壳聚糖在环境保护领域有哪些应用？

　　壳聚糖,又称为脱乙酰甲壳素、甲壳胺,是通过甲壳素经一定程度的脱乙酰而得到,化学名称是(1,4)-2-酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖。不溶于水而溶于稀酸溶液,其分子量为几十至几百万。由于壳聚糖分子结构中大量游离氨的存在,使其成为天然的少有的聚阳离子,具有独特的功能,广泛应用于食品、医药、农业、环保、纺织、造纸等行业。本文主要介绍其在食品工业上的应用。　　1 食品加工助剂　　1.1 果汁澄清剂　　壳聚糖能用作果汁、食醋、糖蜜、酒类的澄清剂,特别是澄清果汁的研究比较多。要得到清澈、透明的果汁,除了应去除悬浮物及沉淀物之外,更重要的应除去致浊的果胶、蛋白质等胶质物,壳聚糖分子带正电荷,与果汁中带负电荷的阴离子电解质(例胶体)互相作用,从而破坏胶体的稳定结构,使胶体聚沉,经过过滤使果汁澄清。多年来有多位学者用壳聚糖澄清猕猴桃汁、苹果汁、山梨汁,澄清后的果汁透光率达90%～95%以上。壳聚糖澄清果汁的另一优点是能除去果汁中多酚氧化酶,从而可降低果汁的褐变速度。　　1.2 糖汁絮凝剂　　糖汁中的蛋白质、果胶、单宁、色素、类脂物等一般都带负电荷。壳聚糖是自然界唯一的碱性多糖,带正电荷,加入糖汁中时,蔗汁中带负电的胶体被-NH3+离子吸附,产生电中和,因而壳聚糖可净化糖汁。日本在多年前已用壳聚糖澄清混合汁[5]和废蜜[6]。国内近年来也有陆冬梅等[7]用壳聚糖澄清混合汁,在温度100℃,pH6.8,壳聚糖量500mg/kg,PAM用量2.5mg/kg的工艺条件下,除色率达79%,除浊率达94%以上。梁平[8]等人进行了壳聚糖絮凝剂清净亚硫酸法粗糖浆(炼糖厂原糖复筛糖浆)的试验,结果表明,用气浮法处理的最佳工艺条件是:P2O5加量450mg/kg,温度80℃,pH=6.0,壳聚糖加量为110mg/kg,在此条件下,可取得较好的除浊率及脱色率。　　1.3 果汁脱酸剂　　许多果蔬汁含有较多的有机酸。壳聚糖能与有机酸结合生成盐。将壳聚糖加入果蔬汁中搅拌、过滤即能脱酸。Rwan等在葡萄果汁中加入15mg/kg的壳聚糖,则葡萄汁中柠檬酸、酒石酸、L-苹果酸、草酸和抗坏血酸的含量分别减少56.6%、41.2%、38.8%、36.8%和6.5%,从而使果汁中酸的总含量减少52.6%,果汁得以很好的净化。壳聚糖加入罗汉果汁中可去除不愉快的酸味,改善口感。Spqgna等人报道,将壳聚糖加入纯葡萄酒中,由于壳聚糖与聚酚类化合物的亲合作用,使葡萄酒由淡黄色变为深金黄色、大大提高了酒的质量。　　2 食品添加剂　　2.1 食品抗氧化剂　　由于肉类食品中含有大量的不饱和脂肪酸而易被氧化使之腐败变质,从而缩短了肉制品的货架期,为此必须加入抗氧化剂。壳聚糖作为新型抗氧化剂进展迅速。Darmadji等人研究了壳聚糖对牛肉的抗氧化效果,加入1%的壳聚糖,在4℃下贮存3天。牛肉的硫化巴比土酸(TBA值)减少70%。