（毕业论文）壳聚糖pe双层保鲜膜的研制

长春工业大学本科毕业论文摘 要用不同浓度的醋酸溶液混合不同质量的壳聚糖，加入不同质量的甘油，Span40匀浆后作为涂膜剂，均匀涂敷在PE保鲜膜上，干燥后制备PE-壳聚糖双层膜。根据抑菌效力、成膜效果和弹性模量的单因素实验确定了壳聚糖浓度、醋酸浓度、甘油和Span浓度的范围，并通过正交实验，以双层膜的弹性模量为评价指标，确定了双层膜的最佳配方为：壳聚糖1.5%，醋酸0.6%，甘油0.5%，Span401%。对新鲜猪肉进行包装处理，分别在室温，4下贮藏保鲜。以感官评定作为鲜度指标，并与未经包装的样品进行对比，以分析PE-壳聚糖双层保鲜膜对延长肉类货架期的可行性及其效果。实验结果表明：PE-壳聚糖双层保鲜膜保鲜效果明显优于未经包装和普通PE包装的对照组，其感官评价的各项指标均较对照组有明显差异，能延长保质期1-2d。关键词：双层膜；壳聚糖；保鲜；鲜猪肉PE-chitosan Bi-layer Film AbstractWith different concentration of acetic acid solution mixed of different quality chitosan, add a different quality of glycerin, span. After homogenated used for coating, coat it on PE film, when they are dry totally the PE-chitosan double film formed,Package the fresh pork, put them in the room of normal temperature and 4. To sensory evaluation, the total bacterial count as a fresh degree index, in the storage period we measure the determination of the freshness index, and compared with the samples without the packaging to test PE-chitosan double plastic wrap and extend the shelf life of meat to the feasibility and its effect. And according to the different concentration of film effect, to determine the optimal concentration of chitosan film. The experimental results show that the PE-chitosan double film preservation effect obviously better than the control group without packaging, its all the indexes than the control group have obvious difference, can extend the shelf life of 3-4 d. And the best formula for each concentration: chitosan 1.5%, acetic acid 0.6%, 0.5% glycerin, span1 %.Key words: bi-layer film; chitosan; preservation; fresh pork38目 录摘 要1Abstract2目 录3第一章 前 言5第二章 文献综述62.1肉及肉制品62.2肉制品腐败原因62.3肉制品常用保鲜方法62.3.1低温储藏法62.3.2干燥法72.3.3自然风干法72.3.4脱水干燥法72.3.6腌制法82.3.7烟熏法82.4肉制品的包装材料性能82.4.1隔氧性92.4.2防湿性92.4.3耐热性92.4.4耐油性92.4.5抗菌性92.5普通PE膜存在的问题102.6壳聚糖102.6.1壳聚糖的特性及应用112.6.2壳聚糖的保鲜机理152.6.3壳聚糖保鲜膜的性能162.6.4壳聚糖在食品保鲜中的应用17第三章 实验准备及设计233.1 实验材料与方法233.1.1实验材料233.1.2仪器与设备233.2实验方法233.2.1壳聚糖膜液的制备233.2.1壳聚糖溶液的抑菌实验233.2.2壳聚糖-PE双层膜的制备243.2.3壳聚糖-PE双层膜的性能表征243.2.4壳聚糖-PE双层膜的保鲜试验25第四章 实验结果与讨论264.1单因素试验264.1.1壳聚糖浓度对抑菌作用的影响264.1.3不同浓度的醋酸对成膜效果的影响274.1.4甘油浓度对复合膜成膜性和弹性模量的影响284.1.5span浓度对成膜性和复合膜弹性模量的影响294.2正交试验304.3贮藏实验32第五章 结论及展望355.1 结论355.2 实验展望35致 谢37参考文献38第一章 前 言肉是我们日常生活中不可缺少的一部分，营养丰富，是我们制作美味佳肴中不可或缺的材料，我们几乎每天都会摄取一定量的肉类，但肉类在生产，运输，储藏，加工及销售的过程中非常容易变质，导致肉的腐败变质，从而降低肉类本身的营养价值和实用价值。