望運(yùn)滔 楊 紡 白艷紅

(1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450000；2. 河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000; 3. 河南省食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000；4. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北 武漢 430070)

甲殼素是自然界中儲(chǔ)量僅次于纖維素的第二大多糖，廣泛來源于蝦殼、蟹殼等食品加工副產(chǎn)物[1]，其脫乙酰產(chǎn)物殼聚糖已被廣泛應(yīng)用于食品各領(lǐng)域[2-4]，但關(guān)于原始甲殼素(未脫乙酰處理)的相關(guān)研究及應(yīng)用較罕見，僅有傳統(tǒng)方法制備納米甲殼素及應(yīng)用，甲殼素寡糖活性相關(guān)研究，研究內(nèi)容不夠豐富，手段方式不夠先進(jìn)，不能適應(yīng)于其在食品領(lǐng)域中廣泛使用，主要是因?yàn)槠浞肿娱g氫鍵作用力強(qiáng)烈，甲殼素在常規(guī)條件下難溶于普通溶劑。相比殼聚糖，甲殼素具有一些獨(dú)特特性，如其纖維狀納米纖維結(jié)構(gòu)賦予納米纖維獨(dú)特的機(jī)械特性，特殊的糖環(huán)結(jié)構(gòu)賦予甲殼素分子獨(dú)特的界面特性等。此外，基于甲殼素的新材料具有獨(dú)特的生物活性及功能特性。近年來，一系列新技術(shù)如堿尿素低溫溶解體系[5]、超聲[6]及高壓均質(zhì)[7]等高能量處理手段的誕生為甲殼素的研究提供了方便。文章擬總結(jié)甲殼素在食品領(lǐng)域近5年的最新研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期為甲殼素的研究與應(yīng)用提供參考。

1 基本概述

甲殼素主要有β-甲殼素和α-甲殼素兩種類型，β-甲殼素主要來源于某些軟體動(dòng)物骨骼，在自然界中含量相對(duì)低，不溶于水等普通簡單溶劑，其分子間氫鍵作用力較弱，可通過超聲等低能機(jī)械力處理得到甲殼素納米纖維[8]。α-甲殼素主要來源于蝦、蟹等硬殼動(dòng)物外殼，來源廣泛，產(chǎn)量大，因此更具備研究價(jià)值，然而其分子間氫鍵作用力強(qiáng)，難溶于普通溶劑，而且低能量機(jī)械力作用很難打開其分子鏈，因此需借助高新技術(shù)研究α-甲殼素[6]。

2 甲殼素提取、制備、溶解、改性等相關(guān)研究進(jìn)展

傳統(tǒng)甲殼素提取法采用鹽酸去除蝦、蟹殼中碳酸鈣，熱堿去除蝦、蟹殼中蛋白質(zhì)，從而得到甲殼素，該方法需消耗大量酸堿，對(duì)環(huán)境有一定污染。研究[9-11]表明，微生物中的蛋白酶能耐廣泛pH及高溫環(huán)境，可有效去除蝦、蟹殼中的蛋白質(zhì)，可以取代傳統(tǒng)熱堿脫蛋白過程，且微生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸(如乳酸)能去除蝦、蟹殼中的碳酸鈣等成分，因此可以采用微生物發(fā)酵一步去除蝦、蟹殼中碳酸鈣蛋白質(zhì)，從而得到甲殼素，且微生物發(fā)酵所得甲殼素產(chǎn)率及品質(zhì)均高于傳統(tǒng)化學(xué)方法。研究[12]發(fā)現(xiàn)，新型非熱加工方式(如等離子體處理微生物)能增強(qiáng)微生物分解蛋白酶的能力，提高提取甲殼素的效率。

