壳聚糖是由甲壳素部分脱乙酰基得到的天然多功能生物聚合物，2-乙酰氨基葡萄糖胺和2-氨基葡萄糖壳二糖组成了复杂的双螺旋结构。壳聚糖广泛存在于虾蟹等甲壳类动物、藻类植物和蘑菇等大型真菌中，来源广，资源丰富，是仅次于纤维素的第二大类高分子化合物。壳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，以壳聚糖为基质制得的膜表现出了良好的抑菌性、水蒸气和氧气阻隔性能。
大连海洋大学食品科学与工程学院的刘梦琪、吕瑞、周 慧*等人概述了壳聚糖的抑菌机制、抑菌活性功能的强化，尤其对壳聚糖可食性抗菌包装在食品行业中的应用进行了详细阐述，通过从基础研究到实际应用等多视角总结壳聚糖作为抑菌剂的研究进展，以期为壳聚糖在食品包装中的应用提供参考。
01
壳聚糖的抗菌机制
壳聚糖具有广谱抗菌性，对细菌、真菌等多种微生物均具有明显的抑制作用，如图3所示，其抗菌机制主要包括破坏细胞膜通透性、影响细菌细胞磷脂和蛋白质合成、螯合金属离子等。
1.1 破坏细菌细胞壁，改变细胞膜通透性
细菌的细胞壁和细胞膜具有保护微生物免受机械损伤、维持渗透压、维持细胞外形等作用。壳聚糖分子中的—NH3+带有正电荷，通过静电相互作用，可吸附到带负电荷的细菌上，从而破坏细胞壁的完整性，提高细胞膜的通透性，进而造成渗透不平衡，导致细胞内容物渗出，使细胞生物活性下降。超高分子质量壳聚糖的超长分子链可以包裹和结合大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，导致细胞逐渐破裂分解，大大增强了其抗菌活性。
1.2 影响细菌细胞核酸复制和蛋白质合成
蛋白质和mRNA的合成是细菌细胞生长过程中最基本的生命活动。壳聚糖进入细胞后可与带负电荷的蛋白质、核酸吸附结合，抑制蛋白质和mRNA的合成，使细菌细胞正常的生理功能受到影响，从而抑制细菌的生长和繁殖。
1.3 螯合金属离子
壳聚糖中的—NH2和—OH具有一定的金属吸附能力，而革兰氏阴性菌外膜含有由Mg2+、Ca2+等二价阳离子构成的多阴离子脂多糖，因此，壳聚糖可选择性结合细菌中的金属离子和必需营养素，进而对细菌毒素的产生和微生物的生长发育起到抑制作用。
02
提高壳聚糖抗菌性能的主要途径
2.1 化学改性
壳聚糖为碱性多糖，其水溶解性较差，这极大地限制了壳聚糖的应用。通过羧甲基化、烷基化、磺化、季铵化反应可以为壳聚糖表面引入带电或亲水基团，修饰—NH2和—OH，提高水溶性，促进其发挥抑菌活性。在壳聚糖的—OH或—NH2上引入羧甲基可改善壳聚糖分子的表面亲水性，反应过程如图4A所示。羧甲基化改性后壳聚糖溶解性提高，羧基的存在使得反应溶液pH值降低，更多的—NH2质子化成—NH3+，这使得抗菌基团数量有所增加；同时，由于其内部的—COOH和—NH2可形成分子内或分子间氢键，使得分子链舒展开来，可以与细菌充分接触，提高了壳聚糖的抗菌性能。羧基的取代位置不同，抑菌效果也有所不同。这是因为壳聚糖的—NH2对其抗菌活性至关重要，而O-羧甲基壳聚糖未在—NH2位发生取代反应，保留了一定数量的—NH2，使其抗菌效果相对较强。
