多糖類可食性膜在水產品保鮮中的研究進展

汪經邦，謝晶

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中心，上海，201306)3(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海，201306) 4(江蘇中洋生態魚類股份有限公司，江蘇 南通，226600)

水產品具有高水分(70%～80%)和高蛋白(15%～21%)等特點，易受微生物等作用而發生腐敗變質。統計表明，每年因腐敗變質而導致喪失營養或商用價值的水產品約占全國水產品總量的30%[1]。在保證消費者食用安全的前提下，采用合適的保鮮技術對于保證水產品的品質至關重要。應用于包衣(涂覆或包裹)食品以延長其貨架期的任何類型的可食性材料均被認為是可食用膜，其主要以生物大分子為主要基材，輔以添加增塑劑、抑菌劑或抗氧化劑等物質，通過一定的處理工序制作而成。多糖類聚合物作為自然界中生物大分子的重要組成部分，以其作為基材的多糖類可食用膜(polysaccharide edible membrane,PEM)能顯著延緩水產品的腐敗變質[2]。因此，PEM保鮮技術作為生物保鮮技術的一種，具有易降解性、天然性和高效性等特點，且易與其他技術復合保鮮，已經成為水產品保鮮方式中的研究熱點[3]。本文就應用于水產品保鮮的PEM的組成成分、功能特性、改性方式和未來展望等方面展開綜述。

1 多糖類可食性膜的組成成分

1.1 成膜基材

PEM的成膜基材主要是纖維素、殼聚糖、海藻提取物、果膠和淀粉，本部分將從不同基材的分子結構、功能特點和成膜機理進行綜述，同時，總結其在水產品保鮮中的應用進展。

1.1.1 纖維素

纖維素是目前自然界分布最廣泛的多糖類聚合物，主要是由重復的D-吡喃葡萄糖環(失水葡萄糖)單元通過β-1,4糖苷鍵連接形成的直鏈高分子聚合物，D-吡喃葡萄糖環的數量取決于物質來源[4]。纖維素單體的多羥基椅式結構易導致其分子內及分子間形成大量氫鍵，從而導致其內部形成高度有序的晶體，而有序的分子順序和完整的晶體形狀是纖維素具有良好的成膜特性的根本原因。綜上所述，以纖維素為基材的PEM具有低成本、無毒無害和易成膜性等特性。JALALI等[5]以龍須菜多糖纖維素為基材制備PEM對鰱魚進行貯藏保鮮，結果表明：隨著貯藏時間的延長，實驗組較對照組，單核增生李斯特菌和鼠傷寒沙門氏菌的數量分別減少了4.99和5.08 lg CFU/mL。RAEISI等[6]將含有百日草精油和葡萄籽提取物的纖維素薄膜應用于虹鱒魚片的保鮮，較對照組，實驗組顯著延長了虹鱒魚片的貨架期。

1.1.2 殼聚糖

1.1.3 海藻提取物

海藻提取物來源于多細胞海藻，其中藻酸鹽和卡拉膠是在水產品保鮮中應用最廣泛的2種海藻提取物[24]。藻酸鹽是由不同分子量和排列方式的α-D-甘露糖酸(α-D-mannonic acid，M)和β-L-古洛糖醛酸(β-L-guluronic acid，G)組成的水溶性多糖類聚合物，其單體的分子結構式如圖2-a。藻酸鹽的成膜性質取決于聚合物分子鏈中的3個嵌段的相對比例(圖2-b)。G嵌段是僅包含G單體的嵌段，G嵌段比例越大，其凝膠強度越大。M嵌段僅含有M單體。由G單體和M單體交替組成的MG嵌段決定藻酸鹽溶解度的大小。藻酸鹽的成膜機理是陽離子(Ca2+等)在M和G嵌段之間建立了締合，從而形成了一個穩定且有序的三維網絡，稱為“蛋盒”模型(圖3)，最終形成強凝膠聚合物。值得注意的是，雖然Ca2+等陽性離子通過促進交聯能改善其成膜性能，但是由于離子的交聯速度過快且過程不可逆，可能會形成“局部膠

a-殼聚糖對于G+的抑菌機制;b-殼聚糖對G-的抑菌機制圖1 殼聚糖的抑菌機制示意圖Fig.1 Schematic diagram of the antibacterial mechanism of chitosan

