劉夢琪，呂 瑞，陳 菊，矯芮文，米春孝，李 想,2,3，任丹丹,2,3，武 龍,2,3，汪秋寬,2,3，周 慧,2,3,

（1.大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.國家海藻加工技術(shù)分中心，遼寧 大連 116023；3.遼寧水產(chǎn)品加工及綜合利用重點實驗室，遼寧 大連 116023）

殼聚糖是由甲殼素部分脫乙酰基得到的天然多功能生物聚合物[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，2-乙酰氨基葡萄糖胺和2-氨基葡萄糖殼二糖組成了復(fù)雜的雙螺旋結(jié)構(gòu)。殼聚糖廣泛存在于蝦蟹等甲殼類動物、藻類植物和蘑菇等大型真菌中，來源廣，資源豐富，是僅次于纖維素的第二大類高分子化合物[2]。殼聚糖具有良好的抑菌性、生物相容性、成膜性和生物可降解性，以殼聚糖為基質(zhì)制得的膜表現(xiàn)出了良好的抑菌性、水蒸氣和氧氣阻隔性能。殼聚糖分子鏈含有豐富的活性氨基（—NH2）和羥基（—OH），其抑菌性、生物相容性、機械性能等都可以通過化學(xué)修飾得到改善[3]。因此，近年來殼聚糖在食品包裝中的應(yīng)用案例日益增加。

圖1 殼聚糖的單糖組成（A）和長鏈分子結(jié)構(gòu)（B）Fig.1 Monosaccharide composition (A) and long-chain molecular structure (B) of chitosan

微生物污染是造成食物腐敗的主要原因[4]。目前傳統(tǒng)抑菌食品包裝材料大多以塑料等高分子化合物為原料，可降解性差，易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，且塑料來源于石油等不可再生資源，成本較高[5]，因此開發(fā)資源豐富、環(huán)保、無毒、可生物降解的抗菌包裝材料已成為研究熱點。

殼聚糖及其衍生物對大多細(xì)菌和真菌均具有顯著的抗菌活性[6]，廣泛應(yīng)用于魚類[7]、肉類[8]以及果蔬[9]等食品包裝和涂層中，以延長食品保質(zhì)期。殼聚糖可通過分子內(nèi)或分子間氫鍵形成具有黏性的成膜液，經(jīng)流延成膜、干燥后，可制成高透明度的包裝薄膜[10]。這種包裝膜不但可以阻擋外來微生物和污染物的進入，而且安全無毒，可以食用。殼聚糖涂膜是通過浸染、噴涂、涂刷等方法在食物表面形成的一種均勻的薄膜，該涂膜可以阻隔細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的交換，降低水分代謝，減少果蔬呼吸作用消耗的營養(yǎng)物質(zhì)，從而有效地抑制微生物的繁殖，延長食品貨架期[11]。

殼聚糖的抗菌活性與溫度、濃度、有機酸、添加劑及微生物種類等因素密切相關(guān)，此外還與分子質(zhì)量、乙?；潭取⒕酆衔镳ざ鹊壤砘再|(zhì)有關(guān)[12]。殼聚糖的水溶性和機械性能較差，在一定程度上限制了其抑菌活性。故近些年來，研究人員在殼聚糖改性、與其他抗菌劑協(xié)同等方面進行了大量研究，使其在食品、生物醫(yī)藥、功能材料等領(lǐng)域具有巨大發(fā)展前景。Zhao Yuan等[13]概述了殼聚糖等綠色抗菌劑在多糖基質(zhì)可持續(xù)抗菌材料的最新進展，對其物理化學(xué)特性以及不同材料的功效和局限性進行探討。同樣，Rajoka等[14]詳細(xì)介紹了殼聚糖在食品、醫(yī)療行業(yè)的潛在應(yīng)用，并著重介紹了殼聚糖與各種微生物之間的作用機制和影響其抗菌作用的主要因素。Chen Qizhou等[15]系統(tǒng)地總結(jié)了殼聚糖常見的化學(xué)改性技術(shù)及其衍生物所具備的功能特性，為其在各領(lǐng)域的應(yīng)用與研發(fā)提供借鑒。

殼聚糖作為天然高分子材料，其較為優(yōu)異的成膜性能、廣譜抗菌性、可生物降解性有利于研發(fā)綠色食品包裝，將有望替代傳統(tǒng)聚乙烯膜應(yīng)用于食品的抗菌保鮮中。因此，如何提高殼聚糖抗菌效率，精準(zhǔn)研制抗菌活性強、安全性能高的殼聚糖抗菌膜已成為目前的熱點研究方向。因此本文主要概述了殼聚糖的抑菌機制、抑菌活性功能的強化，尤其對殼聚糖可食性抗菌包裝在食品行業(yè)中的應(yīng)用進行了詳細(xì)闡述，如圖2所示，通過從基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用等多視角總結(jié)殼聚糖作為抑菌劑的研究進展，以期為殼聚糖在食品包裝中的應(yīng)用提供參考。

圖2 殼聚糖抑菌功能強化和應(yīng)用Fig.2 Enhancement and application of antibacterial function of chitosan

1 殼聚糖的抗菌機制

殼聚糖具有廣譜抗菌性，對細(xì)菌、真菌等多種微生物均具有明顯的抑制作用，如圖3所示，其抗菌機制主要包括破壞細(xì)胞膜通透性、影響細(xì)菌細(xì)胞磷脂和蛋白質(zhì)合成、螯合金屬離子等[16-17]。

