水溶性壳聚糖（共5篇）
水溶性壳聚糖 篇1
0 前言
壳聚糖(CTS)是甲壳素脱乙酰基的产物,化学名为1,4-2-氨基-2-脱氧-β-D葡萄糖,是自然界中唯一碱性多糖,分子量通常在几十万到上百万,是一种有很好的吸附性、成膜性和通透性、成纤维性、吸湿性和保湿性的生物高分子。近年来壳聚糖作为一种环境友好材料,其应用已显示了诱人的发展前景,壳聚糖及其衍生物有着广泛的用途,在纺织、造纸、医药、食品、化工、生物及水处理等领域都具有较高的生产价值和实用意义。但是壳聚糖只能溶于一些稀的有机酸或无机酸中,不能直接溶于水,这在很大程度上限制了它的应用[1]。
壳聚糖分子中有3个反应活性部位,即C2位上的—NH2、C3、C6位上的—OH,其结构式见图1。因此,可以考虑对壳聚糖分子结构中存在的这2种基团进行改性,以增强其水溶性,而改性后的壳聚糖将具有良好的水溶性,能够更好的应用于更多领域。由于水溶性壳聚糖具有保湿性、成膜性、安全无毒性等优良性能,因此,水溶性壳聚糖在农业、医药、食品工业和化妆品工业等方面都有着重要的用途[2]。
减水剂是改善混凝土拌和物流变性能的外加剂之一。在工程中使用减水剂的主要目的是减少混凝土用水量,降低水灰比,节约单方水泥用量,并改善其和易性。
本文参考文献[3]和文献[4],先对壳聚糖氧化降解得到D-CTS,再通过与马来酸酐进行酰基化反应最终制备了水溶性壳聚糖(N-M-CTS),测试了减水率,研究其对水泥净浆流动性和对水泥砂浆强度的影响,并对不同时期水化产物的微观结构作了研究。这种水溶性壳聚糖因制备过程简单,原料无毒无污染,且不引入其它有害的金属离子,有望在普通的建筑工程中得到应用。
1 实验部分
1.1 实验原料与仪器
1.1.1 原料
壳聚糖,脱乙酰度大于95%,日本;双氧水,西安三浦精细化工厂;氢氧化钠,天津市登丰化学品有限公司;无水乙醇,西安福晨化学试剂有限公司;马来酸酐,天津市登丰化学品有限公司;丙酮,天津市富宇精细化工有限公司,均为分析纯。
水泥,由陕西声威熟料(P·O42.5)、陕西龙钢矿渣和陕西尧柏石膏按质量比50∶45∶5混合粉磨而成,熟料和矿渣的化学成分分别见表1、表2。
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1.1.2 实验仪器
DF-101S集热式恒温磁力搅拌器,河南省予华仪器有限公司;1632型电热恒温干燥箱,上海福利电器厂;SJ-160双转双速水泥净浆搅拌机,无锡建筑材料仪器机械厂;JJ-5行星式水泥胶砂搅拌机,科析仪器设备厂;ZT-96胶矿试体成型振实台,绍兴市肯特机械电子有限公司;DKZ-5000电动抗折试验机,无锡建筑材料仪器机械有限公司;YAW-300全自动压力试验机,绍兴市肯特机械电子有限公司;Avatar360 E.S.P红外光谱仪,尼高力仪器公司;D-MAX/2500X射线衍射仪,日本理学公司;Quanta 200扫描电子显微镜,美国FEI公司。
1.2 水溶性壳聚糖的制备
参考文献[3]和文献[4],水溶性壳聚糖的制备过程如图2所示。
1.3 水溶性壳聚糖对水泥性能影响的评价方法
1.3.1 水泥净浆经时流动度测试
掺水溶性壳聚糖水泥净浆的流动度按GB 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试。N-M-CTS的掺量为1%(相对水泥质量),W/C=0.35。
1.3.2 砂浆减水率及强度测试
掺入N-M-CTS的砂浆减水率和砂浆强度按GB 8077—2000及GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)法》进行测试,N-M-CTS的掺量为1%(相对水泥质量)。
2 结果与讨论
2.1 水溶性壳聚糖的红外表征
CTS、D-CTS和N-M-CTS的红外光谱分析见图3。
从图3(a)与(b)的2个图谱中吸收峰位置对比发现,在降解前后没有出现新的吸收峰,这表明在降解前后没有引入新的基团,也证实了该反应是以开裂CTS的β-(1,4)糖苷键来进行的,说明在降解前后壳聚糖糖环结构没有发生改变,与文献报道的基本一致。进一步说明降解前后的壳聚糖中活泼官能团—NH2和—OH还存在,达到了降解的目的。
再对比图3(b)与(c)的2个图谱发现,图3(c)图谱在854、1564、1633 cm-1处出现新的吸收峰。854 cm-1处为双键中C—H振动峰,1633 cm-1处为共轭烯烃νc=c振动峰,1564cm-1处为仲酰胺的N—H振动峰,可以证明马来酰化反应主要发生在氨基上。
2.2 N-M-CTS对水泥净浆流动度及流动度经时损失的影响
未掺N-M-CTS的水泥净浆流动性很小,初始流动度无法测出。图4为N-M-CTS掺量为1%时的水泥净浆经时流动度。
由图4可见,掺入1%N-M-CTS的水泥净浆具有明显的流动性,但经时流动度损失较大,流动度从初时的230 mm经60 min后降为198 mm。其主要原因是由于在水溶性壳聚糖分子结构中存在的羧酸基团与水泥颗粒表面的Ca2+通过静电相互吸引使水泥颗粒得到较好的分散,流动度增加;而空间位阻作用不明显,导致分散保持性不佳,经时损失较大。
2.3 N-M-CTS的减水率及其对砂浆强度的影响(见表3)
