综述：多糖：食品保鲜中的天然守护者

《Molecules》：Polysaccharides: Nature’s Guardians of Freshness in Food Preservation Amanullah Sabir, Sadaqat Ali, Muhammad Zubair Khalid, Ashoka Shankarappa, V. J. Sangeetha, Samreen Ahsan, Anand Kumar, Kamran, Kit-Leong Cheong and Saiyi Zhong

　　

多糖是由多个单糖单元通过糖苷键连接而成的结构多样的生物聚合物。其复杂性、生物降解性和功能多功能性使其不仅成为生物系统的组成部分，也成为现代工业应用的核心。这些源自植物、真菌、海洋生物、动物和微生物的天然聚合物表现出广泛的生物活性，包括抗氧化、抗菌、免疫调节和理化保护功能。在食品保鲜领域，多糖作为合成防腐剂和传统包装材料的可持续替代品，已引起广泛关注。本综述总结了影响多糖功能性能的分类和结构属性，特别是其清除自由基、抑制食源性病原体和形成保护性屏障系统的能力。重点强调了它们在可食用薄膜、涂层和封装系统中的应用，这些应用增强了水果、蔬菜、肉类、乳制品、饮料和烘焙产品的保质期。此外，还讨论了与稳定性、感官影响和法规合规性相关的挑战。总体而言，多糖作为生态友好的生物活性包装剂和控释载体，显示出巨大的潜力，有助于实现更安全、更绿色和更可持续的食品保鲜技术。

1. 引言

多糖是高分子量的生物聚合物，由重复的单体单元通过糖苷键连接而成，是构成生物大分子的重要类别之一。由于其生物降解性、生物相容性、可再生性和多功能特性，多糖在食品科学领域备受关注。它们能够形成可食用的薄膜和涂层，作为水分和气体传递的物理屏障，并作为生物活性剂的载体，发挥抗菌和抗氧化作用，从而提高易腐食品的质量和保质期。随着对传统合成防腐剂和石油基包装材料环境与健康问题的日益关注，基于多糖的薄膜和涂层已成为可持续食品技术中具有前景的解决方案。此外，多糖还具有超越结构和屏障作用的生物活性功能，如免疫调节和代谢调节，这些功能通常与其分子量、链构象和特定化学结构密切相关。本文的范围涵盖了多糖在食品保鲜中的全面考察，强调了一个以结构-功能为导向的框架，分析了来自植物、微生物、海洋和动物等不同来源的多糖，并将其分子结构与在封装系统、可食用薄膜、涂层和活性食品包装应用中的性能联系起来。

2. 功能性多糖的来源、类型与组成

功能性多糖来源于多种天然生物资源，每种来源都提供了独特的化学结构和物理化学性质。

2.1 植物源多糖

植物源多糖因其可持续性、低成本和广泛的自然可用性而成为最大且开发最深入的一类。这包括果胶、纤维素、淀粉、植物胶和阿拉伯半乳聚糖。果胶主要从柑橘皮和苹果渣中提取，具有良好的凝胶化和成膜性能；纤维素及其纳米衍生物（如纳米纤维素）则因其优异的机械强度和阻隔性能而备受关注；淀粉作为一种丰富的可再生资源，通过与增塑剂或其他生物聚合物的共混来改善其脆性和湿度敏感性。植物胶（如瓜尔胶、刺槐豆胶）和亚麻籽胶等则在涂层中表现出良好的增稠、乳化和抗氧化特性。

2.2 真菌与蘑菇多糖

真菌和食用菌是功能性多糖的重要来源，主要包括几丁质、β-葡聚糖、甘露蛋白和胞外多糖（EPS）。壳聚糖（几丁质的衍生物）因其固有的抗菌活性和成膜能力而被广泛研究。酵母和蘑菇中的β-葡聚糖则以其显著的免疫调节和抗氧化功能著称，将其纳入可食用薄膜可增强对氧化降解和微生物腐败的保护性能。