壳聚糖的烷基化改性一般发生在壳聚糖—NH2的氮原子和—OH的氧原子上，因此会得到N-烷基化壳聚糖和O-烷基化壳聚糖两种不同取代位置的壳聚糖衍生物。改性方法包括生成席夫碱、过渡金属离子合成、邻苯二甲酸酐合成等，其中最常见的是壳聚糖与脂肪醛反应生成席夫碱后，再在酸性溶液中通过NaBH4还原得到N-烷基化壳聚糖，反应过程如图4B所示。
磺化反应是指壳聚糖的—NH2或—OH通过与硫酸、二氧化硫或氯磺酸等发生化学反应引入磺酸基（—SO3H）或其相应盐、磺酰卤基的过程，反应过程如图4C所示。磺化后的壳聚糖分子上存在带负电荷的磺酸基团（RSO3-），能够与细菌生长所需的金属离子进行螯合，从而对细菌的生长发育产生一定影响。
季铵化反应是目前壳聚糖化学改性中研究时间最久、使用最广泛的一种方法，主要包括直接在壳聚糖氨基上引入季铵盐基团小分子的接枝季铵基团反应；壳聚糖与醛反应得到席夫碱，将席夫碱还原，利用卤代烷与之反应得到壳聚糖季铵盐和接枝季铵基团的直接季铵化反应，反应过程如图4D所示。季铵化反应改性后，由于壳聚糖分子中含有质子化的—NH2，使其在低pH值下具有良好的抗菌特性。
2.2 与其他物质协同发挥抑菌作用
壳聚糖具有良好的生物相容性，可与无机纳米粒子、精油、微生物代谢物等物质协同，大大增强了其抑菌效果。
2.2.1 无机纳米粒子与壳聚糖协同在壳聚糖残基中，C2位上有一个—NH3，C3位上有一个—OH，平伏键的构象使壳聚糖对钛、银、锌、铜、铬等金属或金属氧化物具有很强的螯合作用，利用壳聚糖对金属的螯合实现壳聚糖分子中的氢键断裂，使其分子链扩展和分解，生成更多的正电荷，增强壳聚糖的抗菌活性。其中，无机纳米粒子通过黏附于微生物细胞、渗透到细胞内破坏胞内物质、产生活性氧和自由基导致细胞氧化应激死亡、调节信号转导途径等多种方式潜在地发挥抗菌作。1 ) 金属粒子Ag是目前应用最广泛的抗菌金属材料之一，银离子具有空轨道，可与壳聚糖链上游离—NH2的氮原子的未共用电子对进行配位，形成壳聚糖-银络合物。Zhao Xixi等以葡萄籽提取物为稳定剂和还原剂合成了银纳米颗粒AgNPs，并与壳聚糖复合制备壳聚糖纳米复合涂层，在葡萄真菌污染实验中，发现复合涂层涂覆的葡萄酵母菌和霉菌总数在贮藏期间最低为2.9（lg（CFU/g））。Cu纳米粒子能穿透细胞壁，使蛋白质和其他细胞内成分泄漏，导致细菌细胞死亡从而发挥抑菌作用。采用原位还原法将Cu固定在壳聚糖表面可以提高壳聚糖的抗菌性能，使得壳聚糖-Cu纳米复合材料对金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌作用要强于原始壳聚糖。2) 金属氧化物金属氧化物纳米粒子可在细胞内释放，从而改变细胞结构和功能，诱导细菌氧化应激，导致细菌灭亡。金属氧化物具有广谱、安全、持久、不易产生耐药性等优势，因此通过结合壳聚糖与金属氧化物实现协同作用可进一步提升抗菌效果。Rahman等采用一锅法将ZnO纳米颗粒分散于壳聚糖溶液中，制备了新型壳聚糖-ZnO薄膜并用于牛肉的包装，发现在第6天仍未有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等微生物生长，但ZnO纳米颗粒在壳聚糖基质中容易聚集，薄膜表面粗糙。TiO2通过释放活性氧发挥光催化作用，从而破坏微生物细胞壁。