羧甲基殼聚糖/醛化羧甲基纖維素聚合物的制備及其在草莓保鮮中的應(yīng)用

吳若寒,曹立妤,孫 蕓,周 治,倪 芳,朱本偉,姚 忠

(南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院,江蘇 南京 211800)

殼聚糖(chitosan,CS)是甲殼素(chitin)的N-脫乙酰基衍生物,也是目前已知唯一的天然堿性多糖[1]。殼聚糖具有良好的生物相容性和可降解性,且吸附性、成膜性、吸濕保濕性也十分優(yōu)異。此外,殼聚糖結(jié)構(gòu)中含有大量高活性的伯胺基團(tuán),這不僅賦予其較強(qiáng)的抑菌活性,同時(shí)也便于進(jìn)行化學(xué)修飾,形成豐富多樣的功能性生物材料[2]。

在果蔬采后貯藏領(lǐng)域,CMCS作為涂膜保鮮劑也顯示出良好的應(yīng)用潛力。CMCS膜液涂布在果蔬表面能夠形成屏障,有效隔絕O2和果實(shí)的直接接觸,減弱果實(shí)的呼吸強(qiáng)度,延緩果實(shí)的成熟、衰老以及腐爛[11],但單一的CMCS涂膜無(wú)論在材料性能(如,力學(xué)強(qiáng)度或韌性)還是抑菌性方面仍存在一定缺陷。為此,人們嘗試通過向CMCS中添加各類活性物質(zhì)或戊二醛交聯(lián)的方式來改善其性能[12-14],但戊二醛毒性大,存在安全性問題,在食品中的應(yīng)用受到很大的限制。

為此,本文以羧甲基殼聚糖為基礎(chǔ)材料,以醛化羧甲基纖維素(CMC-CHO)為交聯(lián)劑,通過希夫堿反應(yīng)制備CMCS/CMC-CHO交聯(lián)聚合物,考察交聯(lián)復(fù)合膜的材料性能(拉伸性能、膜透濕性和透光性),測(cè)試其對(duì)黑曲霉(Aspergillusniger)和擴(kuò)展青霉(Penicilliumexpansum)的抑制作用,并初步開展CMCS/CMC-CHO復(fù)合物在草莓采后貯藏中的應(yīng)用研究,以期拓展此涂膜的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羧甲基殼聚糖(CMCS,取代度80%),上海麥克林生化科技有限公司;羧甲基纖維素(CMC,黏度為800～1 200 mPa·s)、乙二胺四乙酸二鈉、3,5-二硝基水楊酸、抗壞血酸(VC)、CuSO4(分析純),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;高碘酸鈉(分析純),阿拉丁試劑(上海)有限公司;鹽酸羥胺(分析純),西隴化工股份有限公司;甘油(分析純),上海源葉生物科技有限公司;馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基,廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。

1.2 CMC-CHO的制備及醛化度的測(cè)定

將高碘酸鈉和羧甲基纖維素避光反應(yīng)[15],合成醛化羧甲基纖維素。用鹽酸羥胺法[16]測(cè)得反應(yīng)物的醛化度為13.30%。

1.3 CMCS/CMC-CHO復(fù)合膜及涂膜液的制備及紅外光譜

復(fù)合膜制備采用鑄膜法。配制體積分?jǐn)?shù)為2.25%的CMCS溶液,按體積比2∶1加入不同濃度的CMC-CHO溶液,使CMCS終質(zhì)量濃度為15 g/L,CMC-CHO終質(zhì)量濃度分別為1、3、5、8和10 g/L,加入終體積分?jǐn)?shù)為0.5%的甘油后混合反應(yīng)5 min;按照CMCS、CMC-CHO、Gly的添加順序,取15 mL反應(yīng)液倒入培養(yǎng)皿(直徑為90 mm),消除氣泡,于50 ℃下烘干8 h成膜,分別制備CMCS膜、CMCS/CMC-CHO復(fù)合膜以及CMCS/CMC-CHO/Gly復(fù)合膜。

涂膜液的制備:控制CMCS終質(zhì)量濃度為15 g/L,CMC-CHO終質(zhì)量濃度為8 g/L,甘油終體積分?jǐn)?shù)為0.5%,分別制備CMCS、CMCS/CMC-CHO以及CMCS/CMC-CHO/Gly涂膜液,后續(xù)保鮮實(shí)驗(yàn)采用此添加濃度。