2.3 海洋源多糖

海洋生态系统，特别是海藻，是结构多样且具生物活性多糖的丰富来源。褐藻中的海藻酸盐具有良好的凝胶能力和生物相容性；红藻中的卡拉胶和琼脂是优良的凝胶剂和成膜基质；而岩藻聚糖硫酸酯（Fucoidan）则因其强大的抗氧化、抗病毒和抗菌活性，成为活性食品保鲜系统中的潜在功能性成分。

2.4 动物与微生物多糖

这一类主要包括壳聚糖、透明质酸和黄原胶。壳聚糖主要通过甲壳素脱乙酰化获得，具有广谱抗菌性和成膜性，常与精油或纳米颗粒结合用于活性包装。透明质酸凭借其优异的持水能力，可用于新鲜农产品的涂层。黄原胶则由野油菜黄单胞菌发酵产生，用于改善生物降解薄膜的弹性和机械强度。

3. 多糖的分类

多糖可根据生物来源（植物、动物、微生物）或生物学功能进行分类，主要分为储存多糖和结构多糖。

3.1 基于生物学功能的分类

3.1.1 储存多糖

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  淀粉：植物中的主要储存多糖，由直链淀粉（线性α-1,4糖苷键）和支链淀粉（含α-1,6分支）组成。天然淀粉常需通过物理、酶法或化学改性（如辛烯基琥珀酸酐OSA改性）来增强其功能稳定性。
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  糖原：动物体内的葡萄糖储存多糖，具有高度分支的结构，允许快速动员能量。糖胺聚糖（如透明质酸、肝素）也属于此类，其硫酸化程度影响电荷密度和功能。
  3.1.2 结构多糖
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  纤维素：植物细胞壁中最丰富的结构多糖，由β-1,4糖苷键连接的葡萄糖线性链构成，形成紧密堆积的微纤丝。通过化学改性可得羧甲基纤维素（CMC）和微晶纤维素（MCC）。
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  半纤维素：存在于植物细胞壁中的异质性多糖群体，包含木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡甘露聚糖等，具有持水、益生元活性和乳化特性。
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  几丁质：由N-乙酰-D-葡糖胺通过β-1,4糖苷键连接而成，存在于节肢动物外骨骼和真菌细胞壁中。其脱乙酰化产物壳聚糖因在酸性条件下的溶解性和反应性官能团（羟基、氨基）而应用广泛。

4. 多糖介导食品保鲜的功能性生物活性及机制

4.1 抗氧化生物活性与氧化稳定性

多糖通过其化学结构中的羟基（-OH）、羧基、硫酸基和氨基等官能团，能够捐赠电子或氢原子以清除自由基，并能螯合金属离子（如Cu²⁺、Fe²⁺）以防止脂质氧化。此外，多糖可通过激活核因子E2相关因子2（Nrf2）/抗氧化反应元件（ARE）信号通路，上调超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等内源性抗氧化酶的基因表达，从而增强细胞的抗氧化防御系统。

4.2 抗菌生物活性与微生物控制

带正电荷的多糖（如壳聚糖）可通过静电相互作用破坏带负电的微生物细胞膜，导致细胞内含物泄漏和细胞死亡。多糖涂层还能作为物理屏障，限制气体扩散并阻止微生物附着与定植。此外，多糖基质可作为载体，通过控制释放抗菌剂（如精油、有机酸）来抑制食源性病原体（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌）和腐败菌的生长。分子量和电荷密度是决定其抗菌效力的关键因素。

4.3 理化功能与综合保鲜效果

除了生物活性，多糖还通过其成膜和凝胶形成的理化机制直接影响食品稳定性。它们作为选择性屏障，减缓氧气和水分的转移，延缓氧化和脱水。同时，多糖基质作为输送系统，可实现抗氧化剂、抗菌剂和益生菌的控释，并通过提高持水能力、粘度和乳化稳定性来维持食品的质地和口感。

4.4 多糖薄膜传输与阻隔性能的机理方面

多糖薄膜的质量传递遵循溶液扩散传输机制。亲水性多糖对水蒸气具有高亲和力，导致在高湿度环境下水蒸气透过率（WVP）增加。阻隔效率受结晶度、聚合物链堆积密度和氢键作用的影响。添加增强剂（如纳米纤维素）可增加迷宫因子（τ），延长渗透分子的扩散路径。此外，相对湿度诱导的塑化效应会破坏分子间氢键，增加链迁移率和自由体积，从而显著影响薄膜的阻隔性能。

