微波加熱制備羧甲基殼聚糖的工藝及其產品對水果的保鮮效果

賈榮仙，張曄，疏瑞文，祝令穩

(安徽理工大學 化工學院，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品之一。產品具有良好的理化性質，無毒、無害、綠色環保、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[2-3]，在可食性保鮮劑和涂膜保鮮領域，具有無可比擬的優越性。

櫻桃不僅營養豐富，富含蛋白質、糖、磷、胡蘿卜素、維生素C等營養元素[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，采摘后極易發生失水、腐爛、褐變等品質下降的問題，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；當日采成熟度為100%新鮮紅燈櫻桃(安徽淮南當地產櫻桃，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，依次加入預先配制40%的NaOH溶液、十二烷基苯磺酸鈉(相轉移催化劑)，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一段時間。反應完成后取出冷卻、過濾，所得產品為油狀液體和白色固體的混合物，將混合物過濾，得粗產品。合成路線見下式。

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

CTS結構中的兩個 —OH和 —NH2理論上都能發生羧甲基化反應，但兩個基團所處的位置及電負性大小不同，因此反應活性不同。氧的電負性大于氮的電負性，所以 —OH親核反應速率大于 —NH2，伯醇反應速率大于仲醇，所以羧甲基化反應首先發生在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，因此羧甲基化反應首先發生在殼聚糖的伯醇基C6上。

1.2.3 CMCS的產品精制 將CMCS粗產品在室溫下充分溶于500 mL蒸餾水中，用醋酸調節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產品取代度的測定 準確稱取0.5 g CMCS產品，溶于250 mL的容量瓶中，向容量瓶中移取50 mL 0.1 mol/L的標準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的標準NaOH溶液進行滴定，一邊滴定一邊測定溶液的pH值，當pH=2.1時，記下NaOH的用量，當pH=4.3時，記下NaOH的用量。計算產品的取代度，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準溶液的體積，mL；

V2——pH值為4.3時滴定所消耗的氫氧化鈉標準溶液的體積，mL；

W——樣品質量，g；

M——NaOH標準溶液的濃度，mol/L；

DS——羧甲基殼聚糖的取代度，%；

A——每克樣品中羧甲基物質的量，mmol；

0.203——每個葡萄糖殘基的物質的量，mmol；

0.058——每毫克當量的羧甲基質量，g。

1.4 CMCS產品保鮮性能測定

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，晾干后放入培養皿中，貼好標簽后晾干，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——貯藏前初始質量，g；

G——貯藏后測定質量，g。

2 結果與討論

2.1 CTS與CMCS產品的 FTIR分析

采用KBr壓片法，對原料CTS和產品CMCS進行紅外光譜分析，結果見圖1。

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

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

2.2 CMCS產品取代度分析

通過優化CMCS的工藝參數，采用最佳工藝參數制備的CMCS產品，測得產品的取代度為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，誘導果蔬熟化的乙烯可以透出，果蔬所產生的CO2不會逸出，調節果蔬采摘后的生理代謝。與CTS相比，CMCS分子結構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，需要考慮當果蔬存放于干燥環境下果蔬內部水分由于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；另外一方面導致果蔬脫水而導致皺縮率增加，從而達到保鮮效果。

3 結論

(1)以CTS為原料，在NaOH強堿溶液中，微波加熱條件下，使其與氯乙酸發生醚化反應，制得羧甲基殼聚糖的主要產物為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期，0.5%的CMCS與可溶性淀粉的復合膜保鮮效果較好，最高可延長櫻桃保鮮期在40 d以上。

(3)復合膜的保鮮機理在于復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，抗果蔬防皺。