殼聚糖金屬鋅衍生物的制備及常溫櫻桃保鮮研究

解勝利 茍建霞 丁宗旺

摘要：殼聚糖作為高分子有機化合物，其本身及其衍生物有著重要的生理活性和生物相容性，它在食品、醫藥等行業有著廣闊的應用前景。通過單因素試驗和正交試驗研究了殼聚糖金屬鋅衍生物的制備工藝，通過傅里葉變換紅外光譜儀測定殼聚糖金屬鋅衍生物的結構，用原子吸收分光光度計測定濾液中金屬鋅的殘余量，確定金屬鋅與殼聚糖的螯合程度。結果表明，制備的最佳工藝條件是pH為5、溫度為50 ℃、反應時間為6 h，用殼聚糖金屬鋅衍生物保鮮櫻桃的最佳濃度為1%。

關鍵詞：殼聚糖；衍生物；櫻桃；保鮮

中圖分類號：O629.12；TS205.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3485-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.039

Preparation of Chitosan Metal Zinc Derivatives and the Application on the Preservation of Cherry at Room Temperature

XIE Sheng-li，GOU Jian-xia，DING Zong-wang

（Department of Chemical Engineering， Binzhou University， Binzhou 256603，Shandong，China）

Abstract：Chitosan is a polymer organic compound and has high compatibility and important biological activity， which has a broad application prospect in food， medicine and other industries. The experiment focused on the technology of chitosan metal zinc derivatives preparation and the properties of transition metal chelate based on the single factor experiment and orthogonal experiment.The determination of chitosan metal zinc derivatives was tested by infrared spectrometer， and the residual amount of zinc metal in leachate was tested by atomic absorbed spectrophotometry.The results showed that the optimal conditions for the preparation were pH 5， temperature 50 ℃ and reaction time 6 h. The optimal concentration of chitosan metal zinc derivatives in the preservation cherry was 1%.

Key words： chitosan； derivatives； cherry； preservation

殼聚糖是通過濃堿處理天然產物甲殼素脫去乙酰基而得到的產物。它是天然多糖中惟一的堿性多糖，作為高分子有機物，已被現代科學稱之為繼糖、蛋白質、脂肪、維生素、礦物質等五大生命要素之后的第六生命要素。殼聚糖及其衍生物在食品、蔬果保鮮、廢水處理、生物醫學、化妝品等領域均有很高的應用價值[1]。大多數殼聚糖金屬衍生物具有良好的抑菌和保鮮性能。殼聚糖具有良好的保濕性、潤濕性、無毒副作用且具有良好的成膜性和較強的抗菌保鮮防腐能力，將殼聚糖涂到果蔬表面后可成膜，此膜具有半透性，對氧氣、二氧化碳、乙烯具有一定的選擇滲透作用，并且還有一定的保水性，特別是一些殼聚糖金屬衍生物有特殊的抑菌性[2-12]。本試驗研究了殼聚糖金屬鋅衍生物的制備工藝及在果蔬保鮮中的應用，期望對殼聚糖金屬鋅衍生物的保鮮作用研究提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

原子吸收分光光度計（美國熱電公司）；傅立葉變換紅外光譜儀（美國熱電公司）；島津分析天平（日本島津有限公司）；SHB循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）；微量移液器（上海安亨微量進樣器廠）。

殼聚糖（脫乙酰度80%～95%）、氫氧化鈉、氯化鋅，以上試劑均為分析純，試驗用水為去離子水。

1.2 試驗方法

1.2.1 殼聚糖金屬鋅衍生物的制備 稱取1.0 g殼聚糖，將其溶解在50 mL 1%的乙酸溶液中，用NaOH溶液調節pH 4，加入1.0 g ZnCl2；將錐形瓶放置在恒溫水浴振蕩器中，設定溫度為50 ℃，反應6 h后取出錐形瓶，滴加丙酮，抽濾，得到略帶微黃色的膠狀固體，放入真空干燥箱中50 ℃烘干，備用。

1.2.2 櫻桃的保鮮試驗[13] 稱取0.5、1.0、1.5、2.0 g殼聚糖金屬鋅衍生物分別溶解在1%冰乙酸溶液中，攪拌溶解，制得質量分數分別為0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的保鮮溶液。挑選表面光滑、色澤明亮、大小一致的櫻桃，用去離子水沖洗幾次之后，將櫻桃浸泡在保鮮溶液中，稍后取出，晾干，編號后放在室溫下觀察。每天測量櫻桃的重量、維生素C（簡稱VC）的含量以及櫻桃的硬度、色澤變化等生理指標。測量每組櫻桃質量，用失重率表示。

