壳聚糖保鲜膜在果品贮藏中的运用

壳聚糖保鲜膜在果品贮藏中的运用

摘要：果蔬经过壳聚糖涂膜处理后，其蒸腾作用、呼吸作用、乙烯的生成及微生物的浸染都受到了明显的抑制，果蔬中酶的活性也得到了调节，从而使采后果蔬的质地软化得到很好的减缓。本文综述了目前壳聚糖在果品贮藏保鲜中的应用研究情况，阐述了壳聚糖的制备、使用方法、贮藏保鲜机理，分析了至今未被应用于实际的原因, 展望了壳聚糖涂膜保保鲜技术的发展。 关键词：壳聚糖；果品；贮藏 ；机理

Application of Chitosan Coating on Fruit Storage Teacher: Li Xue-wen writer: Shi Cong-ying

Abstract: The effect of chitosan coating on textural changes of post-harvest fruits and vegetables was discussed through fllowing aspects: The transpiration, respiration and production of ethylene of the post -harvest fruits and vegetables were restrained. The activity of enzymes was regulated and the infection of microorganisms was inhibited as well, and ultimately, textural changes were restrained by chitosan coating. Summarizes the presentn fruit storage chitosan in the application of research. Also on chitosan .Storage mechanism was simple exposition . And preparation of chitosan , application method of chitosan ,effect of chitosan on fruit quality and so on was discussed. And the reasons o f chitosans not being applied yet were analyzed. The development of chitosan preservative packaging technology was prospected. Key words: chitosan; fruit ;preservation；mechanism

采后腐烂是果品生产和流通过程中的主要问题之一。我国果品生产迅猛发展，但由于保鲜技术落后，每年产后损耗率高达25%~30%。因此，果品的采后贮藏保鲜已被愈来愈多的人重视，它是保证果品旺季不烂、淡季不断和满足国际市场需求，使市场周年均衡供应和农业增产增效的重要环节。而目前我国果品贮藏保鲜应用的一些人工合成化学保鲜剂，不仅效果不佳，且有的毒性较大，极易引起毒性残留，危害人体健康；同时，也在一定程度上制约了国内水果在国际市场上销售，所以高效、天然、无毒的生物保鲜剂将会成为保鲜界研究与开发的热点。

1.壳聚糖的现状及其涂膜保鲜的原理

壳聚糖（Chitosan简称CTS）具有安全、无毒、成膜抑菌、可食用、可降解等多种特性，已被广泛应用于医药、食品、饲料、环保等多个领域[1]。近年来，随着人们对化学保鲜剂毒性的担忧和农产品卫生质量的要求，壳聚糖在果品保鲜方面的开发应用受到高度重视，国内外已有此类保鲜剂在果品贮藏保鲜上应用。青岛海洋大学研制以壳聚糖及其衍生物为主要成分的“壳鲜糖”，已于1999年批量生产，投入市场[2]。青岛利中甲壳质公司对青岛大学医学院与青岛市农业科学研究所共同完成的果蔬涂膜保鲜剂成果进行工业化开发，推出了FR系列天然海洋果蔬涂膜保鲜剂7利中壳糖鲜”，现已实现工业化规模生产。日本铃木隆司等人以壳聚糖和甲壳素为主要成分制成一种保鲜剂，保存时间比未处理的延长2~3倍，而且商品性好[3]。

壳聚糖涂膜常温保鲜技术为果蔬贮藏提供了一条新的途径。该方法借助于大分子物质在果蔬表面形成薄膜,通过薄膜阻止果蔬水分蒸发,通过薄膜将果蔬与环境分隔开来,减少果蔬对环境中氧的吸收,从而达到降低呼吸消耗,推迟呼吸高峰到来,延长果蔬贮藏时间的目的。甲壳素是存在于虾蟹壳中的一类多聚糖,甲壳素脱去分子中的乙酰基,转变为壳聚糖,它无毒,无怪味,能被生物体分解,本身具有成膜性。壳聚糖形成的薄膜能减缓果内外气体交换,抑制果实呼吸,减少水分散失,提高果蔬抗病菌侵染能力,延缓果实完熟衰老进程。 2. 壳聚糖的制备、使用方法及其影响因素