Siripatrawan等将TiO2添加到壳聚糖薄膜中，发现当薄膜暴露在紫外光下时，TiO2会发生光催化反应，产生的活性氧增加了微生物细胞膜的通透性，从而引起了细胞内辅酶A的氧化和脂质的过氧化，进而导致细胞死亡。利用壳聚糖与金属离子优异的抗菌性能，将其协同抑菌性有机的结合起来，能显著提升薄膜的抗菌性能，但金属粒子的释放和毒性问题仍处于被质疑的阶段，故如何开发出既能在食物表面发挥优良的抑菌效果，又能保障食品安全的复合材料，还需要进行深入的研究。2.2.2 精油或植物提取物与壳聚糖协同精油是一种以挥发性芳香提取物为主的植物次生代谢产物，其中醛类、酚类和含氧萜类化合物是精油的主要抗菌活性物质。植物提取物主要活性成分包括黄酮、多酚、生物碱、有机酸等，多是较为稳定的次生代谢产物。这些物质中的活性成分可以破坏细胞膜通透性，导致胞内遗传物质、蛋白质无法正常合成，阻碍细菌菌体形成，从而发挥抑菌作用，是一种极具潜力的绿色抗菌剂。另外，植物提取物中的羟基化合物黄酮、皂苷等亲水基团能够提高壳聚糖的水溶性，使其具有更强的抗菌能力。精油或植物提取物与壳聚糖协同发挥抗菌活性方面具有发展潜力，然而，在其稳定性、缓释等方面还需进一步研究。2.2.3 微生物代谢产物与壳聚糖协同
微生物能够产生乳酸链球菌素、ε-聚赖氨酸（ε-PL）、溶菌酶等多种代谢产物，其抗菌能力强、安全无毒、易培养，被广泛应用于抗菌材料中，其中ε-PL和乳酸链球菌素主要是通过破坏细胞膜使细胞内物质流失、影响膜分子间相互作用等机制达到抗菌效果，溶酶菌主要通过水解微生物细胞壁、破坏肽聚糖骨架物质导致微生物裂解死亡。微生物代谢产物与壳聚糖的复合可缓解微生物代谢产物易降解、抑菌稳定性差的问题，确保了其抗菌作用效果。然而，微生物代谢产物的毒性尚需评估，需保证其使用量在可食用范围内。
03
壳聚糖在新型食品包装中的应用
在食品加工、贮藏和运输过程中，微生物易造成食品腐败变质，产生有毒有害代谢物，危害人体健康。使用活性抗菌包装能够显著降低微生物侵染水平，延长食品货架期。将多糖、脂质或蛋白质等膜基质与活性抗菌物质壳聚糖复合制备活性包装膜，能够赋予薄膜更好的机械性能、阻隔性能和抗菌活性，从而延缓经微生物引起的食品腐败变质。
3.1 壳聚糖-多糖复合膜
多糖如海藻酸盐、纤维素、淀粉、普鲁兰多糖等物质富含—OH、羰基、—NH2等官能团，壳聚糖通过氢键、静电作用等作用于多糖类物质，可以显著提升整体多糖类膜结构的抗菌能力。
海藻酸盐是一种生物可降解、无毒、生物黏附性以及凝胶特性良好的天然阴离子聚合物，壳聚糖和海藻酸盐均为水生来源多糖，可以通过静电相互作用和非共价交联制备抑菌膜。纤维素是自然界最丰富的天然聚合物，含有易于修饰的—OH，可以作为抗菌剂的良好支撑材料。淀粉是由葡萄糖单元通过糖苷键连接的碳水化合物，聚合物之间可以形成大量氢键，因此经常用于开发淀粉基复合材料。普鲁兰多糖作为微生物源多糖，具有良好的溶解性和成膜性，是一种良好的薄膜基质。尽管多糖类复合膜作为可降解材料适用于食品包装，但多糖复合时会形成高分子聚合物，薄膜难以涂布均匀，其次，多糖类复合膜的阻湿性差，在湿度较大环境的下会影响其机械性能，这也限制了多糖类复合膜的广泛使用，故改善食品包装膜性能也成为目前多糖膜改性研究中必不可缺少的环节。
