納米殼聚糖的制備及其在食品保鮮應用中的研究進展

孫濤，劉偉佳，謝晶,2,3，邵則淮,2,3，甘建紅,2,3，李曉暉,2,3，薛斌,2,3

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海，201306)3(農業部冷庫及制冷設備質量監督檢驗測試中心(上海)，上海，201306)

殼聚糖(聚(1,4)-2-氨基-2-脫氧-β-D葡萄糖)是甲殼素通過脫乙酰作用得到的陽離子聚合物[1]，由于其環境友好性、生物降解性、生物相容性、高質量成膜能力、可食性和無毒性被廣泛應用于食品包裝中[2]，用來替代傳統食品保鮮膜(聚乙烯、聚氯乙烯以及聚偏二氯乙烯等)，以改善傳統保鮮膜造成的環境污染問題[3]。單獨的殼聚糖保鮮膜機械性能差，抗菌性和抗氧化性有限，故而將殼聚糖與淀粉(或蛋白)復合成膜以提升殼聚糖膜的機械性能[4]，將殼聚糖與酚類物質通過化學改性或物理共混得到復合膜以改善其抗菌性和抗氧化性[5]，但復合膜機械性能和保鮮效果依然有所欠缺。納米殼聚糖用于食品保鮮的研究應運而生。

納米殼聚糖是由殼聚糖經過物理化學方法改性制得的納米顆粒，可用作食品保鮮。小尺寸的粒徑為納米顆粒與基質的接觸提供了更大的比表面積，從而提高了納米殼聚糖的生物活性[6]。納米形式大大改善了殼聚糖的水溶性，擴大了應用范圍[7]，而且納米殼聚糖在抗氧化性、抗菌性、滲透性和吸收性等方面也得到了顯著提高[8]。在食品保鮮中，納米粒子的使用可以減少氣體的滲透，減少氣味損失以增加對食品的保護[9]。納米殼聚糖已經在果蔬和肉類等食品的保鮮中得以應用，其保鮮效果在一定程度上優于殼聚糖保鮮膜。本文簡要介紹了納米殼聚糖的常見制備方法，包括離子交聯法、乳化交聯法和噴霧干燥法，總結了3種方法各自的特點，同時較為詳細地綜述了納米殼聚糖在食品保鮮中的應用，希望能對納米殼聚糖保鮮膜在食品保鮮方面的研究提供依據。

1 納米殼聚糖的制備

納米殼聚糖的制備方法多種多樣，根據不同的實驗目的，應用領域，選擇不同的制備方法，常見的有離子交聯法，乳化交聯法和噴霧干燥法等(表1)。其中離子交聯法和乳化交聯法得到的是納米殼聚糖懸浮液，可用作涂膜保鮮，而噴霧干燥法制得的是固體殼聚糖納米粒子，主要用于荷載藥物。

表1 納米殼聚糖的制備方法比較Table 1 Comparison of three methods for preparing nano-chitosan

注：CS為殼聚糖，TPP為三聚磷酸鈉，/表示文中未提到(下同)

1.1 離子交聯法

離子交聯法制備納米殼聚糖的操作過程是：殼聚糖在溶液中帶陽離子，聚陽離子與聚陰離子[常用三聚磷酸鈉(TPP)]通過靜電相互作用，形成電離凝膠，得到殼聚糖納米顆粒[10]。

在1997年CALVO等[11]首次提出用離子交聯法制備納米殼聚糖，將三聚磷酸鈉溶液緩慢勻速滴加到殼聚糖乙酸溶液中，即可得到納米殼聚糖，通過調節殼聚糖和三聚磷酸鈉溶液的濃度，以及殼聚糖溶液與三聚磷酸鈉溶液的比例，可改變納米殼聚糖粒徑大小，而且在一定范圍內，殼聚糖和三聚磷酸鈉濃度越低，殼聚糖納米粒子的粒徑越小。通過添加活性物質可以提高納米殼聚糖的性能。納米殼聚糖負載抗壞血酸后，會對抗壞血酸有一定的保護作用，延長其抗氧化時間，維持其生物活性，故而實現納米顆粒抗氧化性的大大提高[12]。將殼聚糖納米粒子懸浮液與溶菌酶混合，溶菌酶能抑制某些革蘭氏陽性菌，但是對革蘭氏陰性菌不夠敏感，將溶菌酶整合到納米殼聚糖上可以拓寬溶菌酶的抗菌譜，故而抗菌性能得到大幅提升[13]。另外將硫酸銅加入到納米殼聚糖懸浮液中，可得到負載銅離子的納米殼聚糖，銅離子在體外具有較高的抗菌活性，而且貯存過程穩定，所以載銅納米殼聚糖的抗菌性會有提高[14]。將納米殼聚糖與塑化淀粉制成復合材料，因為塑化淀粉機械性能和水分敏感性差，在塑化淀粉基體中引入納米殼聚糖填料，形成淀粉基納米殼聚糖復合材料，可以提高力學性能、動態力學性能、水蒸氣滲透性能和熱降解性能[15]。除此之外，將生物活性魚明膠溶液與納米殼聚糖懸浮液混合，不僅能提高納米殼聚糖的抗菌活性，而且還改善了機械性能[16]。離子交聯法操作簡便，用料便宜易得，中間引入的試劑少，且不具有毒性[17]，故而應用廣泛。