肉类的传统保鲜方法是冷冻保鲜，但冷冻之后一般会破坏肉原有的新鲜的状态，色泽，形状和气味，还有可能会引起蛋白质冷冻变性从而导致品质下降。一般冷藏前人们会用保鲜膜对肉类进行包装，可以起到隔绝空气，防止空气中细菌在肉表面滋生，而且可保持肉表面干燥，细菌不易生长繁殖，隔绝空气也可使肉表面的细菌因缺氧而死，进而起到杀菌作用，但壳聚糖-PE双层膜在肉类的保鲜中可起到更多的有效的作用。壳聚糖又称为甲壳胺或脱乙酰甲壳质，是脱乙酰后的甲壳素产物，是白色或者淡黄色片状固体或粉末。甲壳素一般广泛存在于甲壳纲动物虾，蟹的甲壳，昆虫的甲壳，真菌和植物的细胞壁中，在地球上含量仅次于纤维素，因壳聚糖来源丰富，无毒，无污染，且本身具有抗菌的作用，近些年来受到人们越来越多的重视，尤其是在壳聚糖的抑菌方面，关于壳聚糖的抑菌机理，抑菌效果关系等方面很多人都进行了大量的研究，壳聚糖及其衍生物都具有抗菌等功能，对金黄色葡萄球菌，大肠杆菌等都有较强的抑制能力。因此有很大的应用前景。本次研究选用壳聚糖，PE保鲜膜等作为成膜材料，以不同浓度的壳聚糖作为涂膜剂，并加入适量添加剂对PE膜进行涂膜处理，干燥后对鲜肉进行包装处理。以感官评定，作为鲜度指标，在贮藏期间进行鲜度指标的测定，并与未经涂膜的进行比较，以试验壳聚糖PE双层保鲜膜对延长肉类保质期的可行性及其效果。并根据不同浓度的涂膜效果，来确定最佳的壳聚糖涂膜浓度，研究其对肉类的最佳保鲜效果。第二章 文献综述2.1肉及肉制品我们一日三餐里虽然不能说每顿都有肉，但肉类绝对是不可或缺的日常食物。肉类的实用价值非常高，禽类的肌肉，牲畜，内脏和其他肉类制品营养丰富，味道鲜美，而且已被人体所消化吸收。肉类中的蛋白质含量一般在10%20%,其中以内脏的含量最高，瘦肉含量大概为17%，牛肉较高，为20.3%；肥肉含量较低，仅有2.2%。动物的内脏含有大量的维生素，不仅仅有B族维生素，还有大量维生素A。羊肝里维生素A含量极高。另外，动物的肝脏中还含有维生素B，维生素C，维生素D，尼克酸，叶酸等。除此之外，动物的肝和肾里铁的含量也比较丰富，利用率也比较高。 由此可见，肉类是人们日常的饮食中能量和蛋白质的总要来源，其中的食用和营养价值非同寻常。2.2肉制品腐败原因真空包装的肉制品在销售的过程中经常会出现腐败和变质的问题，表现出来的现象为产品的表面液化，轻度胀袋。真空包装的肉制品发生胀袋，指的是在保质期内产品包装袋里充气，内容物发生腐败变质，食用过后可能出现食物中毒，严重危害身体健康。通常情况下，真空包装的肉制品发生胀袋的原因是由生物因素与非生物因素引起的。生物性胀袋指的是肉制品中残存数量甚微的微生物在适宜条件下，利用其中丰富的营养成分快速生长并急剧增殖，进而分解蛋白质和脂肪，并产生酸气，最终使产品腐败变质，失去食用价值。非生物性胀袋是由于外力机械作用或高温，强光等的贮存条件的变化，或加工工艺改变，使肉制品产生复杂的反应，发生变质而不能食用1。 2.3肉制品常用保鲜方法 肉和肉制品的储藏保鲜方法有很多，传统的方法主要是干燥法、盐腌法、熏烟法等；现代的储藏方法主要是低温储藏法、罐藏法、照射处理法、化学保藏法等。下面介绍几种常见的储藏保鲜方法。2.3.1低温储藏法低温储藏法是指在冷库或者冰箱中进行，是肉和肉制品的储藏中最实用的方法。在低温的条件下，特别是当温度降至零下10以下后，肉中的水分就会结成冰，形成细菌不能生长和发育的环境。但是当肉被解冻复原后，因温度升高肉汁渗出，细菌会再次生长繁殖。因此，利用低温方法储藏肉时，一定要保持一定的低温，一直到食用或者加工时为止，否则不能保证肉的质量。肉的冷藏，一般分为冷却肉和冷冻肉这两种。 冷却肉：主要指的是用于短时间存放的肉品，一般使肉中心温度降低至01左右。具体的要求是，肉在放进冷库前，先将冷库温度降至零下4左右，放进肉后，保持温度在-10之间，可以保存57天。经过冷却后的肉，表面会形成一层干膜，进而阻止细菌的生长，并减少水分蒸发，从而延长保存的时间。 冷冻肉：将肉进行快速和深度冷冻，使肉中大部分的水冻结成冰，这种肉称之为冷冻肉。冷冻肉比冷却肉更加耐储藏。冷冻肉通常采用-23以下温度，并在-18左右储藏。为了提高冷冻肉质量，使肉在解冻后能恢复原来的滋味与营养价值，也可以采用速冻法，即把肉放入-40左右的速冻间，使肉的温度很快降到-18以下，然后移至冷藏室。冷藏的温度越低，出藏的时间越长。