殼聚糖—多酚復(fù)合膜研究進(jìn)展

胡 飛 孫 濤,2,3 謝 晶,2,3 康永鋒,2,3 邵則淮,2,3 甘建紅,2,3 李曉暉,2,3

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3. 農(nóng)業(yè)部冷庫(kù)及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，上海 201306)

近年來(lái)以天然物質(zhì)為基質(zhì)的食品包裝膜備受關(guān)注，其中殼聚糖因具有無(wú)毒性、生物可降解性、良好的成膜性和生物相容性、內(nèi)在的抗氧化和抗菌活性，已被廣泛應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域[1]。但單一成分殼聚糖膜機(jī)械性能不足[2]，抗氧化和抗菌活性低，使其在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。而采用化學(xué)改性或物理共混法制備的復(fù)合膜，有望改善殼聚糖膜的性能，以滿(mǎn)足食品包裝的需要[3]。

在各類(lèi)復(fù)合膜中，殼聚糖多酚類(lèi)復(fù)合膜備受關(guān)注[4]。這是因?yàn)槎喾宇?lèi)物質(zhì)具有良好的抗氧化和抗菌活性，此外具有共同的結(jié)構(gòu)特性，即含有至少一個(gè)羥基取代基的芳香環(huán)[5]，可分為多酚單體和單寧兩大類(lèi)[6]，它們可以與殼聚糖共價(jià)鍵合或共混復(fù)合成膜。因此可將多酚類(lèi)物質(zhì)，如姜黃素、阿魏酸、沒(méi)食子酸、原兒茶酸和鞣酸等用于制備殼聚糖復(fù)合膜，以提升膜的物理、機(jī)械和生物活性[7]。本文從殼聚糖和多酚類(lèi)物質(zhì)共價(jià)或共混結(jié)合的角度，分別綜述了殼聚糖和多酚類(lèi)物質(zhì)共價(jià)膜、共混膜的機(jī)械性能、抗氧化和抗菌活性。以期通過(guò)對(duì)共價(jià)膜和共混膜的討論為殼聚糖多酚類(lèi)食品包裝膜的研究提供參考。

1 殼聚糖—多酚類(lèi)物質(zhì)共價(jià)膜

化學(xué)改性是在殼聚糖鏈上引入特定基團(tuán)使其性能發(fā)生改變，是提高殼聚糖膜性能的一種有效手段[8]。作為一種重要的改性方法，接枝共聚可將多酚類(lèi)物質(zhì)鍵合到殼聚糖上[9]，用以提升殼聚糖膜抗氧化和抗菌活性。此外，共價(jià)膜中多酚類(lèi)物質(zhì)和殼聚糖分子間存在酯鍵、酰胺鍵等相互作用，可以提高復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度[10]，進(jìn)而拓寬了殼聚糖膜在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。如沒(méi)食子酸(gallic acid，GA)、咖啡酸(caffeic acid，CA)、阿魏酸(ferulic acid，F(xiàn)A)，常用于與殼聚糖共價(jià)鍵合成膜。

1.1 GA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜

GA是一種普遍存在的天然多酚類(lèi)化合物，具有很強(qiáng)的抗氧化和抗菌活性。將GA接枝共聚到殼聚糖上可以減少殼聚糖分子內(nèi)和分子間的氫鍵，提高其共價(jià)膜的抗氧化能力[11]。采用漆酶催化阿魏酸、原兒茶酸、沒(méi)食子酸和殼聚糖的接枝共聚反應(yīng)中，沒(méi)食子酸—?dú)ぞ厶枪簿畚锏目寡趸钚愿鼜?qiáng)。此外，采用漆酶催化酚酸和殼聚糖的接枝共聚，較酪氨酸酶更能提高共聚物的抗氧化活性[12]。