Shahihi等人报道了N,O-羟甲基壳聚糖盐(NOOC)及其乳酸盐、吡咯烷酸盐对抑制熟肉的氧化非常有效,冷藏七天后的熟肉风味几乎不变。他指出NOOC及上述壳聚糖衍生物在(500-3000)mg/kg之间的抑制氧化效果分别为69.9%、63.4%和66.3%。　　2.2 食品保鲜剂　　壳聚糖及其衍生物的抗菌性近年来倍受关注。它在抗细菌、真菌上效果显著。有人认为,由于壳聚糖分子的正电荷和细菌细胞膜上负电荷的相互作用,使细胞内蛋白酶和其他成分泄漏,从而达到抗菌、杀菌作用。壳聚糖被广泛用于果蔬保鲜,肉、蛋品保鲜。Simpaon等人的研究表明,0.02%的壳聚糖浓度足以抑制芽抱杆菌的生长,而对大肠杆菌和沙门氏菌,0.005%浓度的壳聚糖的抑菌效果可达90%,壳聚糖浓度达0.0075%时,可完全抑制细菌生长。　　多位学者的研究表明,使用壳聚糖保鲜膜可较好地控制桃子、梨子、猕猴桃、黄瓜、胡椒、葡萄、草莓、芒果和西红柿的腐烂变质,延长贮存时间与货架期。这是由于壳聚糖膜可阻碍大气中氧气的渗入和水果呼吸产生二氧化碳的逸出,但可诱使水果熟化的乙烯气体逸出,从而抑制真菌繁殖及延缓水果的成熟。壳聚糖膜涂层能抑制水果的花色素苷、类黄酮和全部酚含量的增加,控制过氧化酶活性的增加,从而可控制水果的变黄、变褐,保证水果质量。以番茄保鲜为例,用浓度2%的壳聚糖对番茄涂膜,贮存15天后发现番茄的总酸度、总糖量及维生素C含量与原番茄接近,一般可储存30天,贮藏效果好于0.2%的苯甲酸液。张声辉等采用壳聚糖的衍生物并辅以其它助剂制成涂膜保鲜剂,在10～25℃下苹果和梨可保鲜6个月,好果率达99%。陈天等用壳聚糖保鲜剂处理中华猕猴桃,贮藏期可达80天,而未处理的只为7～12天。　　古伟之等做了壳聚糖对猪肉的保鲜试验,结果表明:2%的壳聚糖液在20℃和40℃贮存条件下,猪肉的一级鲜度货架期分别延长2天及6天。Os amu等人将壳聚糖的乳酸液渗入再生纤维素纤维制得的无纺布中形成保鲜材料,用于盛装鱼、肉食品时,可吸收渗液并阻止葡萄球菌、大肠杆菌等微生物生长,达保鲜的目的。　　2.3 食品增稠剂　　Tetsuya等人用壳聚糖和CaCO3作为面条的增稠剂,其用量为0.4%～1.8%。Tomohiho等人用壳聚糖粉末加入用鸡蛋清制得的食品凝胶中提高其硬度和弹性。除上述作用外,壳聚糖还用于食品稳定剂、乳化剂、风味改良剂等。　　3 保健食品　　壳聚糖被认为是继维他命丸、麦乳精以及卵磷脂、螺旋藻之后的第二代保健食品。由于它是一种可食性动物纤维,被人食用、人体吸收后,由于肠内细菌的共同作用可将之分解成低聚糖,后者具有较优的生理活性。据报道,壳聚糖具有三调节(免疫调节、pH值调节、荷尔蒙调节),三排除(排除有害胆固醇、排除体内金属离子、排除农药及体内自由基等毒素),三降(降血脂、降血糖、降血压)作用,所以可用壳聚糖制造保健食品。　　3.1 减肥降酯　　食品壳聚糖及其脂肪酸络合物是理想的减肥食品。研究发现,壳聚糖及其脂肪酸络盐在体内可和相当于它们重量许多倍的脂类物质如甘油三酯、脂肪酸、胆固醇、胆汁酸等化合物生成络合物,这些络合物不被消化系统消化吸收、不被胃酸水解,可减少人体对这类物质的消化吸收,使之穿肠而过排出体外,从而减少食品的热量,达到减肥降酯的目的[21]。