殼聚糖及其衍生物在果酒中應用的研究進展

刁體偉，陳曉姣，賴曉琴，魏 鑫，冷銀江，馬 懿

（四川輕化工大學生物工程學院，四川宜賓 644000）

殼聚糖（Chitosan，CS）由甲殼素（Chitin）經脫乙酰作用而制得，又稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-β-D葡萄糖[1]。因其具有良好的生物相容性、可降解性和無毒等特征，被廣泛應用于果蔬加工與保鮮領域，以提高食品質量、保質期和安全性[2]。美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration, FDA）證實殼聚糖具有廣泛安全性（Generally Recognized as Safe,GRAS），允許在果酒釀造中使用（OIV-OENO 336A-2009）。殼聚糖可在釀造中發揮防腐、抗氧化和澄清等重要作用，因而受到果酒研究者的廣泛關注[3]。2010年歐盟也同意其應用于果酒，發揮去除銅和鐵等金屬離子的作用[4]。研究者發現殼聚糖可與許多配體發生反應，其羧基化反應、酰化反應、季銨化反應、醚化反應、接枝共聚反應等產物將進一步增強其潛在應用價值，殼聚糖的改性是提高其活性的重要方法[5]。目前殼聚糖在果酒中的主要功能有四大類（圖1）：a.能螯合果酒中的部分金屬離子，并去除多酚氧化酶和農藥，起到澄清作用；b.作用微生物后使細胞膜通透性改變，細胞破碎，重要物質泄露導致細胞死亡，達到滅菌抑菌的效果；c.與自由基形成穩定化合物，清除自由基，使果酒具有良好抗氧化性；d.由其制作而成的保鮮復合膜能防腐保鮮，保證口感（可用于陳釀期或開瓶后）。因此，將殼聚糖及其衍生物作為抗氧化劑、抑菌劑、澄清劑等應用于果酒釀造，可實現增香調色、提高果酒品質安全的目的，同時對降低或取代SO2的使用起到積極作用[6]。

圖1 殼聚糖在釀酒中的主要應用Fig.1 Main applications of chitosan in wine making

然而，殼聚糖及其衍生物的實際使用范圍及作用機理還未完全闡明，其作用效果有待進一步提高。為全面深入總結殼聚糖及其衍生物的作用機理及其在果酒中的潛在應用價值，本文對殼聚糖及其衍生物在果酒中應用研究進展進行綜述，以期為殼聚糖在果酒釀造中的進一步應用，提高果酒品質安全提供參考依據與思路。

1 殼聚糖及其衍生物抗氧化活性與影響因素

目前研究提出的殼聚糖及其衍生物抗氧化途徑主要有三種，包括阻斷自由基鏈反應、金屬離子螯合作用以及減少乙醛的產生。殼聚糖及其衍生物中含有大量高活性氨基、乙酰基、羥基，可通過阻斷自由基鏈反應來抑制酒體氧化損傷，一是可提供氫原子（H·）形成穩定的DPPH-H和大分子化合物，因而具有較強的抗氧化性；二是抑制葡萄酒中乙醇氧化產物1-羥乙基自由基的形成，促進葡萄酒中的酚類物質形成聚合色素，增強葡萄酒顏色的穩定性，葡萄酒抗氧化活性會隨著聚合度的增加而提高[7]。由于對果酒中金屬離子（Fe3+、Pb2+）的螯合作用形成鐵-酒石酸-殼聚糖絡合物后抑制果酒的氧化反應，去除果酒中的多酚氧化酶，從而能減少或者緩解多酚物質被氧化。果酒中乙醛和乙醛酸是引起葡萄酒氧化腐敗的關鍵活性醛，而殼聚糖能有效減少兩者的生成從而減少果酒的褐變。此外，殼聚糖還能提高釀酒原材料的抗氧化性，在作用果實樹藤后，能增加葡萄、草莓、無花果在生長過程中所含芳香化合物的含量，強化水果的抗氧化性[8]。