通過(guò)偶聯(lián)接枝制得GA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜，與GA—?dú)ぞ厶枪不炷?duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，GA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜表面比較粗糙，而共混膜表面有均勻分布的白色顆粒，可能是GA晶體或GA和明膠相互作用的結(jié)果。此外，GA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜具有更好的抗氧化和抗菌活性，而GA—?dú)ぞ厶枪不炷s表現(xiàn)出更強(qiáng)的機(jī)械性能和阻水性。GA的量對(duì)共價(jià)膜抗氧化活性有較大的影響，當(dāng)GA接枝量為209.9 mg/g時(shí)，共價(jià)膜表現(xiàn)出了最強(qiáng)的抗氧化活性[13]。將GA—?dú)ぞ厶茄苌镉糜谑ヅｕr時(shí)發(fā)現(xiàn)，它能有效保護(hù)圣女果抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)和抗氧化酶系統(tǒng)，并抑制酶促褐變[14]。此外接枝GA后，共價(jià)膜大大提升對(duì)鼠傷寒沙門(mén)氏菌、大腸桿菌、李斯特菌、枯草芽孢桿菌的抗菌活性，且使鼠傷寒沙門(mén)氏菌的細(xì)菌生長(zhǎng)量降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)[15]。當(dāng)溶液的濃度為10 mg/mL時(shí)，對(duì)大腸桿菌的抑菌圈直徑達(dá)到11.44 cm[16]。同時(shí)接枝也使得共聚物具有更高的黏度，但共聚物的黏度隨著GA接枝率的增加而降低[17]。對(duì)GA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜成膜液的流變學(xué)特性研究表明，當(dāng)GA接枝率較低時(shí)，有利于殼聚糖鏈上大分子間相互作用和纏繞，進(jìn)而增加了成膜液的動(dòng)態(tài)模量，且動(dòng)態(tài)模量隨著GA接枝率的增加而降低。較殼聚糖膜相比，共價(jià)膜拉伸強(qiáng)度有所提高，但斷裂伸長(zhǎng)率卻有所降低。同時(shí)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均隨膜中GA接枝率的增加而降低，這和它們表現(xiàn)的流變學(xué)特性一致。當(dāng)殼聚糖和GA的摩爾比為10∶1時(shí)，共價(jià)膜的水蒸氣滲透率(water vapor permeability，WVP)低于殼聚糖膜，但隨著共價(jià)膜中GA接枝率的增加，膜的WVP也隨之增加，可能是殼聚糖鏈中的GA取代基降低或破壞了殼聚糖鏈上分子間和分子內(nèi)作用力[18]。

1.2 CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜

咖啡酸是一種酚酸，由酚類(lèi)和丙烯酸類(lèi)官能團(tuán)組成[19]，將咖啡酸分子接枝到殼聚糖分子鏈上可以提高殼聚糖膜的抗氧化和抗菌活性。

利用硝酸鈰銨(ammonium ceric nitrate，CAN)，采用自由基引發(fā)接枝法制得CA和殼聚糖的共聚物，加入京尼平作為交聯(lián)劑制得CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜，該共價(jià)膜和殼聚糖膜具有相似的機(jī)械性能。而添加1.5%的殼聚糖，4%的CA，制得的共價(jià)膜抗氧化活性最高，是單一成分殼聚糖膜的2倍。此外，在中性環(huán)境條件下，將京尼平作為交聯(lián)劑添加到CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜中，其抗氧化活性較殼聚糖膜提升80%，而將京尼平添加到殼聚糖膜中卻不會(huì)影響其抗氧化活性。接枝CA后共價(jià)膜的楊氏模量低于殼聚糖膜，可能是CA與殼聚糖的共價(jià)連接，導(dǎo)致了共價(jià)膜中網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)程度的降低，從而引起共價(jià)膜剛性降低[20]。采用偶聯(lián)接枝法合成CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜，再采用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基清除活性來(lái)評(píng)價(jià)共價(jià)膜的抗氧化活性時(shí)發(fā)現(xiàn)，共價(jià)膜的自由基清除活性幾乎完全取決于膜中的CA含量，當(dāng)CA濃度相同時(shí)，CA和CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜對(duì)DPPH自由基清除活性相近，因此CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜的抗氧化活性完全依賴(lài)于酚基[21]。Liu等[22]采用自由基引發(fā)接枝的方式，通過(guò)VC和H2O2氧化還原體系，在惰性氣體環(huán)境中成功的將CA接枝到殼聚糖上。X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)結(jié)果表明，CA與殼聚糖的接枝共聚在一定程度上降低了殼聚糖的晶體結(jié)構(gòu)，可能是由于殼聚糖分子間和分子內(nèi)氫鍵在接枝共聚后減少所致。此外，pH對(duì)CA—?dú)ぞ厶枪簿畚锏目咕钚杂酗@著影響，當(dāng)pH=4.5時(shí)，共聚物對(duì)大腸桿菌，單核增生李斯特菌具有較強(qiáng)的抗菌活性，而當(dāng)pH=6.5時(shí)，其對(duì)真菌具有較強(qiáng)的抗菌活性[23]。采用濾紙片法評(píng)估復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌，金黃色葡萄球菌的抗菌活性得出，CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜的抑菌圈明顯大于GA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜[24]。