失重率=■×100%

將試驗組的櫻桃放入粉碎機，加入10 mL 1%草酸，粉碎，移入分液漏斗，加入20 mL二甲苯脫色，得到下層液體，抽濾，移取1 mL濾液定容到50 mL的棕色容量瓶中。取20 mL待測液，用標定好的2，6-二氯靛酚鈉滴定。

2 結果與分析

2.1 產品表征

通過初步探索性試驗制備得到的殼聚糖金屬鋅的衍生物用KBr壓片法測得紅外光譜（圖1）。光譜圖中在3 448.06 cm-1紅移到3 442.51 cm-1，這表明Zn和N原子之間形成了N-Zn配位鍵；在1 075.08 cm-1紅移到了1 063.41 cm-1，表明-OH也參與了配位。2 881.94 cm-1附近的締合峰變小，但隨著金屬鋅含量的增加而消失。根據原子吸收分光光度計測得濾液中的殘余量和紅外光譜圖分析，表明了試驗的合理性和可行性。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 溶液的pH 稱取0.5 g殼聚糖將其溶解在pH分別為1、2、3、4、5、6的醋酸-醋酸鈉溶液中，完全溶解后加入0.5 g ZnCl2，放置在恒溫水浴振蕩器中，溫度50 ℃，反應6 h后取出，加丙酮沉淀，抽濾，將得到的略帶黃色的膠狀固體真空干燥，取濾液稀釋后用原子吸收分光光度計測定Zn2+殘余量，結果見圖2。由圖2可知，pH對殼聚糖與Zn2+螯合的量有很大影響。在pH 1～5時，濾液中Zn2+的殘余量逐漸減少，即殼聚糖與金屬鋅的螯合量逐漸增加。試驗過程中，pH 5時丙酮的用量少于pH 4的用量，在pH 6時需要的丙酮最少。從有關文獻中查閱到最佳工藝條件的pH大約在4～5。考慮到丙酮的用量，所以選擇pH 4、5、6為正交試驗溶液pH的3個水平。

2.2.2 反應溫度 稱取0.5 g殼聚糖將其溶解在1%的醋酸中，用NaOH溶液調節pH到5，殼聚糖完全溶解后加入0.5 g ZnCl2，放置在恒溫水浴振蕩器中，分別在20、30、40、50、60、70 ℃溫度下反應6 h后取出，加丙酮沉淀，抽濾，將得到的略帶黃色的膠狀固體真空干燥，取濾液稀釋后用原子吸收分光光度計測定Zn2+殘余量，結果見圖3。由圖3可以看出，溫度在20～50 ℃對反應的影響較大，且隨著溫度的升高濾液中的Zn2+的殘余量顯著減少，即與殼聚糖發生螯合反應的越多。但在高于50 ℃時，Zn2+殘余量變化不明顯，考慮到能耗問題，把此條件下的最佳反應溫度選擇為50 ℃。正交試驗中反應溫度的3個水平選擇50、60、70 ℃。

2.2.3 反應時間 稱取0.5 g殼聚糖將其溶解在1%的醋酸中，用NaOH溶液調節pH 5，殼聚糖完全溶解后加入0.5 g ZnCl2，放置在恒溫水浴振蕩器中，溫度50 ℃，依次按反應時間為4、5、6、7、8、9 h取出，加丙酮沉淀，減壓抽濾，將得到的略帶黃色的膠狀固體真空干燥，取濾液稀釋后用原子吸收分光光度計測定Zn2+殘余量，結果見圖4。由圖4可知，在反應時間6、7、8 h時鋅離子的殘余量變化不大，考慮到時間問題，在此條件下最佳反應時間選擇6 h。正交試驗中反應時間的3個水平選6、7、8 h。

2.3 正交試驗結果

對溶液pH、反應溫度、反應時間3個因素，按照3因素3水平設計正交試驗。對試驗結果進行方差分析，確定影響試驗結果的各因素的優先級和最佳工藝。因素與水平見表1，正交試驗結果見表2。由于要求試驗指標鋅的殘余量愈小愈好，所以最佳反應條件為A1B2C1，即在pH 5的醋酸-醋酸鈉溶液中反應溫度為50 ℃，反應時間為6 h殼聚糖與金屬鋅強螯合量最大。由正交試驗中得到的極差的大小可以看出，溶液pH是影響反應程度的重要因素，溫度對反應的影響不大。因此，在實際生產中可適當降低溫度，減少能耗問題。

