水产品保鲜一直是研究的热点问题，可分为冷藏保鲜和冷冻保鲜，主要的保鲜方法有物理保鲜、化学保鲜和生物保鲜。虽然这些方法都能达到一定的保鲜效果，但存在的弊端和不能在实际生产中工业化使用的局限性也不容忽视。例如气调包装保鲜需要充注不同比例的气体，调控技术复杂、成本高昂，而且气体比例失衡会影响产品品质，带来安全隐患[1]；辐照保鲜技术目前在国内外发展较快，效率高且耗能低，但超过一定的辐照剂量不可避免地会导致食品营养成分的变化[2]；臭氧处理被许多国家认为是一种很好的保鲜方法，受控条件下也是一种安全的消毒剂，实际应用中臭氧浓度过高会给食品品质带来负面效应，难以掌控[3]；使用SO2、CaO2等化学药剂保鲜虽价格低廉，但食品表面的药剂残留给人们的健康带来风险[4]。生物保鲜剂是从自然界中直接提取或利用生物工程技术改造而得到的一类保鲜剂，按照成分可分为酚类、多糖类、肽类、细菌素、酶类等化合物，其中酚类是从植物中提取且容易氧化，酶制剂虽然来源丰富但对革兰氏阴性微生物不敏感[5-6]。
天然多糖作为一种来源广泛、提取技术成熟、环境友好型的生物活性物质已发展为保鲜研究的热门方向，广泛应用于水产品、肉类、蔬菜、菌菇类等食品的保鲜。目前在水产品冷藏保鲜中应用较多的有壳聚糖(chitosan)、海藻酸钠(sodium alginate)、普鲁兰多糖(pullulan)，这种保鲜技术无化学残留、无污染、安全性高，适合各种规模的生产方式，保鲜的同时具有良好的保健功能，满足消费者对健康的需求和社会的可持续发展。因此，本文阐述了天然多糖在水产品冷藏中的保鲜机理，创新性地总结了其应用型式，并提出了该领域今后研究的发展方向，以期为水产品冷藏保鲜技术的进步提供参考。
1 天然多糖保鲜剂的种类
天然多糖是一种天然可再生的绿色高分子化合物，其分布遍及自然界，按照来源可分为植物源多糖、动物源多糖和微生物源多糖，但在水产品冷藏保鲜中研究较深入的多糖种类屈指可数。植物源多糖包括纤维素(cellulose)、藻类多糖、部分亲水胶体和其他植物提取多糖等；动物源多糖包括壳聚糖、蜂胶(propolis)等；微生物源多糖包括由出芽短梗霉发酵所产生的普鲁兰多糖和由野油菜黄单胞杆菌以碳水化合物为主要原料(如玉米淀粉)经发酵工程生产的黄原胶(xanthan)等，具体如表1所示。
表1 部分天然多糖保鲜剂在水产品冷藏保鲜中的应用
Table 1 Application of some natural polysaccharide preservatives in aquatic products refrigeration
分类保鲜剂保鲜对象保存温度/℃保存时间/d文献植物源多糖海藻酸钠+羧甲基纤维素带鱼412[8]海藻酸钠+薄荷精油鳙鱼片4±116[9]海藻胶杂色蛤-330[10]蒲公英多糖凡纳滨对虾410[11]果胶+丁香精油鲷鱼片415[12]桃胶多糖白虾410[13]动物源多糖壳聚糖+玉米淀粉+VC虾蛄46[14]壳聚糖-氨罗非鱼/1[15]壳聚糖虹鳟鱼4±116[16]乌贼墨多糖鱿鱼0～41[17]蜂胶扇贝、沙棘鱼片、虹鳟鱼片、沙丁鱼片0±1、3、4±1、3±15、24、14、15[18-21]微生物源多糖普鲁兰多糖白虾012[22]黄原胶鲤鱼、罗非鱼0～2、46、21[23-24]
天然多糖大都具有良好的抑菌性、成膜性等性质，对二氧化碳和氧气也有选择渗透性[7]。为了增强天然多糖的保鲜效果，解决部分多糖有效成分含量低，抑制菌种单一的问题，有相关研究将天然多糖之间和与其他酚类、酸类、精油等物质进行混合,形成新型复配保鲜剂。
2 天然多糖保鲜剂的保鲜机理
天然多糖类物质含有羟基、羰基、氨基等亲水性基团，亦包含大量氢键，通过分子间的氢键作用将会使天然高分子协同作用增强，形成稳定的网络结构，产生良好的相容性形成可食性膜[25]。一般而言，成膜大分子的极性越强，膜溶液的黏性越高，所成膜的结构也越紧密[26]。这种致密的网状结构可以阻隔氧气、水蒸气等物质的迁移。