在-18的条件下，可以保存4个月；在-30的条件下，可以保存10个月。2.3.2干燥法 干燥法也叫脱水法，具体措施是减少肉内水分，阻碍微生物生长发育，最后达到储藏的目的。各种微生物生长繁殖，通常需要4050%的水分。如没有适当水分含量，微生物则不能生长繁殖。一般情况下猪肉、牛肉、鸡肉的含水量大于77%，羊肉含水量大于78%，只有当含水量降低至20%以下或者降低水分的活性，才可延长储藏期。2.3.3自然风干法自然风干法：按照要求将肉切块，放在通风处，自然干燥，使其含水量降低。如风干肉、香肠、风鸡等都要经晾晒风干过程。2.3.4脱水干燥法 脱水干燥法：在加工肉干和肉松等产品时，通常利用烘烤的方法，进而除去肉中的水分，使其含水量降至20%以下，可较长时间储存。2.3.5添加溶质法添加溶质法：即在肉中加入食盐和砂糖等溶质，例如在加工火腿和腌肉等产品时，需要用食盐和砂糖等对肉进行腌制，结果可降低肉中水分活性，进而抑制微生物的生长。2.3.6腌制法腌制法历史较久，很多年前人们通过腌制的方法在常温下保存肉类。盐腌法的储藏作用是通过食盐来提高肉品渗透压，除去部分水分，使肉品中含氧量减少，创造不利于细菌生长和繁殖的环境条件。食盐是腌制肉品常用的腌制剂，它不仅仅是重要的调味剂，并且具有一定防腐作用。食盐可以让微生物脱水；对微生物具有生理毒害作用；影响其蛋白质分解酶活性；从而降低微生物所处的环境水分活度，使微生物的生长受到抑制。食盐虽能抑制微生物的生长繁殖，但是不能杀死微生物，而且一些细菌耐盐性较强，仅用食盐腌制不能达到长期保存的目的。所以，要防腐必须要结合别的方法使用。生活中用盐腌制肉类大多在低温环境下进行，并且通常将盐腌法和干燥法结合起来使用，制作多种风味腊肉制品。2.3.7烟熏法烟熏法常与加热一起进行。当温度为0时，浓度较淡的熏烟对细菌影响不大；温度达到13以上，浓度较高的熏烟能显著地降低微生物的数量；温度为60时，无论浓淡，熏烟均能将微生物的数量降低到原数的万分之一。熏烟的成分很复杂，有200多种，主要是一些酸类、醛类和酚类物质，这些物质具有抑菌防腐和防止肉品氧化的作用。经过烟熏的肉类制品均有较好的耐保藏性，烟熏还可使肉制品表面形成稳定的腌肉色泽。由于熏烟中还含有某些害成分，有使人体致癌的险性。因此，现在人们将熏烟中的大部分多环烃类化合物除去，仅保留能赋予熏烟制品特殊风味、有保藏作用的酸、酚、醇、碳类化合物，研制成熏烟溶液，对肉制品进行烟熏，取得了很好的效果。2.4肉制品的包装材料性能包装目的是防止细菌对产品的污染，进而保证产品质量。包装还能起到广告作用，吸引消费者注意力。在生产制造、货物流通、产品销售和消费的各各环节里，也就是产品从工厂到消费者手中的过程中，产品必然会接触污染源，所以污染随时都有可能发生，因此我们可通过包装来防止细菌的污染。 肉制品所要使用的包装材料多以塑料为主。塑料有比纸和金属等其他包装材料更为广泛的性能，每种包装材料可同时具有多种性能。并且塑料薄膜的涂层技术可以弥补单张塑料薄膜的不足性能，利用这种技术开发出多种薄膜。2.4.1隔氧性即隔绝氧气的透过性。不仅仅是氧气，其他的气体也一样，气体透过塑料薄膜的量与这种气体分子的大小是毫无关系的。这个过程由两步组成，先是气体溶解于薄膜分子中，然后通过扩散的方式渗透进去。薄膜阻氧性对除了生肉以外的其他肉制品包装都适用。尤其是在充气包装、真空包装的时候更为重要。由于氧气的作用，使血色素转变为高铁血红素，进而使产品褪色、促使脂肪氧化与好氧性微生物的增殖。因此阻止氧与产品的接触，对保持产品的质量、提高肉制品保存性都有极其重要的作用。 2.4.2防湿性即阻挡水蒸气透过的性质。在薄膜分子中如不含亲水性的羟基、羧基时，就认定其防湿性较好。防湿性会随温度发生很大的变化。薄膜防湿性对所有的肉制品包装都适用。如果产品的水分以水蒸气的形式从包装的薄膜内侧透出来，或者产品会吸收从外侧透过来的水蒸气，使产品风味、组织、色泽发生变化。尤其是对含水量较少的干香肠类的包装，和防止定量制品的自然耗损有极其重要的作用。2.4.3耐热性指的是软化点高，即加热后也不会发生形变的性质。由于在加热过程中制品会发生膨胀，所以要保证薄膜具有一定的耐热强度。具有此性质，适合进行第二次杀菌的包装。聚偏二氯乙烯、聚酯、聚乙烯（高密度）的耐热性较好。 2.4.4耐油性即防止从制品中析出的游离脂肪会向薄膜的外侧渗透的性质。脂肪成分会渗透到薄膜中的现象一般有两种情况：一是由薄膜的溶解产生的，另外一种是由脂肪的渗透造成的。耐油性也会对热封产生影响，主要是在密封口处薄膜易被溶解，同时出现渗透的现象，就可认为此薄膜不合适。具有耐油性的薄膜是指不易被溶解并不易渗透的薄膜。耐油性薄膜适于含有脂肪较多的肉制品的包装。例如聚酸胺树脂、聚偏二氯乙烯、聚酯等材料的耐油性比较好。 2.4.5抗菌性 有些成膜物质本身就具有一定的抑菌、杀菌作用，如壳聚糖对某些腐败真菌起到直接的抑制或杀灭作用。