由表3可见,掺入1%N-M-CTS的水泥砂浆,减水率为20.4%,抗折强度较基准砂浆略低,但抗压强度有所提高,说明水溶性壳聚糖对水泥砂浆有减水增强的作用。
2.4 水泥水化产物的微观结构分析
水泥空白样和掺1%N-M-CTS的水泥水化产物的SEM分析见图5。
从图5(a)、(d)水泥浆体水化3 d的扫描照片可见,没有加入N-M-CTS的空白水泥表面出现粗短棒状产物钙矾石;而加入N-M-CTS的水泥表面有大量细而长的钙矾石;图5(a)、(d)中均未出现板状物氢氧化钙,这可能是因为水化初始水泥中的石膏与氢氧化钙已经反应生成了钙矾石。养护7 d后,图5(b)中出现毛刺状CSH凝胶、板状产物氢氧化钙。图5(e)与图5(b)中的产物形貌相似,但有大量的板状物氢氧化钙产生,说明掺入N-M-CTS的水泥水化速度比未掺入的更快,导致产生的氢氧化钙的量较多。从养护28 d的扫描电镜可以看出,图5(c)、(f)中氢氧化钙已经消失,仅有少量的CSH凝胶,大部分已经成为结构致密的晶体。
通过以上对比分析可知,与空白样相比,掺加N-M-CTS的水泥浆体水化速度较快,且随养护期的延长,水化产物的形貌有不同的变化,最终向致密化方向发展。
3 结语
(1)在N-M-CTS掺量为1.0%、水灰比为0.35时,水泥净浆的初始流动度为230 mm,经60 min后降为198 mm,水泥净浆流动度经时损失较大。其原因是在反应过程当中未引入聚醚基团。
(2)掺加1%N-M-CTS的砂浆减水率为20.4%,养护不同时期后的抗压强度比空白样的有所提高。对水泥水化产物的微观形貌的观察与比较发现,与空白样相比,掺加N-M-CTS的水泥浆体水化速度较快,且随养护期的延长,水化产物的形貌有不同的变化,最终向致密化方向发展。。
此外,虽然N-M-CTS的减水率不高,掺入砂浆中后砂浆的抗压强度提高幅度不大(今后还待改进),但本文为开发一种新型减水剂进行的探索性试验是有意义的。
摘要：以壳聚糖、马来酸酐为原料制备N-马来酰化水溶性壳聚糖(N-M-CTS),对其化学结构进行红外表征,研究其对水泥净浆、砂浆性能的影响。结果表明,当水灰比为0.35时,掺有这种水溶性壳聚糖(掺量为水泥质量的1%)的水泥净浆初始流动度为230mm,经过60 min后降为198 mm,减水率为20.4%,达到了普通减水剂的减水率指标;掺水溶性壳聚糖后砂浆的3 d、7 d、28 d抗压强度比不掺的空白样有所提高。并使用扫描电子显微技术对各个时期水化产物的形貌进行了观察与比较。
关键词：壳聚糖,马来酸酐,水溶性壳聚糖,水泥水化
参考文献
[1]范国枝.水溶性壳聚糖的制备[J].应用化工,2004,33(5):29-30.
[2]孙华林.水溶性壳聚糖的开发与应用[J].科技与开发,2003(7):20-23.
[3]冯小强,郭峰,杨声,等.双氧水均相氧化制备水溶性壳聚糖的研究[J].纤维素科学与技术,2006,14(4):41-46.
[4]王周玉,蒋珍菊,李富生,等.水溶性N-酰化壳聚糖的合成与表征[J].四川工业学院学报,2004,23(1):73-75.
水溶性壳聚糖制备方法的研究进展 篇2
关键词：水溶性,壳聚糖,低分子壳聚糖,降解
壳聚糖是世界上唯一的碱性多糖,具有无毒、可降解、生物相溶性而被用于医药、食品、化工、化妆品、水处理和生物医学工程等领域［1］。然而,壳聚糖具有化学稳定性,只溶于弱酸性水溶液中,这在很大程度上限制了壳聚糖的应用,因此, 制备水溶性壳聚糖及其衍生物,提高其溶解性成为目前重要的课题。本文综述了水溶性壳聚糖的制备方法,以及对未来水溶性壳聚糖研究方向进行了展望。
1化学改性法
1. 1酰化改性
1. 1. 1 O - 酰化
壳聚糖的O - 酰化反应较难进行,由于壳聚糖中C6 - OH要比氨基的反应活性小很多,所以氨基比C6 - OH更容易进行酰化反应。王朝等［2］采用N,N,N - 三甲基壳聚糖和甲烷磺酸在冰浴下滴加己酰氯,经冷冻干燥,得具有良好的水溶性N,N,N - 三甲基- O - 己酰基壳聚糖。孙萍等［3］通过氯乙酸合成了O - 羧甲基化壳聚糖具有很好的水溶性,结果表明: 两种方法均可得到水溶性壳聚糖,其主要原因是O - 酰化壳聚糖壳聚糖进行O - 酰化反应,破坏了壳聚糖的氢键结构,提高了其在水中的溶解性。
1. 1. 2 N - 酰化
N - 酰化改性主要通过引入亲水基团提高壳聚糖的水溶性。 陈建澍等［4］用丁二酸酐改性壳聚糖,制备的壳聚糖衍生物水溶性最高为9. 72 g/L,引入了亲水基团,比未改性的壳聚糖溶解性能得到很好的改善,由此可见N - 酰化反应可以提高壳聚糖在水中的溶解性。
1. 2醚化改性
醚化反应可以提高壳聚糖在水中的溶解性。杨晋青［5］使用物理方法辅助壳聚糖醚化改性。结果表明,在物理方法辅助下取代度和得率分别提高了12. 9% 和13. 6% 。由此可以得出,醚化改性可以提高壳聚糖在水中的溶解性。
1. 3烷基化改性
壳聚糖与卤代烷可以发生N - 烷基化反应,产物具有成膜成纤维性。用壳聚糖和环氧丙醇反应,可以得到含有多个羟基壳聚糖衍生物,羟基的引入可以提高壳聚糖的亲水性,提高壳聚糖的溶解性。其反应式如图1所示。
壳聚糖分子链上含有氨基和羟基,单独的进行烷基化反应十分困难。王爱勤等［6］使用壳聚糖与卤代烷反应制备不同程度烷基化壳聚糖,研究表明,卤代烷与壳聚糖反应以N - 烷基化为主。裴立军［7］使用溴代烷进行烷基化反应,得到取代度为44. 5% 的壳聚糖烷基化衍生物,其在水溶的溶解性能也得到提高。