水产品本身性质特殊，其出水后会由于微生物和酶(内源性蛋白酶、胞外酶等)的作用迅速腐败变质，保质期相对较短[27-29]。天然多糖具有良好的保水性、隔氧性、成膜性等理化性质和抑菌性、抗氧化性等生物活性[30-31]，这些性质能够抑制细菌增长及酶的活性，延缓脂质氧化并防止汁液流失，并且进一步抑制蛋白质、脂质等组分之间的相互作用，保持水产品新鲜的质量，延长保质期(图1)。
图1 天然多糖在水产品冷藏中的保鲜机制
Fig.1 Preservation mechanism of natural polysaccharides in aquatic products refrigeration
2.1 抑菌作用
天然多糖良好的成膜性可以阻止外源微生物的污染，同时其抗菌活性光谱较广泛，可以破坏细菌的细胞壁和细胞膜，增加细胞通透性，使其内部结构损伤、细菌成分分解，降低与水产品组分的相互作用，从而造成细菌死亡[32]。林斌[33]研究山药多糖(yam polysaccharide)对冷藏罗非鱼抑菌效果的影响，随着冷藏时间的延长，对照组的菌落总数(total viable counts，TVC)在第7天达到了6.12 lgCFU/g，超出了可食用值(6 lgCFU/g)，并且随着山药多糖浓度的增加，TVC明显减少。
在水产品贮藏过程中，细菌繁殖过程中的代谢产物会将蛋白质分解，天然多糖使细菌的增长受到抑制，则细菌对蛋白质的分解作用也会被抑制。邢晓亮等[34]采用海藻酸钠涂膜处理冰温大黄鱼后，其TVC和产H2S菌上升趋势较平缓，对照组在第10天挥发性盐基氮值(total volatile basic nitrogen，TVB-N)达到了限定值(29.8 mg/100g)，而1.5%海藻酸钠处理的冰温大黄鱼货架期延长至29 d。
2.2 抑制酶的活性
虾是很受人们喜爱的一种水产品，但新鲜的虾死后，体内的多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)会被激活发生酶促褐变生成黑色素，即常见的虾头部分黑变[35]。天然多糖可以通过与酪氨酸酶活性中心以外的氨基酸残基结合并且清除过氧自由基终止自由基链的发生[36]。BAO等[37]、丁小梅等[38]发现了多糖与酪氨酸酶之间是通过非共价键可逆结合的，多糖的抑制只会使酶活力降低，对有效酶量没有影响，属于非竞争性抑制。熊青等[39]对比了壳聚糖、溶菌酶、柠檬酸等不同保鲜剂对冷藏南美白对虾的保鲜效果，结果发现1.5%壳聚糖在贮藏前期对PPO有一定的抑制作用，减缓了黑变的发生，但第8天时抑制作用减弱，相对酶活力上升到62.83%。也有学者发现天然多糖对PPO的抑制作用并不明显。LI等[40]研究从藻类中提取紫菜多糖(porphyra yezoensis polysaccharide)和多酚对太平洋白虾冷藏品质的影响，与对照组(相对活性72.5%)相比，紫菜多酚组及复合组的PPO相对活性明显低于对照组，但紫菜多糖组的PPO相对活性无显著差异。
有研究报道，组织蛋白酶和钙蛋白酶等内源性酶活性与鱼类死后蛋白水解和结构降解有着密切的关系[41]，过氧化物酶、脂氧合酶等酶促氧化是脂质氧化启动和传播的主要机制[28]。天然多糖对这些酶类也有抑制作用，但相关研究较少且抑制机制尚不明确。YU等[42]探究了壳聚糖对保存于4 ℃的草鱼鱼片内源酶活性的影响，研究表明壳聚糖对组织蛋白酶B、组织蛋白酶B+L和钙蛋白酶活性的抑制效果显著，最大降幅分别能达到58%、65%和41%，减弱了蛋白质的水解，改善了冷藏草鱼鱼片的质量。
2.3 减缓脂质氧化
