氏阳性菌大于阴性菌，且在分子量为470kDa时对大肠杆菌和荧光假单胞菌抑制作用大于伤寒杆菌，副溶血弧菌，壳聚糖浓度增大，对于革兰氏阳性菌性抑制作用增大，阴性却变化不大;随着黏度降低而抑菌作用性能增加。冯波燕等研究表明壳聚糖对于葡萄致病菌-灰霉菌和交链孢菌有抑制作用，并得到最佳的抑菌涂膜浓度。

　　通过改性提高其抑菌性能，如Huang等利用壳聚糖-季铵盐和巯甲丙脯酸酐,丙酸酐或者2,3环氧三甲基色氨酸季铵盐反应得到壳聚糖衍生物，进行结构表征，研究其对埃希氏菌、葡萄状球菌的抑菌性能。结果表明酰化壳聚糖-季铵盐不仅可以抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，N-乙酰基壳聚糖-季铵盐对大肠杆菌得抑制效果好。

　　上述研究表明壳聚糖及其衍生物对于革兰氏阳性菌有很好的抑菌性，但是通过改性可以使抑菌范围扩展到革兰氏阴性菌。

　　1.3水溶性

　　壳聚糖作为高聚物，成螺旋结构，结晶度高，不溶于水和碱液，但溶于大部分酸，如醋酸，蚁酸，盐酸等，这是因为壳聚糖分子链上众多的氨基同溶液中的氢离子结合，使壳聚糖成为带阳电荷的聚电介质，破坏了壳聚糖分子间和分子内的氢键，使之溶于水;脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基越多，离子化强度越高，越溶于水;分子量越高，溶解越慢。但将脱乙酰度控制在50%左右则具有水溶性，脱乙酰度高于60%或低于40%的产物以及非均相条件下脱乙酰化反应所得到的产物不溶于水。

　　Lu等用乙酸酐制备改性壳聚糖，表明乙酸酐的量是影响乙酰化程度的最主要因素，其次是环境PH值：取代度0.5壳聚糖反应得到的N-乙酰化壳聚糖中性或者酸性环境下水溶性不随分子量增加而改变，在碱性环境下随分子量的增大而降低。

　　林友文等在超声波下，利用氯乙酸对进行化学改性得到水溶性的羟甲基壳聚糖并对其进行结构表征，表明加入强亲水性的羟基后，使得氢键作用被削弱，晶体结构被破坏，分子成松散状态，并且羟甲基带有舒展的阴离子侧链，具有很强的亲水性，从而使得改性后壳聚糖具有很好的水溶性和吸湿性能，扩大了其应用范围。Tomoki等研究表明，壳聚糖脱乙酰度不仅影响水溶性，也很大程度上影响了其机械特性和水渗透性。

　　上述研究表明对壳聚糖脱乙酰度、分子量大小，及其水溶性基团等，进行改性可以增加壳聚糖的水溶性，但同时会改变其他特性。

　　1.4吸湿保湿性及机械特性

　　壳聚糖分子链上分布大量羟基，氨基及一些N-乙酰氨基，且结晶度高，使其具有一定的吸湿保湿性。santos研究鱿鱼壳聚糖，通过研究鱿鱼壳聚糖成膜的水蒸气渗透性，机械特性以评估脱乙酰度和分子量大小对其物理特性的影响，结果表明，大量的乙酰基能增大高聚物链膨胀和延伸，分子间的距离以减少膜矩阵胶联程度;相反，低脱乙酰度增强分子中氢键作用，使膜渗水性降低，机械特性加大;减少分子量而不改变乙酰度，渗透性和浸水性增大，却降低了机械特性。

　　1.5鳌合及吸附性

　　壳聚糖的糖残基在C2上有一个乙酰基或氨基，在C3上有一个羟基，在构象上来说，它们都是平伏键，使壳聚糖在一定的PH下对具有一定离子半径的某些金属离子、带电荷的悬浮物和有机物具有鳌合作用。Yang等利用0.4-4mm壳聚糖片作为螯合剂去除废水中Cr(III)，研究表明，随着壳聚糖片减小，鳌合性增强，这说明在本实验中Cr(III)壳聚糖表面吸附性能最好。正是具有此特性，才能够将某些具有抑菌性能的金属离子如Ga2+，K+ ，Zn2+等，添加到壳聚糖分子结构里提高壳聚糖的抑菌能力。

　　2 壳聚糖在水果保鲜上的应用

　　由于壳聚糖具有上述特性且安全无毒，生物可降解，能够连续附于食品外或之间的组分，随食品一起食用，为壳聚糖广泛应用于果蔬保鲜提供了依据，以下是壳聚糖及其衍生物在果蔬保鲜应用进展。