壳聚糖又称几丁聚糖[4]，是甲壳素脱乙酰基转化而成的产物，化学名称为β-

（1.4）-2-乙酰氨-2-脱氧-D-葡聚糖[5]。 甲壳素又名几丁质，广泛存在于低等动物，特别是节肢动物的外壳及低等植物的细胞壁中，是一种天然的生物高分子，化学名称为β-（1.4）-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖[6][7]。 2.1壳聚糖的制备方法

将虾或蟹壳于3%~5%NaOH溶液中室温下浸泡18~24h，除去蛋白质，水洗至中性后加入3%~5%HCL溶液，浸18~24h脱除CaCO3即得到甲壳素；将甲壳素在40%~50%NaOH溶液中，12℃加热4~5h，经脱乙酰基后即得到壳聚糖；再将壳聚糖溶于稀HCL中，除去不溶解的部分，经NaOH中和后沉淀出精制的壳聚糖[8]。

2.2 壳聚糖的使用方法

2.2.1涂膜保鲜：将壳聚糖的低酸溶液喷涂在果蔬或鲜肉制品的表面,干燥后就可在水果表面形成一层聚合物保鲜膜。

2.2.2制膜保鲜：制膜保鲜可以将壳聚糖制成单一膜,也可以制成壳聚糖与其它物质的复合膜。将一定量的壳聚糖溶解在体积比为1%的乙酸水溶液中,加热搅拌,使其充分溶解,制得壳聚糖溶液。将壳聚糖溶液超声脱气后,定量涂布于铺有聚四氟乙烯的玻璃板上,于一定温度下干燥,便可制得壳聚糖膜。

2.2.3壳聚糖还可以与淀粉、纸浆、硬脂酸、甘油等复合成膜用于食品包装。将壳聚糖与淀粉、水混合均匀制成薄膜、干燥,经碱溶液处理,可制成壳聚糖-淀粉合成食品包装膜,此膜可食、无毒、耐油、抗张强度高,不溶于冷、热水,还能自动生物降解[9];纸浆和壳聚糖为原料经溶解、混合、干燥、稀碱液脱膜,可制成抗水霉和碱的食品包装膜[10];将含有一定量硬脂酸的热乙醇溶液加入正在被加热搅拌的一定量的壳聚糖溶液中,使其混合均匀,超声脱气后将膜液定量涂布与铺有四氟乙烯的玻璃板上,干燥,揭膜,便可制的壳聚糖-硬脂酸合成膜。 2.3影响效果因素 2.3.1溶剂及溶液pH值

由于壳聚糖不溶于水，而溶于酸溶液，因此配制壳聚糖保鲜液首先应选择合适的酸进行溶解。固体酸中以酒石酸、柠檬酸为好[11]液体酸以醋酸（冰乙酸）为好。除了酸的各类影响壳聚糖的效果以外，酸的浓度也影响其保鲜效果。浓度太高时，酸性太强，造成果蔬酸伤，而失去商品价值；浓度偏低时，壳聚糖不能完

全溶解，影响保鲜效果[12]。 2.3.2分子量

高分子量的壳聚糖易在果实表面形成一层薄膜，阻碍果实水分蒸发和病菌侵入，调节果实内外气体交换，使果实内形成一个低O2高CO2浓度的环境，抑制呼吸作用，改变呼吸作用途径，减少果实内物质转化和呼吸基质的消耗。而低分子量的壳聚糖较易渗入果实和病原菌体内，壳聚糖分子上的氨基和羧基既能与果实细胞膜结合，又能除去果实催熟化合物及中间物，以及与病原菌细胞核中带负电荷DNA相互作用，影响其RNA转录和DNA复制.用不同分子量壳聚糖进行植物病原真菌拮抗试验，结果表明，低分子量壳聚糖的拮抗能力明显高于高分子量壳聚糖[13]。 2.3.3温度