1.3 FA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜

阿魏酸是廣泛存在于植物界的一種酚酸，可以共價(jià)交聯(lián)蛋白質(zhì)和多糖。利用阿魏酸對(duì)殼聚糖—膠原蛋白復(fù)合膜進(jìn)行改性，制得FA—?dú)ぞ厶恰z原蛋白共價(jià)膜。當(dāng)FA濃度為2%、熱處理溫度為70 ℃、時(shí)間為30 min時(shí)，它可使膜拉伸強(qiáng)度增加12.50%、斷裂伸長(zhǎng)率降低24.36%、水蒸氣透過(guò)率降低39.46%[25]。較殼聚糖膜相比，F(xiàn)A—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜對(duì)DPPH、羥基及H2O2自由基的清除能力顯著增強(qiáng)。但當(dāng)接枝率相同時(shí)，F(xiàn)A—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜的抗氧化活性卻低于CA—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜[26]，與Liu等[22]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明殼聚糖共價(jià)膜的抗氧化活性取決于接枝共聚多酚類(lèi)物質(zhì)的含量和種類(lèi)。此外，F(xiàn)A—?dú)ぞ厶枪簿畚锟梢匀苡谒透视蚚27]，這些對(duì)擴(kuò)大殼聚糖在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

將FA—?dú)ぞ厶枪簿畚锖蜕锝到饽ぴ诟邷叵逻M(jìn)行復(fù)合擠壓，然后吹塑制膜。結(jié)果表明將FA共價(jià)交聯(lián)到殼聚糖上，可以使FA熱穩(wěn)定性得到改善，且在一定程度上減少FA在加熱過(guò)程中的損失。當(dāng)FA—?dú)ぞ厶枪簿畚镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02%～0.08%時(shí)，膜的拉伸強(qiáng)度無(wú)明顯改變，但膜的延展性卻有所降低。此外，膜的水蒸氣透過(guò)率增加了11.7%～29.8%，氧氣透過(guò)率則降低了0.1%～20.6%，與共混膜相比，F(xiàn)A—?dú)ぞ厶枪矁r(jià)膜的DPPH自由基清除活性可以提高3倍[28]。采用漆酶作為催化劑，分別將FA氧化產(chǎn)物和阿魏酸乙酯(ethyl ferulate，EF)氧化產(chǎn)物接枝到殼聚糖上，其中FA氧化產(chǎn)物在殼聚糖上的接枝率更高，兩種共聚物的抗氧化活性均得以提升，且FA—?dú)ぞ厶枪簿畚锟寡趸钚栽黾痈鼮轱@著，但抗菌活性卻未發(fā)生改變。對(duì)其流變學(xué)特性研究得出，當(dāng)溶液的濃度高于8 mg/mL時(shí)，二者均形成黏稠溶液，隨著溶液濃度增加，其黏度也隨之增加，且FA—?dú)ぞ厶枪簿畚锶芤吼ざ仍黾痈鼮槊黠@[29]。這可能是殼聚糖鏈上不同側(cè)鏈基團(tuán)間疏水相互作用形成的物理交聯(lián)，這些交聯(lián)形成了具有流變學(xué)特性的聚合物網(wǎng)絡(luò)[30]。而采用重組細(xì)菌漆酶為催化劑，制備FA—?dú)ぞ厶枪簿畚飳?duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌活性均強(qiáng)于殼聚糖。但抗菌活性并未隨共聚物濃度的增加而增加，當(dāng)濃度較低時(shí)，其共聚物可改變細(xì)胞膜的通透性，阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)致細(xì)胞死亡；而當(dāng)濃度較高時(shí)，共聚物可以密集的包裹在細(xì)胞表面，減少細(xì)胞質(zhì)滲漏，而使抗菌活性不能得到有效提高[31]。