將CMC、CMC-CHO、CMCS/CMC-CHO分別配制成一定濃度的溶液,再將溶液滴于KBr壓片,進(jìn)行紅外光譜(FT-IR)表征,掃描范圍為4 000～400 cm-1[17]。

1.4 CMCS/CMC-CHO復(fù)合膜性能測(cè)試

1.4.1 膜拉伸性能

將制得的復(fù)合膜剪成啞鈴形薄片(70 mm×4 mm),測(cè)量膜的厚度后以萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司)測(cè)定復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂應(yīng)力[18]。斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂應(yīng)力的計(jì)算見式(1)～(2)。

(1)

(2)

式中:S是膜被拉伸的長(zhǎng)度,mm;L是原長(zhǎng),mm;F是膜斷裂時(shí)所能承受的最大拉力,N;A是膜拉伸前的橫截面積,mm2。

1.4.2 透濕性和透光性

采用 GB 1037—1988杯式法測(cè)定膜的透濕性。將復(fù)合膜裁剪、覆于瓶口并用熱熔膠密封;將透濕杯置于25 ℃、50%相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)[19]。每隔24 h水蒸氣透過量的計(jì)算見式(3)。

(3)

式中:t是質(zhì)量變化穩(wěn)定后的兩次間隔時(shí)間,h;Δm是t時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量變化量,g;A是膜透過水蒸氣的面積,m2。

參照文獻(xiàn)[18]的方法測(cè)定復(fù)合膜的透光性。對(duì)不同膜的紫外區(qū)和可見光區(qū)吸收光譜(280～700 nm)進(jìn)行了連續(xù)掃描,選取10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),計(jì)算并繪制復(fù)合膜在不同波長(zhǎng)下的光透過率曲線[20]。透光率(T)的計(jì)算見式(4)。

T=10-A×100%

(4)

式中:A是膜的吸光值。

1.5 涂膜液抑菌性能測(cè)試

將～106cfu/mL的黑曲霉(Aspergillusniger)、擴(kuò)展青霉(Penicilliumexpansum)菌懸液分別加入無(wú)菌培養(yǎng)皿中,與冷卻至合適溫度的PDA固體培養(yǎng)基(20 mL)混勻;待凝固后,用8 mm無(wú)菌的牛津杯扣出3個(gè)洞,加入120 μL經(jīng)滅菌的涂膜液,每種涂膜液做3個(gè)平行,空白對(duì)照用無(wú)菌水。培養(yǎng)皿于28 ℃下培養(yǎng)48 h,查看抑菌圈并測(cè)量抑菌圈直徑大小[21]。

1.6 草莓的涂膜處理

取新鮮草莓(品種為“紅顏”)120枚,隨機(jī)分成對(duì)照組、CMCS處理組、CMCS/CMC-CHO處理組和CMCS/CMC-CHO/Gly處理組,每組30枚;對(duì)照組草莓洗凈,自然晾干;處理組草莓洗凈后,在3種涂膜液中浸涂30 s,取出后自然晾干;將處理組和對(duì)照組草莓分別裝入無(wú)蓋的保鮮盒中,于室溫下(～20 ℃)下貯藏7 d,不避光,相對(duì)濕度為72%。分別在第0天、第2天、第4天、第6天、第7天取樣,測(cè)定樣品質(zhì)量損失率(稱質(zhì)量法)[22]、硬度(GY-1硬度計(jì))[23]、腐爛率[24]以及有機(jī)酸(滴定法)[25]、可溶性固形物(阿貝折光儀)[12]、還原糖(3,5-二硝基水楊酸法)[26]和VC(紫外分光光度法)含量[27]。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合膜的FT-IR分析

圖1 CMC、CMC-CHO及CMCS/CMC-CHO聚合物的紅外光譜

2.2 CMCS和CMC-CHO添加量對(duì)膜拉伸性能的影響

斷裂應(yīng)力和斷裂伸長(zhǎng)率可以反映膜的力學(xué)強(qiáng)度和延伸韌性。考察CMCS和CMC-CHO添加量對(duì)膜拉伸性能的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:隨著CMCS添加量的增大,膜的斷裂應(yīng)力先增加后減小,而斷裂伸長(zhǎng)率則持續(xù)下降。這可能是因?yàn)殡S著CMCS添加量的增大,高分子鏈間的作用力增加,膜的強(qiáng)度增加,斷裂應(yīng)力相應(yīng)增大。而當(dāng)CMCS添加量繼續(xù)增加時(shí),鑄膜液的黏度加大,導(dǎo)致膜的均一性降低,斷裂應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小。此外,隨著CMCS添加量增大,膜的硬度逐漸增大,而膜的柔韌性下降,斷裂伸長(zhǎng)率則相應(yīng)減小[30]。