表1 殼聚糖-PEM在水產品保鮮中的應用Table 1 Application of chitosan-PEM in preservation of aquatic products

凝區域”，影響成膜的均勻性。研究表明，在酸性介質下可以減緩離子的釋放速度，此外，pH值越低，抑菌效果越好[25]。卡拉膠是來源于紅海藻的多糖類聚合物，其優異的成膜性能主要是由于其具有部分硫酸化半乳聚糖的線鏈性能[26]。卡拉膠的分子結構式如圖2-c所示，主要分為K型、I型和λ型3種類型，不同類型分子的結構和性質差異較大。研究發現，雖然卡拉膠屬于水溶性聚合物，但是卡拉膠溶解度取決于其內部硫酸酯的含量，硫酸酯含量越高、溶解度越低。綜上所述，海藻提取物來源豐富且價格低廉，此外，由于其成膜后致密的交聯結構，以其作為基材的PEM是良好的O2屏障。COSTA等[27]在氣調包裝貯藏條件下，利用藻酸鈉-PEM對牡蠣進行貯藏保鮮，貨架期由57 h延長到160 h。ZHANG等[28]以海藻糖和藻酸鹽寡糖對太平洋白蝦進行貯藏保鮮，顯著抑制蝦在凍藏過程中的脂質氧化和冰晶的生成，改善保鮮效果。

1.1.4 果膠

果膠是植物細胞壁的主要組成部分，是由具有不同程度甲基化的羧酸殘基的α-1，4聚半乳糖醛酸(圖4-a)組成的多糖類聚合物[29]。按照結構分類，果膠分子由半乳糖醛酸聚糖(homogalacturonans，HGA)、鼠李半乳糖醛酸聚糖-I(rhamnogalacturonans-I，RG-I)和鼠李半乳糖醛酸聚糖-II(rhamnogalacturonans-II，RG-II)3種多糖結構穿插組成，如圖4-c所示，其分子結構分為光滑區和毛發區，HGA位于果膠分子的主鏈區域，即通過α-1,4-糖苷鍵連接D-半乳糖醛酸殘基組成的平滑區域，RG-I和RG-II結構位于毛發區。其中，HGA的分子結構式如圖4-b所示，根據HGA的羧基的甲酯化度(degree of esterification，DE)(圖5-c)，分為高甲氧基果膠(high methoxy pectin，HMP)(DE>50%)和低甲氧基果膠(low methoxy pectin，LMP)(DE<50%)，果膠的DE決定其膜液的凝膠特性[30]。其中，HMP在酸性介質下或足夠的糖濃度下才會形成凝膠，H+會降低果膠大分子之間的靜電排斥作用，增強凝膠效果，而高濃度的糖會破壞膠-水平衡，也會促進HMP形成纖維網絡結構。類似于藻酸鹽和陽離子之間的作用機理，二價或多價陽離子的存在也是LMP形成凝膠或成膜的先決條件。近年來，果膠-PEM在水產品保鮮中已經得到廣泛應用。姚宏亮等[31]將黃秋葵嫩果果膠涂層于新鮮青魚，貨架期由4 d延長到6 d。果膠具有天然性、安全性等特點，但由于缺少抑菌性等其他功能性作用，結合抑菌劑等活性添加劑是目前主要保鮮方式。YE等[32]將添加過抗菌劑的果膠涂層至冷熏鮭魚片表面上，果膠涂層對于單核增生李斯特菌有較顯著的抑制作用。此外，由于果膠聚合分子之間的相互作用，果膠薄膜通常表現出脆度和硬度偏高的缺點，添加增塑劑等物質能提高果膠的成膜性能。

a-藻酸鹽(單體);b-藻酸鹽的分子鏈構象;c-卡拉膠(K型、λ型和I型)的分子結構式圖2 海藻提取物的分子結構式Fig.2 Molecular structure of seaweed extract