1. 4酯化改性
壳聚糖分子中含有羟基,可以和酸发生酯化反应。乐知等［8］将壳聚糖与硫酸和氯磺酸的混合溶液在低温下反应,制备壳聚糖硫酸酯。于沛沛等［9］用苯甲酰氯和壳聚糖反应制备苯甲酰壳聚糖酯,研究结果表明,在0 ℃ ,反应时间3 h,单体配比6∶1,壳聚糖上面的C6和C3上面的羟基被酰化生成酯,该壳聚糖衍生物有很好的溶解性。黄娜［10］研究了壳聚糖与氯磺酸和硫酸混合液在低温下进行反应,得到磺化壳聚糖酯,红外谱图显示该壳聚糖衍生物具有较高的取代度。
1. 5壳聚糖季铵盐
壳聚糖具有灭菌抗菌的生物特性,许多研究表明壳聚糖具有聚阳离子这一特性［11］。壳聚糖季铵盐,主要是通过季铵化反应来增强氨基的正电性,壳聚糖季铵化不仅能使壳聚糖得到更广阔应用,还可以用来表征壳聚糖具有抑菌杀菌或抗氧化机理。
1. 5. 1直接季铵化改性
壳聚糖的直接季铵化改性根据完成的途径可分为两种: 两步法: 第一步是壳聚糖上氨基与酮或醛反应,生成酮或醛亚胺,第二步是亚胺和卤代烷反应,生成季铵盐。一步法: 上述两步法合成路线比较复杂、成本很高。如刘振儒［12］将壳聚糖与N - 甲基吡咯烷酮混合,加入碘甲烷和氢氧化钠的混合溶液, 可以得到三甲基壳聚糖季铵盐。
1. 5. 2接枝季铵化改性
壳聚糖接枝季铵化活泼反应性基团与壳聚糖分子中含活泼H的基团发生缩合反应。焦淑芳等［13］用氯乙酸、3 - 氯- 2 - 羟丙基三甲基氯化铵改性壳聚糖,得到季铵化取代度98. 4% 的羧甲基壳聚糖季铵盐,溶解性有很大改善。
2生物酶降解法
研究发现: 壳聚糖酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶具有很好的降解壳聚糖能力。
2. 1壳聚糖酶
壳聚糖酶是专一性酶,可以使壳聚糖部分降解或全部降解,从而得到低聚壳聚糖。最早是由王艳君等［14］采用筛选培养基法,生产壳聚糖酶的菌种。肖丽娜［15］研究了壳聚糖酶和纤维素酶催化降解壳聚糖,对温度、p H等因素进行分析,结果表明: 在37 ℃ ,p H = 5. 5,反应活性最高,同时随着底物浓度和酶的浓度增加,壳聚糖的降解速度也会增加。
2. 2蛋白酶
壳聚糖降解的蛋白酶包括木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶等。Pantaleone［16］和Kumar［17］发现在众多的商品蛋白酶中, 木瓜蛋白酶和一种真菌来源的蛋白酶具有较强的壳聚糖降解能力,在37 ℃ 、p H = 3. 5条件下能有效降解壳聚糖并生成低聚壳聚糖,降解后的壳聚糖聚合度在2 ~ 6之间。由此证明,蛋白酶对壳聚糖具有良好的降解能力。
2. 3脂肪酶
脂肪酶最早是由Muzzarelli［18］提出,此后,Shin等［19］研究了在日本根霉脂肪酶辅助下的水溶性壳聚糖的生产,发现该脂肪酶能够降解壳聚糖,最适的温度是40 ℃ 。尚利明等［20］通过非专一性脂肪酶水解壳聚糖,得到的壳聚糖的水解率为6% 。 由此得出,脂肪酶在降解壳聚糖方面有不错的效果。
2. 4纤维素酶
纤维素酶主要包括: β - 葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶和内切葡聚糖酶。刘先红［21］研究了纤维素酶对壳聚糖的降解能力,在[Gly]BF4体系中,利用天然纤维素酶对壳聚糖进行降解,结果表明: 在[Gly]BF4体系中,p H值为5. 0、50 ℃ ,反应5 h测得降解后壳聚糖分子量为1500左右。周苗苗等［22］用微波辅助纤维素酶降解壳聚糖,使用HPLC对降解后的壳聚糖进行分子量测试。结果表明,反应2 h可以得到6800 Da的低聚糖。降解效率比一般的方法提高20% 。使用酶法进行降解壳聚糖具有产品分布窄,效率高,没有环境污染等优点,但酶的产率较小,成本过高,难产业化。
3氧化降解法
3. 1 H2O2氧化法
H2O2氧化法是把壳聚糖氧化降解得到低分子量壳聚糖。 H2O2用量直接影响壳聚糖降解之后的分子量大小,要想得到特定分子量范围壳聚糖,关键就是选择适当H2O2的用量。
3. 2 H2O2- Na CIO2法
H2O2- Na Cl O2法降解壳聚糖可以得到溶解性较高的壳聚糖。田丰等［23］将不同脱乙酰度的壳聚糖溶液与次氯酸钠和过氧化氢溶液混合,得到白色可溶性壳聚糖。这种方法制得的壳聚糖安全无毒,且没有副产物,在常温下就可以进行,反应易控制,且得到的壳聚糖分子量较低,还不破坏壳聚糖物化性质和结构。
3. 3 HAc - H2O2法
用H2O2和醋酸对壳聚糖进行降解反应,得低分子量壳聚糖。孟玲等［24］在醋酸中用H2O2降解壳聚糖,经过水溶性测试: 可溶成分在90% 以上。结果表明: 温度对降解产率的影响不大,n( 氧化剂) ∶n( 壳聚糖) 是影响降解产率的关键因素。
3. 4酸降解法
壳聚糖可以和盐酸反应生成壳聚糖盐酸盐,同时壳聚糖也会被盐酸降解生成低聚水溶性壳聚糖、该壳聚糖的分子量分布相对较窄。壳聚糖用酸降解,成本低。但难控制,得到的产品分子量分布较宽。虽然这种方法早已工业化,但要得到一定分子量的壳聚糖十分困难,且酸解过程引入了强酸,可能会造成环境污染问题。
4物理降解法