天然多糖可以抑制活性氧自由基的生成，其分子质量和分子结构中糖醛酸含量皆可影响天然多糖的抗氧化能力，但机制尚不清楚[43]。除了优异的抗氧化活性，天然多糖之间成膜后还可以阻隔氧气，进一步抑制水产品中的脂质氧化反应。VOLPE等[44]发现虹鳟鱼片冷藏15 d后，对照组的饱和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)为(27.44±1.5)%，卡拉胶处理组的SFA为(24.43±0.9)%，卡拉胶有助于保持整个贮藏期间的SFA水平低于对照组，并减缓了单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的下降趋势，这可能是由于卡拉胶涂层对氧的保护屏障作用，减缓了虹鳟鱼片的脂质氧化。BAO等[45]也证实了蒲公英多糖(dandelion polysaccharide)处理南极磷虾可以降低其SFA含量，且不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acid，UFA)含量没有明显变化。EBADI等[46]报道了日本金线鱼片在冷藏期间由于鱼的部分脱水和UFA氧化的增加导致2-硫代巴比妥酸反应性物质的增加，壳聚糖和蜂胶可抑制这种现象并且减少游离脂肪酸的产生，壳聚糖和蜂胶之间存在正向协同作用。
此外，脂质和蛋白质的氧化是由相同的化合物催化的，这些过程可以独立或并行发展。这两个过程可以相互作用，脂质氧化产生的自由基、氢过氧化物和二级化合物等中间体可与蛋白质发生反应，形成更多的羰基和巯基，导致蛋白质功能丧失。脂质氧化过程中形成的醛能与蛋白质中的氨基相互作用，形成希夫碱产物，影响蛋白质的溶解性和疏水性等功能特征[28-29]。
2.4 防止汁液流失
水产品中的水可分为结合水、截留水和游离水，其中大部分存在于肌肉和肌肉细胞结构中，被截留的水受到环境因素的影响，可能会成为游离水，因此在贮存过程中容易造成汁液损失[25]。天然多糖分子中的羟基、羧基等极性基团对水分子具有很强的作用力，多糖之间致密的网状结构也可以阻止部分水分流失[47]。李佳艺等[48]采用壳聚糖复合保鲜液处理草鱼，发现相比于对照组，保鲜组的汁液流失率上升缓慢，壳聚糖膜的保水性可以减轻鱼肉中水分、蛋白质、无机盐等营养成分的流失，延缓其品质败坏进程。也有研究表明，水分子被镶嵌在蛋白质的三维网状结构中，当这种结构受到破坏时，水产品的持水力会随之降低，因此抑制蛋白质的消极变化也能增强水产品持水性能[49]。
3 天然多糖保鲜剂的应用形式
3.1 保鲜冰
水产品极易腐烂，捕获后不久质量便迅速下降。温度是影响海鲜保质期的关键参数，但不能完全抑制水产品基质中的微生物反应。因此将天然多糖保鲜剂与冰结合制成，二者共同发挥抑制微生物生长、脂质氧化和内源性酶活性的作用，进而延缓水产品腐败变质。ABHIRAMA等[50]以三聚磷酸酯为交联剂，采用离子凝胶法制备了抗菌活性效果更好的壳聚糖纳米粒子，随后制成1 g/L的纳米壳聚糖溶液，冷冻后制成纳米壳聚糖分散的冰块，将冰块和罗非鱼放在聚苯乙烯盒中保存72 h不换冰。结果表明，纳米壳聚糖冰保鲜的最佳鱼冰比例为1∶0.75，且当冰融化时，只要温度低于室温，纳米壳聚糖抑制微生物生长和酶活性的能力可以继续保持，这种方法相对于传统自来水冰减少了25%的用冰量。
保鲜冰正在发展为传统自来水冰的替代冰，冰融化后保鲜剂仍具有保鲜功能，因此可以减少频繁更换融化冰的工序，提高效率。但在保藏水产品时保鲜冰鱼比例、换冰时间的控制仍没有明确的依据和标准。此外，制冰过程是否会对天然多糖的有效活性成分产生负面影响、冰融化后天然多糖的保鲜效果和在水产品中的渗透效果是否会减弱还有待研究。
3.2 可食性膜
可食性膜是食品活性包装的一种，具有环保可降解、健康无污染的特点，现是食品包装领域研究的热点问题，有望成为传统塑料包装的替代品。天然多糖可食性膜是以天然多糖为基质，加入增塑剂、抑菌剂、抗氧化剂、乳化剂等物质，经过一定的处理工序使不同成膜剂分子间产生相互作用，干燥后形成的安全无毒可食用膜,根据生产工艺不同可分为涂膜和薄膜(图2)。多糖类的可食性膜均匀透明，具有一定选择透过性、力学性能、光学性能和阻隔性能，但水蒸气透过率较高，可加入其他物质制备复合膜来弥补这一缺点[52]。天然多糖可食性膜的主要功能是将食品与周围环境分离，减少与腐败因子(如微生物、水蒸气、氧气和异味)的相互作用，避免理想化合物(如芳香物质)的损失，从而延长食品的货架期。现今大多数研究中可食性膜的制备和性能测试均是在常温下，关于水产品低温保存环境中温度、湿度对可食性膜特性影响的研究十分匮乏，因此，适合低温的可食性膜制备、检测及其加工系统的商业化等一系列问题有待研究[53]。
