微波加熱制備羧甲基殼聚糖的工藝及其產(chǎn)品對水果的保鮮效果

賈榮仙，張曄，疏瑞文，祝令穩(wěn)

(安徽理工大學(xué) 化工學(xué)院，安徽 淮南 232001)

羧甲基殼聚糖(CMCS)是殼聚糖(CTS)醚化改性后的重要產(chǎn)品之一。產(chǎn)品具有良好的理化性質(zhì)，無毒、無害、綠色環(huán)保、生物降解性好[1]，而且與CTS相比，其具有更好的抗氧化、抗菌等活性，以及阻氧、保濕、透氣和成膜性。將其溶解后，涂膜在食品表面成膜，用于食品保鮮，作為保鮮劑，具有安全、無毒和抑菌等性質(zhì)[2-3]，在可食性保鮮劑和涂膜保鮮領(lǐng)域，具有無可比擬的優(yōu)越性。

櫻桃不僅營養(yǎng)豐富，富含蛋白質(zhì)、糖、磷、胡蘿卜素、維生素C等營養(yǎng)元素[4]，而且含鐵量非常高，但櫻桃屬于漿果，含水量高、皮薄、組織十分嬌嫩，采摘后極易發(fā)生失水、腐爛、褐變等品質(zhì)下降的問題，不耐貯運，在常溫下只能存放1～2 d，即使在0 ℃下包裝儲藏，保鮮壽命也只有5 d左右。為延長櫻桃的銷售期，櫻桃貯運和保鮮技術(shù)非常重要。本文研究了不同濃度的CMCS的保鮮膜的保鮮效果，為CMCS應(yīng)用于果蔬保鮮提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

CTS(分子量為300萬，脫乙酰度為90%)，購于山東奧康生物有限公司；十二烷基苯磺酸鈉、氯乙酸、乙醇(95%和80%)、NaOH、無水甲醇、醋酸、硫酸、二苯胺均為分析純；酚酞指示劑；當(dāng)日采成熟度為100%新鮮紅燈櫻桃(安徽淮南當(dāng)?shù)禺a(chǎn)櫻桃，個頭適中，硬度均勻)。

FA1104N型電子天平；BCD-535WKZM型電冰箱；G70F20CN1L-DG(BO)型微波爐；PHS-25型酸度計；Nicolet Nexus型傅里葉變換紅外光譜儀；DZF-6050型真空干燥箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 CMCS粗產(chǎn)品的制備方法[5-9]稱取一定量的CTS粉末，放入500 mL三口燒瓶中，依次加入預(yù)先配制40%的NaOH溶液、十二烷基苯磺酸鈉(相轉(zhuǎn)移催化劑)，在-18 ℃的冰箱中堿化過夜，濾去NaOH，加入適量的異丙醇和氯乙酸，攪拌均勻后，將體系放入微波爐中反應(yīng)一段時間。反應(yīng)完成后取出冷卻、過濾，所得產(chǎn)品為油狀液體和白色固體的混合物，將混合物過濾，得粗產(chǎn)品。合成路線見下式。

1.2.2 以CTS為原料制備CMCS的反應(yīng)原理 在高濃度的NaOH溶液中，CTS與氯乙酸發(fā)生羧甲基化反應(yīng)，制備出CMCS，反應(yīng)體系中發(fā)生的化學(xué)主要反應(yīng)方程式如下：

CTS結(jié)構(gòu)中的兩個 —OH和 —NH2理論上都能發(fā)生羧甲基化反應(yīng)，但兩個基團所處的位置及電負性大小不同，因此反應(yīng)活性不同。氧的電負性大于氮的電負性，所以 —OH親核反應(yīng)速率大于 —NH2，伯醇反應(yīng)速率大于仲醇，所以羧甲基化反應(yīng)首先發(fā)生在C6上，又因為仲醇上的氫原子能與 —NH2上的未共用的電子對形成氫鍵，使C3上的仲醇上的氫不易離去，因此羧甲基化反應(yīng)首先發(fā)生在殼聚糖的伯醇基C6上。

1.2.3 CMCS的產(chǎn)品精制 將CMCS粗產(chǎn)品在室溫下充分溶于500 mL蒸餾水中，用醋酸調(diào)節(jié)pH至中性，析出大量白色絮狀沉淀，真空抽濾后，再分別用無水乙醇及丙酮清洗幾次，在60 ℃下真空恒溫干燥得到精制的CMCS。

1.3 CMCS產(chǎn)品的測試

1.3.1 紅外光譜測試 采用傅里葉變換紅外光譜儀對CTS原料與提純后的CMCS進行測試，KBr壓片。

1.3.2 CMCS產(chǎn)品取代度的測定 準(zhǔn)確稱取0.5 g CMCS產(chǎn)品，溶于250 mL的容量瓶中，向容量瓶中移取50 mL 0.1 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液，振蕩，使羧甲基殼聚糖完全溶解，制成0.1 g/mL的CMC溶液。再用0.1 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液進行滴定，一邊滴定一邊測定溶液的pH值，當(dāng)pH=2.1時，記下NaOH的用量，當(dāng)pH=4.3時，記下NaOH的用量。計算產(chǎn)品的取代度，見下式。