物理降解法制备低分子壳聚糖主要是采用微波场、超声波和光辐射等方法进行物理法降解［25］。
微波场降解法是用在甲壳素脱乙酰反应中,这种方法的主要特点就是可以在脱乙酰的同时还可以使糖苷键的断裂,这种方法不仅可降低反应中碱的用量,具有生产周期短等优点。γ - 射线降解法通过使壳聚糖糖苷键断裂,继而导致粘度的减小。使用不同的辐射剂量可得到不同分子量的壳聚糖产品,但该方法很难得到分子量在4万以下的壳聚糖。超声波降解壳聚糖,不会发生氨基缔合的反应,可以在低温下进行。
5结语
水溶性壳聚糖 篇3
壳聚糖分子有三种反应活性部位,即C2位上的-NH2,C3、C6位上的-OH[2]。目前水溶性壳聚糖的制备主要有3种方法:(1)在均相条件下,控制壳聚糖的脱乙酰度制备水溶性壳聚糖,但产率较低;(2)降解壳聚糖得到低分子质量的水溶性产物,可分为物理法、化学法,其中化学法有酸水解法、酶降解法、氧化降解法;(3)化学修饰法,在壳聚糖分子主链上引入亲水基团,得到水溶性的衍生物[3,4]。
1 控制脱乙酰度提高壳聚糖的水溶性
壳聚糖是甲壳素的N-脱乙酰基的产物,一般而言,N-乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖[1]。脱乙酰度较高的壳聚糖分子内氨基和羟基含量较多,形成较强的氢键,使壳聚糖分子具有一定规整性,易形成结晶区,也使其难溶于水。通过控制脱乙酰反应,破坏分子内和分子间的氢键,能改善其水溶性。研究表明,只有脱乙酰度在50%左右的壳聚糖具有水溶性,其它的均难溶于水[5]。
2 低分子量水溶性壳聚糖的制备
2.1 物理法
物理法依靠剪切力及超声波进行降解,可将壳聚糖的分子量降低至1.0×105[3],目前超声波作为一种降解新枝术在化学领域中发挥着越来越大的作用[6]。
Li等[7]采用微波辐照法制备了可溶于水的低分子量壳聚糖。该法减少了能量损耗、降低污染,且节约了原料及制备时间。
2.2 化学法
2.2.1 酸水解法
壳聚糖在酸性溶液中是不稳定的,会发生长链的部分水解,即糖苷键的断裂,形成许多分子量大小不等的片段,严重水解则大部分变成单糖,因此,酸水解法是制备单糖和一系列相应寡糖的主要途径之一[1]。
酸水解法常用于工业生产,但在商业化生产中,化学降解有一些缺点,即会产生一些有害物质,对环境造成污染,产量不高等。早期报道中,常在强的酸性条件下对壳聚糖进行水解产生低分子量的壳聚糖,近期有人用硝酸及磷酸对壳聚糖分子进行水解,水解过程需要加入大量的酸[8]。
2.2.2 酶降解法
酶解法是利用专一性或非专一性酶对壳聚糖进行降解的方法。整个降解过程中,无其他反应试剂加入,不至于发生其他副反应,最近20年来,国内外研究工作十分活跃。现已发现大约有30多种专一性或非专一性酶可用于甲壳素和壳聚糖的降解反应。
酶水解法优于酸水解法。酶法降解可特异性地、选择性地切断壳聚糖的多β-(1,4)-糖甘键,Pantaleone等[9],Yalpani等[10]发现纤维素酶、果胶酶、脂肪酶、木瓜蛋白酶等可以将壳聚糖水解。其次,纤维素酶、木瓜蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、β-糖苷酶及纤维素酶、α-淀粉酶、与蛋白酶的混合物都可使壳聚糖发生降解[7]。
2.2.3 氧化降解法
氧化降解法是目前研究得比较多的一种方法。氧化降解法以过氧化氢氧化法为代表,主要有H2O2法、H2O2-HCl法、H2O2-Na OCl2法、Cl O2法等等[11]。
薛行华等[4]研究了H2O2/HCl/Mn O2体系可有效地使壳聚糖氧化降解生成低分子水溶性壳聚糖,其分子质量随温度的升高而增大,随脱乙酰度的增加而减小。随着反应时间的延长,水溶性壳聚糖的分子质量降低,而产率却增加。用10%HCl、30%H2O2、Mn O2,反应温度70℃时,83%脱乙酰度壳聚糖反应1.5 h后分子质量下降到1 476,产率高达94.6%。
罗平等[12]用H2O2-Na Cl O混合氧化剂处理壳聚糖,结果表明该混合氧化剂是壳聚糖氧化降解比较适宜的氧化剂。为了制备分子量为104左右的低分子壳聚糖,采用H2O21~4%,Na Cl O 1~3%,反应温度40℃~90℃,反应时间1~4小时比较适宜,这时产品收率和外观质量都比较好。若要制备分子量为103左右的低分子水溶性壳聚糖,可采用增加H2O2含量,提高反应温度,延长反应时间等方法。同时,改变氧化剂含量、反应温度和反应时间,可制备分子量不同的壳聚糖。
3 化学修饰制备水溶性壳聚糖
壳聚糖分子中C2位上的-NH2和C3、C6位上-OH均具有较强的反应活性,在适当的条件下可进行多种化学改性,从而得到不同结构的水溶性产物。
3.1 酰基化
汪琴等[13]将2 g经过碱处理的壳聚糖置于40 m L二甲亚砜中,在搅拌下加入2 g丁二酸酐,于60℃反应至设定时间。反应结束后过滤,固相用乙醇浸泡一定时间,并将p H调到10左右。过滤后将沉淀物溶于蒸馏水中,用3倍体积的丙酮沉淀,沉淀物再依次用φ=0.7的乙醇和丙酮洗涤,干燥后得N-2-琥珀酰壳聚糖,该产物水溶性良好。
3.2 烷基化
Warayuth Sajomsang等[14]通过壳聚糖的氨基与芳香醛作用,形成希夫碱,合成N-芳基化壳聚糖。甲基化的N-(4-甲基)壳聚糖不溶于水。但有高碱化反应的甲基化N-(4-N,N-二甲基氨基苄基)壳聚糖和N-(4-吡啶甲基)壳聚糖等衍生物便可溶于水。