1.1 殼聚糖抗氧化性

殼聚糖在果酒釀造中的抗氧化活性貫穿整個釀造過程（表1），并且其綠色、無毒性使得生產低硫高質果酒具有一定的可行性。在果酒生產中將殼聚糖替代SO2作為抗氧化劑的使用不僅在口感上無差異，而且安全性更占上風。但是因殼聚糖來源于甲殼素不易并且溶解度不高，將殼聚糖作為抗氧化劑添加必定會增加釀造成本，因而提高產量、降低成本與溶解度是目前研究者需要解決的問題。

表1 殼聚糖在果酒釀造中的抗氧化效果Table 1 Antioxidant effect of chitosan in fruit wine brewing

1.2 殼聚糖衍生物抗氧化性

殼聚糖因分子結構聚合度高而不溶于水，因而需要通過改性成為衍生物來解決溶解度問題。破壞分子鏈的整體完整性并從側鏈引入親水基團能使得部分殼聚糖衍生物比原殼聚糖和其他抗氧化劑具有更優的抗氧化活性和溶解度，Zhao等[14]制備了N-呋喃酰殼聚糖（N-Furanyl Chitosan，NF-CS）和 N-呋喃酰殼寡糖（N-Furanyl Chitosan Oligosaccharide，NF-COS）并研究他們體外抗氧化活性，結果顯示兩種殼聚糖衍生物比殼聚糖具有更高的抗氧化活性，在 50%（IC50）條件下，NF-CS和 NF-COS對 DPPH的清除作用分別為1.3和0.76 mg/mL，并且清除率與殼聚糖濃度和劑量密切相關。朱廣楠[15]探究不同分子量殼聚糖尿素衍生物對于超氧陰離子、羥基自由基和DPPH自由基的清除效果，結果表明殼聚糖尿素衍生物都具有比VC和原殼聚糖更好的抗氧化活性，高分子和低分子量殼聚糖對于羥基（·OH）和DPPH的清除效果有所差異，主要原因是由于衍生物溶解度和活性基團數量不同所導致。將酚類化合物通過接枝和偶聯反應與殼聚糖結合，從而提高抗氧化性是目前常見的改性方法[16]。Xie等[17]以殼聚糖（CS）為原料在水溶液中成功接枝沒食子酸（Gallic acid，GA），并研究其抗氧化活性，高接枝率共聚物（GA-g-CS）兼有CS和GA的強抗氧化活性、可調流變性能等優點，并且抗氧化活性和溶解性都高于普通CS和GA。Eom等[18]把8種酚酸與不同的共軛低聚糖采用酰胺偶聯反應制備酚酸偶聯殼寡糖；制備殼寡糖均有抗氧化性，其中咖啡酸-c-COS自由基清除能力最好。然而在果酒釀造中，對殼聚糖衍生物抗氧化功能的研究較為空缺，這跟其活性易變難控以及果酒成分復雜有很大關系，部分衍生物羥基數量和劑量的增加雖然會讓其性能增強，但也體現出不同衍生物之間性能差異性較大。分子質量和脫乙酰度的不同導致衍生物化學性能難以穩定和統一是改性殼聚糖應用于果酒產品的難題之一。

1.3 分子質量對抗氧化性的影響

目前研究表明低分子質量殼聚糖（分子量低于50 kDa）及其衍生物的氨基和羥基基團活性較高，對自由基的清除作用更強，抗氧化能力越高[19]。其原因可能是低分子質量會提高其溶解度從而促進活性基團與自由基的反應。此外，高分子質量的殼聚糖及其衍生物分子內氫鍵結合更為緊密，導致活性基團與果酒中自由基接觸面積降低；小分子質量結構更為疏散，因而在果酒中呈現更優的抗氧化性。郝振銘等[20]測評了小分子物殼寡糖在葡萄酒樣中的抗氧化性和對葡萄酒風味的影響，結果顯示添加了殼寡糖后對DPPH清除效果增加了3.96%，對羥自由基的清除率增加了4.48%，葡萄酒的風味口感沒有發生明顯變化。Chinnici等[12]首次在葡萄酒的模型環境中，研究低分子量殼聚糖對兒茶素氧化以及對硫醇氧化降解的保護作用，結果表明殼聚糖聚電解質行為降低了硫醇的氧化，能很好保持葡萄酒芳香，是一種潛在替代亞硫酸鹽釀酒的添加劑。

