解胜利 苟建霞 丁宗旺

摘要：壳聚糖作为高分子有机化合物，其本身及其衍生物有着重要的生理活性和生物相容性，它在食品、医药等行业有着广阔的应用前景。通过单因素试验和正交试验研究了壳聚糖金属锌衍生物的制备工艺，通过傅里叶变换红外光谱仪测定壳聚糖金属锌衍生物的结构，用原子吸收分光光度计测定滤液中金属锌的残余量，确定金属锌与壳聚糖的螯合程度。结果表明，制备的最佳工艺条件是pH为5、温度为50 ℃、反应时间为6 h，用壳聚糖金属锌衍生物保鲜樱桃的最佳浓度为1%。

关键词：壳聚糖；衍生物；樱桃；保鲜

中图分类号：O629.12；TS205.9 文献标识码：A 文章编号：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

壳聚糖是通过浓碱处理天然产物甲壳素脱去乙酰基而得到的产物。它是天然多糖中惟一的碱性多糖，作为高分子有机物，已被现代科学称之为继糖、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等五大生命要素之后的第六生命要素。壳聚糖及其衍生物在食品、蔬果保鲜、废水处理、生物医学、化妆品等领域均有很高的应用价值[1]。大多数壳聚糖金属衍生物具有良好的抑菌和保鲜性能。壳聚糖具有良好的保湿性、润湿性、无毒副作用且具有良好的成膜性和较强的抗菌保鲜防腐能力，将壳聚糖涂到果蔬表面后可成膜，此膜具有半透性，对氧气、二氧化碳、乙烯具有一定的选择渗透作用，并且还有一定的保水性，特别是一些壳聚糖金属衍生物有特殊的抑菌性[2-12]。本试验研究了壳聚糖金属锌衍生物的制备工艺及在果蔬保鲜中的应用，期望对壳聚糖金属锌衍生物的保鲜作用研究提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

原子吸收分光光度计（美国热电公司）；傅立叶变换红外光谱仪（美国热电公司）；岛津分析天平（日本岛津有限公司）；SHB循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；微量移液器（上海安亨微量进样器厂）。

壳聚糖（脱乙酰度80%～95%）、氢氧化钠、氯化锌，以上试剂均为分析纯，试验用水为去离子水。

1.2 试验方法

1.2.1 壳聚糖金属锌衍生物的制备 称取1.0 g壳聚糖，将其溶解在50 mL 1%的乙酸溶液中，用NaOH溶液调节pH 4，加入1.0 g ZnCl2；将锥形瓶放置在恒温水浴振荡器中，设定温度为50 ℃，反应6 h后取出锥形瓶，滴加丙酮，抽滤，得到略带微黄色的胶状固体，放入真空干燥箱中50 ℃烘干，备用。

1.2.2 樱桃的保鲜试验[13] 称取0.5、1.0、1.5、2.0 g壳聚糖金属锌衍生物分别溶解在1%冰乙酸溶液中，搅拌溶解，制得质量分数分别为0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的保鲜溶液。挑选表面光滑、色泽明亮、大小一致的樱桃，用去离子水冲洗几次之后，将樱桃浸泡在保鲜溶液中，稍后取出，晾干，编号后放在室温下观察。每天测量樱桃的重量、维生素C（简称VC）的含量以及樱桃的硬度、色泽变化等生理指标。测量每组樱桃质量，用失重率表示。

失重率=■×100%

将试验组的樱桃放入粉碎机，加入10 mL 1%草酸，粉碎，移入分液漏斗，加入20 mL二甲苯脱色，得到下层液体，抽滤，移取1 mL滤液定容到50 mL的棕色容量瓶中。取20 mL待测液，用标定好的2，6-二氯靛酚钠滴定。

2 结果与分析

2.1 产品表征

通过初步探索性试验制备得到的壳聚糖金属锌的衍生物用KBr压片法测得红外光谱（图1）。光谱图中在3 448.06 cm-1红移到3 442.51 cm-1，这表明Zn和N原子之间形成了N-Zn配位键；在1 075.08 cm-1红移到了1 063.41 cm-1，表明-OH也参与了配位。2 881.94 cm-1附近的缔合峰变小，但随着金属锌含量的增加而消失。根据原子吸收分光光度计测得滤液中的残余量和红外光谱图分析，表明了试验的合理性和可行性。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 溶液的pH 称取0.5 g壳聚糖将其溶解在pH分别为1、2、3、4、5、6的醋酸-醋酸钠溶液中，完全溶解后加入0.5 g ZnCl2，放置在恒温水浴振荡器中，温度50 ℃，反应6 h后取出，加丙酮沉淀，抽滤，将得到的略带黄色的胶状固体真空干燥，取滤液稀释后用原子吸收分光光度计测定Zn2+残余量，结果见图2。由图2可知，pH对壳聚糖与Zn2+螯合的量有很大影响。在pH 1～5时，滤液中Zn2+的残余量逐渐减少，即壳聚糖与金属锌的螯合量逐渐增加。试验过程中，pH 5时丙酮的用量少于pH 4的用量，在pH 6时需要的丙酮最少。从有关文献中查阅到最佳工艺条件的pH大约在4～5。考虑到丙酮的用量，所以选择pH 4、5、6为正交试验溶液pH的3个水平。