Dong-Hong Li等[15]在中性的温和的反应条件下,向壳聚糖分子链上引入了异丁基,合成异丁基壳聚糖。该烷基化的壳聚糖在中性水溶液中由于结晶度的降低,有很好的水溶性。
王爱勤等[16]用卤代烷与壳聚糖反应,制备了具不同长度烷基取代基的壳聚糖衍生物。红外和X衍射测试结果表明:烷基取代基的引入削弱了壳聚糖分子间的氢键作用,可改善其溶解性能。其中,乙基、丁基和辛基取代衍生物有良好的水溶性。
3.3 羧甲基化
纪淑娟等[17]通过单因素和正交试验,确定了羧甲基壳聚糖的最佳制备工艺条件为:m(壳聚糖)∶m(氢氧化钠)∶m(氯乙酸):=1∶4.5∶5,反应温度60℃,反应时间5 h,制得取代度为1.45的羧甲基壳聚糖,产品粘度和水溶性良好,适宜作果蔬涂膜保鲜剂。
Xi-Guang Chen等[18]在500 m L的三颈瓶中装入10 g壳聚糖、13.5 g氢氧化钠、100 m L溶剂,在50℃下反应1 h。用20 m L异丙醇溶解15 g氯乙酸,将此溶液在30 min内逐滴加入反应溶器中,并在相同温度下反应4 h。对反应物用70%乙醇洗,最后烘干得产物。此条件下生产的羧甲基壳聚糖有较好的水溶性。
3.4 季铵化
黄晋原等[19]采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)和脱乙酰度为95%的壳聚糖为原料制备了水溶性壳聚糖季铵盐2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HTCC)。采用正交试验确定的最佳工艺条件是;反应时间12 h,反应温度80℃,n(GTA)∶n(-NH2)=4.5∶1,壳聚糖分子量:6.3×104,产率:94.8%。
蔡照胜等[20]以脱乙酰度为90%的壳聚糖(CTS)为原料,异丙醇为溶剂,W(Na OH)=40.0%的水溶液为催化剂,3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CTA)为改性剂,在m(Na OH):m(CTS)=1.0:1.0,m(CTA):m(CTS)=4.0:1.0,反应温度65.0℃下制备了2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HTCC)。实验结果表明,在反应时间达到或超过9.0 h时,得到的HTCC产品的接枝度超过90.0%,在p H=6.7~7.0的水中可完全溶解形成W(HTCC)=3.0%的溶液。IR和HNMR的结果表明,接枝反应主要发生在CTS的氨基上。
Sang-Hoon Lim等[21]通过在壳聚糖分子上引入N-2,3-环氧丙基三甲基氯化铵,制备水溶性的壳聚糖季铵化衍生物。在85℃用60 m L的去离子水溶解6 g壳聚糖粉末,将铵盐水溶液21.3 m L分三次间隔2 h,加入反应体系。反应10h。将反应后的液体倾倒入200 m L冷的丙酮中,并搅拌,然后放入冰箱过夜。次日将丙酮弃去,用100 m L的甲醇浸泡产物。之后用丙酮-乙醇(4:1)来沉淀所得产物。过滤,再用热的乙醇索氏抽提24 h,最后所得产物用70℃烘干,所得产物水溶性良好。
3.5 超声波处理法
Giancarlo Cravotto等[22]在17.8~18.5 k Hz的超声波处理下,对壳聚糖进行各种化学修饰,发现相对于原始方法,可以在较少时间及较低温度下完成反应。
4 水溶性壳聚糖的应用
4.1 在医用方面
4.1.1 抗菌性能
壳聚糖对于一般人体表皮存在的皮肤细菌如表皮葡萄球菌,大肠菌如大肠杆菌和人体真菌如热带白色念球菌,有显著的抑菌作用。[1]目前,越来越多的研究发现改性后的壳聚糖的皂菌作用有所提高。
Caiqin Qin等[23]首先制备了N-2-羟基三甲基丙基氯化铵,通过实验,考察了其对葡萄球菌、大肠杆菌、白念珠菌的抑菌作用。结果表明:季铵化壳聚糖在碱性条件下的抑菌性能比弱酸条件下的更强。Yajun Xie等[24]通过对壳聚糖进行季铵化改性,所得产物对大肠杆菌有很好的抑制性能。
Warayuth Sajomsang等[13]合成的甲基化N-(4-N,N-二甲基氨基苄基)壳聚糖和N-(4-吡啶甲基)壳聚糖对大肠杆菌,金黄色葡萄球菌有较强的抑菌作用。
4.1.2 降血糖
孙萍等[25]发现水溶性壳聚糖有明显降血糖、增加肝糖原作用,其作用可能与调节糖代谢、促进肝糖原合成、减少肝糖原分解有关,且呈剂量依赖性。
4.1.3 药物载体
Dong-Gon Kim等[26]将水溶性壳聚糖制成维生素A壳聚糖纳米粒,结果显示,壳聚糖与维生素A可形成稳定的高效纳米粒。
4.1.4 酶抑制剂
Jae-Young Je等[27]研究了水溶性壳聚糖衍生物对裂解酶的抑制作用,继而发现它可以减慢或抑制老年痴呆症的发病率。
4.2 在食品方面
4.2.1 保鲜防腐
张伟等[28]合成了壳聚糖的水溶性衍生物,并对其抑菌作用进行测定,结果证明其确有较强的抑菌作用。对各种食品腐败菌的最小抑制浓度分别为:大肠杆菌0.5%,枯草杆菌0.5%,巨大芽孢杆菌1%,苏云金杆菌1%,青霉1%,毛霉0.5%,曲霉1%,根霉0.5%,啤酒酵母1%,该衍生物的抗菌作用对高温、高压稳定。
4.2.2 保健食品