傳統(tǒng)溶劑(如三氯乙酸N-甲基嗎啉-N氧化物、六氟異丙醇、CaCl2-MeOH體系)因?qū)Νh(huán)境有毒有害不能應(yīng)用于食品等相關(guān)領(lǐng)域[13]。堿尿素低溫溶解體系為近年來發(fā)明的一種新型溶解體系，具有綠色環(huán)保，不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，利用該體系在低溫下能破壞甲殼素分子間強(qiáng)烈氫鍵的作用原理，通過反復(fù)凍融循環(huán)，甲殼素被成功溶解，得到透明的甲殼素溶液[14]。該體系所溶解的甲殼素對(duì)酸、溫度敏感，加酸、升高溫度均會(huì)導(dǎo)致甲殼素析出，故一系列甲殼素新材料如甲殼素微球[15]、甲殼素膜[16-17]、甲殼素凝膠[14]被成功制備。經(jīng)該體系溶解再生得到的再生甲殼素，分子間氫鍵作用力大大削弱，在弱的機(jī)械力如超聲作用下，α-甲殼素能被分散形成甲殼素納米纖維、微米及納米甲殼素顆粒[6]。且經(jīng)溶解再生過程，堿及尿素均能被完全去除。另外，該體系的堿性環(huán)境適合于取代反應(yīng)的進(jìn)行，在該體系下，可對(duì)其進(jìn)行羧甲基改性[1]、丙烯酰胺改性[18]以及季銨鹽化改性[19]，改性后的產(chǎn)物均為水溶性甲殼素，季銨鹽改性后的甲殼素分子帶大量正電荷，丙烯酰胺改性的甲殼素為溫敏型甲殼素，可在37 ℃以上形成凝膠，低溫下又能形成溶液。因上述化學(xué)反應(yīng)所用化學(xué)試劑均有一定毒性，盡管產(chǎn)物中化學(xué)試劑均已除去，但所得改性產(chǎn)物能否被允許應(yīng)用于食品領(lǐng)域還有待進(jìn)一步評(píng)估。

3 甲殼素與食品領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)的功能特性

甲殼素在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用形式主要包括甲殼素膜、甲殼素微球、納米甲殼素、甲殼素寡糖等，根據(jù)甲殼素在食品領(lǐng)域應(yīng)用形式以及應(yīng)用特點(diǎn)，以下將從甲殼素在食品包裝，吸附、分離、固定、遞送食品成分，穩(wěn)定油水界面，調(diào)節(jié)食品質(zhì)構(gòu)，保健等方面分別介紹其主要研究熱點(diǎn)。

3.1 新型甲殼素膜的功能特性

甲殼素作為一種多糖，具有溶膠凝膠特性，可制備甲殼素膜材料。Duan等[16]利用堿尿素溶解體系在低溫條件下溶解甲殼素，并通過溶劑交換絮凝、去除堿尿素、干燥等步驟制備得到了高強(qiáng)度及高阻氣性甲殼素薄膜，通過在不同凝固浴中絮凝，可得到機(jī)械性能、阻氣性能、微觀結(jié)構(gòu)不同的甲殼素膜，可望在食品保鮮等領(lǐng)域發(fā)揮作用。Wang等[17]首先根據(jù)以上所描述的方法制備得到了高強(qiáng)度甲殼素薄膜，并在此基礎(chǔ)上利用甲殼素與多酚分子間強(qiáng)烈的氫鍵及疏水相互作用，通過一種簡單的界面組裝方法一步得到了具有高強(qiáng)抗氧化性及抗菌性的甲殼素多酚復(fù)合膜，該膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、水蒸氣透過率低、阻氣性強(qiáng)、抗氧化抗菌能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可望作為新型包裝材料在食品保鮮等領(lǐng)域應(yīng)用。

3.2 甲殼素微球與食品成分吸附、分離、固定、遞送等相關(guān)功能特性

高分子微球因其多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于吸附分離、大分子固定等領(lǐng)域[20]。Wang等[21]利用甲殼素在堿尿素體系中的溶膠凝膠特性，通過乳液模板法制備了粒徑為90 μm～1 mm的甲殼素微球，該方法綠色環(huán)保，不需使用任何交聯(lián)劑，且可通過調(diào)節(jié)油相水相比例、乳化劑濃度、攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)所制備微球的粒徑。同時(shí)，微球制備過程中相分離導(dǎo)致的多孔結(jié)構(gòu)適合于作為大分子的固定載體、吸附劑等，可在制備過程中添加磁性四氧化三鐵得到磁性甲殼素微球，便于回收。同時(shí)該研究還采用濃堿低溫脫乙酰方法制備了磁性脫乙酰甲殼素微球，采用戊二醛交聯(lián)方法固定食品用α-淀粉酶，所固定的α-淀粉酶具有較好的重復(fù)使用性能，可提高淀粉酶的使用效率。此外，該研究還利用甲殼素分子在堿性條件下能與活性染料發(fā)生親核加成反應(yīng)，在磁性甲殼素微球中引入了帶負(fù)電荷的磺酸基團(tuán)，因此該磁性甲殼素微球可以對(duì)食品中帶正電荷的食品色素具有較好的吸附性能。因磁性甲殼素微球中含有乙酰氨基基團(tuán)，在pH 6.5以下，磁性甲殼素均帶正電荷，因而對(duì)食品中帶負(fù)電荷的食品色素具有一定的吸附能力。研究[22]表明，甲殼素與多酚之間具有強(qiáng)烈的相互作用，即氫鍵及疏水相互作用，因而甲殼素能吸附大量多酚，且甲殼素微球的多孔及親疏水性結(jié)構(gòu)使得甲殼素微球能夠吸附大量花青素，可作為花青素的遞送載體，保護(hù)花青素在加工過程中免遭光、熱等環(huán)境因素的破壞，同時(shí)負(fù)載花青素的甲殼素微球在胃及腸道中釋放量均較少，可在結(jié)腸中被微生物降解后發(fā)揮其健康功效。