1.2 乳化交聯法

乳化交聯法制備納米殼聚糖的過程是：殼聚糖溶液為水相，與一種油相混合，形成類似油包水(W/O)或水包油(O/W)型乳劑，然后使用交聯劑進行化學交聯，超聲處理后形成納米殼聚糖顆粒。

1.3 噴霧干燥法

噴霧干燥法是通過噴霧干燥機將殼聚糖溶液變為干粉、顆粒或團聚物的一種工藝，從而制備殼聚糖納米顆粒。

噴霧干燥法的核心儀器為噴霧干燥機，在殼聚糖乙酸溶液中加入戊二烯或甲醛作為交聯劑，送入噴霧干燥機中，從噴嘴處噴出干燥的殼聚糖納米顆粒。通過噴霧干燥法制得的納米殼聚糖粒徑約為95～358 nm，zeta電位較高，且顆粒均一。殼聚糖溶液的濃度、殼聚糖的分子質量，會影響納米殼聚糖的性能[24]。且殼聚糖納米顆粒的粒徑與制備參數也有一定的關系，速度快，泵嘴大，空氣輸入量小的情況下，可以形成較大粒徑的殼聚糖納米顆粒[25]。通過改變這些因素，可控制納米殼聚糖的性能。采用噴霧干燥法將三聚磷酸鈉作為交聯劑，得到了包埋維生素C的納米殼聚糖顆粒。三聚磷酸鈉是一種無毒的交聯劑，優于其他毒性交聯劑，并且可以通過改變三聚磷酸鈉溶液的用量，得到不同大小、zeta電位、包封率和表面形貌的納米殼聚糖顆粒[26]。

噴霧干燥法直觀簡單，可以直接得到固體樣品，而且得到的納米顆粒粒徑可控。此法在荷載藥物領域應用廣泛，但在食品涂膜保鮮方面并不常見。

2 納米殼聚糖的食品保鮮機理

3 納米殼聚糖與殼聚糖的食品安全評估

殼聚糖作為一種安全可食的制膜材料，具有良好的殺滅微生物性能，而且毒性低，穩定性好[30]。殼聚糖制備成納米殼聚糖后毒性作用不明顯，用作食品包裝材料安全性比較高。LIMA等[9]研究了納米殼聚糖在食品包裝薄膜中的遺傳毒性，結果表明，納米殼聚糖對DNA沒明顯的損傷，但是82和111 nm納米粒子在最高濃度下降低了有絲分裂指數，體外毒性試驗表明，顆粒只有在較大的尺寸和較高的濃度時才具有毒性。另外殼聚糖和納米殼聚糖均能促進植物生長，使植物器官擴增，類似激素的作用[31]。

4 納米殼聚糖在食品保鮮中的應用

4.1 水果保鮮

水果的呼吸作用以及蒸騰作用旺盛，水分和糖分損失嚴重，而且容易腐敗變質[32]。殼聚糖保鮮膜可以有效地阻水隔氧，降低水果呼吸作用和蒸騰作用，延長保質期[33]。而納米殼聚糖在水果保鮮方面大多展現出更加優異的性能。