用其涂层PE膜可以使微生物不能在涂层表面生长繁殖，更不会穿透成膜到达肉的表面，从而可以避免微生物对肉类的危害。2.5普通PE膜存在的问题PE安全无毒，用PE制成的薄膜透水，透气适中，适合食品保鲜，但是普通PE保鲜膜会存在以下缺点：透明度较低，防雾效果较差，不能很好地透出包装的内容物；柔韧性差，不易拉伸；回缩性差，包装品相差；浅盘底面黏着性差，易散盘。 产生上述缺点的原因有两个：其一，PE是结晶材料，容易结晶，从而导致PE薄膜透明度，柔韧性，回缩性均较差，且难拉伸；因结晶而获得良好的防雾效果；其二，PE材料本身不具有粘性，所以粘性差，也因此导致浅盘底面黏着性差，易散盘。所以针对上述原因有以下3个改进方向：一是降低PE薄膜的结晶度以提高薄膜透明度，柔韧度，回缩性；二是提高薄膜的黏性；三是选择适当的防雾剂。单纯的结晶度降低及黏性提高很难达到技术要求，必须是各项性能的协调平衡。针对普通PE保鲜膜存在的缺点，从加工方式，基材，增勃剂和防雾剂种类的选择及用量的确定，柔韧度及回缩性改进等几个方面进行研究，高透明柔软PE保鲜膜配方设计时应该注意：1.PE安全无毒，其薄膜透水，透气适中，适合食品保鲜，所以基材选用PE；2.PE本身不具有黏性，所以需添加适当的增乳剂以便于浅盘包装；3.为降低PE薄膜的结晶度，提高其柔韧性，回缩性，需添加适当比例的柔韧剂；4.PE薄膜无防雾效果，需添加适量的防雾剂。2.6壳聚糖壳聚糖又称为甲壳胺或脱乙酰甲壳质，是脱乙酰后的甲壳素产物，脱乙酰度通常大于60%，是白色或者淡黄色片状固体或粉末。壳聚糖含有多种官能团，极具反应活性，可进行交联、接枝、酰化、磺化、羧甲基化、烷基化、硝化、卤化、氧化、还原、络合等多种反应，生成不同的衍生物，其性质不同用途也不同。壳聚糖分子内含游离的氨基和羟基，反应活性比甲壳素要强，用途更为广泛。壳聚糖的吸湿性高于甲壳素，仅次于甘油，优于山梨醇和聚乙二醇。壳聚糖可通过螯合、离子交换作用吸附许多重金属离子、蛋白质、氨基酸、染料，对一些阴离子和农药也有吸附力。壳聚糖的主链可发生水解反应，-(1，4-)甘链断裂，生成氨基葡萄糖。利用这一特性可制备一些难于制备的葡糖胺衍生物2。作为一种天然多阳离子的化合物，由于壳聚糖具有良好的生物降解性、生物相溶性、安全无毒性以及广谱抗菌性等特点，近几年来受到人们越来越多的重视，尤其是在壳聚糖的抑菌方面。关于壳聚糖的抑菌机理、抑菌效果和它的构效关系等方面很多人都进行了大量的研究。壳聚糖及其衍生物都具有抗菌等功能，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等都有较强的抑制能力，因此有很大的应用前景。通常，根据壳聚糖浓度的不同而具有不同的杀菌作用或抑菌作用，统称为抗菌作用。理想的抗菌剂应具有高效、快速、广谱、低毒、低刺激、易生物降解，且与其它表面活性剂配伍性好等条件。壳聚糖的广谱抗菌性已得到广泛认可，但壳聚糖的水溶性较差，限制了它的应用范围，因此，制备壳聚糖的衍生物以提高其水溶性，使其能在较大的pH值范围内得到应用成为各国研究人员都重视的一个课题。关于壳聚糖的改性以及其在抗菌方面的应用也做过相关研究，很多文献都报道了壳聚糖水溶性衍生物的制备及应用，其中壳聚糖季铵盐是研究较多的壳聚糖季铵化改性产物，它既能在酸性和中性条件下溶解，又可利用壳聚糖季铵盐来处理织物以增加其抗菌性，扩大其适用范围。另外国外还通过冰冻氢氧化钠-十二烷基硫酸钠系统的简单步骤制备成功了烷基-CHITIN纤维.烷基化产生了各种不同链长和体容度的烷基卤素化合物，对水或甲酸的亲合性的增加。2.6.1壳聚糖的特性及应用 天然性：壳聚糖属天然产物，是由大部分氨基葡萄糖和少量N-乙酰基葡萄糖通过B-1,4-糖苷键连接起来的直链多，是由甲壳素（chitin）部分或全部脱除乙酰基后得到的。甲壳素是一种天然直链状酰胺类多糖，广泛存在于昆虫和甲壳类动物（如虾、蟹等）的硬壳及真菌的细胞壁中，是地球上蕴藏量最丰富的有机物之一。 成膜性：壳聚糖具有许多的优良的功能性质和潜在的应用价值，其中一个引人关注的特性就是成膜性。近年来，壳聚糖作为一种优良膜材料，越来越受到人们的重视。涂膜保鲜在食品工业中显示出广阔的前景。 壳聚糖以其氢键相互交联成网状结构，利用适当的溶剂，可制成透明的具有多孔结构的薄膜。壳聚糖的溶液具有粘性是一种理想的成膜物。对壳聚糖成膜特性的研究表明，成膜的半透性与其溶液的粘度相关，粘度随浓度的增加而增大，呈典型亲水性胶质特性，作为保鲜成膜剂的壳聚糖溶液浓度不宜太大，浓度高易使涂膜层过厚，不均匀，影响果实的呼吸，导致果实内部腐烂，在保鲜应用中一般选择浓度为1%4%；粘度随温度，pH值的升高而减小，故壳聚糖溶液具有良好的耐酸性，这对于水果保鲜特别有意义。酸性环境能抑制细菌的生长，适量的添加剂能提高透明度和凝胶强度，但是会使持水率下降。持水率高、持水能力强的凝胶最适宜做食品涂膜，因此作为保鲜成膜剂的壳聚糖，在保证一定强度的同时应考虑其持水率的高低，膜性能与成膜介质和溶液浓度有关。