随着涂膜液温度的上升，后熟指数随之上升，这是由于状态被破坏，呼吸作用增加。同时，随温度上升，尖椒内促后熟的各种化学反应速度加快，也促进后熟[14]。

3.壳聚糖保鲜膜的性能 3.1机械性能

壳聚糖膜有一定的机械性能。例如,壳聚糖-淀粉膜改善了淀粉膜强度低的特性,使其适合包装半固体或液体食品。国内有科研人员用壳聚糖与甘油复合制成可食膜,其拉伸强度可超过LDPE(低密度聚乙烯)的水平,略低于HDPE(高密度聚乙烯)。薄膜拉伸强度与壳聚糖浓度有很大关系,在一定条件下,薄膜的拉伸强度随壳聚糖浓度的增加而增加。因为影响拉伸性能的有关因素是聚合物的结构、平均分子量和聚合物的分子排列。当分子量一定时,壳聚糖浓度越大,即单位体积内的分子数越多,成膜时高子分子链间的相互作用力越强,分子间氢键越强,膜的强度就越大。当壳聚糖浓度太小时,由于成膜液流动性大,形成的膜很薄,因而不便揭膜;而当壳聚糖浓度太大时,由于成膜液较粘稠,不容易脱气,在制膜时易形成气泡,使膜不平整[15]。

3.2 气体选择渗透性和阻湿性

壳聚糖膜的氧气透过率和二氧化碳透过率的比值均小于1,故可用此膜保鲜

水果蔬菜。果蔬呼吸作用会消耗O2,放出CO2。当用此膜包装水果和蔬菜时,由于膜对CO2透过能力差,果蔬放出的CO2渗透出去少,导致膜内部CO2浓度高,从而控制了果蔬周围的微环境中气体浓度,使果蔬呼吸强度下降,达到保鲜目的[16]。此膜对水蒸汽也有良好的阻隔性,因此,在食品表面可以阻止水分的转移,对果蔬可阻止水分蒸发,延缓萎蔫。因此,用壳聚糖膜包装果蔬可起到保湿、护色、延长储存期的保鲜效果。壳聚糖膜对二氧化碳和氧气的透过率较小,且随厚度的增加而下降。成膜温度的升高,薄膜的透气率增大。因为随着成膜温度的升高,溶剂蒸发速度加快,分子运动速度快,高分子之间氢键网络不致密,所成膜的结构较疏松,所以出现透气系数增大的现象。 3.3 润湿性能

壳聚糖涂膜保鲜水果时,须达到成膜均匀,即要求壳聚糖溶液的润湿性要好。壳聚糖溶液的润湿性能可通过接触角法测定,在不同介质上溶液的接触角不同,接触角越大则润湿性越差。分别在干净玻片、毛玻片、涂蜡的玻片上,滴一滴2%的壳聚糖溶液,稍后,用透影仪投影到纸上,量出接触角。结果表明,壳聚糖溶液在涂蜡玻片上的接触角为105°,润湿性很差。由于果皮大多有蜡质层,因此用来处理果品,不易均匀地润湿表面,这必定会影响到保鲜的效果。为此需添加适量的润湿剂来改善润湿性能,目前这部分工作还未见报道[17]。作者在1%(质量分数)壳聚糖溶液中加入0.02%(体积分数)某种的非离子表面活性剂,使壳聚糖溶液在涂蜡玻片上的接触角从105°降低到52°,有效地改善了壳聚糖溶液的润湿性能。 3.4 抗菌性

早在1979年,Allan等就提出壳聚糖具有广谱抗菌性。此后有许多学者对壳聚糖的抗菌机理进行了研究,根据壳聚糖在细胞上的作用靶位不同,学术界将其抗菌机理推测为两类:一类是Young等提出的以细菌带有负电荷的细胞膜为作用靶的机理[18]:在酸性条件下,壳聚糖分子中的质子化铵—NH+3具有正电性,吸引带有负电荷的细菌,使细菌细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均,干扰细胞壁的合成,打破了在自然状态下的细胞壁合成与溶解平衡,使细胞壁趋向于溶解,细胞膜因不能承受渗透压而变形破裂,细胞的内容物如水、蛋白质等渗出,发生细菌溶解而死亡;另一类是Hadwiger提出的以细菌分子中DNA为作用靶的抗菌机理[19]:模型上壳聚糖齐聚物(MW_8000)吸引细菌后,穿过大肠杆菌的多孔细胞壁进入到细菌细