納米殼聚糖涂膜保鮮技術在水果保鮮中有著較為良好的效果(表2)。納米殼聚糖的粒徑大小對保鮮效果有一定的影響，用離子交聯法分別制得110 nm和300 nm納米殼聚糖涂膜液，噴涂在蘋果切片表面，在5 ℃環境中放置10 d。結果表明，與傳統殼聚糖涂膜相比，殼聚糖納米粒子涂膜具有更好的抗菌效果，而且110 nm納米殼聚糖涂膜在抗菌活性、色澤、多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)、過氧化物酶(peroxidase,POD)和硬度等方面表現出更好的效果，這是由于110 nm顆粒較小，納米殼聚糖的遷移率和表面相互作用強，從而提高了抗菌活性[34]。除此之外，納米殼聚糖的濃度也會對保鮮效果造成影響。用0.2%和0.5%的納米殼聚糖溶液，涂布在蘋果表面，在溫度(1±1) ℃，濕度80%～90%的情況下存放9周。結果表明，納米殼聚糖涂層能顯著降低蘋果的失重率、呼吸速率、乙烯釋放量和過氧化物酶活性，且0.5%的納米殼聚糖溶液對蘋果的保鮮效果更好，更為有效地延長了蘋果的貨架期[35]。納米殼聚糖負載其它物質是水果保鮮的主要趨勢之一。用離子交聯法分別制得納米殼聚糖和載銅納米殼聚糖，涂布在新鮮草莓表面，在溫度(4±1) ℃，濕度70%的環境中放置20 d。2種涂層對草莓多酚氧化酶和過氧化物酶活性均表現出明顯的抑制作用，但二者對草莓的保鮮效果相近，綜合考慮各方面的因素，前者可能更容易被消費者接受[36]。

表2 納米殼聚糖涂膜對水果保鮮效果Table 2 Preservative effect of nano-chitosan on fruit

注：CSNPs為納米殼聚糖的簡稱，PPO活性為多酚氧化酶活性，POD活性為過氧化物酶活性，本圖表只列舉了幾個重要且常見的指標

4.2 蔬菜保鮮

與水果相似，蔬菜同樣容易腐敗變質，故而蔬菜保鮮也是及其重要的，納米殼聚糖膜對多種常見蔬菜均具有良好的保鮮效果。

納米殼聚糖膜及其復合涂膜能顯著延長各類蔬菜的保質期(表3)。將殼聚糖納米涂膜液涂布在番茄表面，放置在溫度(15±2)℃，濕度70%～80%的環境中20 d。結果表明，納米殼聚糖處理后的番茄失重率稍高，但硬度、葉綠素含量的喪失以及可溶性固形物的含量等指標均優于未處理的番茄，這是因為相較于殼聚糖，殼聚糖納米顆粒小得多，形成的膜更加致密，可降低水蒸氣和其他氣體滲透性，并且可以阻擋更多的微生物進入[19]。另外納米殼聚糖也用于平菇保鮮，用納米殼聚糖和殼聚糖分別處理平菇，4 ℃環境下放置14 d，每2 d檢查1次失重率，呼吸強度，可溶性固形物，細胞滲透性和多酚氧化酶活性等指標。結果表明，納米殼聚糖處理的平菇保鮮效果更佳[37]。納米殼聚糖涂膜處理能顯著延緩鮮切茭白褐變和木質化，提高抗氧化酶類活性，最終維持其較好的品質[38]。LUO等[39]探究了殼聚糖/納米殼聚糖復合涂膜對茭白的保鮮效果，考察茭白褐變和木質化情況。結果表明，與殼聚糖涂膜相比，殼聚糖/納米殼聚糖復合涂膜控制茭白褐變和木質化效果更為明顯。扎塔里亞多花香精油(ZEO)具有顯著的抗氧化作用和抗菌特性，納米殼聚糖對ZEO有一定的裝載和遞送能力，所以用負載ZEO的納米殼聚糖涂膜處理黃瓜，與涂有單一的納米殼聚糖膜的黃瓜相比，具有更好的理化性質和微生物指標，更好地維持了黃瓜的品質[40]。香芹酚是由牛至、百里香、馬郁蘭和夏得薄荷提取的主要成分，具有極強的抗菌性，被普遍認為是一種安全的食物級添加劑，用香芹酚負載納米殼聚糖涂膜液處理鮮切胡蘿卜，具有更好的保鮮效果，主要表現在，具有更好的微生物抑制能力，更好的可溶性固形物含量指標、顏色指標和感官品質指標等[41]。