介质表面越粗糙，粘着性越好。溶液浓度越高则粘着性越差3。 壳聚糖的结构对膜性质有影响。壳聚糖脱乙酰化度越高，其膜的溶胀性越低，脱乙酰化度也影响膜的抗拉强度。壳聚糖分子量越低，其膜的抗拉强度也越低，膜的通透性也越强。壳聚糖的分子量越大，分子晶形结构越多，分子间高度缠结，分子的柔顺性越差，因此，其抗拉强度越高，同时膜的通透性也越差。壳聚糖分子存在游离氨基和羟基，可以发生很多的反应，衍生化反应对于壳聚糖膜的性质也有显著的影响4。 抗菌性：在食品工业中，壳聚糖的抗菌作用已受到关注。壳聚糖对细菌有很强的抑制能力，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、变形杆菌、枯草杆菌、酵母菌都有较强的抑制力。对于壳聚糖的抗菌活性，国外已有文献进行了报道5。壳聚糖等甲壳素衍生物对许多植物病原真菌有一定程度的直接抑制作用6。壳聚糖的抗菌活性与其浓度、分子量有关，也与其分子结构中游离的氨基含量有关，对大肠杆菌的抑菌试验表明，当脱乙酰度增加时，游离氨基含量增加，抑菌率增加。在分子量30.5万以下的范围内，随壳聚糖浓度的增加，其抗菌作用的效果增强，当浓度为1.0%时，对革兰氏阳性菌和对革兰氏阴性菌，其抗菌率均达到100%。对革兰氏阳性菌，随壳聚糖的分子量增大，抗菌作用逐渐增强。对革兰氏阴性菌，随聚糖的分子量减小，抗菌作用逐渐增强，分子量为5000以下，抗菌作用最强7。夏文水8等针对壳聚糖对食品中一些常见的细菌、霉菌和酵母菌进行抗菌试验。结果表明，壳聚糖对细菌和酵母其抑菌率明显超过对照组，并随着质量浓度的增加其抑菌率逐渐变大。壳聚糖对不同菌抑制作用的敏感性不同，细菌易被抑制，酵母菌其次，而对霉菌则抑制作用略小，这可能与甲壳低聚糖的抗菌机理有关。但是，随着甲壳低聚糖质量浓度的增加，对各种菌的抑菌作用都相应增强。谷田孝雄等人用水解壳聚糖（分子量为1万5万）作抗菌试验，结果表明对有害菌有抑制作用，对确定食品的保质期，起到关键作用。张伟9等合成了壳聚糖水溶性衍生物，通过测定证明此物质确有较强的抑菌作用，且其抗菌作用对高温、高压稳定。因为壳聚糖的生物相容性良好，所以在生物医学及制药等方面的应用极其广泛，可用作烧伤敷料及伤口愈合剂，包扎纱布用壳聚糖处理后，伤口愈合速度可提高75%。用壳聚糖制成的可吸收性手术缝线，机械强度高，可长期贮存，能用常规方法消毒，可染色，可掺入药剂，能被组织降解吸收，免除患者拆线的痛苦。壳聚糖能抑制胃酸和溃疡，具有降解胆固醇及三甘油脂的作用。肝素是一种带有磺酸基、羧基的极有效的抗凝血剂，硫酸酯化的壳聚糖在结构上与肝素相似，这种类肝素衍生物一般具有相当甚至超过肝素活性，为合成廉价的抗凝血剂提供了有效的途径。此外，壳聚糖还可用于制作人工肾透析膜和隐形眼镜。由壳聚糖制备出的微胶囊，是一种生物降解型的高分子膜材料，是优良且极具发展前途的医用缓释体系。另外，壳聚糖在食品上可用作保鲜膜。将其水溶液涂于果蔬表面，可人为在果蔬表面形成一个低氧高二氧化碳的密闭环境，抑制果蔬呼吸，同时抑菌繁殖，提高果蔬光泽度，提高果蔬的感官品质。甲壳类动物如虾蟹的壳是甲壳素的最重要资源。虾壳中壳聚糖含量为20%，龙虾壳中为25%，蟹壳中含量为17%18%，其余为35%50%的碳酸钙，30%40%的蛋白质。由于一年四季都能捕获，原料易得，自然界中每年生物合成的甲壳素约有10亿吨左右，是仅次纤维素的天然高分子化合物，也是地球上最丰富的有机物之一。在我国，随着淡水及海水虾、蟹养殖产量的增加，每年都有大量的虾、蟹壳产生。其中，仅对虾加工的副产品虾头壳，就有1万多吨，一部分用于饲料添加剂等附加低值产品，极少部分用于提取甲壳素，绝大部分被当作垃圾废弃，既污染环境又造成资源浪费。将这些资源回收利用，可变废为宝，获得可观的经济效益。尤其在虾蟹集中的江、浙、鲁等地区，国内乡镇企业由于技术水平不高，大部分制成甲壳素粗品，售价不高。外商将这些粗加工产品购入再进行深加工制成高科技产品使利润成倍增加，我国应集中力量开发高品级的甲壳素产品。壳聚糖的生产工艺9： 图2-1 壳聚糖生产工艺流程图工艺过程：先将虾、蟹壳水洗、干燥，用6%稀盐酸在室温浸泡数小时，用稀酸脱除碳酸钙，使碳酸钙变成氯化钙随溶液排出，再经水洗、干燥、粉碎，用10%烧碱溶液浸泡，于100煮沸分解蛋白质，经多次处理后得到粗壳质，再用1%高锰酸钾溶液浸泡脱色，水洗，于6070用草酸处理30-40min，得白色壳质产品。将此甲壳质浸于40-50%的浓碱中，于120反应40min可得壳聚糖，将脱除乙酰基的壳质加入稀HCL溶解，向溶液中加入过量的丙酮，析出壳聚糖的乙酸盐，过滤、水洗至中性，在70干燥得洁白或半透明的壳聚糖，脱乙酰率90%，收率83%。国内生产的壳聚糖产品主要存在灰份含量高和氨基含量高的缺点。为了获得高质量的甲壳质，国外采用多种有机溶剂在闪蒸下操做或用微波辐射，用50%浓碱溶液，于80反应18min，完成甲壳素到壳聚糖的转化。