图2 涂层和薄膜生产示意图[51]
Fig.2 Schematic representation for production of coatings and films
3.2.1 涂膜
保鲜涂膜作为一种保证冷藏期间水产品质量的安全且环保的工艺正日益受到关注。在应用时浸泡法操作简单、对样品的形状要求低，鱿鱼[17]、贝类[18]等不规则水产品也适用，是如今首要的涂膜方式。另外，处理样品时天然多糖质量浓度大约是0.5～40 g/L，浸泡时间通常在30 s～2 h，沥干时间一般为10 s～1 h。HAMZEH等[54]将虹鳟鱼片在30 g/L海藻酸钠溶液中浸泡1 min，沥干30 s后浸入20 g/L的CaCl2水溶液中30 s，通过与多价金属离子的交联反应有助于其形成强力凝胶。实验数据显示虹鳟鱼片在(4±2) ℃冷藏20 d过程中，海藻酸钠涂层能有效地保护鱼片的质量特性，抑制细菌生长，延长其货架期，并提高虹鳟鱼片的整体感官值。
也有学者在研究整鱼或鱼片保鲜时采用直接涂抹的方式。MERIAM等[55]将质量分数为0.2%和0.5%的壳聚糖微粒涂料直接均匀涂布在金头海鲷鱼片的肌肉侧，并单独使用真空包装，然后放在带有片冰(质量比1∶1)的聚苯乙烯盒中，2～4 ℃冷藏24 d。研究结果表明，该涂料可以有效地保持真空包装鱼片冷藏期间的质量，抑制细菌生长，抑制pH的升高等，同时，所有有益影响都对壳聚糖剂量有依赖性，剂量最高的效果更好。DUMAN等[56]将适量的蜂胶水提取物用微移液管添加到鱼片的表面，然后直接用手指对每个样本轻轻按摩，与对照样品相比，加入1 g/L蜂胶水提取物可延长鱼片的货架期约6 d，而加入5 g/L蜂胶水提取物可显著延长鱼片的货架期约12 d。虽然目前有多种可供选择的涂覆方式，但尚无关于不同的涂覆方式是否会对水产品保鲜效果产生不同影响的报道。
3.2.2 薄膜
可食性薄膜也是一种有效的保鲜包装材料，可以直接包裹住需要保鲜的水产品，当下研究最多的多糖类薄膜是壳聚糖，包括单一壳聚糖和含有壳聚糖的复合保鲜剂，并且结合其他保鲜技术加以应用。MERLO等[57]研究壳聚糖薄膜中加入粉胡椒渣提取物，并结合气调包装(100%CO2)处理去皮三文鱼片。在 2 ℃ 下冷藏28 d的过程中，含有粉胡椒渣提取物的壳聚糖薄膜具有较高的抗菌活性，有效地减少了菌落总数,控制风味，较好地保持三文鱼鱼片的冷藏质量。
可食性涂膜和薄膜在生产工艺上有着细微的差别，其保鲜效果是否亦存在差异也引起了某些学者的关注。VASCONEZ等[58]研究了壳聚糖的抗菌作用与应用工艺的关系，发现壳聚糖在涂膜溶液中的作用大于在固体膜基质中的作用，将三文鱼用1%(质量分数)壳聚糖溶液处理保存3 d后有氧嗜温细菌和嗜酸性细菌分别达到4 lgCFU/cm2和4.5 lgCFU/cm2，而且山梨酸钾、木薯淀粉或两者对壳聚糖的抑菌效果均有拮抗作用。
4 展望
天然多糖作为一种高效环保的保鲜剂，未来在水产品保鲜方面有广阔的应用前景。但目前在水产品冷藏保鲜中有以下几个方面仍需提升：(1)除了壳聚糖、海藻酸钠、普鲁兰多糖等，更多安全无毒、绿色健康的天然多糖待开发并应用到水产品冷藏保鲜中，并且与其他保鲜剂复合是一种比较理想的选择；(2)天然多糖对不同微生物种类的抑菌和抑制酶活性方面的作用机制尚不明确；(3)有研究表明天然多糖的理化性质也是保鲜效果的影响因素之一，但在使用时其浓度、粒径、分子质量等参数参差不齐，缺少最佳范围的研究；(4)可以将天然多糖保鲜剂与电解水冰、气调包装等其他保鲜方式结合，利用多个栅栏因子之间的相互作用来提高水产品质量和保鲜技术水平。
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