4.3 肉類保鮮

肉類非常容易腐敗變質，貨架期普遍很短。肉制品是高蛋白質含量的食品，其水分活度較大，給微生物的繁殖生長提供了很好的條件，極易腐敗[42]。殼聚糖能夠在肉制品貯藏期間減緩其脂質過氧化反應的發生，并抑制腐敗性細菌的繁殖，保持肉品質量的穩定性，延長肉品保存期[43]。

表3 納米殼聚糖涂膜對蔬菜保鮮效果Table 3 Preservative effect of nano-chitosan on vegetables

注：ZEO為扎塔里亞多花香精油

納米殼聚糖應用于肉類保鮮中表現出良好的效果，有效延長其保質期(見表4)。用殼聚糖和納米殼聚糖分別處理冷凍鯉魚魚片，結果表明，殼聚糖和納米殼聚糖涂膜對冷凍鯉魚魚片均有一定的保鮮效果，但納米殼聚糖的比表面積更大，與細菌細胞的親和力更高，所以納米殼聚糖的抗菌性能優于殼聚糖[44]。同樣是對鯉魚魚片保鮮，先在桔皮和石榴果皮提取液中分別浸泡處理，再用納米殼聚糖浸泡涂膜后，保鮮效果明顯優于只用納米殼聚糖進行涂膜處理的魚片，且石榴皮提取物浸泡過的魚片保鮮效果更佳[45]。納米殼聚糖也可用于黃鰭金槍魚的保鮮，以提高野生黃鰭金槍魚的貨架期。用納米殼聚糖分散液浸泡黃鰭金槍魚樣品30 min，在2種不同溫度(4 ℃和28 ℃)下放置，測量魚的變質情況，包括揮發性鹽基氮值(total volatile basic nitrogen，TVB-N)，細菌總數，感官評價，pH和水含量等指標。結果表明，納米殼聚糖保鮮效果良好，一定程度上延長了貯藏期，且28 ℃時抑制細菌活性效果更為明顯[46]。另外WANG等[47]比較了羧甲基殼聚糖和納米殼聚糖涂膜對凡納濱對蝦的保鮮效果。結果表明，與羧甲基殼聚糖涂層相比，殼聚糖納米粒子涂層對蝦的品質保持效果更好，這是由于納米殼聚糖具有更好的防腐抗氧化作用。

表4 納米殼聚糖涂膜對肉類保鮮效果Table 4 Preservative effect of nano-chitosan on meat

注：O+CSNPs為橘皮提取物與納米殼聚糖的復合膜，P+CSNPs為石榴皮提取物與納米殼聚糖的復合膜，TBARS值為硫代巴比妥酸反應性物質值，TVB-N值為總揮發性鹽基氮值

4.4 納米殼聚糖在食品保鮮領域的其他應用

納米殼聚糖除了可以用于水果，肉類和蔬菜保鮮，還可以在食品保鮮的其他領域得以應用。在牛奶中添加抗壞血酸可溶性納米殼聚糖，可以改善牛奶品質。研究結果表明，低濃度(體積分數1%～3%)的納米殼聚糖溶液可用于制備納米殼聚糖乳，不會對牛奶的物理、化學和感官特性產生明顯的不良影響[48]。納米殼聚糖在食品包裝中的應用已經越來越廣泛，并趨向于多種類，多形式，更實用，更有效。

5 總結與展望

綜上所述，納米殼聚糖已初步應用于水果，蔬菜，肉類及其他食品的保鮮中，與殼聚糖相比，其抗菌性以及抗氧化性均有所提高，但保鮮效果依然有待進一步改善。目前納米殼聚糖在食品保鮮方面的應用以涂膜保鮮為主，納米殼聚糖制膜保鮮研究較為罕見。多酚類物質具有良好的抗氧化能力，常用來與殼聚糖形成共價膜或共混膜，保鮮效果可觀。納米殼聚糖有望通過同樣的方法提升其保鮮性能。與殼聚糖膜相比，納米殼聚糖膜具有更好的力學性能，但與聚乙烯及聚氯乙烯等傳統保鮮膜相比，還是有很大不足，通過將納米殼聚糖與淀粉、蛋白質等物質形成復合膜，來提高保鮮膜的機械拉伸性能，也可能是將來研究納米殼聚糖保鮮膜的一個重要方向。除此以外，納米殼聚糖的應用還應該朝著更多樣，更大范圍的方向發展，一些加工食品也可以應用納米殼聚糖進行包裝，以減輕白色污染的威脅，達到保護環境的目的。