微波加热制备羧甲基壳聚糖的工艺及其产品对水果的保鲜效果

贾荣仙，张晔，疏瑞文，祝令稳

(安徽理工大学 化工学院，安徽 淮南 232001)

羧甲基壳聚糖(CMCS)是壳聚糖(CTS)醚化改性后的重要产品之一。产品具有良好的理化性质，无毒、无害、绿色环保、生物降解性好[1]，而且与CTS相比，其具有更好的抗氧化、抗菌等活性，以及阻氧、保湿、透气和成膜性。将其溶解后，涂膜在食品表面成膜，用于食品保鲜，作为保鲜剂，具有安全、无毒和抑菌等性质[2-3]，在可食性保鲜剂和涂膜保鲜领域，具有无可比拟的优越性。

樱桃不仅营养丰富，富含蛋白质、糖、磷、胡萝卜素、维生素C等营养元素[4]，而且含铁量非常高，但樱桃属于浆果，含水量高、皮薄、组织十分娇嫩，采摘后极易发生失水、腐烂、褐变等品质下降的问题，不耐贮运，在常温下只能存放1～2 d，即使在0 ℃下包装储藏，保鲜寿命也只有5 d左右。为延长樱桃的销售期，樱桃贮运和保鲜技术非常重要。本文研究了不同浓度的CMCS的保鲜膜的保鲜效果，为CMCS应用于果蔬保鲜提供理论参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

CTS(分子量为300万，脱乙酰度为90%)，购于山东奥康生物有限公司；十二烷基苯磺酸钠、氯乙酸、乙醇(95%和80%)、NaOH、无水甲醇、醋酸、硫酸、二苯胺均为分析纯；酚酞指示剂；当日采成熟度为100%新鲜红灯樱桃(安徽淮南当地产樱桃，个头适中，硬度均匀)。

FA1104N型电子天平；BCD-535WKZM型电冰箱；G70F20CN1L-DG(BO)型微波炉；PHS-25型酸度计；Nicolet Nexus型傅里叶变换红外光谱仪；DZF-6050型真空干燥箱。

1.2 实验方法

1.2.1 CMCS粗产品的制备方法[5-9]称取一定量的CTS粉末，放入500 mL三口烧瓶中，依次加入预先配制40%的NaOH溶液、十二烷基苯磺酸钠(相转移催化剂)，在-18 ℃的冰箱中碱化过夜，滤去NaOH，加入适量的异丙醇和氯乙酸，搅拌均匀后，将体系放入微波炉中反应一段时间。反应完成后取出冷却、过滤，所得产品为油状液体和白色固体的混合物，将混合物过滤，得粗产品。合成路线见下式。

1.2.2 以CTS为原料制备CMCS的反应原理 在高浓度的NaOH溶液中，CTS与氯乙酸发生羧甲基化反应，制备出CMCS，反应体系中发生的化学主要反应方程式如下：

CTS结构中的两个 —OH和 —NH2理论上都能发生羧甲基化反应，但两个基团所处的位置及电负性大小不同，因此反应活性不同。氧的电负性大于氮的电负性，所以 —OH亲核反应速率大于 —NH2，伯醇反应速率大于仲醇，所以羧甲基化反应首先发生在C6上，又因为仲醇上的氢原子能与 —NH2上的未共用的电子对形成氢键，使C3上的仲醇上的氢不易离去，因此羧甲基化反应首先发生在壳聚糖的伯醇基C6上。

1.2.3 CMCS的产品精制 将CMCS粗产品在室温下充分溶于500 mL蒸馏水中，用醋酸调节pH至中性，析出大量白色絮状沉淀，真空抽滤后，再分别用无水乙醇及丙酮清洗几次，在60 ℃下真空恒温干燥得到精制的CMCS。

1.3 CMCS产品的测试

1.3.1 红外光谱测试 采用傅里叶变换红外光谱仪对CTS原料与提纯后的CMCS进行测试，KBr压片。

1.3.2 CMCS产品取代度的测定 准确称取0.5 g CMCS产品，溶于250 mL的容量瓶中，向容量瓶中移取50 mL 0.1 mol/L的标准HCl溶液，振荡，使羧甲基壳聚糖完全溶解，制成0.1 g/mL的CMC溶液。再用0.1 mol/L的标准NaOH溶液进行滴定，一边滴定一边测定溶液的pH值，当pH=2.1时，记下NaOH的用量，当pH=4.3时，记下NaOH的用量。计算产品的取代度，见下式。