圖3 藻酸鹽和Ca2+形成的“蛋盒”模型Fig.3 “Egg box” model formed by alginate and Ca2+

a-半乳糖醛酸聚糖的分子結構式；b-果膠多糖的分子結構式；c-果膠類多糖的分子結構模型。圖4 果膠的分子結構Fig.4 Molecular structure of pectin polysaccharides

1.1.5 淀粉

淀粉是由脫水葡萄糖殘基組成的天然類多糖聚合物。因其具有來源豐富、價格低廉和生物降解性等特性，而被廣泛應用于食品包裝材料。淀粉粒是淀粉的單元結構，由直鏈淀粉(amylose，Al)和支鏈淀粉(amylopectin，Ap)(98%～99%)以及少量的蛋白質、脂質組成[33]。淀粉的分子結構式如圖5所示，Al是由α-1,4脫水葡萄糖單元組成的直鏈聚合物，占整個淀粉粒的20%～25%，主要負責淀粉的成膜性能, Ap是由α-1,6糖苷鍵連接葡萄糖殘基(20%～30%)形成的一種高度支化的短α-1,4鏈聚合物[34]。

圖5 支鏈淀粉(a)和直鏈淀粉(b)的化學結構式Fig.5 Chemical structure of amylopectin (a) and amylose (b)

淀粉的成膜步驟是將淀粉和增塑劑等混合于水中并加熱以制備透明的糊溶液，由于聚合物鏈的締合，冷卻后會立即凝膠化，干燥失水后形成淀粉薄膜。淀粉的成膜機制如圖6所示，溶液在加熱的過程中，淀粉顆粒從半結晶相轉變為無定形狀態的過程稱為糊化。靜置冷卻，淀粉溶液會逐漸變渾濁，糊化分散體中解離的淀粉分子通過氫鍵的重新締合形成更有序的結構，此階段稱為回生。此外，增塑劑等物質也進入淀粉分子內部結構形成化學鍵。當分子間的相互作用全部結束后，通過溶液中多余水分的蒸發，最終形成淀粉膜。淀粉的回生程度是影響其膜性能的直接因素，研究發現，由于Ap中支鏈結構的影響，其重新締合的速度較慢，且Al分子鏈易于凝沉[35]。因此，應用于水產品保鮮時，應采用Al比例相對較高的植物淀粉作為成膜基材。不同來源的淀粉中Al和Ap的比例見表2，由于玉米淀粉中Al的比例高達26%，故被大量應用于PEM的制備[35]。

表2 不同來源淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的百分比及淀粉粒度大小Table 2 Proportion of amylose and amylopectin and the granule sizes in common starches

圖6 淀粉的成膜示意圖Fig.6 Starch film formation schematic

LI等[36]發現冰藏(0 ℃)條件下玉米淀粉(1%)/殼聚糖-PEM能顯著延長尼羅羅非魚的貨架期。SIVARAJAN等[37]也發現在10和4 ℃貯藏條件下，丁香/肉桂/玉米淀粉膜使南美白對蝦的貨架期分別延長了14 和12 d。

1.2 活性添加劑

1.2.1 抗氧化劑

脂質氧化是水產品在貯藏過程中品質下降的重要原因，外界環境中的O2是影響氧化進程的主要因素，例如，水產品罐頭內O2的消除是其貨架期較長的主要原因之一[24]。PEM的抗氧化能力較弱，故添加抗氧化劑是增強PEM的抗氧化性的主要方式。對于水產品而言，抗氧化劑是指能防止或延緩脂質氧化和延長水產品的貨架期的食品添加劑[38]。抗氧化劑主要分為合成抗氧化劑(synthetic antioxidant，SA)和天然抗氧化劑(natural antioxidant，NA)。SA主要來源于人工合成的化學物質，例如丁基化羥基苯甲醚、丁基化羥基甲苯和沒食子酸丙酯等，在水產品保鮮的應用中，SA因存在安全隱患正逐漸被NA取代。NA主要來源于天然的植物提取物，主要分為精油類、多酚類和黃酮類等，例如杏子中的兒茶素、西蘭花中的抗壞血酸和黑豆中的花青素等。