殼聚糖和多酚類(lèi)物質(zhì)共價(jià)鍵合成膜可以顯著提高膜的抗氧化和抗菌活性，主要和膜內(nèi)多酚類(lèi)物質(zhì)的種類(lèi)和含量有關(guān)。同時(shí)接枝共聚也影響了殼聚糖分子間和分子內(nèi)相互作用，復(fù)合膜的機(jī)械性能未得到明顯改善，可在膜內(nèi)添加交聯(lián)劑類(lèi)物質(zhì)以改善這種影響。

2 殼聚糖—酚類(lèi)物質(zhì)共混膜

共混復(fù)合也是提高殼聚糖膜性能常用的方法，將多酚類(lèi)物質(zhì)和殼聚糖共混，以期綜合各組分的優(yōu)良特性，拓寬殼聚糖的應(yīng)用范圍[32]。多酚類(lèi)物質(zhì)和殼聚糖共混主要存在氫鍵和靜電相互作用[33]，研究[34]表明共混可以改善膜的物理、機(jī)械性能及生物活性。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，共混膜中的多酚類(lèi)物質(zhì)可以從薄膜基質(zhì)釋放到包裝食品中，從而在食品儲(chǔ)存過(guò)程中提供持續(xù)的抗氧化和抗菌活性[35]。常見(jiàn)的植物多酚類(lèi)物質(zhì)如姜黃素(curcumin，Cur)、茶多酚(tea polyphenols，TP)、蘋(píng)果多酚(apple polyphenols，AP)，常用于和殼聚糖共混制膜。

2.1 Cur—?dú)ぞ厶枪不炷?/h3>

姜黃素是一種功能性的天然多酚類(lèi)物質(zhì)，是姜黃的一種重要成分，具有良好的抗氧化和抗菌活性[36]。將姜黃素添加到殼聚糖中可制得Cur—?dú)ぞ厶枪不炷ぃt外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)研究表明，姜黃素和殼聚糖之間存在氫鍵相互作用。此外，當(dāng)姜黃素濃度較低時(shí)，Cur—?dú)ぞ厶枪不炷ず蛦我怀煞謿ぞ厶悄さ腤VP無(wú)明顯差別[37]。掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)顯示姜黃素的加入并未使共混膜產(chǎn)生多孔和分裂結(jié)構(gòu)，雖然共混膜沒(méi)有單一成分殼聚糖膜那樣結(jié)構(gòu)緊湊，但其截面卻是均勻連續(xù)的，表明姜黃素和殼聚糖之間具有良好的相容性[37]，與Portes等[38]的報(bào)道一致。加入姜黃素后膜的拉伸強(qiáng)度提升了2倍，但斷裂伸長(zhǎng)率卻發(fā)生了明顯的下降。對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制結(jié)果表明，添加姜黃素后，抑菌圈直徑由原來(lái)的10 mm 增加到了12 mm，即共混膜的抗菌活性得到提高[37]。將Cur和殼聚糖共混，再加入增塑劑可以提高膜的阻水性，進(jìn)而導(dǎo)致膜的WVP降低。添加Cur后并未改變膜的楊氏模量，但膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率卻與添加的Cur量有關(guān)，當(dāng)Cur量較低時(shí)，能夠提高復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度[39]。

2.2 TP—?dú)ぞ厶枪不炷?/h3>

茶多酚是一種良好的抗氧化劑，與殼聚糖共混可以開(kāi)發(fā)出抗氧化活性高的食品包裝膜[40]，還可提高膜的機(jī)械強(qiáng)度、耐水性等性能[41]。此外，綠茶多酚的添加增強(qiáng)了膜的阻水性，同時(shí)也降低了膜溶液的表觀黏度和膜的延展性[42]。而將茶多酚添加到殼聚糖—聚乙烯醇復(fù)合膜中，F(xiàn)TIR分析表明茶多酚、殼聚糖和聚乙烯醇共混時(shí)發(fā)生了較強(qiáng)的氫鍵作用；當(dāng)茶多酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，膜的綜合性能最好，其拉伸強(qiáng)度提高了4.99%，水溶性、水蒸氣滲透率和氧氣透過(guò)率分別降低了82.43%，51.40%，72.77%，膜的抗氧化能力增強(qiáng)了58.54%[43]。將茶多酚和殼聚糖共混，再通過(guò)流延法可制備茶多酚—?dú)ぞ厶枪不炷ぃ砑硬瓒喾雍髿ぞ厶悄ね庥^呈現(xiàn)出紅褐色，膜的透明度降低。此外添加茶多酚有利于提升膜的拉伸強(qiáng)度，當(dāng)茶多酚含量為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度提升最為明顯，此時(shí)膜也具備較好的阻氧性。但添加茶多酚后使得膜的斷裂伸長(zhǎng)率降低，說(shuō)明膜的韌性變差[44]。當(dāng)共混膜中茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，其DPPH自由基清除活性最高，較殼聚糖膜增加了12倍以上，但共混膜自由基清除活性隨時(shí)間的增加而降低，24 d后約降低了33%～43%[45]。