自上世纪80年代以来，在全世界范围内掀起开发甲壳素、壳聚糖的研究热潮后，世界各国都在加大甲壳素、壳聚糖的开发力度，日本更是走在各国的前列。目前日本已成为世界上生产壳聚糖的第一大国。90年代初，日本壳聚糖的需求量已达300吨，占世界总产量13左右，供应十分紧俏。在美国、日本、韩国、印度、荷兰、挪威、加拿大、波兰、法国等都已生产。1993年日本的壳聚糖产量约为700吨年，美国为300吨年。从1977年到1991年世界已相继召开5次开发利用甲壳素的国际会议，研究内容涉及到甲壳素的资源，甲壳素、壳聚糖的制备、提纯、分析方法、结构测定及应用拓展等。目前美国和日本年需壳聚糖已达3000吨，50%需进口。我国从80年代开始生产壳聚糖，国内最高年产量为180吨，远远不能满足出口创汇的需要，因此应加大生产力度10。2.6.2壳聚糖的保鲜机理一、膜机理壳聚糖涂到果蔬表面在果蔬表面形成一层膜，此膜具有半透性，对O2、CO2、C2H4具有一定的选择渗透作用，并且还要有一定的保水性。一方面阻止外界的空气进入膜层内，从而抑制果蔬原料的呼吸作用，另一方面能使呼吸产生的二氧化碳外逸，防止出现无氧发酵。果蔬被膜保鲜的机理是通过果蔬表面的膜调节体内的氧气和二氧化碳浓度，使其呼吸作用减弱，达到保鲜的目的。同时，壳聚糖的成膜性也阻碍了病原菌与寄主组织或细胞的直接接触，减少了病原菌的有效侵入。壳聚糖膜层的厚度是影响保鲜效果的主要因素。不同粘度的壳聚糖均存在一个最适宜的壳聚糖浓度11。小于其最适浓度，保鲜剂的粘度过小，在果蔬表面形成的壳聚糖膜层很薄，它对果蔬体内与空气的气体交换的阻力就小，导致果蔬体内氧气浓度升高，二氧化碳浓度降低，果蔬呼吸作用增强，保鲜效果下降。高于最适宜浓度，保鲜效果也下降，这是由于保鲜剂粘度太高，在果蔬表面形成的壳聚糖膜层很厚，使果蔬体内氧气浓度太低，不能满足完全的正常呼吸，而为部分缺氧呼吸所代替，果蔬不但成熟快，而且品质下降。二、抗菌机理壳聚糖的抗菌作用主要有以下两种机理12：一种是壳聚糖通过吸附在细胞表面，形成一层高分子膜，阻止营养物质向细胞内的运输，从而起到抑菌杀菌作用；另外一种机理是壳聚糖通过渗透进入细胞体内，附细胞体内带有阴离子的细胞质，并发生絮凝作用，扰乱细胞正常的生理活动，从而杀灭细菌。因为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构不同，两种作用对它们影响程度也不同，故不同分子量的壳聚糖，其抗菌机理不同。对于革兰氏阳性菌，前一种作用机理起主导作用，主要是分子量越大，所形成外层膜越致密，越能阻止营养物质进入细菌细胞，因而抗菌作用效果更明显。而对于革兰氏阴性菌来讲，后一种作用机理起主导作用，因为分子量越小，越容易进入细胞壁的空隙结构内，从而干扰细胞的新陈代谢，杀死细菌。这样，当壳聚糖涂膜用到食品表面，壳聚糖及其降解产物能抑制微生物生长，从而防止食品腐烂变质。当然，壳聚糖及其衍生物对食品的保鲜作用不仅仅是由于其膜作用和抗菌、抑菌能力。另外，尤其对果蔬而言，壳聚糖可以诱导植物的结构抗病性，包括使植物细胞壁加厚或木质化程度加强；调节植物体内与抗病有关的酶活性变化，这些酶包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）超氧物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）等；产生植保素（如豌豆素pisatin）、酚类化合物等抗菌物质；诱导产生病程相关蛋白13，如几丁质酶和B-1,3-葡聚糖酶是二种重要的PR蛋白，它们能水解病原真菌的细胞壁，抑制病原物生长，产生新的激发子诱导植物一系列防御反应。2.6.3壳聚糖保鲜膜的性能一、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，其弹性模量可超过LDPE（低密度聚乙烯）的水平，略低于HDPE（高密度聚乙烯）。薄膜弹性模量与壳聚糖浓度有很大关系，在一定条件下，薄膜的弹性模量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。二、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。通过几种表面活性剂的性能比较发现：在壳聚糖溶液中加入表面活性剂Tween20，可有效改善壳聚糖涂膜保鲜水果时润湿性差的现状，界面接触角从原来的105降低到52。三、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14：一类是Young等提出的以细菌带有负电荷的细胞膜为作用靶的机理：在酸性条件下，壳聚糖分子中的质子化铵-NH3+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：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。