1.2.2 抑菌劑

腐敗微生物是導致水產品變質下降的主要原因之一，直接表現是硫化物、醛、酮、酯和有機酸等物質的產生，此外，GB 10108—2008規定菌落總數是判斷水產品是否可接受的主要指標之一，故探究PEM的抑菌性能具有重要意義。然而，除了少數多糖類成膜基材具有一定的抑菌性，例如殼聚糖等，大部分基材的抑菌性能均較弱，因此，添加抑菌劑是賦予其較強抑菌性的主要方式。抑菌劑是指能夠抑制微生物(細菌、真菌和病毒等)生長和繁殖的物質[22],根據來源的不同，抑菌劑主要分為合成抑菌劑(synthetic bacteriostatic agent，SBA)和天然抑菌劑(natural bacteriostatic agent，NBA)，SBA因存在潛在的毒副作用逐漸被摒棄。植物提取物(茶多酚和植物精油等)、多肽和細菌素(乳酸鏈球菌和溶菌酶等)均屬于NBA，植物提取物含有萜類和酚類等低分子量化合物能顯著抑制腐敗微生物的生長，而乳酸鏈球菌等細菌素具有生物降解性和強抑菌性等特性，在水產品的貯藏保鮮中應用較廣泛。

根據不同水產品的優勢腐敗菌(specific spoilage organisms，SSO)，選擇針對性較強的NBA是目前研究的熱點。FANG等[39]研究香芹酚對海水魚的SSO(腐敗希瓦氏菌、熒光假單胞菌)的抑菌機理，發現香芹酚的抑菌效果顯著，在進一步的研究中，將香芹酚作為抑菌劑添加到藻酸鈉/亞麻籽膠復合膜中對，鱸魚貯藏保鮮進行研究，發現該功能性復合膜能顯著延緩貯藏過程中魚肉TVB-N的升高，延長鱸魚的貨架期。然而，大部分NBA的提取成本均過高，如何在保證安全性的同時，降低其成本已成為其產業化首要考慮的問題之一。

1.3 增塑劑

PEM中常見的增塑劑主要以多元醇為主，包括山梨醇、聚乙二醇和甘油等增塑劑。增塑劑作為嵌入高聚物內部結構的小分子物質，主要通過同基材大分子間形成化學鍵及降低分子間作用力來增加聚合物鏈的移動性和成膜基材的柔韌性[40]。增塑劑的添加量對PEM的成膜效果影響較大，在保證食品安全的前提下，一般采用響應面等實驗方法確定最佳添加量，李彪等[41]通過響應面法確定殼聚糖/香榧假種皮精油復合涂膜中的甘油、殼聚糖和精油體積分數分別為2.14%、2.01%和0.7%。值得注意的是，不同種類增塑劑的差異較大，成膜基材需根據其成膜特點選取增塑劑，例如甘油對PEM的機械性能影響較大，而山梨醇和聚乙二醇對其阻隔性能有顯著影響。表3歸納了常用添加劑和增塑劑在水產品多糖類可食性保鮮膜中的應用。

表3 常用添加劑和增塑劑在水產品多糖類可食性膜中的應用Table 3 Application of common additives and plasticizers in edible films of aquatic polysaccharides

2 多糖類可食性膜的主要物理性質

2.1 阻隔性能

可食性膜的阻隔性能是指防止環境與被包裹食品之間發生水蒸氣、O2、CO2和芳香成分等物質的遷移，延長食品的貨架期[43]。環境中的O2易導致魚肉發生脂質氧化，而水分是決定微生物和各種腐敗反應活性的重要因素之一，故PEM的阻隔性能對水產品的保鮮效果影響顯著。水蒸氣滲透率(water vapor permeability，WVP)是對水蒸氣的阻隔性能進行量化的常用指標。常采用“杯式法”測定，將干燥劑放入已知開口面積為A的杯皿中(環境溫度和相對濕度不變)，將待測膜(厚度為d)密封杯皿開口后，稱量組件的質量m1，經過時間t后，再次稱重m2，根據公式(1)計算WVP值：