3.2 壳聚糖-蛋白质复合膜
壳聚糖的—NH2带有正电荷，可与蛋白质的去质子化羧基发生静电相互作用，从而提高复合膜的抗菌贮藏稳定性。研究人员对壳聚糖与蛋白质生物聚合物如明胶、大豆分离蛋白和玉米醇溶蛋白的复合进行了深入研究。
研究发现，明胶与壳聚糖可以通过氢键和静电相互作用使其与壳聚糖具有良好的混溶性。壳聚糖与大豆分离蛋白通过静电相互作用在分子间形成紧密的结构，从而制得机械性能、阻隔性能良好的薄膜。壳聚糖在酸性条件下具有较好的黏性，其大分子残基可与玉米醇溶蛋白官能团发生交联作用形成网络结构，壳聚糖-玉米醇溶蛋白复合材料具有良好的机械性能、抗菌性、抗氧化性以及疏水性。
3.3 壳聚糖-脂质复合膜
壳聚糖可与蜡质型薄膜、植物油型薄膜复合，其中壳聚糖与蜂蜡的—OH之间的发生氢键作用使两者之间吸附更紧密。功能性壳聚糖和蜂蜡为食品包装提供抗菌屏障具有积极前景。
壳聚糖大分子的阳离子—NH3+可与带负电的油脂之间产生电荷吸引作用，从而制备复合涂膜。
04
结语
壳聚糖由于其抗菌活性和无毒性，具有作为抗菌材料的巨大潜力，通过改性、与其他物质协同等方式在一定程度上可提高壳聚糖抗菌复合材料的抗菌活性，有效防止食物腐败和致病微生物的滋生。壳聚糖作为天然抗菌剂赋予了不同成膜基材抗菌活性，有效延长了各种食品和其他农产品的货架寿命，同时减少了合成塑料和添加剂的使用，降低了环境污染，因此壳聚糖在食品抗菌包装领域的发展前景十分广阔。
食品包装膜的长效抑菌性、安全性和生产成本等仍然是壳聚糖应用到工业推广中所面临的问题，因此，在未来研究中，可进一步探索壳聚糖基抗菌包装材料在不同条件下的抗菌稳定性以及活性物质的缓释过程，以确保其可长时间维持抗菌活性；提高壳聚糖体系的机械性能、阻隔性能、抑菌性能等综合性能，为扩大壳聚糖膜的应用范围提供可能性；含有活性物质的食品包装膜在应用中是否会对食物的感官特性，如刺激性气味产生影响有待进一步研究；壳寡糖复合材料尤其是复合金属材料的毒性情况仍需重点关注，对抗菌包装的安全性评价需要确定合适的方法和相关标准，保障消费者食用过程中的安全性；避免繁琐的原料分离纯化和成膜工艺，提高生产效率，降低生产成本。
通信作者
周 慧 讲师
大连海洋大学食品科学与工程学院2003年6月于成都理工大学获得化学工程与工艺专业学士学位，2006年6月于四川大学获得化学工艺专业硕士学位，2017年1月于大连化学物理研究所获得工业催化专业博士学位。2006年6月至2011年9月在西南石油大学化学化工学院从事教学科研工作。2017年3月进入大连海洋大学食品科学与工程学院工作。主要从事海洋生物活性物质（寡糖、活性肽）的分离纯化、褐藻胶可食性膜的制备等研究工作，近年来，主持国家自然基金青年基金1 项，辽宁省科技厅项目1 项，辽宁省教育厅项目1 项，校博士启动项目1 项，催化基础国家重点实验室开放基金1 项；申请国家发明专利4 项；已发表论文20余篇。
第一作者
刘梦琪 硕士研究生
大连海洋大学 食品科学与工程学院
硕士期间主要从事褐藻胶膜抗菌保鲜性能研究，探索含抗菌类物质的薄膜对冷藏保鲜鲈鱼中微生物的抑制水平，提供理想的鲈鱼鱼片保鲜效果，实现功能性食品包装。参与发表学术论文3 篇，其中SCI和EI收录3 篇。