圖3 殼聚糖抗菌機制Fig.3 Antibacterial mechanism of chitosan

1.1 破壞細(xì)菌細(xì)胞壁，改變細(xì)胞膜通透性

細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜具有保護微生物免受機械損傷、維持滲透壓、維持細(xì)胞外形等作用[18]。殼聚糖分子中的—帶有正電荷，通過靜電相互作用，可吸附到帶負(fù)電荷的細(xì)菌上，從而破壞細(xì)胞壁的完整性，提高細(xì)胞膜的通透性，進而造成滲透不平衡，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物滲出，使細(xì)胞生物活性下降[1]。Yildirim-Aksoy等[19]通過細(xì)菌細(xì)胞溶液的電導(dǎo)率變化發(fā)現(xiàn)，殼聚糖及殼聚糖衍生物可以吸附在細(xì)菌表面，破壞細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)離子穿過受損細(xì)胞膜滲透到溶液中，最終導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡。超高分子質(zhì)量殼聚糖的超長分子鏈可以包裹和結(jié)合大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，導(dǎo)致細(xì)胞逐漸破裂分解，大大增強了其抗菌活性[20]。

1.2 影響細(xì)菌細(xì)胞核酸復(fù)制和蛋白質(zhì)合成

蛋白質(zhì)和mRNA的合成是細(xì)菌細(xì)胞生長過程中最基本的生命活動[18]。殼聚糖進入細(xì)胞后可與帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)、核酸吸附結(jié)合，抑制蛋白質(zhì)和mRNA的合成，使細(xì)菌細(xì)胞正常的生理功能受到影響，從而抑制細(xì)菌的生長和繁殖[21]。Meng Di等[22]在微觀結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄組水平上發(fā)現(xiàn)殼聚糖通過損害細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)，影響RNA轉(zhuǎn)移、翻譯等過程，從而破壞蛋白質(zhì)生物合成的完整性，抑制曲霉的生長和發(fā)育。此外，Tantala等[23]利用透射電子顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜發(fā)現(xiàn)殼聚糖可破壞李斯特菌的細(xì)胞壁，干擾營養(yǎng)物質(zhì)進入到細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致胞內(nèi)蛋白質(zhì)變性，核苷酸結(jié)構(gòu)改變，從而發(fā)揮抑菌作用。

1.3 螯合金屬離子

殼聚糖中的—NH2和—OH具有一定的金屬吸附能力，而革蘭氏陰性菌外膜含有由Mg2+、Ca2+等二價陽離子構(gòu)成的多陰離子脂多糖[24]，因此，殼聚糖可選擇性結(jié)合細(xì)菌中的金屬離子和必需營養(yǎng)素，進而對細(xì)菌毒素的產(chǎn)生和微生物的生長發(fā)育起到抑制作用[25]。Lee等[26]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖破壞細(xì)胞壁后可結(jié)合真菌生長所需的Ca2+，破壞Ca2+梯度，發(fā)揮抑菌作用。徐昊洋等[27]發(fā)現(xiàn)在高pH值條件下，殼聚糖與金屬離子的螯合會抑制微生物生長所必需的營養(yǎng)素攝取，引起細(xì)胞壁缺失和破裂，細(xì)胞膜通透性增加，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆地?fù)p傷，最終造成細(xì)胞死亡。

2 提高殼聚糖抗菌性能的主要途徑

2.1 化學(xué)改性

殼聚糖為堿性多糖，其水溶解性較差，這極大地限制了殼聚糖的應(yīng)用。通過羧甲基化、烷基化、磺化、季銨化反應(yīng)可以為殼聚糖表面引入帶電或親水基團，修飾—NH2和—OH，提高水溶性，促進其發(fā)揮抑菌活性[27-29]。

在殼聚糖的—OH或—NH2上引入羧甲基可改善殼聚糖分子的表面親水性[30]，反應(yīng)過程如圖4A所示。羧甲基化改性后殼聚糖溶解性提高，羧基的存在使得反應(yīng)溶液pH值降低，更多的—NH2質(zhì)子化成—，這使得抗菌基團數(shù)量有所增加；同時，由于其內(nèi)部的—COOH和—NH2可形成分子內(nèi)或分子間氫鍵，使得分子鏈?zhǔn)嬲归_來，可以與細(xì)菌充分接觸，提高了殼聚糖的抗菌性能。羧基的取代位置不同，抑菌效果也有所不同。這是因為殼聚糖的—NH2對其抗菌活性至關(guān)重要，而O-羧甲基殼聚糖未在—NH2位發(fā)生取代反應(yīng)，保留了一定數(shù)量的—NH2，使其抗菌效果相對較強。馬妍等[31]對比了N-羧甲基殼聚糖、O-羧甲基殼聚糖、N,O-羧甲基殼聚糖對河豚的抗菌保鮮活性，在冷藏6 d結(jié)束時發(fā)現(xiàn)O-羧甲基殼聚糖的抑菌效果尤為突出，菌落總數(shù)為5.75×105CFU/g，其他取代基羧甲基殼聚糖組的菌落總數(shù)分別為16.22×105CFU/g和11.89×105CFU/g。陳澤楚等[32]對比了未改性殼聚糖以及O-羧甲基殼聚糖的抗菌性能，發(fā)現(xiàn)O-羧甲基殼聚糖對大腸桿菌表現(xiàn)出較好的抗菌活性，抑菌率達(dá)87%～93%。

