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甲壳素（chitin）来源于希腊词“chiton”，意为铠甲。它是地球上含量仅次于纤维素的生物聚合物，是由β（1－4）键连结2－乙酰氨基－2－脱氧－β-D-葡萄糖（N-乙酰葡萄糖氨）而成的多糖，称为聚β（1－4）－2－氨基2－氨基2－脱氧－D－葡萄糖。壳聚糖具有三种反应功能团：C2位氨基，C3位仲羟基和C6位伯羟基。这些基团的化学修饰产物为不同的领域提供许多有用的材料。
甲壳素是无脊椎动物外骨骼和真菌细胞壁的主要结构成分。甲壳素的生物降解非常慢。在美国，甲壳动物的加工废弃物占总固体废物的50- 90％，其全球年产量估计在 5118000吨。因此含附加值产品（如甲壳素，壳聚糖及衍生物）的生产及其在不同领域的应用备受关注。本文主要介绍甲壳素、壳聚糖及其衍生物的抗微生物活性及在食品方面的应用。
1. 壳聚糖及其衍生物的抗微生物活性
随着对食品中不含化学防腐剂的消费需求的增长，甲壳素、壳聚糖及其衍生物不同寻常的抗微生物活性，在近年来受到相当的重视。
小于pH6时，葡萄胺单元的C2带正电荷，壳聚糖比甲壳素更易溶于水，且抗微生物活性更好。甲壳素、壳聚糖及其衍生物抗微生物的机理还不清楚，目前己提出的机理有：带正电荷的壳聚糖分子和带负电荷的微生物细胞膜之间的相互作用导致了蛋白质和其它细胞间成分的流失；壳聚糖是一种选择性结合微量金属的螫合剂，阻止毒素的产生和微生物的生长；可激活宿主组织中许多防御过程；作为水合剂而抑制各种酶；通过穿透微生物的细胞核，壳聚糖可与DNA结合，抑制mRNA合成，从而干涉mRNA和蛋白质的合成。
1.1 甲壳素、壳聚糖及其衍生物的抗细菌活性
Wang观察到，在pH5.5或6.5的介质中培养两天的金黄色葡萄球菌，1-1.5％的壳聚糖可完全将其抑活。Chang等发现，大于0.005浓度的壳聚糖足以抑制金黄色葡萄球菌的活性。Simpson等研究了不同浓度壳聚糖对生虾上不同种群细菌的抗菌效应，观察到这些细菌对壳聚糖有不同程度的敏感性。0.02％壳聚糖对芽孢杆菌有杀菌效果，而大肠杆菌和变形杆菌在 0.005％时生长极小，大于0.0075％则被完全抑制。Chang等也报道壳聚糖可抑制变形杆菌，但是所需的浓度更低（0.005％），这可能是由于他们实验用的是低分子量壳聚糖（35KD）。许多研究表明壳聚糖对大肠杆菌有抑制效果：Wang观察到pH5.5两天培养后，壳聚糖浓度0.5％或1％就可完全抑活之；肉汤中壳聚糖浓度大于1％，1天培养后大肠杆菌被完全抑活。Darmadgi和Izuminoto报道抑制大肠杆菌需要的浓度为0.1％。Simpson等发现只需0.0075％的壳聚糖就可抑制大肠杆菌生长。上述研究中，浓度的差异可能是由壳聚糖乙酰化程度的不同而引起的，乙酰度7.5％的壳聚糖要比乙酰度15％的更有效。
sudarshan等在不同的细菌培养基上，对从真菌衍生而得的水溶性壳聚糖及衍生物进行了抗菌效果的研究。他们发现：壳聚糖乳酸盐和谷氨酸盐1小时对数周期衰减范围为1-5，对格兰氏阴性菌和阳性菌均有杀菌效果；PH7时，由于大部分氨基不带电荷，壳聚糖的水溶性不好，不再具有杀菌能力。这些结果 Papineau等的研究一致：0.2mg／ml壳聚糖乳酸盐抗大肠杆菌最有效，2分钟对数周期衰减为2，1小时对数周期衰减为4；壳聚糖谷氨酸盐有效抗酵母菌（如酿酒酵母），在1mg／ml的壳聚糖乳酸盐中17分钟，酵母菌迅速而完全失活；壳聚糖水解谷氨酸盐比壳聚糖乳酸盐更有效。壳聚糖主要作用于细菌的外表面：低浓度条件下，聚阳离子壳聚糖可能与阴离子的细菌表面结合而产生凝集作用；高浓度条件下，大量正电荷在细菌表面产生净正电而使细菌悬浮于溶液中。