(1)

(2)

式中V1——pH值為2.1時滴定所消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V2——pH值為4.3時滴定所消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

W——樣品質(zhì)量，g；

M——NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；

DS——羧甲基殼聚糖的取代度，%；

A——每克樣品中羧甲基物質(zhì)的量，mmol；

0.203——每個葡萄糖殘基的物質(zhì)的量，mmol；

0.058——每毫克當(dāng)量的羧甲基質(zhì)量，g。

1.4 CMCS產(chǎn)品保鮮性能測定

將采摘后的櫻桃洗干凈后，隨機分成4組(含空白對照組)，每組5個果實，這4組分別用0，0.5%，1.0%，1.5%的CMCS溶液浸泡5 min，晾干后放入培養(yǎng)皿中，貼好標(biāo)簽后晾干，將處理好的櫻桃放入保鮮袋封好，保鮮袋用針扎兩個孔，然后置于冰箱內(nèi)6 ℃下保存，每隔5 d觀察并稱重1次，測定失水率。失水率的測定見下式。

式中P——櫻桃失重率，%；

G0——貯藏前初始質(zhì)量，g；

G——貯藏后測定質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 CTS與CMCS產(chǎn)品的 FTIR分析

采用KBr壓片法，對原料CTS和產(chǎn)品CMCS進行紅外光譜分析，結(jié)果見圖1。

由圖1 CTS和CMCS的紅外光譜對比可知，在1 600.90 cm-1出現(xiàn) —COOH反伸縮峰，1 419.07 cm-1出現(xiàn) —COOH對稱伸縮振動峰，由此可以推斷出，殼聚糖已經(jīng)成功地發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。

圖1 CTS和CMCS的紅外譜圖Fig.1 Infrared spectrum of chitosan and CMCS

2.2 CMCS產(chǎn)品取代度分析

通過優(yōu)化CMCS的工藝參數(shù)，采用最佳工藝參數(shù)制備的CMCS產(chǎn)品，測得產(chǎn)品的取代度為81%。

2.3 CMCS的保鮮效果[10-11]

不同濃度CMCS保鮮劑對櫻桃失重率的影響見圖2。

圖2 不同濃度CMCS保鮮劑對櫻桃失重率的影響Fig.2 Effect of different concentrations of CMCS preservative on the weight loss rate of cherries

由圖2可知，在櫻桃表面浸漬成膜、晾干后，有利于櫻桃的防腐保鮮，CMCS濃度在0.5%～2%的涂膜對櫻桃都具有明顯的保鮮作用，而且保鮮作用在CMCS濃度<1%時，隨著CMCS濃度的增加而增強。濃度超過1%后，繼續(xù)增加CMCS的濃度，櫻桃失重率降低不明顯，CMCS對櫻桃的保鮮效果沒有明顯增加，反而略有下降。

2.4 保鮮機理分析

將實驗制備取代度最高達81%的精制CMCS產(chǎn)品溶解后，通過浸漬，涂在櫻桃表面，晾干后可在櫻桃表面形成保鮮薄膜，此膜對氣體有選擇透過性，阻隔了大氣中O2的滲入，誘導(dǎo)果蔬熟化的乙烯可以透出，果蔬所產(chǎn)生的CO2不會逸出，調(diào)節(jié)果蔬采摘后的生理代謝。與CTS相比，CMCS分子結(jié)構(gòu)中由于羧基化親水基團取代，親水性增加，水溶性進一步增強，同時具有較強的吸濕性。采用CMCS作為果蔬保鮮劑，需要考慮當(dāng)果蔬存放于干燥環(huán)境下果蔬內(nèi)部水分由于CMCS的強吸濕性而被吸附，果蔬水分的減少，一方面可以降低果蔬水分活度，避免微生物的污染而腐爛變質(zhì)；另外一方面導(dǎo)致果蔬脫水而導(dǎo)致皺縮率增加，從而達到保鮮效果。

3 結(jié)論

(1)以CTS為原料，在NaOH強堿溶液中，微波加熱條件下，使其與氯乙酸發(fā)生醚化反應(yīng)，制得羧甲基殼聚糖的主要產(chǎn)物為N，O-羧甲基化殼聚糖，取代度最高可達81%。

(2)將實驗制得的CMCS溶解后，浸漬漿果櫻桃，成膜晾干后，明顯能夠延長櫻桃的保質(zhì)期，0.5%的CMCS與可溶性淀粉的復(fù)合膜保鮮效果較好，最高可延長櫻桃保鮮期在40 d以上。

(3)復(fù)合膜的保鮮機理在于復(fù)合膜具有較強的吸濕性，同時能夠阻隔O2的滲入，避免微生物的污染而腐爛變質(zhì)，抗果蔬防皺。