壳聚糖保鲜膜抗菌性与壳聚糖浓度、壳聚糖脱乙酰度、壳聚糖分子量及环境pH值有关。四、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的气体浓度，使果蔬呼吸强度下降，达到保鲜目的。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。2.6.4壳聚糖在食品保鲜中的应用2.6.4.1壳聚糖在果蔬保鲜中的应用由于其来源广泛，天然、无毒副作用，涂膜保鲜简单易行等优点，受到国内外的广泛研究。壳聚糖作保鲜剂，主要用于果蔬的保鲜，在肉类及饮料等方面也有一定的应用研究。以壳聚糖为主成分制成保鲜剂，以涂膜形式用于芦柑保鲜的研究，结果表明，壳聚糖保鲜膜能有效控制与调节芦柑的呼吸作用、失水程度和化学成分含量变化，保鲜期长达6个月。此外，壳聚糖浓度不同，保鲜膜厚度不同，保鲜效果不同。当壳聚糖浓度为2%时，保鲜效果最好。低于2%，形成的膜厚度小，保鲜作用不明显；浓度太高，膜层过厚，则可能几乎完全阻碍氧气的进入，芦柑内部形成无氧呼吸，致使代谢产物CO2和酒精排出困难，因而引起彭柑内部发酵、腐败变质。用壳聚糖作为辣椒的保鲜膜剂，对其涂膜方式、成膜条件及防霉剂筛选进行试验，结果表明，采用2次浸涂效果最好；最佳成膜条件：壳聚糖用量2.44%2.93%，涂膜液pH5.015.71，涂膜温度23.528.5；选择脱氢醋酸钠作为保鲜膜剂中的防霉剂。最后得到的保鲜膜剂配方为壳聚糖2.5%，涂膜液pH5.5，涂膜液温度25，乙醇适量，吐温80两滴，脱氢醋酸钠适量。用该配方的保鲜膜剂处理辣椒，结合低温条件，可有效降低失重率和腐烂指数，明显控制后熟，抑制呼吸作用，并减缓VC及糖的损失。在果蔬中的应用研究刘青梅15等用1.5%壳聚糖+0.5%苯甲酸钠涂被，保鲜纸包装的冬笋，在7左右的室温下可保鲜30d，笋壳笋肉色泽基本不变，好笋率达85%，优于其它保鲜剂蔗糖脂肪酸酯、海藻酸钠处理。用浓度为2%的壳聚糖对番茄进行涂膜保鲜，保藏15d后，番茄的总酸度、总糖量、维生素C含量均与原番茄接近，保藏效果比0.2%的苯甲酸钠溶液好。陈忻16等以甲壳素为原料制备氨基葡萄糖盐酸盐，该盐作为番茄保鲜剂有较好的保鲜效果。用含VC0.01kg/L和壳聚糖0.01kg/L的混合液涂膜保鲜荔枝17，与不涂膜的相比，果皮颜色好、烂果率低、质量损失小、呼吸率低。室温下（3334oC）荔枝货架寿命可延长3d。在巴梨表面涂上一层壳聚糖膜做保鲜剂，保鲜效果比0oC冷藏保鲜效果要好，可以明显地延长货价期。羧甲基化壳聚糖18（NOCC）可溶于水，是一种良好保鲜剂，对果蔬具有一定的保鲜能力。用其对黄瓜进行保鲜，12 d后其维生素C、酸、糖分别比空白黄瓜高62%、32%和70%。芦柑在涂膜保鲜23d后其维生素C、水分仅有少量的变化，较好地保存了芦柑的色香味。苹果可保鲜9个月以上，西红柿可保鲜半年以上。钱倚剑19等以天然高分子物质甲壳素为基本组分，研制出了适用于热带果蔬在海南湿热气候条件下常温保鲜的CHI喷涂型保鲜剂，该制剂对芒果、黄瓜、青椒、番茄等无绿叶瓜菜一般都有明显的保鲜效果。经喷涂的芒果在室温条件下，普通库房存放可以使成熟期延长一倍。黄瓜、青椒等品种也可延长存储期35 d。果蔬的失水率明显降低。比不喷涂的对照样品大约低50%。覃志英等用自制的壳聚糖水果保鲜剂，该保鲜剂能有效地抑制微生物侵蚀芒果，防止芒果失水，延长芒果贮藏期并保持芒果原有的香甜可口的风味。2.6.4.2壳聚糖在肉类保鲜中的应用以前通常认为壳聚糖仅仅适用于不含有蛋白质的偏酸性的食品，例如腌菜时用的调味液，尤其是蔬菜水果的防腐保鲜，因为壳聚糖能在果实的表面形成透明无色的半透膜，可以有效减小氧气进入果实内部，明显抑制果实呼吸作用，并且具有抗菌的作用。但是近些年来的研究证明壳聚糖对蛋白质类的食品也具有较强的抑制作用，壳聚糖在蛋白质类的防腐中的应用研究非常活跃，特别是冷却的肉，鲜肉，火腿肠和香肠等其他肉制品。日本是最早把壳聚糖用在果蔬防腐保鲜的国家，以后又广泛用于肉制品的保鲜中。现在日本把壳聚糖应用研究拓展到四百多种食品，并申请了多种应用专利。用于肉类的防腐壳聚糖一般是改性之后的N,O-羧甲基壳聚糖，这种改性后的壳聚糖水溶液所形成的膜对于气体的通透有选择性，并且N-羧甲基壳聚糖的螯合作用在肉类的保鲜上也起到了一定的有利作用，有效的避免了己醛与怪味的形成，具有抗氧化作用，但是它的抑菌效果不佳。段静芸等研究了壳聚糖对于冷却鲜猪肉的保鲜效果20。结果表明：壳聚糖的脱乙酰度越高，对于冷却鲜肉的保鲜效果就越好；把溶于1%的醋酸的1%壳聚糖溶液作为冷却肉的保鲜液，保鲜时间可达到7d，并且肉的感官品质比较好；2.5%水溶性的壳聚糖溶液保鲜效果低于1%酸性壳聚糖溶液，但是水溶性壳聚糖所处理后的肉样没有一点酸味，感官品质更好，所以建议使用水溶性的壳聚糖作为冷却肉的保鲜液。