(1)

PEM的WVP值均較高，通常需要降低其WVP以提高保鮮效果，而基材和添加劑的種類等因素均會影響WVP，總體而言，殼聚糖-PEM比果膠-PEM的WVP值普遍較低，而高DA的殼聚糖-PEM比低DA的WVP高，上述現象可能是因為聚合物鏈中羥基含量越多，膜的親水性越強[37]。VSCONEZ等[44]發現木薯淀粉有助于降低殼聚糖-PEM的WVP，可能是因為淀粉和殼聚糖之間的氫鍵相互作用降低了親水基團的利用率，而檸檬酸有助于降低淀粉-PEM的WVP，親水性基團(-OH)易被疏水性酯基團取代。此外，山梨醇等添加劑有助于降低藻酸鈣-PEM的WVP，而蜂膠等脂類物質對降低纖維素-PEM的WVP效果顯著。同WVP相比，O2透過率(oxygen transmission rate，OTR)的測定相對較少，常利用氣體透過性測試儀采用“壓差法”測定，制備條件對OTR影響較大，間接影響薄膜的抗氧化能力。

2.2 機械性能

評價PEM的機械性能的主要指標是斷裂伸長率(elongation at break，EAB(E%))和抗拉伸度(tensile strength，TS)，機械性能的提高是降低環境條件對水產品的機械傷害、有效隔絕O2和水蒸氣以及延長PEM使用期的有效保證。E%是指PEM斷裂之前的最大伸長率，而TS則表示PEM斷裂之前能承受的最大應力，常采用物性測試儀測定，分別根據公式(2)、(3)計算:

E%=100-(l-l1)/l1

(2)

式中：l和l1分別表示初始長度和斷裂臨界長度。

TS=F/(L·x)

(3)

式中：F，臨界拉力;L，膜寬度;x，膜厚度。

理論來說，殼聚糖-PEM的DA越高且pH越低，其機械性能越好，但NA等[19]發現高DA的殼聚糖膜對pH的變化較敏感，且考慮殼聚糖在酸性條件下才具有較強的抑菌效果，其成膜溶液的酸度劑(調節pH)的種類和用量需要慎重選擇，以檸檬酸、甲酸或乳酸制備的殼聚糖PEM的TS均較差，通常選擇乙酸或丙酸作為酸度劑。此外，在殼聚糖中添加木薯淀粉有助于降低殼聚糖-PEM的WVP，但是對其機械性能無明顯影響。對于淀粉薄膜而言，Al含量比例較高的PEM的機械性能較好，但是當增塑劑(甘油等)質量分數大于15%時，較低或較高比例直鏈淀粉-PEM均表現出較強的TS。雖然脂質對改善PEM的阻隔性能效果顯著，但是它們對機械性能可能產生負面影響，MA等[45]發現當油酸質量分數由0%增加至20%時，卡拉膠-PEM的TS反而從57.4 MPa下降至26.8 MPa。在藻酸鹽-PEM的研究中，相對濕度對膜的機械性能影響較大，可能是因為藻酸鹽是親水性多糖聚合物，水分在成膜過程中扮演“增塑劑”的角色[46]。

3 多糖類可食性膜的改性方式

3.1 改變組成

3.1.1 添加輔助添加劑

單獨以多糖類基材制備的PEM的性能均較差，且水產品易受微生物和脂質氧化的作用而發生腐敗變質。活性添加劑能增強PEM相應的抗氧化性和抑菌性等功能，而增塑劑能改善其機械性能和阻隔性能，提高膜的柔軟性和隔絕O2、水蒸氣的能力。OLIVAS等[46]分別以果糖、甘油、山梨醇和聚乙二醇作為增塑劑添加到藻酸鈣-PEM中，甘油的塑化效果最佳，膜的TS和E%均最高，且TS隨甘油含量的增加而降低，而E%隨甘油含量的增加而增加。ABDORREZA等[47]將山梨醇和甘油為塑化劑添加到淀粉膜中，探究增塑劑的適配比。研究表明,山梨醇比甘油更有利于機械性能的增強，且體積比為1∶3的甘油-山梨醇復合塑化劑的增塑效果最佳。因此，在考慮經濟成本的前提下，復合增塑劑對膜機械性能的改善往往優于單一增塑劑的使用效果。