3.3 納米甲殼素的制備及其與穩(wěn)定油水界面、調(diào)節(jié)食品質(zhì)構(gòu)、抗菌、保健等相關(guān)功能特性

因甲殼素特殊的纖維狀結(jié)構(gòu)，可通過機(jī)械力作用得到甲殼素納米纖維，此納米纖維為高度分散狀態(tài)，可在食品不同領(lǐng)域發(fā)揮作用。而不同制備方法所得納米甲殼素形貌性質(zhì)等均不同，因此該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)主要聚焦于納米甲殼素的新型制備方法及新型應(yīng)用。

3.3.1 納米甲殼素的制備方法 因甲殼素分子間氫鍵作用力較強(qiáng)，傳統(tǒng)簡單處理方法很難得到納米甲殼素，需使用強(qiáng)機(jī)械作用力才能獲得納米甲殼素。目前常用的強(qiáng)機(jī)械力處理方法為高壓均質(zhì)法[23]。在酸性條件下，甲殼素分子帶正電荷，高壓均質(zhì)能打散甲殼素形成納米纖維，但這種方法耗時(shí)且需要高能量投入。此外，可通過強(qiáng)酸水解去除甲殼素?zé)o定型區(qū)域，得到含有結(jié)晶區(qū)域的甲殼素納米晶[24]以及通過化學(xué)試劑氧化甲殼素得到納米甲殼素[25]。酸水解存在產(chǎn)率低，而氧化需使用昂貴的化學(xué)試劑以及過程難控、在食品中使用時(shí)安全性不能保障等問題。Wang等[6]通過堿尿素體系溶解甲殼素，采用溶劑交換方法得到再生甲殼素，該再生甲殼素在酸性條件下經(jīng)超聲處理能得到微米及納米級(jí)別的甲殼素粒子，且可通過延長超聲時(shí)間，降低甲殼素粒子粒徑，這是因?yàn)榧讱に亟?jīng)溶解再生處理后分子間氫鍵作用力減弱，超聲處理可分散甲殼素。Zhang等[26]通過濃磷酸溶解甲殼素，利用溶劑再生得到甲殼素納米纖維，進(jìn)一步驗(yàn)證了通過溶解再生處理制備納米甲殼素的原理。

3.3.2 納米甲殼素與穩(wěn)定食品油水界面相關(guān)的功能特性

甲殼素因特殊的糖環(huán)結(jié)構(gòu)具有兩親性，能穩(wěn)定油水界面。Perrin等[27-28]通過酸水解甲殼素得到甲殼素納米晶，用于穩(wěn)定油水界面得到普通乳液及高內(nèi)向乳液。因甲殼素耐高溫、耐酸堿、耐鹽離子，所得納米甲殼素穩(wěn)定乳液也具備耐高溫、耐酸堿、耐鹽離子等特性。Wang等[6]發(fā)現(xiàn)超聲處理所得納米甲殼素穩(wěn)定乳液能耐90 ℃以下高溫，且乳液不被破乳，粒徑不發(fā)生明顯變化。此外，納米甲殼素能在更寬pH范圍內(nèi)穩(wěn)定乳液，但pH會(huì)影響所穩(wěn)定乳液粒徑大小，因?yàn)榧讱に卦诓煌琾H條件下所帶電荷不同，分子間斥力不同，因而所穩(wěn)定乳液的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同。Sun等[29]研究發(fā)現(xiàn)，甲殼素納米纖維玉米醇溶蛋白復(fù)合物穩(wěn)定乳液比單獨(dú)玉米醇溶蛋白穩(wěn)定乳液具有更好的離心穩(wěn)定性，更小的粒徑以及更緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榧讱に丶{米晶須與玉米醇溶蛋白質(zhì)之間存在強(qiáng)烈的氫鍵及疏水相互作用，分子組裝后賦予復(fù)合物更好的乳化性。