壳聚糖／甲壳素及其衍生物的食品应用（二）
1.2 壳聚糖及其衍生物抗真菌活性
由于采后病原体对许多杀真菌剂耐受量的增加，以及公众对经杀真菌剂处理产品的抵制，运用生物活性物质（如壳聚糖）来控制采后真菌疾病引人关注。壳聚糖降低除接合菌之外许多真菌的体外生长（接合菌细胞壁的主要成分是壳聚糖）。壳聚糖可形成气透膜，还可直接影响真菌生长并激活许多防御过程。防御机理包括壳聚糖酶的集聚，蛋白酶抑制物的合成，胼胝体合成的诱导和木质化。
EI Ghaonth等研究了壳聚糖（脱乙酰度7.2％）对草莓上常见采后真菌病原体体外生长的抗真菌效应。壳聚糖浓度越高，效果越大。他们进一步证实聚合物链上大量交替正电荷基团的重要性。因为他们发现N,0-羧甲基壳聚糖要比壳聚糖抗真菌活性更低。他们还报道：14天储藏，15ml／mg的壳聚糖膜减少60％的草莓腐烂，包膜的草莓正常成熟，无任何植物毒性的表面迹象。Fang等报道了壳聚糖在低糖金桔蜜饯中的防腐效果：pH5.4，黑曲霉的生长被加人的壳聚糖（0.1- 5mg／ml）抑制，而低于2mg／ml浓度的壳聚糖不能有效抑制真菌生长和抑制寄生曲霉产生黄曲霉毒素。在相似研究中，Cuero等观察到 N－羧甲基壳聚糖减少黄曲霉和寄生曲霉产生黄曲霉毒素达90％以上。Cheah的研究表明，在胡萝卜上涂以2％或4％的壳聚糖使腐烂率从88％降至28％。壳聚糖可诱导植物组织产生植物防御酶--壳聚糖酶（它可降解真菌细胞壁），也可诱导豌豆荚中抗真菌性植物抗毒素的集聚。上述结果说明在水果或蔬菜上包裹壳聚糖或其衍生物，对这些食品的长期储藏有一定的益处。
2. 壳聚糖作为农产品和食品霉菌污染的一种度量
食品加工企业的质量保证和控制过程中，列举和验明发生于食品上的霉菌是一项十分重要的工作。由于Howard霉菌检定方法需要特殊培训和经验，储藏食品表面真菌数的定量测定不包括死菌丝体，且由于食品的碾磨程度和标准化程度不同，使得测定结果相差很大。甲壳素（真菌细胞壁的成分）化学测定法，是以甲壳素含量为基础进行的测定，反映了总菌丝体，因而具有优势。
3. 壳聚糖在食用膜工业中的应用
食用膜生态友好且可生物降解，用于延长货架期，提高新鲜、冷冻、制造食品的质量，在近年来得到广泛研究。这些外层膜可提供辅助的甚至是必需的方法来控制食品的生理、形态和物化变化。高密度聚乙烯膜（一种常用保护食品的包装材料），易使食品发酵，且由于储藏温度波动而导致水分凝聚，这些都促使霉菌生长。用包装膜来延长货架期，涉及的机理有：控制的食品与周围环境的水分传递，抗微生物物质、抗氧化剂等的控制释放，降低氧分压从而降低新陈代谢率，控制的呼吸率，对有些物质如脂肪、油脂的高不渗透性，温度控制，食品结构的加强，以及以微胶囊形式包裹风味成分和发酵剂。
由于可成膜性，甲壳素和壳聚糖己成功地应用于食品包装纸。加拿大和美国都准许用N,0－羧甲基壳聚糖膜业长期保藏水果。壳聚糖膜形成的半透膜，可调节包装食品内部的空气，同时减少蒸腾损失和延缓水果成熟。