圖4 改性殼聚糖合成過程[37,42-44]Fig.4 Synthesis process of modified chitosan[37,42-44]

殼聚糖的烷基化改性一般發(fā)生在殼聚糖—NH2的氮原子和—OH的氧原子上，因此會得到N-烷基化殼聚糖和O-烷基化殼聚糖兩種不同取代位置的殼聚糖衍生物。改性方法包括生成席夫堿、過渡金屬離子合成、鄰苯二甲酸酐合成等，其中最常見的是殼聚糖與脂肪醛反應(yīng)生成席夫堿后，再在酸性溶液中通過NaBH4還原得到N-烷基化殼聚糖[33]，反應(yīng)過程如圖4B所示。Bakshi等[34]利用甲醛對殼聚糖進行烷基化改性，發(fā)現(xiàn)與未改性殼聚糖相比，烷基化殼聚糖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果均有所上升，其最高殺菌率分別為98%和99.99%。Paula等[35]以薺菜精油作為烷基來源，通過席夫堿得到了N-烷基化殼聚糖，改性后殼聚糖對單核細(xì)胞增生李斯特菌的最低抑菌濃度（minimal inhibitory concentration，MIC）由1500 μg/mL降至500～1000 μg/mL。

磺化反應(yīng)是指殼聚糖的—NH2或—OH通過與硫酸、二氧化硫或氯磺酸等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引入磺酸基（—SO3H）或其相應(yīng)鹽、磺酰鹵基的過程[36]，反應(yīng)過程如圖4C所示?；腔蟮臍ぞ厶欠肿由洗嬖趲ж?fù)電荷的磺酸基團（），能夠與細(xì)菌生長所需的金屬離子進行螯合，從而對細(xì)菌的生長發(fā)育產(chǎn)生一定影響。Sun Zhimin等[37]制備了1,3-丙烷磺酮磺化改性的殼聚糖并測定了其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性，實驗證明與水溶性殼聚糖相比，磺化后的殼聚糖抑菌活性明顯增強，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC分別由0.50 mg/mL和4.00 mg/mL降至0.13 mg/mL和2.00 mg/mL。Han Xiaoxiang等[38]對殼聚糖的—NH2進行了磺化反應(yīng)，制備了季銨鹽形式的殼聚糖磺酸鹽，發(fā)現(xiàn)丙基磺酸基團的引入增強了殼聚糖的溶解度，進一步提高了其抗菌性能，對熒光假單胞桿菌的MIC為2 mg/mL，而殼聚糖在16 mg/mL時仍不具有抗菌活性。

季銨化反應(yīng)是目前殼聚糖化學(xué)改性中研究時間最久、使用最廣泛的一種方法，主要包括直接在殼聚糖氨基上引入季銨鹽基團小分子的接枝季銨基團反應(yīng)；殼聚糖與醛反應(yīng)得到席夫堿，將席夫堿還原，利用鹵代烷與之反應(yīng)得到殼聚糖季銨鹽和接枝季銨基團的直接季銨化反應(yīng)[39]，反應(yīng)過程如圖4D所示。季銨化反應(yīng)改性后，由于殼聚糖分子中含有質(zhì)子化的—NH2，使其在低pH值下具有良好的抗菌特性。Wei Lijie等[40]合成了8 種含席夫堿和季銨鹽的殼聚糖衍生物，其中間體為6-O-氯乙?；?2-N,N,N-三甲基季銨鹽殼聚糖，通過菌絲生長速率實驗發(fā)現(xiàn)殼聚糖衍生物對黃瓜枯萎病菌、灰葡萄枯萎病菌和番茄枯萎病菌均有一定抑制作用，酚羥基和鹵素基團的引入進一步提高了殼聚糖的抗真菌能力。然而，反應(yīng)中添加季銨鹽可能會產(chǎn)生細(xì)胞毒性，為解決此問題，Mi Yingqi等[41]將含有席夫堿的乙醛酸與殼聚糖季銨鹽進行離子交換，并對其細(xì)胞毒性進行了分析，確定該方法制得的陰離子殼聚糖季銨鹽不僅具有極佳的抗菌性能，而且安全無毒。

2.2 與其他物質(zhì)協(xié)同發(fā)揮抑菌作用

殼聚糖具有良好的生物相容性，可與無機納米粒子、精油、微生物代謝物等物質(zhì)協(xié)同，大大增強了其抑菌效果。

2.2.1 無機納米粒子與殼聚糖協(xié)同

在殼聚糖殘基中，C2位上有一個—NH3，C3位上有一個—OH，平伏鍵的構(gòu)象使殼聚糖對鈦、銀、鋅、銅、鉻等金屬或金屬氧化物具有很強的螯合作用，利用殼聚糖對金屬的螯合實現(xiàn)殼聚糖分子中的氫鍵斷裂，使其分子鏈擴展和分解，生成更多的正電荷，增強殼聚糖的抗菌活性。其中，無機納米粒子通過黏附于微生物細(xì)胞、滲透到細(xì)胞內(nèi)破壞胞內(nèi)物質(zhì)、產(chǎn)生活性氧和自由基導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激死亡、調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等多種方式潛在地發(fā)揮抗菌作用[45]。