胞内,可能与DNA形成稳定的复合物,干扰DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用,阻碍了DNA或RNA的合成,从而抑制了细菌的繁殖。壳聚糖浓度对抗菌作用的影响:以革兰氏阳性菌St.aureus和革兰氏阴性菌E.coli作为试验菌种,发现随着壳聚糖浓度的增加,壳聚糖的抗菌效果逐渐增强。壳聚糖脱乙酰度对抗菌作用的影响:选择大肠杆菌为试验菌种,发现随着壳聚糖脱乙酰化度的增高,细菌培养液的浊度减小,表明壳聚糖抗大肠杆菌活性随着其脱乙酰化度的提高而增强。壳聚糖分子量对抗菌作用的影响:对革兰氏阴性菌E.coli来说,随着分子量的减少,抗菌作用逐渐增强,分子量小于5000的样品在0·25%的浓度下即可显著抑制细菌的生长,而对革兰氏阳性菌St.aureus来讲,随着分子量的减少抗菌作用逐渐减弱,当分子量为30.5万时,壳聚糖的浓度很低,抗菌作用也较明显。对St.aureus和E.coli两类细菌,分子量对抗菌作用的机理是不同的。壳聚糖的抗菌作用主要有两种作用机理(如前所述),对于St.aureus,前一种作用机理起主导作用,而对于E.coli来讲,后一种作用机理起主导作用[20]。蒋玉燕等通过电镜观察到细菌受壳聚糖作用后,革兰氏阳性菌St.aureus细胞壁变薄及破损;革兰氏阴性菌E.coli细胞质浓缩、空隙明显扩大,这也说明壳聚糖对革兰氏阳性菌和阴性菌的抗菌机理不同。以大肠杆菌为试验菌种,发现壳聚糖抗菌活性随分子量的增长呈现先增强而后略有下降的趋势,其转变区间是MW=9.16×104前后,这可能是由于在转变区间抗菌机理发生了转变。环境pH值对抗菌作用的影响:壳聚糖是一种弱碱性聚电解质,其分子中—NH+3的pKa=6.2,高于此pH值时,壳聚糖的溶解性较差,并且—NH+3上的质子被中和,消毒因子减少,抗菌效果减弱;而低于此pH值时,消毒因子的总量不变,但溶液中的大量H+与—NH+3;在细菌表面产生竞争性吸附,同样造成抗菌性下降[21]。 3.5 可食性与安全性

基于人体安全性和生态环保的考虑,毒性较大的抗菌剂已被逐渐淘汰,壳聚糖以其良好的生体安全性和广谱抗菌性已引起人们极大的关注。高分子量的壳聚糖通过—NH+3与微生物细胞壁的唾液酸磷脂等阴离子的相互吸引作束缚微生物的自由度,从而阻碍微生物代谢和繁殖。对壳聚糖进行化学修饰,增加结构单元抗菌因子—NH+3的密度,可以合成出具有良好人体安全性和抗菌性能的壳聚糖衍生物。壳聚糖与生物体具有良好的亲和相容性,对人体具有一定的生理保健功能,为可食性物质。

4. 壳聚糖防腐保鲜作用机理

引起果品贮藏品质下降的主要原因是呼吸作用、水分蒸发和病原微生物的侵染，所以壳聚糖防腐保鲜作用机理可从以下几方面进行探讨。 4.1 减少水分蒸发

水分是保证细胞正常生理机能和保持果实新鲜品质的前提，壳聚糖涂膜客观上增加了果皮厚度并堵塞了一部分皮孔，在一定程度上减少了果实内水分蒸腾，使果实保持较多的水分，延长正常生理活动状态的时间[22]。 4.2 调节果实内外环境条件

壳聚糖涂膜类似于打蜡处理，通过在果实表面形成一层薄膜，调节果实内外的气体交换，使果实内形成一个低氧气高二氧化碳浓度的环境，抑制呼吸作用，减少果实内物质转化和呼吸基质的消耗[23]并使果实呼吸作用途径发生了改变，使果实贮藏过程中糖酵解 - 三羧酸循环（EMP-TCA）途径在总呼吸中所占的比例降低，磷酸戊糖（HMP）途径所占比例升高，次生代谢产物积累[24]，另一方面减少氧气进入果实，从而减少活性氧的形成，使膜脂过氧化作用减弱，缓解细胞膜的损伤，延迟细胞衰老死亡[25]。LOX参与果实成熟衰老过程中膜脂过氧化作用和乙烯的生物合成。采后果实组织中SOD活性下降，自由基积累，活化了LOX。LOX的活化启动了膜脂过氧化作用，导致膜脂质的过氛化和膜磷脂的水解，产生更多的游离脂肪酸，这些脂肪酸又可成为LOX的反应底物，诱发LOX的进一步活化，进而加剧了膜脂过氧化作用，其过氧化物参与了ACC向乙烯的转化而加速了乙烯的合成。壳聚糖处理的果实其SOD保持在较高水平，有利于清除果实贮藏衰老过程中产生的自由基，使果实LOX活性显著降低，从而降低了果实的膜脂过氧化作用，抑制了乙烯的生成，并延缓了果实衰老[26][27]。 4.3 抑制膜脂过氧化作用