1.4 脫乙酰度對抗氧化性的影響

在一定范圍內，殼聚糖及其衍生物作用在葡萄酒中時還原效率會隨著用量和脫乙酰度的增加而增強，這表明高脫乙酰度的殼聚糖及衍生物抗氧化活性更好，其原因是由于脫乙酰度增加使得活性基團氨基和羥基數量變多且活性增強，從而更易更快形成穩定的殼聚糖-NH3+大分子化合物。Marin等[13]通過電子順磁共振研究了70%～85%脫乙酰度殼聚糖對葡萄酒氧化降解影響，結果顯示高脫乙酰度殼聚糖擁有高密度高活性的羥基和氨基，有顯著的金屬螯合能力，能直接清除氧化物，表現出較好的抗氧化能力。此外，對兩種不同乙酰化的N-乙酰基殼聚糖（NAcetyl chitosan, NA-CS）和 N，N-二乙酰基（N, NDiacetyl Group chitosan, NNDG-CS）殼聚糖清除羥基自由基和超氧自由基的活性進行探究，NNDGCS和NA-CS清除羥基自由基的IC50值分別為1.43和1.93 mg/mL，NNDG-CS因乙酰化程度高而抗氧化能力越突出[21]。

目前在果酒研究中把殼聚糖及其衍生物單獨作為抗氧化劑使用鮮有報道。主要原因有：在果酒中含有大量酚類和其他易氧化物質，殼聚糖加入后所引起反應順序錯綜復雜；殼聚糖及其衍生物因制備難度較大，而其抗氧化活性會受到溶解度、去乙酰度、分子質量、聚合度和反應條件（溫度、pH）等因素的影響而具有不穩定性，并且同一種衍生物對不同自由基清除效果也具有差異性；加入后須保證最終果酒口感和風味不變，難度較大，缺乏專屬于釀酒的殼聚糖衍生物抗氧化劑。

2 殼聚糖及其衍生物抑菌活性與影響因素

殼聚糖及其衍生物作為一種陽離子抗菌劑，能吸附帶負電的細菌并與細菌表面酸性聚合物反應形成殼聚糖聚電解質復合物阻礙營養物質的運輸，改變微生物細胞膜通透性，破壞壁膜結構，導致重要物質被泄露出細胞外，因而具有良好的抑菌活性[22]。此外，殼聚糖及其衍生物因具有金屬離子螯合作用，可將微生物必需微量元素進行螯合吸附，從而抑制雜菌的正常生長。研究顯示多數殼聚糖及其衍生物對枯草桿菌、芽孢桿菌、金黃色葡萄球、布魯氏酵母菌等常見果酒致腐菌均有較好的抑制效果[23]。酒精發酵階段，釀酒酵母對殼聚糖的抑菌作用表現出一定的耐受性，酵母活性與發酵性能并未受到顯著影響；在蘋果酸-乳酸發酵中，因乳酸菌（酒酒球菌）生長會被殼聚糖抑制從而會影響果酒二次發酵效果，此抑菌性能與SO2較為相似[24]。此外，殼聚糖及其衍生物抑菌活性同樣受到分子量、脫乙酰度、溶解度等因素的影響[25]。

2.1 殼聚糖抑菌性

在果酒抑菌實驗中，郝振銘等[20]把殼寡糖作為抑菌劑替代SO2加入到葡萄酒中，發現500 mg/L的殼寡糖對葡萄酒中腐敗菌都具有很好的抑制效果，其抑菌效果優于膠體銀和SO2（50 mg/L）。此外，由殼聚糖和梔子中梔子苷的苷元衍生物（Genipin）制備的復合保鮮薄CS-Genipin可以用于葡萄酒的保鮮防腐，薄膜具有良好的抗自由基活性和機械性能，葡萄酒不會造成過敏反應，在葡萄酒儲存一年期間并未發現有新增細菌的出現，能保證葡萄酒的感官質量[11]。因此殼聚糖在果酒釀造中可作為抑菌劑使用（表2），但對不同腐敗菌的抑制效果會具有差異性，殼聚糖抑菌時酒體環境對其用量和作用是不可忽略的因素。