壳聚糖被认为是继卵磷脂、螺旋藻等第二代保健食品之后的第三代保健食品,可用于研制具有保健功能的食品。水溶性壳聚糖可作为在食品中引入人体钙、铁的载体而达到补充的目的,有助于钙、铁的吸收。[29]
4.3 在化妆品方面
谢芳等[30]研究了羧甲基壳聚糖在化妆品中的应用,结果表明:羧甲基壳聚糖具有良好的水溶性,应用在嗜喱水方面有良好的吸湿性、保湿以及定型、护发作用。由于壳聚糖来源丰富,价格便宜,有望在化妆品工业得到更广泛的应用。
杜予明等[31]制备了可替代透明质酸的羧甲基壳聚糖。透明质酸被誉为“保湿黄金”,由于其优良的保湿性能,广泛应用于化妆品。虽然透明质酸在自然界分布很广,但总量很少,价格昂贵。而羧甲基壳聚糖可替代透明质酸用于化妆品,且其制备成本低,制备过程简单。
4.4 废水处理
Viviane A.Spinelli等[32]针对涂料工业、皮革处理、木材保存等造成的铬离子污染,用季铵化壳聚糖作为吸附剂处理废水。季铵化壳聚糖被证明可以将水中的Cr(VI)离子高效除去。Sirlei Rosa等[33]利用季铵化壳聚糖对还原橙16的吸附作用,来判断纺织废水中是否还残留活性染料。研究结果表明,这种新的季铵化壳聚糖吸附剂可用于纺织废水处理,且与水介质的p H不会对处理过程造成影响。
5 展望
水溶性壳聚糖 篇4
水溶性壳聚糖是由甲壳素(Chitin)通过脱乙酰制得的α-氨基-D-葡胺糖通过β-1,4糖苷键连结成的直链大分子多糖,具有高效抑菌能力和良好的成膜性,并且天然、无毒及无害,因此在食品中常作为抑菌保鲜剂[1,2,3,4,5]。壳聚糖在果蔬的涂膜保鲜中的应用研究很多[6,7,8],在畜肉和水产品的保鲜,如牛、羊肉、对虾(Penacus orientalis)、鲫(Carassius auratus)、鳕(Gadus Macrocephalus)和鲱(Clupea pallasi)中多采用浸泡的保鲜方式[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20],但未见壳聚糖应用于鱼糜制品保鲜的报道。文章采用鱿鱼加工制备鱼丸,在制作过程中添加不同质量分数的水溶性壳聚糖,考察其对鱼丸冷藏保鲜效果的影响,在4 ℃冷藏条件下实现延长保质期、降低能耗和成本,并保持鱼丸良好的质构和风味的目的。
1 材料与方法
1.1 材料
新鲜鱿鱼,购自浙江舟山市沈家门菜市场。
1.2 试剂
水溶性壳聚糖(食品级),脱乙酰度≥95%(上海晶纯试剂有限公司出品);丙二醛试剂盒(南京建成生物工程研究所出品);氢氧化钠、氯化钠、硼酸、冰乙酸、三甲基硅油和营养琼脂粉。
1.3 仪器与设备
LDZX-40BZ型立式自动电热压力蒸汽灭菌锅(上海申安医疗器械厂出品);HWS型智能恒温恒湿箱(宁波东南仪器有限公司出品);NR-5010型食品搅拌仪(宁波宁锐电器有限公司出品);DL-5型低速大容量离心机(上海安亭科学仪器厂出品);HH-4型数显恒温水浴锅(国华电器有限公司出品);TGL-16C型离心机(上海安亭科学仪器厂出品);UV-1100型紫外可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司出品);FE20K型酸度计(Mettler Toledo)。
1.4 鱼丸制作方法
鱼糜配方为鱿鱼,淀粉10.0%,盐2.0%,不同质量分数的水溶性壳聚糖。
工艺流程为去除鱿鱼的头和内脏,用清水反复清洗→绞肉机搅拌5 min→加入辅料、水(不同质量分数的水溶性壳聚糖溶解于水)→继续擂溃20 min→制成球形鱼丸→45 ℃水浴20 min→蒸汽蒸3 min→冰水冷却→4 ℃贮藏。
1.5 试验分组
为使溶解于水中的壳聚糖能更均匀地分散于鱼糜制品中,在添加壳聚糖前需先将其溶于一定量的水中,然后按照鱼糜制品的工艺流程来添加。参考王秀娟等[12]对壳聚糖的研究结果,壳聚糖添加水平太高会导致黏度增大、溶解性下降,故此次试验确定添加壳聚糖的最高质量分数为2.0%,另设置了1.0%和1.5% 2个水平梯度。
试验设4个组,A组为空白(对照),B组添加1.0%的水溶性壳聚糖,C组添加1.5%的水溶性壳聚糖,D组添加2.0%的水溶性壳聚糖。
1.6 测定方法
1.6.1 感官评分方法
参照鱼糜制品NYT 1327-2007绿色食品鱼糜制品感官要求标准,以7人组成感官评定小组,每天对4组样品进行感官评定,评定标准分5个等级,评定人员在互不干扰情况下给出综合评分值。具体评分标准见表1。
1.6.2 测定指标及方法
菌落总数测定按GB/T 4789.2-2008规定的方法测定。挥发性盐基氮(TVB-N)的测定按照SCT 3032-2007水产品中挥发性盐基氮测定的方法进行测定,使用半微量凯氏定氮仪测定TVB-N。pH的测定为取鱼丸肉10.00 g于烧杯中,加入煮沸后冷却的蒸馏水至100 mL,均匀搅拌,静置30 min,然后用pH计进行测定。
硫代巴比妥酸(TBA)测定为采用试剂盒测定丙二醛含量,试剂盒购自南京建成生物工程研究所。
1.7 数据分析
每个指标均做3次平行样,取平均值后采用SPSS 17.0进行数据分析,组间分析采用配对样本t检验,组内分析采用T检验,综合评定采用主成分分析,并用Origin 8.0绘图。显著性水平设置为P<0.05。
2 结果与分析
2.1 感官评定分值