壳聚糖涂膜后在一定程度上还能改变Ca在细胞内存在的状态，结合态Ca增多，可溶性Ca减少[28]。果肉结合Ca含量的提高，维持了细胞壁和细胞膜的稳定并抑制了果实成熟衰老过程中细胞壁和细胞膜的解体，从而延长了果实贮藏期。Ca是一种酸性的、小分子量的单肽链调节蛋白，CaM与Ca2+形成Ca-CaM;复合体，该复合体激活磷脂酶A2,后者可释放膜脂中的多元不饱和脂肪酸，而多元不饱和脂肪酸可被LOX氧化生成氢过氧化物，氢过氧化物可使更多的Ca进

入细胞，结合更多的CaM，从而活化更多的磷脂酶A2,如此反复进行，使膜脂迅分解、衰老加速[25],所以壳聚糖通过增加细胞内结合态Ca增强细胞壁和细胞膜的稳定性和减少细胞内可溶性Ca减弱与Ca结合为Ca-CaM;，来抑制一系列膜脂过氧化作用，保持细胞膜的完整性，延缓果实的衰老。 4.4 减少病害发生

果品贮藏病害大部分是由潜伏病菌引起，这些病菌在果实生长期潜伏于果实表面，贮藏中会沿伤口和皮孔侵入果肉组织而引起病害。壳聚糖涂膜处理减少病害的发生主要有3个途径：一是使伤口木栓化，堵塞皮孔和增强HMP途径等作用，从而减少真菌侵染，增强果实抗病菌能力[29]。二是对一些腐败真菌起到直接的抑制或杀灭作用。ElGhaouth等（1992）以灰霉病菌和软腐病菌为试材，李红叶等（1997）以软腐病菌和褐腐病菌为试材，在离体培养条件下，壳聚糖对病菌孢子的萌发、菌丝的生长有抑制作用，并影响菌体的形态，使菌变粗、扭曲，甚至发生质壁分离。经损伤接踵细链格孢的兰州大接杏用壳聚糖涂膜处理后，可明显降低接种兰州大接杏黑斑病发病率，抑制病斑的扩展速度[30]。对梨轮纹病菌、瓜炭疽病菌、柑橘青霉病菌、草莓灰霉病菌等进行离体培养，小分子量（1700）的抗菌效果最佳[31]。这可能是因为低分子量壳聚糖易于进入到病原菌的细胞核中，干扰DNA的复制与转录，从抑制真菌生长。三是壳聚糖诱导植物产生一系列防御反应而增强自身抗病性，包括提高几丁质酶β-1,3-葡聚糖酶和PAL和POD活性[32]，从而激发苯丙烷类代谢，产生酚类和异黄酮类植保素等，以及木质素加厚细胞壁，在植物抗病中起化学屏障作用和植物抗毒素作用。 5.壳聚糖保鲜果品的应用研究

壳聚糖对食品的保鲜作用实际上是以上保鲜机制协同作用的结果。至今壳聚糖对多种食品的保鲜效果已进行了研究。

5.1对水果类食品的保鲜研究结果证实：应用壳聚糖保鲜膜可较好地控制桃子、梨、苹果、猕猴桃、草毒、甜瓜、哈密瓜、龙眼、芒果、杨梅、树莓、四季柚、南果梨、石榴、布林、葡萄等多种水果的腐烂变质，延长贮存时间和货架寿命。同时，对壳聚糖处理的水果的硬度、失重率及一些营养成分与未处理的对照样品进行了比较，得出相应的结论。以壳聚糖为涂膜剂对南果梨进行常温保鲜实验，结果表明，以1.5%浓度壳聚糖涂膜的南果梨其硬度、VC含量与新鲜南果梨接近。