2.3 AP—?dú)ぞ厶枪不炷?/h3>

蘋(píng)果多酚是蘋(píng)果中所含多元酚類(lèi)物質(zhì)的通稱(chēng)，具有抗氧化及廣譜抑菌作用[46]。將AP和殼聚糖共混制得食品包裝膜，隨著AP添加量的增加，膜的顏色在逐漸加深，SEM表示AP—?dú)ぞ厶枪不炷ず蜌ぞ厶悄さ耐庥^都是光滑均勻的，說(shuō)明AP中的多酚均勻分布在殼聚糖基質(zhì)中。共混膜的厚度和密度也隨著AP量的增加而顯著增加，Peng等[47]的研究中也出現(xiàn)相似的結(jié)果。另外隨著AP含量的增加，共混膜的阻水性得到提高，WVP逐漸減低。當(dāng)AP含量由0.25%增加到1.00%時(shí)，共混膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低[48]，可能是膜微觀結(jié)構(gòu)、膜內(nèi)分子間作用力的改變，以及膜結(jié)晶度的降低所致。殼聚糖膜表現(xiàn)出了較低的DPPH自由基清除活性[48]，但AP的加入?yún)s顯著的提高了膜的抗氧化活性，添加1.00%的AP后，共混膜抗氧化活性幾乎是殼聚糖膜的3倍。同時(shí)AP的加入顯著提升了共混膜對(duì)細(xì)菌和霉菌的抗菌活性，但對(duì)酵母卻未表現(xiàn)出抗菌活性[49]。將AP—?dú)ぞ厶枪不炷び糜诓蒴~(yú)片保鮮時(shí)，可有效阻止冷藏過(guò)程中微生物的增殖，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化[50]。目前，AP—?dú)ぞ厶枪不炷ぷ鳛楹铣刹牧系奶娲罚瑢?duì)食品保質(zhì)期的延長(zhǎng)具有極大的應(yīng)用潛力。

殼聚糖和多酚類(lèi)物質(zhì)共混復(fù)合成膜，可以在一定程度上提高膜的抗氧化和抗菌活性。共混產(chǎn)生的分子間和分子內(nèi)相互作用，可以使多酚類(lèi)物質(zhì)均勻分布在殼聚糖基質(zhì)中。此外，膜的機(jī)械性能與添加多酚類(lèi)物質(zhì)的量有關(guān)，當(dāng)添加量較低時(shí)，共混膜的拉伸強(qiáng)度、阻水性均優(yōu)于殼聚糖膜，但斷裂伸長(zhǎng)率卻有所降低。

3 展望

綜上所述，殼聚糖多酚類(lèi)復(fù)合膜因其顯著的抗氧化和抗菌活性使其在食品包裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，相比較而言，共價(jià)膜抗氧化和抗菌活性提升更加明顯。另一方面，膜在機(jī)械性能方面的改變卻和添加多酚類(lèi)物質(zhì)的種類(lèi)和含量，及其與殼聚糖的結(jié)合方式有關(guān)。因殼聚糖和多酚類(lèi)物質(zhì)共價(jià)鍵合后減少了殼聚糖分子間和分子內(nèi)氫鍵作用，所以共混膜較共價(jià)膜在機(jī)械性能方面表現(xiàn)更佳。此外，目前殼聚糖多酚類(lèi)復(fù)合膜多集中在對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行分析研究，而對(duì)于復(fù)合膜在食品包裝的具體應(yīng)用卻較少。在以后的研究中需要不斷去探求與殼聚糖結(jié)合的多酚類(lèi)物質(zhì)的種類(lèi)，另一方面，也應(yīng)立足于復(fù)合膜在食品包裝上的應(yīng)用，對(duì)膜在使用過(guò)程中的多項(xiàng)理化性質(zhì)進(jìn)行討論與分析。