添加水溶性壳聚糖组在感官评价方面优于未添加组。在4 ℃下贮藏,各组鱼丸感官评分均随时间延长逐渐下降,但B组、C组和D组的评分值比A组下降慢(P<0.05)(图1)。前3 d试验组与空白组感官评分差异较小(P>0.05),肉质均成白色,弹性好,有鱼肉鲜味;从第4天起差异开始明显(P<0.05),A组颜色渐渐变暗,肉质失去弹性,汁液流失较明显;第9天时A组鱼丸表面泛黄,肉质松软,产生腐败的鱼腥臭;到第7天,B组、C组和D组组间差异不明显(P>0.05),鱼丸肉质颜色稍微变暗,鱼肉鲜味变淡,但弹性仍较好;第11天B组出现酸臭味;第13天时C组鱼丸多处泛黄,暗淡无光泽,并伴有臭味,而D组无鱼肉鲜味,鱼腥味浓,但没有臭味。结果表明,添加2.0%质量分数水溶性壳聚糖的鱼丸表现出较明显的抑制腐败变质的特性。
2.2 菌落总数的变化
在添加了不同质量分数的水溶性壳聚糖条件下鱼丸菌落总数的变化见图2。水溶性壳聚糖有抑制细菌生长的作用,这与前人的研究结果[20]一致,A组由于未添加水溶性壳聚糖,增速最快,增长速度与其他3组相比差异显著(P<0.05),第9天菌落总数达到1.2×105 cfu·g-1,已经超过NY/T 1327-2007(绿色食品鱼糜制品)中对非即食类鱼糜制品菌落总数规定的5×104 cfu·g-1。B组、C组和D组3组在前7 d表现出较强的抑菌效果,菌落总数小于104 cfu·g-1,说明水溶性壳聚糖有很强的抑制细菌生长的作用(P<0.05)。第11天B组菌落总数超过标准,C组第12天超标,第13天D组菌落总数为4.5×104 cfu·g-1,仍未超标,显示出一定的抑菌效果。
2.3 贮藏过程中TVB-N的变化
含氨基酸或蛋白质高的水产品在贮藏过程中,在自身酶与微生物的作用下发生分解而产生氨和胺等碱性含氮物质,与组织内的酸性物质结合后即成盐基态氮。这类物质能在弱碱性下与水蒸汽一起蒸馏出来,所测得的即为TVB-N,TVB-N可以显示出鱼丸的新鲜度。各组的TVB-N在贮藏初期(0～5 d)变化都很小(P>0.05),原因可能在于鱼丸的制作过程要经过高温蒸煮,在此期间一部分酶受到高温而变性失活,未能参与到分解氨基酸或蛋白质的过程中来,而微生物在贮藏前几天总量也较少,所以产生的TVB-N变化较小(图3)。从第3天起A组TVB-N比各试验组均高(P<0.05),且与菌落总数变化趋势相同;第9天时A组的TVB-N为0.30 mg·g-1,出现腐败现象,而B组TVB-N略高于0.25 mg·g-1,但C组和D组TVB-N小于0.25 mg·g-1,按GB 2735-94规定,C组和D组还具有一级鲜度。至第13天时D组才接近腐败(0.30 mg·g-1)。
2.4 贮藏过程中pH的变化
在贮藏前期,由于各组鱼丸中的微生物数量较少,代谢速率低,pH上升不明显(P>0.05),pH在6.6附近(图4)。各组在5 d后pH上升较明显(P<0.05),推测可能是蛋白质被微生物分解,碱性化合物积聚造成了pH的上升。第9天时A组pH达到7.2,B组为6.9,而C组和D组pH仍较低,说明水溶性壳聚糖能抑制微生物的生长,从而减少了微生物利用底物产生的碱性物质含量。在整个贮藏期D组pH均低于其他组(P<0.05)。
2.5 贮藏过程中TBA的变化
TBA表示其脂肪氧化酸败程度,是评判脂肪氧化的良好指标。MDA是不饱和体系的氧化产物,其与TBA作用发生显色反应,生成的红色物质在532 nm处有最大吸收峰,可用来表征样品的脂氧化程度。鱼丸贮藏过程中TBA的变化情况见图5。试验表明,各组在贮藏过程中随时间的延长TBA均上升(P<0.05),其中A组的TBA上升最快,在第9天时达到0.043 mg·g-1。D组样品的TBA上升最为缓慢,第13天时才达到0.029 mg·g-1。TBA的上升速度与水溶性壳聚糖质量分数呈负相关,推测原因可能是水溶性壳聚糖具有良好的吸附性和成膜性,其溶液与鱼肉充分混匀后产生了类似微胶囊的效果,对氧气(O2)及二氧化碳(CO2)等气体具有选择透过作用,从而产生抗氧化的功效。
2.6 4个试验组保鲜效果的综合评定
主成分分析能够降低数据的维数,直观地反映不同水平的壳聚糖溶液与鱼丸保鲜效果之间的关系。文章采用SPSS中的主成分提取方式对菌落总数、TVB-N、TBA和pH这4个与保鲜效果成负相关的指标进行降维分析,最终提取到1个主成分,该主成分反映了原有4个指标99.641%的信息量,信息丢失较少。通过计算得到的综合得分函数为F=0.500 9×菌落总数的对数+0.500 9×TVB-N+0.498 9×pH+0.499 4×TBA。最终得分为A组2.793 4,B组0.034 6,C组-1.135 6,D组-1.692 5。由于主成分得分与保鲜效果呈负相关,结合感官评定,得出最终的保鲜效果为D组>C组>B组>A组。
3 讨论
该研究以鱼丸为对象,采用水溶性壳聚糖溶液混合添加的方式,以感官评分、菌落总数、挥发性盐基氮(TVB-N)、硫代巴比妥酸(TBA) 和pH为指标,考察了壳聚糖对鱼丸的保鲜效果。研究结果显示,添加水溶性壳聚糖的鱼丸在冷藏过程中的菌落总数、TBA、TVB-N和pH均低于对照组,而感官评定值则高于对照组。在此试验条件下水溶性壳聚糖的保鲜效果与添加量呈正相关,在鱼丸中添加2.0%的水溶性壳聚糖具有较明显的保鲜作用,与空白组相比,可将鱼糜制品的冷藏保鲜期从9 d延长至13～14 d。与传统的冷藏方式相比,该方法可显著延长产品的货架期和物流周期,明显提高了经济效益。壳聚糖作为一种生物保鲜添加剂,在鱼糜制品的保鲜中具有较好的利用开发价值。