2.2.1.1 金屬粒子

Ag是目前應(yīng)用最廣泛的抗菌金屬材料之一，銀離子具有空軌道，可與殼聚糖鏈上游離—NH2的氮原子的未共用電子對進行配位，形成殼聚糖-銀絡(luò)合物[46]。Senthilkumar等[47]采用馬齒莧葉提取物作為還原劑，通過綠色合成方法制備了殼聚糖-銀納米顆粒雜化物（Chi-AgNPs），發(fā)現(xiàn)該雜化納米顆?？梢云茐拇竽c桿菌和黏質(zhì)沙雷菌的生物膜，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，當(dāng)Chi-AgNPs質(zhì)量濃度從10 μg/L增加到50 μg/L時，抑菌圈直徑分別從0 mm和6 mm增加到了15 mm和20 mm。Zhao Xixi等[48]以葡萄籽提取物為穩(wěn)定劑和還原劑合成了銀納米顆粒AgNPs，并與殼聚糖復(fù)合制備殼聚糖納米復(fù)合涂層，在葡萄真菌污染實驗中，發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層涂覆的葡萄酵母菌和霉菌總數(shù)在貯藏期間最低為2.9（lg（CFU/g））。

Cu納米粒子能穿透細(xì)胞壁，使蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞內(nèi)成分泄漏，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡從而發(fā)揮抑菌作用。采用原位還原法將Cu固定在殼聚糖表面可以提高殼聚糖的抗菌性能，使得殼聚糖-Cu納米復(fù)合材料對金黃色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌作用要強于原始?xì)ぞ厶荹49]。趙宇等[50]分別將無水硫酸銅和氯化鋅通過配位反應(yīng)制備了殼聚糖銅、鋅配合物，結(jié)果表明，與殼聚糖相比，這兩種配合物對枯草桿菌和四鏈球菌均具有良好的抑制作用，10 d后，抑菌率可以達(dá)到55%以上，其中殼聚糖銅配合物對四鏈球菌的抑制效果更明顯。

2.2.1.2 金屬氧化物

金屬氧化物納米粒子可在細(xì)胞內(nèi)釋放，從而改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，誘導(dǎo)細(xì)菌氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)菌滅亡[51]。金屬氧化物具有廣譜、安全、持久、不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢，因此通過結(jié)合殼聚糖與金屬氧化物實現(xiàn)協(xié)同作用可進一步提升抗菌效果。

Rahman等[52]采用一鍋法將ZnO納米顆粒分散于殼聚糖溶液中，制備了新型殼聚糖-ZnO薄膜并用于牛肉的包裝，發(fā)現(xiàn)在第6天仍未有金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等微生物生長，但ZnO納米顆粒在殼聚糖基質(zhì)中容易聚集，薄膜表面粗糙。以Zn(Ac)2·2H2O為原料，采用原位沉淀法制備得到納米ZnO-殼聚糖復(fù)合膜，該復(fù)合膜不但可以有效地改善殼聚糖的抗菌性能，還可以防止ZnO形成聚集體和分布不均勻的現(xiàn)象[53]。金屬氧化物在殼聚糖薄膜表面的均勻分布是其持續(xù)發(fā)揮抑菌作用的重要前提，金屬氧化物-殼聚糖薄膜的制備需要開發(fā)更簡便、更綠色、更穩(wěn)定的方法和途徑。

TiO2通過釋放活性氧發(fā)揮光催化作用，從而破壞微生物細(xì)胞壁[54]。Zhang Xiaodong等[55]將TiO2納米粒子摻入到殼聚糖中制備了殼聚糖-TiO2復(fù)合膜，并測試了其對大腸桿菌，金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和黑曲霉的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物可以在12 h內(nèi)完成100%殺菌，延長了紅葡萄的保質(zhì)期。Siripatrawan等[56]將TiO2添加到殼聚糖薄膜中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜暴露在紫外光下時，TiO2會發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)生的活性氧增加了微生物細(xì)胞膜的通透性，從而引起了細(xì)胞內(nèi)輔酶A的氧化和脂質(zhì)的過氧化，進而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

利用殼聚糖與金屬離子優(yōu)異的抗菌性能，將其協(xié)同抑菌性有機的結(jié)合起來，能顯著提升薄膜的抗菌性能，但金屬粒子的釋放和毒性問題仍處于被質(zhì)疑的階段，故如何開發(fā)出既能在食物表面發(fā)揮優(yōu)良的抑菌效果，又能保障食品安全的復(fù)合材料，還需要進行深入的研究。

2.2.2 精油或植物提取物與殼聚糖協(xié)同

精油是一種以揮發(fā)性芳香提取物為主的植物次生代謝產(chǎn)物，其中醛類、酚類和含氧萜類化合物是精油的主要抗菌活性物質(zhì)[57]。植物提取物主要活性成分包括黃酮、多酚、生物堿、有機酸等，多是較為穩(wěn)定的次生代謝產(chǎn)物[58]。這些物質(zhì)中的活性成分可以破壞細(xì)胞膜通透性，導(dǎo)致胞內(nèi)遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)無法正常合成[59]，阻礙細(xì)菌菌體形成，從而發(fā)揮抑菌作用，是一種極具潛力的綠色抗菌劑。另外，植物提取物中的羥基化合物黃酮、皂苷等親水基團能夠提高殼聚糖的水溶性，使其具有更強的抗菌能力。