3.3.3 納米甲殼素與調(diào)節(jié)食品材料機(jī)械性能、增強(qiáng)食品質(zhì)構(gòu)相關(guān)的功能特性 甲殼素納米晶為甲殼素的結(jié)晶區(qū)域，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，可作為材料增強(qiáng)劑，也可用于調(diào)節(jié)食品質(zhì)構(gòu)。Wu等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在制備多功能魔芋葡甘露聚糖膜材料時(shí)，添加氧化甲殼素納米晶一方面可增強(qiáng)膜的機(jī)械性能，同時(shí)納米甲殼素因其與多酚具有強(qiáng)烈的相互作用，可作為花青素的固定載體，控制花青素在膜中的釋放速率，進(jìn)而制備智能食品包裝膜材料。Ge等[31]研究表明，在明膠中加入甲殼素納米晶后，明膠的凝膠溫度提高了11.7 ℃，明膠的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密，這是因?yàn)榧讱に丶{米晶須與明膠之間存在強(qiáng)烈的氫鍵及靜電相互作用，導(dǎo)致明膠甲殼素形成更加致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)了明膠的凝膠強(qiáng)度及凝膠能力；該研究還發(fā)現(xiàn)在明膠中添加甲殼素納米晶后，明膠的耐鹽性能及耐酸堿性能均提高。Yuan等[32]通過在大豆蛋白中添加甲殼素納米纖維，采用谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶交聯(lián)從而得到了質(zhì)構(gòu)性能可調(diào)節(jié)的新型大豆蛋白凝膠，這歸功于甲殼素納米纖維的高機(jī)械性能及其與大豆蛋白之間強(qiáng)烈的相互作用。

3.3.4 納米甲殼素與食品抗菌相關(guān)的功能特性 納米甲殼素還具有一定的抗菌作用。研究[33]發(fā)現(xiàn)，納米甲殼素經(jīng)適度脫乙酰(脫乙酰度為21%，只有當(dāng)甲殼素脫乙酰度>55%時(shí)，甲殼素可被稱為殼聚糖)處理后，更多氨基的暴露將導(dǎo)致甲殼素納米晶抗菌作用更強(qiáng)，因此部分程度脫乙酰納米甲殼素(脫乙酰度為21%)在作為材料增強(qiáng)劑時(shí)，還可賦予材料一定的抗菌性能。Qin等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在制備玉米淀粉膜過程中加入一定甲殼素納米晶須，除了所得玉米淀粉膜的機(jī)械性能得到大幅度增強(qiáng)外，復(fù)合膜還具有一定的抑菌性能；復(fù)合膜對(duì)革蘭氏陽性菌單增李斯特菌的抑制作用強(qiáng)于革蘭氏陰性菌大腸桿菌，主要是由于這兩種細(xì)菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同，而抑菌機(jī)理主要是帶正電荷的甲殼納米晶須與細(xì)菌的細(xì)胞壁之間發(fā)生作用。與此類似，Shankar等[35]發(fā)現(xiàn)酸水解及高壓均質(zhì)后所得納米甲殼素能增強(qiáng)卡拉膠膜的機(jī)械性能及抑菌性能，所得納米甲殼素卡拉膠復(fù)合膜對(duì)李斯特菌也具有較強(qiáng)的抑制作用。

3.3.5 納米甲殼素與保健相關(guān)的功能特性 研究[36]發(fā)現(xiàn)，甲殼素納米纖維納米晶須具有一定的降血脂作用，對(duì)于高脂肪膳食老鼠，甲殼素納米纖維的攝入能防止老鼠血脂的升高，并減少脂肪在肝臟中的積累，從而避免脂肪肝；甲殼素納米纖維的攝入能降低老鼠體重并減少老鼠脂肪存儲(chǔ)組織。此種甲殼素納米纖維是一種高度結(jié)晶的膳食纖維，能較好地分散于食品中，在胃酸中不溶解、不產(chǎn)生黏度，可添加于各種食品中。相比于傳統(tǒng)乳化劑如乳清蛋白，納米甲殼素所穩(wěn)定乳液在胃腸內(nèi)消化慢，脂肪酸釋放速率慢，因而所提供能量小。這是因?yàn)榧讱に丶{米顆粒不可逆吸附于油水界面，且納米甲殼素在連續(xù)相中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，膽鹽及脂肪酶不能進(jìn)入油水界面，脂肪消化速率減慢；甲殼素納米晶破壞了進(jìn)入乳液中胰脂肪酶的活力，導(dǎo)致脂肪水解速率減慢[37]。研究[38]還發(fā)現(xiàn)，可通過控制甲殼素所穩(wěn)定乳液的結(jié)構(gòu)，控制乳液的消化速率及脂肪吸收，進(jìn)而控制能量攝入及體重。