用交联剂（如戊二醛，二价金属离子，聚电解质，甚至阴离子多糖）都可制备较硬的壳聚糖膜（如壳聚糖膜，壳聚糖／果胶迭层膜和壳聚糖／甲基纤维素膜）。这些可食用膜的制备方法有：简单凝聚法（蒸发溶剂）和复杂凝聚法（相反电荷的水溶胶融合，使聚合物相互作用和沉淀而产生溶胶一凝胶的转化作用）。
壳聚糖膜具有韧性、持久性、柔软性，且难以撕裂，大部分的机械性能与许多中等强度的商品聚合物相当。Kittur等报道壳聚糖膜有适宜的透水值，可用于增加含较高水分活度的新鲜农产品和食品的保存期。Wong与Butler等观察到壳聚糖膜对氧气渗透有极好阻挡效果，而对蒸汽有较低的阻挡特性。与脂类物质结合，提高疏水性，因此可制成防止水渗透的复合膜。
3.1 壳聚糖膜在新鲜水果的储藏和质量方面的应用
已有文献记载：壳聚糖膜延长桃、日本梨、猕猴桃、黄瓜、辣椒、草莓和西红柿的保存期和更好地控制腐烂。这是由于壳聚糖膜降低了呼吸率，抑制真菌生长和由于乙烯减少、二氧化碳形成而延迟了成熟。
3.2 壳聚糖膜和壳聚糖迭层膜的抗微生物活性
含有抗微生物剂的壳聚糖和壳聚糖迭层膜，提供了一种活性包装，从膜中释放的防腐剂沉淀于食品表面，抑制微生物生长。Torres等评价了食品表面覆以山梨酸酯的食用膜对霉菌的抑制作用。Fieid等提出用葡萄糖氧化酶/葡萄糖作为浸液来延长鱼的货架期。壳聚糖膜的防腐性减少了分子间的静电斥力并有助于分子内氢键的形成。Chen等观察到由甲基纤维素、壳聚糖和防腐剂制得的包装膜具有抗微生物活性。
3.3 壳聚糖膜控制水果中的酶褐变
水果和蔬菜在采后处理加工过程中的机械损伤引起的褐变，影响水果和蔬菜的颜色、味道和营养值。酚类化合物和多酚氧化酶的活性与这种现象有关。0-醌类的聚合产物（一种深色色素），是由多酚氧化酶活性产生的。Quantick等研究了壳聚糖膜对荔枝酶褐变的影响。壳聚糖膜延缓了花青苷、类黄酮和总酚类含量的变化，也延缓了多酚氧化酶活性的增加，并部分抑制了过氧化酶活性的增加。壳聚糖还在果皮表面形成膜，从而降低褐变。
4. 壳聚糖应用于果汁澄清和脱酸（澄清剂）
澄清果汁的生产工序通常包括澄清剂（如明胶、皂土、硅溶胶、单宁、酪蛋白酸钾、和聚乙烯毗咯烷酮）的使用。携带强工电荷的壳聚糖盐是有效的除浊剂，且能控制果汁的酸度。对于用果胶酶处理过或未处理过的葡萄汁，壳聚糖是良好的澄清剂；对于苹果汁，壳聚糖是高效的澄清剂（壳聚糖含量 0.8kg／m3的产品，混浊度为 0）。Spagma等在类似的研究中观察到：壳聚糖对多酚化合物（如儿茶素、原花青素、肉桂酸及其衍生物）具有良好的亲和性，这些多酚化合物能使白葡萄酒由淡黄色转变成深金黄色。葡萄汁加人浓度0.015g／ml的壳聚糖，总酸含量约减少52.6％。柠檬酸、酒石酸、L-苹果酸、草酸和抗坏血酸含量各减少56.6％。41.2％、38.8％、36.8％和 6.5％。
5. 壳聚糖用于食品工厂废水的凝结剂和絮凝剂
带部分正电的壳聚糖在废水处理中作为聚阳变离子凝结剂，能特别有效地去除蛋白质；这种凝集的副产物用作动物饲料的一种蛋白质来源。壳聚糖减少不同食品工厂废水的悬浮固体的程度不同。壳聚糖絮凝脂质和蛋白质的机理是：葡糖胺残基的氨基的pKa为6.3，酸性pH中，壳聚糖是聚阳离子。在pH低于6.3时它是可溶性的，在高pH下沉淀。
6. 壳聚糖用于回收奶酪乳清中的蛋白质和脂肪