表2 殼聚糖在果酒釀造中的抑菌效果Table 2 Antibacterial effect of chitosan in fruit wine brewing

2.2 殼聚糖衍生物抑菌性

殼聚糖衍生物因其溶解度和生物活性明顯高于殼聚糖而使得抑菌范圍更為廣泛，部分衍生物還具有雙抑菌功能團和大量的正電荷，可以有效地預防和抑制果酒的微生物，避免因微生物的二次污染和繁殖造成果酒出現異雜味。此外，殼聚糖衍生物在果酒中的抑菌效果突出，主要是因為在酸性環境下溶解度更高并具有較多的質子化氨基，因而可考慮在果酒發酵期間不影響釀酒酵母生長的情況下降低pH，使得其具有更好的抑菌性能。

于沛沛等[31]通過酯化反應合成苯甲酸殼聚糖酯并研究其對酵母和黑曲霉菌的抑制效果，結果顯示在酸性條件下苯甲酸殼聚糖酯有很好的抑菌作用，抑菌活性遠高于殼聚糖。Papineau等[32]探究了殼聚糖乳酸鹽和殼聚糖水谷氨酸鹽兩者對金黃色葡萄球菌和釀酒酵母的滅活作用，結果顯示兩者的抑菌活性較為明顯，低濃度殼聚糖乳酸鹽能使釀酒酵母直接失去活性，殼聚糖谷氨酸鹽也能抑制酵母菌的繁衍。N-膦基殼聚糖[33]和O-胺功能化殼聚糖[34]兩者具有比殼聚糖更好的抑菌活性，能較好抑制金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌生長，是一種新型高分子抑菌劑。殼聚糖衍生物對不同生長階段和變異的菌種的抑菌效果有著差異性，但季銨鹽衍生物、羧甲基殼聚糖和酰化殼聚糖抗菌活性更為突出[23]。原因可能是季銨化、羧甲基化和酰化能增加衍生物的水溶性或形成更多抑菌功能團。

2.3 分子量和脫乙酰度對抑菌活性的影響

殼聚糖及其衍生物抑菌活性不僅與果酒中微生物種類相關，還會因分子量、脫乙酰度不同而出現差異性，低乙酰度和低分子量的殼聚糖抑菌活性總體相對較好[35]。可能是因為殼聚糖及其衍生物可以作為基因載體，而低分子量的殼聚糖更易穿過細胞壁進入細胞內部，與DNA結合從而阻止轉錄過程的發生。Simel等[24]探究了不同基質下脫乙酰75%～85%低分子量殼聚糖對七種葡萄酒相關微生物的抑菌效果，結果顯示，在實驗室培養基上或葡萄酒中，殼聚糖對腐壞菌（Brettanomyces bruxellensis、Hanseniaspora uvarum、Zygosaccharomyces bailii）都具有抑制作用，但在葡萄酒環境中由于殼聚糖會與其他成分發生復雜反應而導致抑制效果會減弱。Taillandier等[36]同樣也發現在釀酒條件下，殼聚糖能破壞B.bruxellensis細胞膜使ATP外泄，導致菌種數量和生物活性都下降。在釀造中殼聚糖相比部分抑菌劑優勢突出，Vitalini等[37]比較分子量76 kDa殼聚糖和抑菌劑苯并噻唑對葡萄酒芳香度和感官的影響，結果顯示，殼聚糖葡萄酒的抑菌活性較好，總體接受度更高（酯醇提高），能更好的降低葡萄酒的酸度和危害，具備良好的香味持久性和化學性。

3 殼聚糖及其衍生物澄清作用

殼聚糖及其衍生物作為綠色陽離子澄清劑，其良好的絮凝性能吸附果酒中的膠體微粒（蛋白質、果膠、單寧）并選擇性螯合部分金屬離子（Fe3+、Pb2+），降低微生物代謝毒素并保證果酒安全，有效提高果酒的澄清度并提升果酒口感[38]。除了殼聚糖自身物理性質外，其澄清效果突出還依賴于可以與果酒中的微粒發生靜電作用、分解作用和沉降作用。表3對比了殼聚糖、果膠酶、明膠、硅藻土等多種澄清劑在果酒釀造中的澄清效果，通過透光率及感官評價進行綜合比較，得出殼聚糖澄清效果較為突出。此外，含有殼聚糖的復合澄清劑對果酒澄清效果更佳，澄清效果遠高于單一殼聚糖，復合澄清劑殼聚糖-聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl Pyrrolidone，PVPP）在甘蔗果酒中澄清效果比硅藻土-PVPP的澄清效果要好，透光率最高可達到89.77%，澄清后總多酚含量明顯降低，果酒的風味和主成分無明顯變化[39]。