Hadidi等[60]研究發(fā)現(xiàn)丁香精油與殼聚糖納米顆粒的復(fù)合涂層對單核細(xì)胞增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌、傷寒桿菌和大腸桿菌均具有良好的抗菌活性，其抑菌圈直徑為39.5～48.0 mm，明顯大于純殼聚糖，最小抑菌體積為2 μL。大蒜素是大蒜的主要成分，對致病菌具有超強的抑制作用，Ahmadi等[61]分別以大蒜提取物和百里香精油與殼聚糖協(xié)同，發(fā)現(xiàn)其在殼聚糖基膜中起著關(guān)鍵的抗菌作用。Riaz等[62]將殼聚糖與蘋果皮多酚混合制備具有抗菌、抗氧化作用的食品包裝薄膜，發(fā)現(xiàn)蘋果皮多酚的加入不僅改善了薄膜的機械性能，同時顯著提高了其抗氧化能力和抑菌效果。此外，在殼聚糖-明膠基質(zhì)中加入光敏劑姜黃素形成薄膜，利用藍(lán)色發(fā)光二極管照射70 min后，發(fā)現(xiàn)明膠-殼聚糖薄膜處理過的大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌、腐爛弧菌和副溶血性弧菌細(xì)胞仍然呈飽滿桿狀，而經(jīng)加入姜黃素薄膜處理后的細(xì)胞出現(xiàn)萎縮和破裂，形態(tài)發(fā)生變化，進一步證明了光動力滅活可以使食源性病原菌失去生物活性，從而達(dá)到滅菌目的[63]。

精油或植物提取物與殼聚糖協(xié)同發(fā)揮抗菌活性方面具有發(fā)展?jié)摿?，然而，在其穩(wěn)定性、緩釋等方面還需進一步研究。

2.2.3 微生物代謝產(chǎn)物與殼聚糖協(xié)同

微生物能夠產(chǎn)生乳酸鏈球菌素、ε-聚賴氨酸（ε-polylysine，ε-PL）、溶菌酶等多種代謝產(chǎn)物，其抗菌能力強、安全無毒、易培養(yǎng)，被廣泛應(yīng)用于抗菌材料中[64]，其中ε-PL和乳酸鏈球菌素主要是通過破壞細(xì)胞膜使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流失、影響膜分子間相互作用等機制達(dá)到抗菌效果[65-67]，溶酶菌主要通過水解微生物細(xì)胞壁、破壞肽聚糖骨架物質(zhì)導(dǎo)致微生物裂解死亡[68]。

ε-PL是由絲狀放線菌產(chǎn)生的孢外物質(zhì)，對大多數(shù)細(xì)菌、酵母菌和病毒都有明顯的抑制作用[69]。Li Yana等[70]研究發(fā)現(xiàn)ε-PL的添加可顯著提高殼聚糖的抗菌活性，且PL/殼聚糖涂層有效減緩了柑橘總可溶性固形物和抗壞血酸含量的下降。富含ε-PL的明膠/殼聚糖納米纖維薄膜能有效抑制革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌等食源性細(xì)菌，240 min后，滅活后的細(xì)菌總數(shù)在2.5（lg（CFU/g））以下，而未添加ε-P L 的復(fù)合薄膜的菌落總數(shù)為3.7～4.0（lg（CFU/g）），說明殼聚糖和ε-PL的加入大大提高了薄膜的抑菌能力[71]。

細(xì)菌素特別是乳酸鏈球菌素是由乳球菌產(chǎn)生的天然抗菌肽，由于乳酸鏈球菌素在較低pH值環(huán)境下具有較高活性，且殼聚糖易溶于酸性溶劑，因此乳酸鏈球菌素與殼聚糖可聯(lián)合使用從而提高抑菌性能[72]。Yuan Dongdong等[73]將乳酸鏈球菌素制成W/O/W乳液與殼聚糖復(fù)合使用，發(fā)現(xiàn)乳液的加入對革蘭氏陽性致病菌、革蘭氏陰性致病菌、腐敗菌均有明顯的抑制作用，抑菌圈直徑從1 mm增加到了15 mm左右，有效延長了鮭魚片的保質(zhì)期。Zhang Liming等[74]在殼聚糖/玉米醇溶蛋白的雙層膜基質(zhì)中嵌入了乳酸鏈球菌素和姜黃素等活性物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該膜處理后，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的菌落總數(shù)低至2（lg（CFU/g）），與殼聚糖膜處理后的4（lg（CFU/g））相比，可以看出乳酸鏈球菌素的加入提高了殼聚糖對食源性病原菌的抑制作用。將乳酸鏈球菌加入到殼聚糖基質(zhì)中制成微膠囊，在酸性條件下對枯草芽孢桿菌表現(xiàn)出良好的抑制作用[75]。