Fernandez和Fox报道了壳聚糖用于除去奶酪乳清中的蛋白质和多肽。壳聚糖在pH2.3和4时，对水溶性的提取液有良好的分馏作用；水溶性提取液的大部分氮溶于0.02％的壳聚糖中；pH4时的分馏效果最好。pH4.5时，0.01-0.016％的壳聚糖几乎完全除去奶酪乳清中的奶脂小球。葡糖氨残基的氨基的pKa大约是6.3，壳聚糖在pH4.5时带正电，这有助于壳聚糖和带负电的奶脂小球间的静电相互作用。这是从奶酪乳清除去脂质的工业可行的方法。PH6时，壳聚糖悬浮固体的最大百分比为2-2.5％。随着壳聚糖浓度的增加，奶酪乳清浊度减少越大。为获得典型的食品油/水乳浊液的絮凝，Pinotti等观察不同因素（如离子强度、pH、乳浊液的颗粒大小、油和乳化剂的相对浓度和乳化剂的种类）对壳聚糖剂量的影响：增加NaCL浓度可减少产生不稳定和絮凝作用所需的壳聚糖剂量。表面活性物质的链越长，聚电解质缔合作用的趋势越大，从而达到零电荷所需的壳聚糖用量越大。
7. 壳聚糖应用于水净化
生态和健康的问题与重金属、杀虫剂及其通过食物链的积累有关，工业废水在排放及使用前需要净化。传统方法对去除工业废水（特别是低金属浓度的废水）中的金属要么无效，要么昂贵。螫合离子交换是可用于从废水中回收金属离子的技术。可商业获得和环境安全的生物聚合物能使过渡金属离子浓度降至ppm水平。这样的生物聚合物具有羟基和氨基功能团，它们可增加金属离子吸附的效率。壳聚糖的高吸附能力使之可用于工业废水的净化。壳聚糖的氨基能与金属离子形成共价键。壳聚糖粉和干膜在高于壳聚糖氨基pKa时，可释放大部分的自由氨基，它们在金属离子复合方面具有更潜在的用途。
美国环境保护局准许用于饮用水净化的壳聚糖最大浓度：10mg/L。Muzzarelli等证实交联 N－羧甲基壳聚糖可有效地除去Pb和Cd。壳聚糖金属束缚能力的一项研究显示它与金属Cu和V有高的束缚性能。Deans和Dixon报道未功能化的壳聚糖可有效除去Cu++ 但不能除去Pb++。
8. 壳聚糖及其衍生物对肉制品的抗氧化性
肉制品中，高不饱和脂的氧化作用使之易于变味和腐败。储藏中，熟家禽和未加工处理的肉食产生陈腐味并导致宜人的肉香味的丧失。Darmadji和Izumimoto研究了壳聚糖对牛肉的氧化稳定性效果，他们观察到：3天4℃储藏后，1％的壳聚糖导致肉的 2－硫代巴比土酸（TBA）值下降 70％。St．Angelo和Vercellotti研究了N－羧甲基壳聚糖对未加工处理的肉类陈腐味（WOF）的抑制：N-羧甲基壳聚糖在较宽温度范围内有效地控制WOF。牛肉末中5000ppm的N-羧甲基壳聚糖抑制93％的TBA，减少99％的已醛含量。Shahidi报道 N,O-羧甲基壳聚糖及其乳酸盐、乙酸盐、毗咯烷羧酸盐在9天冰箱储藏中有效地控制熟肉制品的氧化作用和风味的丧失，它们在500－3000ppm的抑制效果分别为46.7％，69.9％，43.4％和66.3％。抑制作用机制被认为与游离铁离子（肉制品加工过程中从血红素蛋白中释放出）的螫合作用有关。Li等进一步证实了此结果，他们发现：熟猪肉中加人3000ppm的N-羧甲基壳聚糖，足以抑制产品的氧化性腐败。Weist和Karel研究了在荧光感应器用壳聚糖粉检测肉食中脂氧化作用的可行性，壳聚糖的伯氨基与脂氧化分解的挥发性醛类形成了一个稳定的荧光球。 |
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