5. 多糖在食品保鲜中的应用

5.1 可食用薄膜与涂层

基于多糖（如壳聚糖、海藻酸盐、果胶、卡拉胶和淀粉）的可食用薄膜和涂层通过调节水分和氧气传递，充当保护屏障。这些薄膜还可作为活性包装系统，通过包埋精油、有机酸、酚类物质等生物活性剂，实现持续释放，从而增强长期保鲜效果。

5.2 各类食品体系中的货架期延长

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  新鲜果蔬：海藻酸盐/纤维素纳米纤维涂层可降低蓝莓的呼吸速率和水分损失；卡拉胶涂层可延缓木瓜的成熟并维持硬度。
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  肉与海鲜：壳聚糖和复合多糖涂层能有效抑制脂质氧化和肌红蛋白氧化，抑制微生物增殖，维持色泽和持水力。
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  乳制品与饮料：多糖主要作为稳定剂，防止相分离，保护益生菌和敏感生物活性化合物。
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  烘焙与即食食品：魔芋葡甘聚糖（KGM）及其衍生物能改善面包的持水性，延缓淀粉回生和面包芯硬化。
  5.3 多糖作为输送载体
  多糖被广泛用于精油、抗氧化剂、酶和益生菌的微胶囊化和纳米封装。通过离子凝胶、喷雾干燥等技术，多糖基纳米输送平台可实现活性成分的受控释放，提高其在食品表面的局部浓度，减少添加剂用量。

6. 挑战与局限性

尽管多糖具有巨大潜力，但在实际应用中仍面临多重挑战。首先是感官影响，涂层可能导致产品表面出现蜡样外观或改变质地和风味释放，影响消费者接受度。其次是经济与规模化限制，从实验室的小批量铸造过渡到工业级的挤出、喷涂和卷对卷加工，在粘度控制、干燥动力学和产品均匀性方面存在技术瓶颈，且提取纯化成本较高。第三是法规与食品安全问题，不同司法管辖区对多糖作为食品添加剂、可食用涂层或包装材料的定义和审批流程存在差异，特别是对于化学改性或复合系统。第四是稳定性问题，多糖基薄膜通常具有高透湿性，在潮湿环境或高水分食品中易溶胀、溶解或失去结构完整性。最后是天然多糖组成的变异性，由于物种、生长条件、收获时间和提取方法的不同，导致分子量、单糖组成和取代度的批次间差异显著，缺乏标准化的评价框架阻碍了质量控制和工业放大。

7. 未来展望与新兴趋势

未来的研究将集中在几个关键方向：一是智能与活性包装系统的发展，利用多糖基质响应pH、温度或微生物活动的变化，集成新鲜度指示剂和气体清除剂。二是纳米多糖和纳米复合生物薄膜的应用，利用纤维素纳米晶体、壳聚糖纳米粒子等增强薄膜的机械强度和阻隔性能。三是循环经济导向，利用农业工业残渣、食品加工副产品和海洋生物质生产功能性多糖，减少环境影响。四是协同系统，将多糖与精油、抗菌肽结合，通过封装技术降低挥发性成分的感官冲击并实现控释。五是绿色提取与生物加工技术的整合，采用酶辅助提取、脉冲电场和亚临界水提取等环境友好型方法，以支持可持续的大规模生产。

8. 结论

多糖作为多功能的天然大分子，凭借其结构多样性、功能多效性和广泛的生物活性，在食品保鲜中扮演着“天然守护者”的角色。它们作为可食用薄膜和涂层中的水分与氧气屏障，作为生物活性化合物的载体，以及作为质地稳定剂，在维持食品质量和延长货架期方面表现出色。尽管面临天然变异性、生产成本和法规挑战，但随着提取技术、改性方法和纳米工程的进步，多糖有望在实现更安全、更绿色和更可持续的食品保鲜系统中发挥核心作用。