溶菌酶是一種糖苷水解酶，廣泛存在于微生物、植物生物體內(nèi)，對革蘭氏陽性和部分革蘭氏陰性菌及真菌等均有一定的抑菌作用[68]。溶菌酶通過—NH2和—OH基團與殼聚糖相互作用形成復(fù)合物，Zeta電位升高，其表面具有更高的電荷密度，能夠更好地穿透細(xì)胞膜屏障，從而顯著提高殼聚糖的抑菌活性。Wu Tiantian等[76]研究發(fā)現(xiàn)，與殼聚糖納米顆粒的MIC 5/8 mg/mL相比，加入溶酶菌的殼聚糖納米顆粒在質(zhì)量濃度為5/32 mg/mL時就足以引起大腸桿菌、枯草芽孢桿菌完全失活，說明溶菌酶與殼聚糖納米顆粒融合后對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的敏感性增強。徐楚等[77]研究發(fā)現(xiàn)使用殼聚糖、茶多酚和溶菌酶復(fù)合保鮮劑后，鮭魚片的菌落總數(shù)在第4天為4.07（lg（CFU/g）），數(shù)值略大于一級鮮度規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，防腐保鮮效果良好。

微生物代謝產(chǎn)物與殼聚糖的復(fù)合可緩解微生物代謝產(chǎn)物易降解、抑菌穩(wěn)定性差的問題，確保了其抗菌作用效果。然而，微生物代謝產(chǎn)物的毒性尚需評估，需保證其使用量在可食用范圍內(nèi)。

3 殼聚糖在新型食品包裝中的應(yīng)用

在食品加工、貯藏和運輸過程中，微生物易造成食品腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生有毒有害代謝物，危害人體健康[78]。使用活性抗菌包裝能夠顯著降低微生物侵染水平，延長食品貨架期。將多糖、脂質(zhì)或蛋白質(zhì)等膜基質(zhì)與活性抗菌物質(zhì)殼聚糖復(fù)合制備活性包裝膜，能夠賦予薄膜更好的機械性能、阻隔性能和抗菌活性，從而延緩經(jīng)微生物引起的食品腐敗變質(zhì)[79]。

3.1 殼聚糖-多糖復(fù)合膜

多糖如海藻酸鹽、纖維素、淀粉、普魯蘭多糖等物質(zhì)富含—OH、羰基、—NH2等官能團，殼聚糖通過氫鍵、靜電作用等作用于多糖類物質(zhì)，可以顯著提升整體多糖類膜結(jié)構(gòu)的抗菌能力。

海藻酸鹽是一種生物可降解、無毒、生物黏附性以及凝膠特性良好的天然陰離子聚合物[80]，殼聚糖和海藻酸鹽均為水生來源多糖，可以通過靜電相互作用和非共價交聯(lián)制備抑菌膜。Bilbao-Sainz等[81]將殼聚糖與海藻酸鹽通過靜電沉積制得水果棒復(fù)合涂膜，發(fā)現(xiàn)未包衣和海藻酸鹽包衣的水果棒在貯藏28 d時開始生長霉菌和酵母菌，而在海藻酸鹽-殼聚糖涂膜包覆的水果棒上酵母菌和霉菌的生長延遲到34 d。Kim等[82]利用殼聚糖-海藻酸鹽涂層控制南極磷蝦致病菌嗜氧細(xì)菌和嗜冷細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)該涂層可將生長期的微生物數(shù)量降低2～3 個對數(shù)，有效延長了低溫冷藏蝦的保質(zhì)期。Gao Haoxiang等[83]將殼聚糖與果膠復(fù)合形成功能性多糖膜并應(yīng)用于牛肉儲存，發(fā)現(xiàn)在第8天牛肉中的菌落總數(shù)為75×107CFU/g，明顯低于空白對照組的125×107CFU/g。

纖維素是自然界最豐富的天然聚合物，含有易于修飾的—OH，可以作為抗菌劑的良好支撐材料[84]。Zhang Jin等[85]將含有殼聚糖和肉桂醛的纖維素涂膜應(yīng)用到哈密瓜外皮和果肉的保鮮中，在4 ℃下存放20 d后，發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂膜對大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌顯示出優(yōu)異的抗菌性能，保存12 d時，無薄膜包覆哈密瓜大腸桿菌數(shù)增至8.40（lg（CFU/cm2）），而復(fù)合涂膜處理組的大腸桿菌呈現(xiàn)出下降趨勢，數(shù)量減少了6.52（lg（CFU/cm2））。Song Ziyue等[86]在纖維素水凝膠表面涂覆了殼聚糖與檸檬酸絡(luò)合物制備的纖維素-殼聚糖膜，發(fā)現(xiàn)在肉類貯藏過程中，無包裝組和聚乙烯薄膜組活菌數(shù)均隨時間延長而逐漸增加，而纖維素-殼聚糖包覆的豬肉活菌數(shù)由第0天的（4.48±0.38）（lg（CFU/g））降至第9天的（2.60±0.15）（lg（CFU/g）），且復(fù)合膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的氧氣阻隔性能，拉伸強度也由35.21 MPa提升至53.41 MPa。