腐烂率和失重率也非常小。失重率、保鲜效果明显优于对照组。经1.5%浓度壳聚糖涂膜处理的南果梨在常温下可贮存50d以上[33]。草莓常温下货架期不到一天，且果皮柔嫩，极易破裂，这就给鲜果运输造成诸多的困难。草莓经1.25%壳聚糖液涂膜处理后，在室温(25～30℃)下贮藏2d，果实品质与鲜果几乎无差别。贮藏5d，好果率仍为85.2%。草莓经壳聚糖涂膜处理后，果实表面形成透明薄膜，不影响果实的观感，却增强了草莓果实的抗机械损伤、抗病菌侵染和保水能力，保持了果实一定的品质。从而降低了草莓运输过程中因机械破坏和腐烂造成的损耗，克服了转运中的不便[34]。苹果经壳聚糖涂膜处理后，常温下贮藏5个月，果实保持绿色，有光泽无皱缩，好果率达9 8%，含水量和VC含量高于对照，并能有效防止虎皮病的发生[35]。l%壳聚糖涂膜可降低杨梅果实呼吸速率，保持果肉硬度，延缓总酸和总糖含量的下降以及还原糖的上升，贮藏16d后仍然具有较高的商品价值[36]。以鲜切红地球葡萄粒为试材，分别用壳聚糖、海藻酸钠和羧甲基纤维素可食性膜处理，都可抑制鲜切葡萄粒的呼吸代谢，延缓可溶性固形物和可滴定酸的降解，保持硬度，减少褐变，降低腐烂。其中壳聚糖可食性膜处理组保鲜效果比其他处理更为显著，贮藏75d，商品率达到88.1%，较对照提高25.1%[37]。

5.2对蔬菜类食品的保鲜

壳聚糖对蔬菜类食品的保鲜作用已在多种蔬菜如黄瓜、辣椒、竹笋、香菇、番茄、青椒、羊角椒、油豆角、莴苣等的保鲜实验中得到了验证。利用壳聚糖涂膜保鲜甜椒和黄瓜，有明显的保鲜效果，可以减少水分和叶绿素损失，蔬菜萎蔫程度小，腐烂率低。利用1.5%壳聚糖涂膜，在10℃下贮存10d两种蔬菜的腐烂率小于l0%[38]。用1.5%浓度壳聚糖作为涂膜剂，于50～60℃下涂膜处理带壳竹笋可获得较好的成膜效果，并可明显抑制其失重和纤维素含量的增加[39]。1.0%和1.5%壳聚糖处理可显著降低豆荚的呼吸强度、蒸腾失水、多酚氧化酶(PPO)及过氧化物酶(POD)活性，保持较低的膜透性、丙二醛(M D A)含量和较高的叶绿素、V C及还原糖含量，提高豆荚的苯丙氨酸解氨酶(P A L)活性和促进木质素合成，减少豆荚腐烂发生，从而延长贮藏期[40]。使用浓度为0.5%的壳聚糖溶液对羊角椒进行一次涂膜保鲜处理，可获得最佳的保鲜效果[41]。用壳聚糖作为番茄保鲜剂进行试验。研究结果显示，2%壳聚糖涂膜番茄的总酸度、总糖、维生

素C与新鲜番茄最接近，果实较硬，失水较小，具有较好的保鲜效果[42]。 6.发展前景与存在的问题

壳聚糖来源丰富、结构独特、成膜简单、保鲜性能优越,作为果蔬等食品的保鲜剂,很有发展潜力。开展壳聚糖领域的研究和应用,存在深远的意义,会带来很好的经济效益。但目前壳聚糖保鲜膜在应用中还存在一定的缺点:如涂膜效率低、难干燥,制膜存在强度差等问题。作者在2%的壳聚糖溶液中加入微量的戊二醛交联剂,充分反应后,可有效改善壳聚糖膜的机械强度。此外,已有的涂膜保鲜研究大多偏重于杀菌防霉剂的选择以及与涂膜剂的配伍等方面,对壳聚糖膜的结构与性能在贮藏保鲜过程变化特性的研究报道几乎没有,而这些材料特性的变化会直接影响保鲜的效果[43]。这些问题都有待科研工作者作进一步的研究。

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