　　2.1单一壳聚糖膜保鲜应用

　　据Jung等研究不同浓度的壳聚糖溶液结合低温对芒果切片保鲜，结果表明壳聚糖涂膜保鲜能够大大抑制了腐烂菌的生长，阻碍氧气的供给，降低PAL，POD，PPO的活性作用，以降低呼吸作用，使其具有高的固溶物和VC含量，最佳涂膜浓度是2%。姚晓敏等研究了壳聚糖膜结合低温对猕猴桃的保鲜，结果表明壳聚糖浓度在3%失重率最低，并且其VC含量可滴定酸度都比其他浓度的指标要高。Pena等[12]研究壳聚糖对中国菱角切片的保鲜，实验表明，结合低温储藏，在一定浓度范围内，壳聚糖浓度越大，对切片保鲜越有利，能很大程度的抑制褐变，减弱由于真菌、细菌等引起的生物病害;其最佳溶液浓度是2%。

　　上述三个研究都从固溶物含量、VC含量，呼吸强度等方面研究不同浓度壳聚糖涂膜液对不同水果的保鲜作用，表明不同水果对壳聚糖最佳浓度要求不同，但相差不大。

　　2.2壳聚糖混合膜保鲜应用

　　单一膜对水果有一定的保鲜作用，但是壳聚糖膜自身有一些缺点如所成膜保湿性，机械强度等性能差，抑菌范围窄等，通过添加一定的功能改良剂，能够改善这些缺点。Vargas等[13]研究壳聚糖-油酸可食性保鲜膜结合冷藏对草莓的保鲜效果，结果表明1%壳聚糖-2%油酸组合时保鲜效果最好，同时表明油酸可以明显提高壳聚糖的抗菌特性，在低PH下对霉菌和酵母有抑制作用;保鲜膜表面密度及其阻湿性都明显改善，且能够使氧气的渗透量多于二氧化碳气体。

　　Argaiz等 [14]将月桂酸、棕榈酸、橄榄油这三种物质加入到壳聚糖溶液中，改善壳聚糖膜机械特性，研究在不同添加量下，成膜厚度的不同对膜机械强度的影响，同时得出空气的渗透性直接取决于增塑剂的浓度，最佳浓度0.6%，涂膜厚度38.1um。。Camelo等 [15]研究精油和壳聚糖协同作用，采用抑菌圈方法观察，结果表明壳聚糖溶液中添加精油能够抑制即食性食品的病原体和腐烂菌的生长，对大肠杆菌O157：H7和李斯特菌在35℃有很好的抑制，且对于李斯特菌抑制更有效，将其应用于番茄保鲜，发现货架期高于单纯壳聚糖膜保鲜。

　　溶菌酶因为能够分解细菌的细胞壁中的肽聚糖而具有抑菌性，是目前研究的一大热点，Part S I等[16]将溶菌酶加入壳聚糖溶液后，使溶液抑菌范围扩展到戈兰氏阴性菌，溶菌酶可以破坏微生物细胞膜的完整性，在壳聚糖分子矩阵中能够均匀分布，对戈兰氏阴性菌和阳性菌都有抑制作用，涂膜的最佳浓度为1%壳聚糖-溶菌酶。Padmin等[17]将壳聚糖-溶菌酶溶液用于番茄保鲜，结果发现，1%壳聚糖溶液浓度结合低温，在高相对湿度的情况下完全能达到对番茄的保鲜效果，溶菌酶能够扩展其抑菌范围，但是对于壳聚糖膜渗透性的改善却没有作用，需要添加其他物质来达到要求。

　　从上述研究中可以看出，混合壳聚糖膜在机械特性，抑菌特性，透气性，吸湿保湿性等方面都比单一膜优越的多，能够很大程度的提高对水果保鲜的效果，它同样将在食品及其他行业有显著的作用，是目前研究的一大热点。

　　3.壳聚糖应用潜在危险性研究

　　1998年有人提出，壳聚糖的应用还存在一些危险性：壳聚糖能够降低和吸收动物血浆胆固醇，原因在于其能够吸收脂肪,而打破胆汁酸的循环，但是壳聚糖不能影响内生生物胆固醇，在肠内形成胶状阻碍脂肪、其他营养元素如脂溶性维生素，矿物质的吸收;饮食壳聚糖可能会影响钙的代谢，降低血浆中VE的含量，减少骨矿物质的积累;壳聚糖能够抑制微生物的生长，包括一些肠道有益菌，并且能够改变一些致病菌，使其产生抗药性等，所以要通过很长时间来考察其是否会引起代谢紊乱。但是目前对于壳聚糖的这方面研究还不多，尤其是在食品保鲜方面的研究更少4 结论与展望

　　壳聚糖是一种重要的天然高分子化合物，具有来源广泛，作为地球上第二大有机资源，具有独特的生理功能特性，成膜性、抑菌性，鳌合金属性强等特点，能够在果实表面形成膜，具有很好的气体选择透过性和保湿性，从而降低果实的呼吸作用和蒸腾作用，延长果实货架期。其衍生物和通过添加功能改良剂所形成的复合膜具有更好的生物相容性，机械特性，抑菌特性等，在水果保鲜效果上更加优越。但是目前各种功能改良剂相互协同作用机理还没有研究清楚，及大量壳聚糖用于水果保鲜，被食后的代谢特性研究很少。尽管如此仍可以预测到壳聚糖及其衍生物应用于水果保鲜将会有很大的应用前景。

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