同时壳聚糖在肠内细菌作用下生成的低聚糖其热量明显低于蔗糖,低聚糖在消化道中不被吸收,几乎全部进入肠道,故有明显的防发胖作用。　　3.2 抗癌食品　　壳聚糖能调节体液的PH值,使之呈弱碱性。pH的提高使人体内淋巴细胞的活性提高,增强了淋巴细胞破坏癌细胞的活性,起到防癌抗癌的作用。Yukio[22]等研制的抗癌保健食品的配方是:玉米纤维:壳聚糖:藻酸为1:0.01～1.0:0.001～1.0。例如,将下列物质混合后加工成小甜饼:面粉51g、玉米纤维1%、糖11.3g、低聚糖5g、蜂蜜5g、壳聚糖2g、葡萄糖2g、藻酸0.5g、盐0.5g、CaCO30.2g、发酵粉2.5g。　　3.3 胃肠道保健食品　　由于壳聚糖溶于稀酸溶液后形成胶状液体,壳聚糖在胃酸作用下形成的胶状液可粘附在胃壁上形成一层保护膜,可防止胃酸对胃部损伤面的刺激,因而起到辅助治疗胃溃疡的作用。壳聚糖在肠内细菌共同作用下生成的低聚糖能促进肠道有益菌例如双歧杆菌的生长、增殖,改善肠道的微生态环境。除以上保健食品外,还可将壳聚糖与有关物质制成口腔保健食品,人造肉食品,微量金属元素调节食品等。　　4 水的净化剂　　4.1 食品工业废水处理　　壳聚糖是自然界一种带正电荷的高分子聚合物,在废水处理中是一种优良的絮凝剂。食品工业废水中含有大量蛋白质、脂肪酸等有用物质,壳聚糖能把其有效成分絮凝沉淀下来加以利用,用壳聚糖处理食品废水或含蛋白质废水的最大优势是可以回收残渣作饲料,不产生二次污染。黄慧等研究了壳聚糖为絮凝剂沉降粉丝浓浆废水的条件及结果。结果表明,絮凝沉降速度快,COD除去率为86%,蛋白质回收率为81%。在PH为6.5～8.5时,高浓度较低浓度的壳聚糖絮凝效果好。周桂等人以壳聚糖作絮凝剂处理高浓度糖蜜酒精废液,实验结果表明,当pH=7.0、温度为25℃、搅拌时间为30min,静置时间为2小时、配合助凝剂P30的有效作用,能使糖蜜酒精废液CODcr去除率达到96.2%。蔡伟民等[25]用改性制得的壳聚糖季铵盐处理味精废水,当投量为100mg/L时,除浊率达到99.5%,COD去除率为37.9%。方忻兰等用壳聚糖处理含水溶性丝胶蛋白的煮茧废液,在PH7～10条件下,CODcr的去除率可达85%以上,远远高于用碱式氯化铝作絮凝剂的COD去除率(最高54.7%)。　　4.2 纯水制备　　壳聚糖以其天然、无毒、安全性被美国环保局批准为饮用水的净化剂。Muzzarelli等采用交联N-羧甲基壳聚糖为吸附剂从饮用水中有效地去除Pb2+和Cd2+。Murcott等报导:用壳聚糖与膨润土按一定比例(1:5～1:20)配合使用可去除饮用水中颗粒物质、颜色和气味,其中壳聚糖用量仅为0.5～1mg/L。经处理后可使水中浊度由2NTU下降至0.3NTU,pH由7.2下降至7.0,碱度(以CaCO3计)去除17%,色度去除96%～100%。许多学者的研究表明,将壳聚糖作为给水处理用絮凝剂,比传统絮凝剂有更多优势。