淀粉是由葡萄糖單元通過糖苷鍵連接的碳水化合物，聚合物之間可以形成大量氫鍵，因此經(jīng)常用于開發(fā)淀粉基復(fù)合材料[87]。Mehran等[88]在淀粉基膜中負(fù)載殼聚糖納米顆粒作為機械強度增強劑和抗菌劑，結(jié)果表明隨著殼聚糖納米顆粒的加入，淀粉-殼聚糖納米顆粒薄膜對細(xì)菌的抑制作用逐漸加強，大腸桿菌降低81.77%，金黃色葡萄球菌下降幅度達(dá)100%。Valencia-Sullca等[89]開發(fā)了殼聚糖-木薯淀粉復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的添加使得薄膜的拉伸強度變差，但抗斷裂性有一定程度的增強，同時對大腸菌群有明顯的抑制作用，有效減少了冷藏豬肉片的需氧量。在復(fù)合材料中添加其他抑菌組分可進一步提高抑菌性能，在殼聚糖-淀粉薄膜中加入檸檬草精油可顯著提高薄膜的物理穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及抗微生物、抗氧化活性等性能[90]。

普魯蘭多糖作為微生物源多糖，具有良好的溶解性和成膜性，是一種良好的薄膜基質(zhì)[91]。張盼等[92]將殼聚糖和普魯蘭多糖作為成膜基質(zhì)，同時將ε-PL添加到混合溶液中作為抑菌劑，制備了具有抗菌性的可食性復(fù)合膜，當(dāng)殼聚糖添加量為15 g/L時，該可食性復(fù)合膜的機械性能最佳，且對冷鮮牛肉潛在致病菌具有顯著抑制效果，有效減緩了冷鮮牛肉的品質(zhì)劣變。

盡管多糖類復(fù)合膜作為可降解材料適用于食品包裝，但多糖復(fù)合時會形成高分子聚合物，薄膜難以涂布均勻，其次，多糖類復(fù)合膜的阻濕性差，在濕度較大環(huán)境的下會影響其機械性能，這也限制了多糖類復(fù)合膜的廣泛使用，故改善食品包裝膜性能也成為目前多糖膜改性研究中必不可缺少的環(huán)節(jié)。

3.2 殼聚糖-蛋白質(zhì)復(fù)合膜

殼聚糖的—NH2帶有正電荷，可與蛋白質(zhì)的去質(zhì)子化羧基發(fā)生靜電相互作用，從而提高復(fù)合膜的抗菌貯藏穩(wěn)定性。研究人員對殼聚糖與蛋白質(zhì)生物聚合物如明膠、大豆分離蛋白和玉米醇溶蛋白的復(fù)合進行了深入研究。

研究發(fā)現(xiàn)，明膠與殼聚糖可以通過氫鍵和靜電相互作用使其與殼聚糖具有良好的混溶性[93]，Hassan等[94]制備了含有木瓜葉提取物和百里香提取物的殼聚糖-明膠基可食用涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層可改善雞肉和奶酪的嫩度、多汁性、肉體、質(zhì)地以及風(fēng)味，含百里香提取物的涂層表現(xiàn)出較高的抗菌和抗氧化活性。將肉桂提取物等抗菌活性物質(zhì)摻入到殼聚糖-明膠納米纖維膜中，發(fā)現(xiàn)該膜溶液混溶后的相互作用可延長肉桂提取物的釋放時間，保障該膜的長效抑菌性[95]。Roshandel-Hesari等[96]研究了由殼聚糖、酪蛋白和牛至精油混合的可食性復(fù)合薄膜制備過程以及薄膜對櫻桃番茄的保鮮作用。研究發(fā)現(xiàn)，在加入殼聚糖后，復(fù)合膜機械性能顯著提高，抗拉強度從最初的1.832 MPa升到25.320 MPa，而牛至精油的加入還改善了復(fù)合膜的斷裂伸長率，從原來的14.55%上升到了24.46%，同時觀察到被復(fù)合薄膜包衣的櫻桃番茄在4 ℃貯藏28 d時真菌仍被抑制，而未包衣櫻桃番茄在第16天便表現(xiàn)出明顯的霉菌生長。

殼聚糖與大豆分離蛋白通過靜電相互作用在分子間形成緊密的結(jié)構(gòu)，從而制得機械性能、阻隔性能良好的薄膜[97]。殼聚糖與富含γ-氨基丁酸的大豆蛋白水解物發(fā)生美拉德反應(yīng)，可以產(chǎn)生一種以類黑色素為主的抗菌化合物，該黑色素通過螯合細(xì)菌細(xì)胞膜外的鎂，導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)外同時被破壞，使得殼聚糖-大豆蛋白復(fù)合膜具有良好的抗菌活性[98]。鄭奧澤等[99]以殼聚糖和大豆分離蛋白為原料探究了該復(fù)合涂膜對豆腐菌落總數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)與單一大豆分離蛋白薄膜相比，殼聚糖-大豆分離蛋白涂膜抗菌效果顯著，在貯藏32 h后菌落總數(shù)仍沒有超過國標(biāo)規(guī)定的105CFU/g。

殼聚糖在酸性條件下具有較好的黏性，其大分子殘基可與玉米醇溶蛋白官能團發(fā)生交聯(lián)作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，殼聚糖-玉米醇溶蛋白復(fù)合材料具有良好的機械性能、抗菌性、抗氧化性以及疏水性[100]。陳桂蕓等[101]利用流延法制得玉米醇溶蛋白-殼聚糖復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)該膜放置的培養(yǎng)基中出現(xiàn)明顯抑菌圈，且隨著殼聚糖濃度的增加，抑菌圈的直徑先增大后減小。Wang Xiaomin等[102]在殼聚糖-玉米醇溶蛋白復(fù)合膜中添加檸檬精油，開發(fā)了具有抗菌和抗氧化性能的殼聚糖基復(fù)合膜，與單獨使用殼聚糖的材料相比，殼聚糖-玉米醇溶蛋白復(fù)合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用，同時檸檬精油的添加提高了薄膜的斷裂伸長率以及對氧氣和二氧化碳的透過率，但拉伸強度和水蒸氣透過率有所降低。