另外，也有很多学者研究了壳聚糖的复合保鲜剂在冷却肉类的保鲜中的应用，比如罗爱平等利用胶原蛋白、壳聚糖、茶多酚和植酸等配制而成的复合保鲜液对于冷却的牛肉涂膜保鲜进行比较。结果表明：壳聚糖膜优于胶原蛋白膜。张嫚等研究表明，冷却的牛肉中添加茶多酚、茶多酚+L-抗坏血酸，茶多酚+壳聚糖可以明显延长肉制品的保鲜期。近些年来，由于全世界范围上的能源短缺，各个国家的学者都在致力于研发更加节能的保鲜技术，一直在寻找更为廉价，并且无毒害，能高效延长肉在非冷冻条件下的保藏期。在此背景下，壳聚糖对肉类的保鲜技术产生了。国外对于壳聚糖的抗菌防腐的作用的研究开始于20世纪70年代，对于壳聚糖的抑菌杀菌的效果、抗菌作用，抗菌谱等进行了深入的研究，并且取得了较大的进展。例如Hirosshi用壳聚糖以及其低聚糖来保鲜牛肉，把牛肉喷涂上95%的乙醇，VE，水解甲壳素，壳聚糖以及低聚糖，水解果胶和溶菌酶的混合物，将牛肉保存3d后，微生物比参照组要少的多21。Pumama Darmadji等（1994）的实验结果也表明0.5%-1.0%的壳聚糖可以抑制鲜肉中腐败菌的生长，进而降低了脂肪的氧化和酸败，使其感官品质更好，而且还有很好的护色作用。Hyun-Young Lee等（2003）研究认为分子量5kDa的壳聚糖在任何的浓度下都不具有抗菌性，分子量为30与120kDa的壳聚糖在浓度大于0.1%的时候具有抗菌性。1%壳聚糖可改善肉在贮藏期间的质量。Kanatt等（2004）研究了在辐射后的壳聚糖抗氧化的活性和在辐射羊肉延缓脂肪氧化中的应用。证明了壳聚糖能够当作抗氧化剂添加到辐射肉中来延缓脂肪的氧化，进而延长保质期。我国在很久以前就在使用壳聚糖来保鲜肉类，1987年就有关于壳聚糖用于鲜猪肉防腐剂的专利。研究壳聚糖醋酸混合液对于5种食物的致病菌的生长影响基础上，研究CA液（1%壳聚糖和2%醋酸）对非真空所包装猪肉的贮藏效果，结果表明真空包装可加强CA溶液抑菌能力。后来，王光华，乔晓玲通过对贮藏在30时的CA液和2%的醋酸溶液对肉的货架期和其他腐败菌的影响，进而可得出结论：CA液对肉中的各种腐败菌抑制作用比A液更强，CA也可以明显延长肉类的货架期最高达80h.壳聚糖对冷却猪肉有明显的保鲜作用22，且脱乙酰度越高的壳聚糖对冷却肉的保鲜效果越好；溶于1% 醋酸的1%壳聚糖溶液（醋酸浓度为1%）能使猪肉的货架期达到一周；且冷却肉的感观品质好，2.5%的水溶性壳聚糖溶液的保鲜效果略低于1%2.6.4.3在其它食品中的应用研究壳聚糖液用碳酸氢钠调pH至4.9后加入面条里，在25条件下，可保存15d不变质23。当甲壳低聚糖作为防腐剂应用于苹果原汁保藏时，在果汁中含4gL甲壳低聚糖可使果汁的保藏期由对照实验中37时9 d增加到70 d，显示了很好的防腐效保鲜果24。日本将壳聚糖与乳酸钙或醋酸钙溶液加热处理制成一种具有高杀菌活性、安全无毒的水溶性保鲜剂。将该保鲜剂1g与130g大米加280ml水混合蒸发后，于28条件下存放18d，米饭无长霉变质现象；加拿大学者用N,O-羧甲级壳聚糖制成一种叫做Nutri Sare的水果保鲜剂；美国学者则用N-羧甲级壳聚糖制成肉食防腐剂。其用量为万分之五，即可防止牛肉在冷藏一周内不发生腐败变质；此防腐剂还可用于防止鱼、禽、蛋以及日用食品的酸败和变味。2.6.4.4复合型壳聚糖保鲜膜现在的可食用保鲜膜，由过去的单一组分制成的膜发展成具有多种功能性质的，由多种生物大分子、脂类等制成的复合膜。通常，复合膜以脂质作为阻水成分，而蛋白或多糖在发挥自身具有的阻隔性能的同时，作为脂质的支持介质，保持膜的良好完整性，脂类中的疏水成分通过与蛋白质或多糖等成分中的疏水基团的相互作用而形成具有一定阻湿性、阻气性的薄膜，克服了可食用膜在应用中的许多问题，如机械强度、膜的阻隔能力稳定性等。虽然壳聚糖膜涂覆在果蔬表面能调节气体环境，有效地防止微生物的侵染，但壳聚糖膜对水敏感，隔水能力较差，所以对其进行复合改良，提高膜的抗水能力是研究的重点。可将壳聚糖与聚乙烯醇混合制得复合膜，另外加入醋酸溶剂，可有效地将壳聚糖膜对水蒸气的透过率降低到0.14，或者可以在壳聚糖膜表面涂覆石蜡和醇酸树脂这类阻隔性能较强的材料以提高膜阻水性能。另外一种是将壳聚糖膜浸入缓冲溶液以去除醋酸残留物和氨基在水中的离子化（导致静电吸引），以提高壳聚糖膜的阻水能力。将壳聚糖膜覆盖在果胶膜上将得到光滑亮泽的外表，在果胶膜材料中以乳酸代替甘油作为增塑剂，可有效地降低霉菌的污染25。果胶/壳聚糖复合膜具有良好的抗水性，这是由于在溶液中壳聚糖与果胶相遇合形成沉淀的原因，这种复合膜的通透性和强度与单纯壳聚糖膜相比无明显影响。2.7本文研究内容用不同浓度的醋酸溶液混合不同质量的壳聚糖，加入不同质量的甘油，Span匀浆后作为涂膜剂，均匀涂敷在PE保鲜膜上，干燥后制备PE-壳聚糖双层膜。根据抑菌效力、成膜效果和弹性模量的单因素实验确定了壳聚糖浓度、醋酸浓度、甘油和Span浓度的范围，并通过正交实验，以双层膜的弹性