3.1.2 采用復合膜

成膜材料選擇的主要依據是目標食品的生理生化特性，選擇合適的膜材料，并且輔以適合的增塑劑復配成膜。而單一的多糖類基材成膜往往具有局限性，且考慮水產品易腐敗變質的特殊性，選擇多種成膜基材可提高膜的適用性[31]。FATHIMA等[48]采用流延法制備聚乳酸(淀粉原料制成)/殼聚糖-PEM，并添加聚乙二醇為增塑劑，研究表明聚乳酸與殼聚糖結合能制成具有良好機械、阻隔和抑菌性能的薄膜，在冷藏條件下，經過聚乳酸(質量分數1%)/殼聚糖-PEM包裝的印度白蝦的貨架期由15 d延長至18 d。此外，多糖類基材中也可以添加蛋白質或脂質進行復配成膜，不僅可以強化膜的機械性能，而且還能提高阻隔性能等其他性能。LALEHAN等[49]分別將橄欖油、玉米油、葵花籽油、黃油和動物油脂等5種不同的油脂添加到殼聚糖膜中，與不含油脂的殼聚糖膜相比，橄欖油/殼聚糖-PEM具有更好的熱穩定性、TS和E%，此外，其抑菌效果也最佳，該復配膜對水產品具有良好的應用前景。

3.2 改變成膜工藝

PEM通過調整成膜基材溶液的濃度，確定塑化劑的類型與含量，均質攪拌后形成成膜溶液。研究發現，部分溶液的pH值對其成膜后的機械性和阻隔性等性能的穩定性影響顯著，此外，在水產品的應用中，成膜溶液的pH值對PEM的抑菌效果也具有一定的影響，故有時需要對膜液進行酸修飾。VIMALADEVI等[50]發現有機酸(乙酸和丙酸)有助于增強殼聚糖-PEM的機械性能，提高其WVP和OTR等阻隔性能。此外，均質的時間及均質時溫度的控制對后續成膜的均一性有顯著影響，不同成膜溶液的性質各異，需要確定其最佳均質條件。

近年來，基于納米技術(添加納米填料)的新型改性方式已經成為研究熱點。最常見的多糖納米填料是纖維素、淀粉和殼聚糖。DOGAN等[51]在纖維素成膜溶液中添加纖維素納米顆粒，有效改善其機械性能，TS從(29.7±1.6)MPa增加到(70.1±7.9)MPa。此外，膜的微觀結構表明納米顆粒在結構中均勻地分布并且降低表面的粗糙度。這些研究結果均表明納米顆粒對多糖類聚合材料的增強作用顯著，制備的納米復合薄膜性能優良，相比單一的多糖類薄膜，其TS、E%等機械性能和WVP、OTR等阻隔性能都有所加強，為開發應用于水產品的貯藏保鮮的新型PEM提供理論依據。

4 結語

水產品含有豐富的蛋白質和脂肪酸，但易腐敗變質，PEM相比于塑料包裝，具有生物降解性、天然性、豐富性和易成膜性等特點，在水產品的貯藏保鮮中具有廣泛的市場前景。然而，在考慮安全性、高效性的同時，經濟效益是影響市場應用的主要因素之一，如何降低實際生產中的成本是今后需要研究的重點之一。因此，未來可以考慮以加工副產物提取物作為PEM中的活性添加物，例如，利用生產番茄醬后剩余的番茄籽提取物和生產葡萄酒后剩余的葡萄籽提取物等物質作為活性添加劑，既能保證抑菌性或抗氧化性能，也能提高經濟效益，具有廣闊的發展前景。此外，隨著微膠囊技術的發展，結合納米技術，以多糖類納米顆粒為壁材包埋抗氧化劑或抑菌劑等物質制備的微膠囊作為添加劑，不僅有助于提高膜的透明度，而且會增強活性添加劑在PEM中的緩釋效果。