2.4 櫻桃保鮮

用不同濃度的殼聚糖金屬鋅衍生物的溶液保鮮櫻桃，用殼聚糖和清水作對比試驗。用櫻桃的硬度、色澤、失重率和VC的變化表征殼聚糖金屬鋅衍生物的保鮮效果。

2.4.1 硬度和色澤的變化 通過保鮮期間的觀察，用殼聚糖金屬鋅衍生物和殼聚糖保鮮的果實硬度和色澤的變化不是很明顯，但是清水對照組硬度明顯變小，有的甚至出現了腐爛，櫻桃表面逐漸失去光澤。同時殼聚糖金屬鋅衍生物在櫻桃表面形成的膜較厚，影響櫻桃的外觀。

2.4.2 櫻桃重量的變化 由圖5可以看出，經過殼聚糖鋅衍生物保鮮的櫻桃在保鮮期間失重率的變化與清水對照組有明顯區別。

2.4.3 VC含量的變化 試驗采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定櫻桃果實中VC的含量（圖6）。由圖6可以看出，用殼聚糖金屬鋅衍生物保鮮的櫻桃開始時VC含量先增加，增加的原因可能是購買的櫻桃沒有達到完全成熟。而對照組的櫻桃VC含量開始就減少，試驗組的VC含量變化比較緩慢，說明殼聚糖金屬鋅衍生物的保鮮效果較好。試驗過程中1%殼聚糖鋅衍生物、2%殼聚糖鋅衍生物的保鮮效果沒有明顯的區別，但是2%的殼聚糖金屬鋅保鮮的的櫻桃表面形成的膜較厚，影響外觀，所以保鮮櫻桃的最佳濃度選擇1%的殼聚糖金屬鋅衍生物的溶液。

3 小結

本研究采用殼聚糖與金屬鋅螯合制備殼聚糖衍生物，通過單因素試驗和正交試驗確定了影響制備殼聚糖金屬鋅衍生物因素的主次順序及各項因素的最佳條件。通過正交試驗得到最佳制備條件為pH 5、反應溫度為50 ℃、反應時間為6 h。各因素影響的主次順序為pH>反應時間>反應溫度。用制得的殼聚糖金屬鋅衍生物保鮮櫻桃的最佳濃度為1%。

參考文獻：

[1] 蘇秀榕，李太武，曾名勇.用殼聚糖制備可吸收性手術縫合線的研究[J].遼寧師范大學學報（自然科學版），1996，19（4）：321-329.

[2] 鞠國泉，陳煥明.殼聚糖-有機酸復合物常溫下對草莓保鮮的作用研究[J].食品研究與開發，2006，27（3）：178-179.

[3] 張 勇，林漢華，潘嘉輝.一種新的有機污染物采樣裝置[J].分析化學，2000，28（11）：1434-1438.

[4] 邵建華.甲殼素及其衍生物的開發前景[J].江蘇化工，2002，30（5）：6-10.

[5] 王 昕，李建橋，任露泉.果蔬可食涂膜保鮮的應用和發展[J].農業工程學報，2004，20（2）：284-287.

[6] 王中和，陸順娟，胡海生.低分子殼聚糖對癌癥放療患者免疫功能的影響[J].首都醫科大學學報，1997，18：79-81.

[7] 李 凝，盧玉平.用蝦殼制取止血海綿[J].桂林工學院學報，1999（2）：161-163.

[8] MUZZARELLI R，TARSI R，FILIPPINI O，et al.Antimicrobial properties of N-carboxybutyl chitosan[J]. Antimicrobial Agents Chemotherapy，1990，34（10）：2019-2023.

[9] 楊越冬.甲殼質/殼聚糖特性及其在農業中的應用[J].河北農業技術師范學院學報，1998（4）：55-59.

[10] WEN G L，KANG D Y.Chitosan and its derivatives-a promising non-viral vector for gene transfection[J]. Journal of Controlled Release，2002，83：1-11.

[11] 王明力，沈 丹.改性殼聚糖保鮮涂膜透水率的研究[J].食品與生物技術學報，2007，26（5）：10-13.

[12] 袁 文，尹學瓊.羧甲基殼聚糖的制備與其抗菌性能研究進展[J].食品研究與開發，2007，28（11）：185-189.

[13] 姜愛麗，田世平.櫻桃的貯藏保鮮[J].植物雜志，2002（1）：30-31.