以上研究表明，殼聚糖與蛋白類物質(zhì)復(fù)合有效改善了殼聚糖膜的機械拉伸強度，使其應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅局限于涂膜的抗菌保鮮。但由于蛋白本身結(jié)構(gòu)較為緊密，表面的一些活性基團和疏水基團被隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，分子間難以進行充分交聯(lián)，使得其與殼聚糖組成的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)不緊密，阻隔性能差，故在食品包裝中的使用中受到了一定限制。

3.3 殼聚糖-脂質(zhì)復(fù)合膜

殼聚糖可與蠟質(zhì)型薄膜、植物油型薄膜復(fù)合，其中殼聚糖與蜂蠟的—OH之間的發(fā)生氫鍵作用使兩者之間吸附更緊密[103]。功能性殼聚糖和蜂蠟為食品包裝提供抗菌屏障具有積極前景，Velickova等[104]制備了殼聚糖-蜂蠟復(fù)合涂層，探究其對草莓的保鮮效果，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的加入提高了復(fù)合涂層的拉伸強度和水蒸氣阻隔性能，在保鮮實驗中發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂膜可以延遲導(dǎo)致草莓病害的菌絲體生長，貯藏第7天時草莓真菌感染率低至11%。Foo等[105]以殼聚糖和不同濃度蜂蠟作為可食用涂膜處理人心果，發(fā)現(xiàn)涂層降低了微生物的生長速度，在貯藏17 d后微生物數(shù)量低于國標(biāo)所允許的限度5（lg（CFU/g））。經(jīng)殼聚糖和蜂蠟涂膜的全麥面包在5 ℃和25 ℃儲存時，微生物穩(wěn)定性分別高達(dá)（12±1）d和（8±1）d，而未涂膜包裝的全麥面包分別在第8天和第6天時觀察到腐敗菌[106]。

殼聚糖大分子的陽離子—NH3+可與帶負(fù)電的油脂之間產(chǎn)生電荷吸引作用，從而制備復(fù)合涂膜[107]。Vieira等[108]制備了殼聚糖-橄欖油可食性復(fù)合涂膜并對無花果進行抗菌保鮮，發(fā)現(xiàn)在低溫貯藏19 d室溫貯藏2 d后，未經(jīng)涂膜的無花果真菌污染面積達(dá)50%，而涂膜后的僅為5%。Khalifa等[109]以殼聚糖和橄欖油為原料制備了食用涂層，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的加入延緩了草莓表面匍枝根霉（R.stolonifer）的生長，復(fù)合涂層處理過的草莓在貯藏16 d后菌落總數(shù)為5.94（lg（CFU/g）），相較于未涂膜的12.04（lg（CFU/g）），涂膜的抑菌性有很大提升。

然而脂質(zhì)膜容易氧化，性質(zhì)不穩(wěn)定，保留時間較短，并且殼聚糖與脂質(zhì)所形成的復(fù)合膜界面黏附性差，隨著時間的推移，往往會出現(xiàn)分層、裂縫以及表面不均勻的現(xiàn)象，因而在商業(yè)化中不受歡迎。這也為今后薄膜改進上提供一定理論基礎(chǔ)，探索不同的復(fù)合方法替代共混法，以獲得性能穩(wěn)定殼聚糖-脂質(zhì)復(fù)合膜。

4 結(jié)語

殼聚糖由于其抗菌活性和無毒性，具有作為抗菌材料的巨大潛力，通過改性、與其他物質(zhì)協(xié)同等方式在一定程度上可提高殼聚糖抗菌復(fù)合材料的抗菌活性，有效防止食物腐敗和致病微生物的滋生。殼聚糖作為天然抗菌劑賦予了不同成膜基材抗菌活性，有效延長了各種食品和其他農(nóng)產(chǎn)品的貨架壽命，同時減少了合成塑料和添加劑的使用，降低了環(huán)境污染，因此殼聚糖在食品抗菌包裝領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣闊。

食品包裝膜的長效抑菌性、安全性和生產(chǎn)成本等仍然是殼聚糖應(yīng)用到工業(yè)推廣中所面臨的問題，因此，在未來研究中，可進一步探索殼聚糖基抗菌包裝材料在不同條件下的抗菌穩(wěn)定性以及活性物質(zhì)的緩釋過程，以確保其可長時間維持抗菌活性；提高殼聚糖體系的機械性能、阻隔性能、抑菌性能等綜合性能，為擴大殼聚糖膜的應(yīng)用范圍提供可能性；含有活性物質(zhì)的食品包裝膜在應(yīng)用中是否會對食物的感官特性，如刺激性氣味產(chǎn)生影響有待進一步研究；殼寡糖復(fù)合材料尤其是復(fù)合金屬材料的毒性情況仍需重點關(guān)注，對抗菌包裝的安全性評價需要確定合適的方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保障消費者食用過程中的安全性；避免繁瑣的原料分離純化和成膜工藝，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。