3.3.6 納米甲殼素與其他食品相關(guān)的功能特性 Ji等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在淀粉制品中加入甲殼素納米晶須，能延緩淀粉的短期及長期老化行為，這是因?yàn)榧讱に丶{米晶須與淀粉分子之間存在強(qiáng)烈的氫鍵及疏水相互作用，阻止了淀粉分子的重排，從而延緩淀粉的老化。且甲殼素作為一種膳食纖維，不消化提供能量，能在腸道內(nèi)被微生物降解，從而發(fā)揮健康功效。

研究[40]表明，納米甲殼素作為食品配料進(jìn)入口腔后，可與口腔中的α-淀粉酶發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，且相互作用改變了淀粉酶結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)了α-淀粉酶酶活，說明利用納米甲殼素可作為一種新型功能性食品配料。

3.4 甲殼素寡糖的新型制備方法

寡糖是一類有利于改善腸道微生物結(jié)構(gòu)的益生元，可作為食品功能因子添加到各種食品中。甲殼素的高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致甲殼素寡糖的制備相對(duì)困難，當(dāng)前該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)主要聚焦于尋找高效方法制備甲殼素寡糖[41]。通?？赏ㄟ^酸水解方法得到甲殼素寡糖，但酸水解存在產(chǎn)率低、產(chǎn)品品質(zhì)低，環(huán)境污染大等缺點(diǎn)。酶水解是一種比較溫和、環(huán)境友好的寡糖生產(chǎn)方式，通常采用甲殼素酶水解甲殼素得到高品質(zhì)、高產(chǎn)率、高生物活性的甲殼素寡糖[42]。由于甲殼素分子間強(qiáng)烈的氫鍵作用阻礙了酶分子水解甲殼素，常使用預(yù)處理如球磨、碾壓、超聲、高壓均質(zhì)、溶解再生、發(fā)酵等手段改變甲殼素的分子結(jié)構(gòu)，從而有利于酶解[43-44]。Zhang等[45]通過對(duì)甲殼素進(jìn)行發(fā)酵預(yù)處理，然后酶解，發(fā)現(xiàn)經(jīng)預(yù)處理后甲殼素的酶解效率提高了3～5倍，6 h內(nèi)甲殼素幾乎全部轉(zhuǎn)化為寡糖，是因?yàn)轭A(yù)處理降低了甲殼素的結(jié)晶度，有利于酶解。這種方法易于大規(guī)?；a(chǎn)，且具有能耗低、環(huán)境污染低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

Margoutidis等[46]研究發(fā)現(xiàn)，球磨處理甲殼素可得到甲殼素寡糖，球磨后甲殼素糖苷鍵斷裂，但仍保留了乙酰氨基，所得產(chǎn)物為聚合度為1～5的甲殼素寡糖；球磨過程中添加高嶺土后所得甲殼素寡糖的溶解度為75.8%，而未添加高嶺土?xí)r的溶解度為35%，是因?yàn)楦邘X土可作為一種催化劑，加速了球磨過程中甲殼素糖苷鍵的斷裂，從而使甲殼素寡糖的聚合度更低，該研究為甲殼素寡糖的制備提供了一種不需液體參與的新方法。

4 展望

甲殼素作為世界上儲(chǔ)量第二的多糖資源，來源廣泛。隨著一系列技術(shù)及手段的誕生，必將為甲殼素在食品包裝材料、大分子吸附固定載體、食品添加劑及配料、保健食品等領(lǐng)域中的應(yīng)用帶來新機(jī)遇。且甲殼素作為一種膳食纖維，能對(duì)人體健康發(fā)揮多方面作用，在健康中國的大時(shí)代背景下，甲殼素作為一種新型食品或食品配料必將有廣闊的應(yīng)用潛力。