壳聚糖在食品中的应用已有报道,但将壳聚糖应用于鱼糜制品中尚未见报道。王秀娟等[12]报道了壳聚糖涂膜对保鲜虾的效果,徐丽敏等[9]研究了水溶性壳聚糖对凡纳滨对虾(Penaeus vannamei)的品质及腐败菌相变化的影响,以上研究均发现壳聚糖溶液能明显地降低鲜虾的TVB-N、抑制细菌的生长,但这些研究中壳聚糖的添加方式多为涂膜与浸泡。由于鱼糜制品生产工艺流程的连续性,传统的涂膜、浸泡方式会降低鱼糜制品的生产效率,且涂膜与浸泡只能使壳聚糖附着于鱼糜制品的表面,无法使其到达内部,故这种添加方式对鱼糜制品的保鲜效果并不理想。与传统的涂膜、浸泡添加方式相比,文章首次将壳聚糖溶液的添加方式与鱼糜制品的生产工艺流程结合起来,在鱼糜制品的生产过程中进行混合添加。这种保鲜方式工艺简单、方便,更易于实现产业化。
此研究证实了水溶性壳聚糖对鱼糜制品具有保鲜作用,但水溶性壳聚糖与其他保鲜剂混合后是否能在鱼糜制品中产生更好的保鲜作用,以及水溶性壳聚糖在鱼糜制品中具体的保鲜机理还有待进一步研究。
摘要：研究了添加不同质量分数的水溶性壳聚糖对鱼糜制品冷藏保鲜效果的影响。以感官评分、菌落总数、挥发性盐基氮(TVB-N)、硫代巴比妥酸(TBA)和pH为指标,考察鱼糜制品在4℃冷藏过程中的品质变化。结果表明,水溶性壳聚糖能够明显抑制细菌的生长与繁殖,阻止感官品质的下降,延缓TVB-N和TBA的上升。其中,添加2.0%的水溶性壳聚糖保鲜效果最佳,与空白组相比,能将鱼糜制品的冷藏保鲜期从9 d延长至13～14 d。
水溶性壳聚糖 篇5
1 材料与方法
1.1 试验概况
试验安排在梅州市梅县梅南镇蓝田村蔬菜基地进行,试验地土质为砂壤土,肥力中上,前茬作物为水稻。试验前取土化验,土壤含有机质33.0 g/kg、全氮1.7 g/kg、碱解氮112.0 mg/kg、有效磷45.4 mg/kg、速效钾79.0 mg/kg,p H值为6.3。
供试作物为辣椒,品种为农金105。供试肥料:含壳聚糖水溶肥料,含壳聚糖≥25 g/L、N+K2O≥80 g/L,由广州市生物防治站生产提供。
1.2 试验设计
试验设3个处理,分别为处理1:于辣椒苗期、初花期、膨大期、盛果期各喷施1次,全期共喷施4次含壳聚糖水溶肥料;处理2:同期不喷施任何肥料(常规对照);处理3:同期喷施等量的清水(CK)。每个处理3次重复,随机区组排列,小区面积20 m2。
1.3 试验方法
辣椒于2013年8月11日播种,9月17日移植,栽植3万株/hm2。10月31日开始收获,12月10日收获完毕。各处理施豆麸375 kg/hm2及商品有机肥1 200 kg/hm2作基肥[5,6,7]。处理1分别于9月25日、10月5日、10月15日、10月25日各喷施1次含壳聚糖水溶肥料,喷施浓度为1∶600,喷施量以叶片布满雾珠、不滴水为准;处理2同期不喷施任何肥料;处理3同期喷施等量清水。
2 结果与分析
2.1 喷施含壳聚糖水溶肥料对辣椒主要农艺性状的影响
从表1可以看出,收获时处理1辣椒株高分别比处理2、3增加5.4%、3.5%;雌花数分别比处理2、3增加5.7%、2.8%;挂果数分别比处理2、3增加8.0%、3.8%;坐果率分别比处理2、3提高2、1个百分点;平均单果重分别比处理2、3增加4.8%、3.2%。结果说明,喷施含壳聚糖水溶肥料对辣椒主要农艺性状有一定的促进作用。
注:挂果数以第2次生理落果后的果数计算,坐果率以挂果数除以雌花数计算。
2.2 喷施含壳聚糖水溶肥料对辣椒产量的影响
从表2、表3可以看出,处理1辣椒产量最高,处理3的次之,处理2的最低。喷施含壳聚糖水溶肥料的处理1辣椒小区平均产量为96.3 kg,折合产量48 150 kg/hm2,比处理2增产4 750 kg/hm2,增幅为10.9%,增产极显著;比处理3增产3 850 kg/hm2,增幅为8.7%,增产极显著。结果说明,辣椒喷施含壳聚糖水溶肥料有显著的增产作用。
注:同列不同小、大写字母分别表示0.05、0.01水平上差异显著。
注:*表示差异达显著水平,**表示差异达极显著水平。
3 结论
试验结果表明,喷施含壳聚糖水溶肥料对辣椒主要农艺性状有一定的促进作用,有显著的增产作用。喷施含壳聚糖水溶肥料的处理辣椒小区平均产量为96.3 kg,折合产量48 150 kg/hm2,比不喷施任何肥料的常规对照增产4 750kg/hm2,增幅为10.9%,增产极显著;比喷施等量清水的对照增产3 850 kg/hm2,增幅为8.7%,增产亦极显著。
摘要：含壳聚糖水溶肥料在辣椒上的应用研究结果表明,喷施含壳聚糖水溶肥料对辣椒主要农艺性状有一定的促进作用,有显著的增产作用。喷施含壳聚糖水溶肥料的处理辣椒小区平均产量为96.3 kg,折合产量48 150 kg/hm2,比不喷施任何肥料的常规对照增产4 750kg/hm2,增幅为10.9%,增产极显著;比喷施等量清水的对照增产3 850 kg/hm2,增幅为8.7%,增产亦极显著。
关键词：壳聚糖水溶肥料,辣椒,农艺性状,产量
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