2.2.2 反应温度 称取0.5 g壳聚糖将其溶解在1%的醋酸中，用NaOH溶液调节pH到5，壳聚糖完全溶解后加入0.5 g ZnCl2，放置在恒温水浴振荡器中，分别在20、30、40、50、60、70 ℃温度下反应6 h后取出，加丙酮沉淀，抽滤，将得到的略带黄色的胶状固体真空干燥，取滤液稀释后用原子吸收分光光度计测定Zn2+残余量，结果见图3。由图3可以看出，温度在20～50 ℃对反应的影响较大，且随着温度的升高滤液中的Zn2+的残余量显著减少，即与壳聚糖发生螯合反应的越多。但在高于50 ℃时，Zn2+残余量变化不明显，考虑到能耗问题，把此条件下的最佳反应温度选择为50 ℃。正交试验中反应温度的3个水平选择50、60、70 ℃。

2.2.3 反应时间 称取0.5 g壳聚糖将其溶解在1%的醋酸中，用NaOH溶液调节pH 5，壳聚糖完全溶解后加入0.5 g ZnCl2，放置在恒温水浴振荡器中，温度50 ℃，依次按反应时间为4、5、6、7、8、9 h取出，加丙酮沉淀，减压抽滤，将得到的略带黄色的胶状固体真空干燥，取滤液稀释后用原子吸收分光光度计测定Zn2+残余量，结果见图4。由图4可知，在反应时间6、7、8 h时锌离子的残余量变化不大，考虑到时间问题，在此条件下最佳反应时间选择6 h。正交试验中反应时间的3个水平选6、7、8 h。

2.3 正交试验结果

对溶液pH、反应温度、反应时间3个因素，按照3因素3水平设计正交试验。对试验结果进行方差分析，确定影响试验结果的各因素的优先级和最佳工艺。因素与水平见表1，正交试验结果见表2。由于要求试验指标锌的残余量愈小愈好，所以最佳反应条件为A1B2C1，即在pH 5的醋酸-醋酸钠溶液中反应温度为50 ℃，反应时间为6 h壳聚糖与金属锌强螯合量最大。由正交试验中得到的极差的大小可以看出，溶液pH是影响反应程度的重要因素，温度对反应的影响不大。因此，在实际生产中可适当降低温度，减少能耗问题。

2.4 樱桃保鲜

用不同浓度的壳聚糖金属锌衍生物的溶液保鲜樱桃，用壳聚糖和清水作对比试验。用樱桃的硬度、色泽、失重率和VC的变化表征壳聚糖金属锌衍生物的保鲜效果。

2.4.1 硬度和色泽的变化 通过保鲜期间的观察，用壳聚糖金属锌衍生物和壳聚糖保鲜的果实硬度和色泽的变化不是很明显，但是清水对照组硬度明显变小，有的甚至出现了腐烂，樱桃表面逐渐失去光泽。同时壳聚糖金属锌衍生物在樱桃表面形成的膜较厚，影响樱桃的外观。

2.4.2 樱桃重量的变化 由图5可以看出，经过壳聚糖锌衍生物保鲜的樱桃在保鲜期间失重率的变化与清水对照组有明显区别。

2.4.3 VC含量的变化 试验采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定樱桃果实中VC的含量（图6）。由图6可以看出，用壳聚糖金属锌衍生物保鲜的樱桃开始时VC含量先增加，增加的原因可能是购买的樱桃没有达到完全成熟。而对照组的樱桃VC含量开始就减少，试验组的VC含量变化比较缓慢，说明壳聚糖金属锌衍生物的保鲜效果较好。试验过程中1%壳聚糖锌衍生物、2%壳聚糖锌衍生物的保鲜效果没有明显的区别，但是2%的壳聚糖金属锌保鲜的的樱桃表面形成的膜较厚，影响外观，所以保鲜樱桃的最佳浓度选择1%的壳聚糖金属锌衍生物的溶液。

3 小结

本研究采用壳聚糖与金属锌螯合制备壳聚糖衍生物，通过单因素试验和正交试验确定了影响制备壳聚糖金属锌衍生物因素的主次顺序及各项因素的最佳条件。通过正交试验得到最佳制备条件为pH 5、反应温度为50 ℃、反应时间为6 h。各因素影响的主次顺序为pH>反应时间>反应温度。用制得的壳聚糖金属锌衍生物保鲜樱桃的最佳浓度为1%。

参考文献：

[1] 苏秀榕，李太武，曾名勇.用壳聚糖制备可吸收性手术缝合线的研究[J].辽宁师范大学学报（自然科学版），1996，19（4）：321-329.

[2] 鞠国泉，陈焕明.壳聚糖-有机酸复合物常温下对草莓保鲜的作用研究[J].食品研究与开发，2006，27（3）：178-179.

[3] 张 勇，林汉华，潘嘉辉.一种新的有机污染物采样装置[J].分析化学，2000，28（11）：1434-1438.

[4] 邵建华.甲壳素及其衍生物的开发前景[J].江苏化工，2002，30（5）：6-10.

[5] 王 昕，李建桥，任露泉.果蔬可食涂膜保鲜的应用和发展[J].农业工程学报，2004，20（2）：284-287.

[6] 王中和，陆顺娟，胡海生.低分子壳聚糖对癌症放疗患者免疫功能的影响[J].首都医科大学学报，1997，18：79-81.

[7] 李 凝，卢玉平.用虾壳制取止血海绵[J].桂林工学院学报，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] 杨越冬.甲壳质/壳聚糖特性及其在农业中的应用[J].河北农业技术师范学院学报，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.改性壳聚糖保鲜涂膜透水率的研究[J].食品与生物技术学报，2007，26（5）：10-13.

[12] 袁 文，尹学琼.羧甲基壳聚糖的制备与其抗菌性能研究进展[J].食品研究与开发，2007，28（11）：185-189.

[13] 姜爱丽，田世平.樱桃的贮藏保鲜[J].植物杂志，2002（1）：30-31.