(1)

(2)

式中V1——pH值为2.1时滴定所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积，mL；

V2——pH值为4.3时滴定所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积，mL；

W——样品质量，g；

M——NaOH标准溶液的浓度，mol/L；

DS——羧甲基壳聚糖的取代度，%；

A——每克样品中羧甲基物质的量，mmol；

0.203——每个葡萄糖残基的物质的量，mmol；

0.058——每毫克当量的羧甲基质量，g。

1.4 CMCS产品保鲜性能测定

将采摘后的樱桃洗干净后，随机分成4组(含空白对照组)，每组5个果实，这4组分别用0，0.5%，1.0%，1.5%的CMCS溶液浸泡5 min，晾干后放入培养皿中，贴好标签后晾干，将处理好的樱桃放入保鲜袋封好，保鲜袋用针扎两个孔，然后置于冰箱内6 ℃下保存，每隔5 d观察并称重1次，测定失水率。失水率的测定见下式。

式中P——樱桃失重率，%；

G0——贮藏前初始质量，g；

G——贮藏后测定质量，g。

2 结果与讨论

2.1 CTS与CMCS产品的 FTIR分析

采用KBr压片法，对原料CTS和产品CMCS进行红外光谱分析，结果见图1。

由图1 CTS和CMCS的红外光谱对比可知，在1 600.90 cm-1出现 —COOH反伸缩峰，1 419.07 cm-1出现 —COOH对称伸缩振动峰，由此可以推断出，壳聚糖已经成功地发生了羧甲基化反应。

图1 CTS和CMCS的红外谱图Fig.1 Infrared spectrum of chitosan and CMCS

2.2 CMCS产品取代度分析

通过优化CMCS的工艺参数，采用最佳工艺参数制备的CMCS产品，测得产品的取代度为81%。

2.3 CMCS的保鲜效果[10-11]

不同浓度CMCS保鲜剂对樱桃失重率的影响见图2。

图2 不同浓度CMCS保鲜剂对樱桃失重率的影响Fig.2 Effect of different concentrations of CMCS preservative on the weight loss rate of cherries

由图2可知，在樱桃表面浸渍成膜、晾干后，有利于樱桃的防腐保鲜，CMCS浓度在0.5%～2%的涂膜对樱桃都具有明显的保鲜作用，而且保鲜作用在CMCS浓度<1%时，随着CMCS浓度的增加而增强。浓度超过1%后，继续增加CMCS的浓度，樱桃失重率降低不明显，CMCS对樱桃的保鲜效果没有明显增加，反而略有下降。

2.4 保鲜机理分析

将实验制备取代度最高达81%的精制CMCS产品溶解后，通过浸渍，涂在樱桃表面，晾干后可在樱桃表面形成保鲜薄膜，此膜对气体有选择透过性，阻隔了大气中O2的渗入，诱导果蔬熟化的乙烯可以透出，果蔬所产生的CO2不会逸出，调节果蔬采摘后的生理代谢。与CTS相比，CMCS分子结构中由于羧基化亲水基团取代，亲水性增加，水溶性进一步增强，同时具有较强的吸湿性。采用CMCS作为果蔬保鲜剂，需要考虑当果蔬存放于干燥环境下果蔬内部水分由于CMCS的强吸湿性而被吸附，果蔬水分的减少，一方面可以降低果蔬水分活度，避免微生物的污染而腐烂变质；另外一方面导致果蔬脱水而导致皱缩率增加，从而达到保鲜效果。

3 结论

(1)以CTS为原料，在NaOH强碱溶液中，微波加热条件下，使其与氯乙酸发生醚化反应，制得羧甲基壳聚糖的主要产物为N，O-羧甲基化壳聚糖，取代度最高可达81%。

(2)将实验制得的CMCS溶解后，浸渍浆果樱桃，成膜晾干后，明显能够延长樱桃的保质期，0.5%的CMCS与可溶性淀粉的复合膜保鲜效果较好，最高可延长樱桃保鲜期在40 d以上。

(3)复合膜的保鲜机理在于复合膜具有较强的吸湿性，同时能够阻隔O2的渗入，避免微生物的污染而腐烂变质，抗果蔬防皱。