圖2 CMCS和CMC-CHO添加量對(duì)膜拉伸性能的影響

在CMCS為15 g/L的條件下,隨著CMC-CHO添加量的增大,復(fù)合膜的斷裂應(yīng)力逐漸上升,這是由于CMC-CHO與CMCS發(fā)生了希夫堿反應(yīng),使高分子鏈間形成了交聯(lián),提高了復(fù)合膜的力學(xué)強(qiáng)度。與此相反,復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨著CMC-CHO濃度的增大而呈逐漸下降的趨勢(shì),其主要原因也是CMCS和CMC-CHO發(fā)生了交聯(lián)聚合,膜的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密,分子鏈間不宜發(fā)生相對(duì)滑移,導(dǎo)致膜的韌性越差[31]。當(dāng)CMCS為15 g/L、CMC-CHO為8 g/L時(shí),膜的斷裂應(yīng)力達(dá)到39.81 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為7.52%。為了進(jìn)一步改善復(fù)合膜的材料性能,在上述配方基礎(chǔ)上添加了0.5%(體積分?jǐn)?shù))的甘油,最終復(fù)合膜斷裂應(yīng)力達(dá)到32.42 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為12.45%。

2.3 CMC-CHO添加量對(duì)膜透濕性的影響

固定CMCS為15 g/L、甘油體積分?jǐn)?shù)為0.5%,考察CMC-CHO添加量對(duì)復(fù)合膜透濕性的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 CMC-CHO添加量對(duì)膜水蒸氣透過量的影響

由圖3可知:隨著CMC-CHO添加量的增大,膜的透濕性呈先增大后降低的趨勢(shì)。由于膜的水蒸氣透過量主要由膜中聚合物的結(jié)晶度,聚合物分子大小、取向以及聚合物的性質(zhì)決定[32]。當(dāng)?shù)吞砑恿康腃MC-CHO與CMCS交聯(lián)時(shí),提高了聚合物的親水性,水蒸氣透過量有所增大,但隨著交聯(lián)度的升高,復(fù)合膜的致密性逐漸增加,對(duì)水蒸氣的阻隔作用也隨之增強(qiáng),導(dǎo)致膜的透濕性呈下降的趨勢(shì)。總體上看,在CMC-CHO量低于8 g/L條件下均可提高復(fù)合膜的透濕性。

2.4 CMC-CHO添加量對(duì)膜透光性的影響

固定CMCS為15 g/L,甘油體積分?jǐn)?shù)為0.5%,添加不同質(zhì)量濃度的CMC-CHO,考察其對(duì)復(fù)合膜透光性的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:在可見光范圍內(nèi)(波長(zhǎng)390～700 nm),CMC-CHO添加量對(duì)膜的透光性影響不大,不同添加量下膜的光透過率均超過了80%;在近紫外線范圍內(nèi)(200～380 nm),隨著CMC-CHO添加量的增大,膜的透光率不斷降低,當(dāng)CMC-CHO為10 g/L時(shí),在280 nm下的光透過率僅有8.65%,較對(duì)照下降了85.87%,表明CMCS/CMC-CHO復(fù)合膜具有優(yōu)良的阻擋紫外線性能。

圖4 CMC-CHO添加量對(duì)膜透光性的影響

2.5 抑菌性能分析

圖5 3種涂膜對(duì)黑曲霉和擴(kuò)展青霉的抑菌效果

3種涂膜液對(duì)擴(kuò)展青霉的抑菌效果均低于黑曲霉,抑菌圈直徑也比較小。抑制效果從小到大依次為CMCS、CMCS/CMC-CHO/Gly、CMCS/CMC-CHO,與黑曲霉抑菌試驗(yàn)得到的結(jié)果一致。3種涂膜液的抑菌圈直徑數(shù)據(jù)整理在表1中。