表3 殼聚糖在多種果酒中澄清效果Table 3 Clarification effect of chitosan in fruit wine

與物理澄清法比較，殼聚糖的使用具有一定的優勢，體現在能較好的保持果香和酒質。唐玲[47]在研究無花果果酒發酵中，比較靜置、冷凍、離心和添加殼聚糖等方法對無花果果酒的澄清效果，結果顯示添加殼聚糖組澄清效果最好，透光率能達到93.77%，多糖、黃酮等營養物質得到較好保留。在草莓果酒研究中，李亞輝等[45]同樣比較了冷凍、過濾、添加澄清劑對果酒的澄清效果，當殼聚糖濃度低于200 mg/L具有較好的澄清效果，澄清度最高能達到95.5%，但對草莓果酒色度影響較大。此外，殼聚糖作為澄清劑具有混凝和絮凝性能，Venkatachalapathy等[48]研究了殼聚糖對葡萄汁中農藥的去除效率，結果顯示殼聚糖（0.05%）能夠去除葡萄汁中86%～96%的農藥，是一種有效的農藥清除劑。殼聚糖衍生物同樣具有澄清作用，在黑莓果酒研究中，殼聚糖季銨鹽（0.3 g/L）與皂土（0.1 g/L）組成的復合澄清劑澄清效果最佳，澄清后對果酒總糖、乙醇無明顯影響[49]。

綜上所述，殼聚糖在多數酒體中的澄清效果都優于明膠、皂土、果膠酶等澄清劑，并且在不同酒體中澄清效果穩定，是一種簡便、易操作的理想澄清劑。未來果酒研究趨向于純果汁或濃縮果汁發酵，在澄清方面難度增大，可考慮使用復合澄清劑或與物理澄清法聯用，以致于優化澄清效果并加快澄清時間，縮短果酒釀造周期。

4 總結與展望

殼聚糖及其衍生物具有良好的抗氧化性、抑菌性和澄清功能，是一種無毒無害的綠色添加劑。目前我國對殼聚糖的使用僅作為澄清劑被應用于果酒（汁）中（GB2760），國際葡萄與葡萄酒組織已經開始將其作為抑菌防腐劑添加使用，對殼聚糖的抗氧化性應用探究目前還基于模型葡萄酒中（表1），但其作用效果是顯著可見的。總體而言，在果酒中低分子量、高脫乙酰度的殼聚糖及衍生物抗氧化性能更佳，部分低分子質量、低脫乙酰度的抑菌活性效果較好；作為澄清劑使用時澄清效果較為穩定，受分子質量和脫乙酰度的影響不大。基于此，在果酒領域應用研究時可考慮殼聚糖及衍生物單一功能或兼顧多個性能，通過調節脫乙酰度來進行設計研究，可趨向于低分子量、中等脫乙酰度且水溶性好的衍生物來替代或者減少SO2在果酒中的使用。相比于二氧化硫的加入，殼聚糖及其衍生物還可作為膳食補充品或抗生素替代品，能增加酒體的附加風味或功能。

此外，除了與其他添加劑復配或者增大用量可強化性能外，也可將殼聚糖及其衍生物的改性與配體反應范圍擴大，如殼聚糖與葡萄糖兩者美拉德反應的衍生物就保留了殼聚糖自身的抑菌性[50]。盡管殼聚糖及其衍生物具有多樣化的應用特點，從實驗室研究層面應用到果酒工業中或想完全替代SO2仍舊存在許多問題。主要表現在以下幾個方面：a.脫乙酰度和平均分子量等因素較為難控，殼聚糖改性和衍生化的不易；b.殼聚糖衍生物的最優性能單一，需配合其他添加劑才能提高其功能性從而保證果酒的口感，缺乏高活性多功能專屬釀酒殼聚糖衍生物；c.釀造果酒種類和工藝多樣繁瑣，發酵、陳釀期間可能會與其他物質發生交叉連鎖反應從而影響殼聚糖作用效果，并且添加的時間位點也是不可忽視的因素。