表1 不同涂膜液的抑菌圈直徑

雖然希夫堿化合物對(duì)一些霉菌有抑菌效果[35],但是其對(duì)霉菌的抑菌機(jī)制沒有較多的研究。

2.6 不同涂膜液處理對(duì)草莓采后品質(zhì)變化的影響

涂膜處理對(duì)草莓貯藏期質(zhì)量損失、硬度變化、草莓的有機(jī)酸、可溶性固形物、還原糖以及VC含量(按每100 g草莓計(jì)算)的影響如圖6所示。由圖6可知:隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),各組草莓的質(zhì)量損失率都呈增大的趨勢(shì),與曾令晉等[36]研究結(jié)果相似,對(duì)照組在貯藏7 d后的質(zhì)量損失率達(dá)到了23.12%,而涂膜處理組的草莓質(zhì)量損失率均小于對(duì)照組,其中CMCS/CMC-CHO涂膜處理7 d后的質(zhì)量損失率最低,僅為20.66%,這可能是因?yàn)椴葺?jīng)涂膜處理后,不僅會(huì)減少一部分水分的流失,而且能延緩營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,最終降低草莓果實(shí)的質(zhì)量損失[37]。

圖6 涂膜處理對(duì)草莓的失重率、硬度、有機(jī)酸、可溶性固形物、還原糖以及VC含量的影響

隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組草莓的硬度都在不斷下降,但處理組的下降趨勢(shì)明顯低于對(duì)照組。經(jīng)7 d貯藏后,對(duì)照組草莓硬度僅為2.25×105Pa;CMCS處理組可保持在2.78×105Pa,而CMCS/CMC-CHO涂膜處理組中草莓硬度保持得最好,達(dá)3.04×105Pa,較對(duì)照組提高了35.11%。

涂膜處理后能有效緩解貯藏期間草莓中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,其中CMCS/CMC-CHO處理組的抑制效果最為明顯。經(jīng)7 d貯藏后,草莓中有機(jī)酸、可溶性固形物、還原糖以及VC含量分別為0.41%、10.50%、6.77%和50.78 mg,分別較對(duì)照組提高了36.67%、14.13%、3.51%和44.30%。

圖7～8為不同涂膜處理后的草莓腐爛率及第0天、第3天和第7天的腐爛狀況。由圖7～8可知:對(duì)照組和處理組的腐爛率都隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大的趨勢(shì),經(jīng)7 d貯藏后,對(duì)照組腐爛率達(dá)62%;CMCS處理組、CMCS/CMC-CHO/Gly處理組的腐爛率變化及腐爛狀況與對(duì)照組沒有明顯差異;而CMCS/CMC-CHO處理組的腐爛率僅有36%,明顯低于其他實(shí)驗(yàn)組,同時(shí)在7 d后也沒有出現(xiàn)腐爛痕跡,這與抑菌性分析結(jié)果一致。

圖7 不同涂膜液處理對(duì)草莓腐爛率的影響

CK—對(duì)照組;G1—CMCS處理組;G2—CMCS-CMC-CHO處理組;G3—CMCS-CMC-CHO-Gly處理組

3 結(jié)論

以羧甲基殼聚糖和氧化羧甲基纖維素為原料,通過席夫堿反應(yīng)制備水溶性共價(jià)交聯(lián)聚合物CMCS/CMC-CHO,并制備了CMCS/CMC-CHO復(fù)合膜,并測(cè)定其性能,在此基礎(chǔ)上分別考察CMCS、CMCS/CMC-CHO和CMCS/CMC-CHO/Gly這3種涂膜液草莓保鮮中的應(yīng)用效果,得到以下結(jié)果。

1)CMCS膜的斷裂應(yīng)力隨CMC-CHO添加量增大呈先增加后減小的趨勢(shì),而斷裂伸長(zhǎng)率則持續(xù)下降;與CMC-CHO交聯(lián)后復(fù)合膜的強(qiáng)度增大,而斷裂伸長(zhǎng)率卻大幅下降。

2)雖然較高的CMC-CHO添加量有利于提高聚合物的親水性,但會(huì)增加復(fù)合膜的致密性,阻礙水分子的擴(kuò)散。當(dāng)它的添加量低于8 g/L時(shí),復(fù)合膜的蒸汽透過率均優(yōu)于單一的CMCS膜,透濕性良好;復(fù)合膜的可見光透過率良好,但對(duì)近紫外光(200～380 nm)有良好的阻隔作用,且阻隔效果隨CMC-CHO添加量的增大而提高。

3)3種涂膜液對(duì)黑曲霉的抑菌效果優(yōu)于擴(kuò)展青霉;與CMCS/CMC-CHO-Gly和CMCS相比,CMCS/CMC-CHO的抑菌效果更為突出。經(jīng)7 d貯藏后,草莓腐爛率、質(zhì)量損失率比對(duì)照減少了41.94%、10.64%,而硬度、有機(jī)酸含量、可溶性固形物含量、還原糖含量、VC含量分別比對(duì)照提高了35.11%、36.67%、14.13%、3.51%和44.30%,有最好的保鮮效果。