水溶性壳聚糖的制备及其应用初探

2010年第36卷第10期（总第274期）89水溶性壳聚糖的制备及其应用初探杨凌霄1，李素芬1，刘廷国2，李斌11（华中农业大学食品科技学院，湖北武汉，430070）2（池州学院化学与食品科学系，安徽池州，247000）摘要通过半干研磨法制备了多种水溶性粉末状壳聚糖盐，并研究了不同盐的成膜性能、抑菌能力和对鸡蛋的保鲜能力。

红外光谱分析表明：壳聚糖与相应的酸在无溶剂存在的情况下实现了氨基的质子化反应而不仅仅是简单的物理吸附，产物具有良好的水溶性且性质稳定，该方法操作简单，无污染而且经济。

成膜性能、抑菌效果和对鸡蛋保鲜效果的初步研究表明，壳聚糖乳酸盐和壳聚糖醋酸盐适合作为保鲜剂，使用简单、方便。

关键词壳聚糖，水溶性，保鲜剂，抗菌第一作者：硕士研究生（李斌教授为通讯作者，E-mail ：libinfood @mail．hzau．edu．cn ）。

收稿日期：2010－06－13，改回日期：2010－08－19壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化衍生物，是自然界唯一的碱性天然多糖，来源广泛，估计每年自然界生物合成的甲壳素将近100亿t［1－2］。

壳聚糖具有良好的抗菌性、成膜性和生物相容性，且无毒害可生物降解，被广泛地用在农业、医药卫生、食品、化妆品、纺织印染、环境保护、废水处理、生物工程和生物技术等行业［3－4］。

大量研究证实壳聚糖具有广谱抗菌性能，特别是对G +菌有几乎100%的杀灭作用［5－6］。

但由于分子内、分子间强氢键相互作用的存在，致使壳聚糖只能溶于某些特殊的酸性溶液［7］。

壳聚糖酸溶液贮存过程中发生降解，黏度和分子质量会发生较大变化而影响品质稳定，极大限制了壳聚糖的广泛应用［8］。

本研究选用盐酸、乳酸、醋酸、苯甲酸和抗坏血酸，采用半干法制备具有良好水溶性的壳聚糖盐，初步考查各种盐对金黄色葡萄球菌的抑菌效果以及对鸡蛋的保鲜作用。

1材料与方法1.1材料与仪器壳聚糖为食品级（80目），脱乙酰度（DDA ）为87%，浙江金壳生物化学有限公司提供；盐酸、乳酸、醋酸、苯甲酸以及抗坏血酸均为分析纯；除特别说明外，实验用水均为双蒸水。

分析天平（AC2105），德国Sartorius 公司；真空冷冻干燥机（GLZ －1.0），珠海云天环保科技有限公司，真空干燥箱（DZF-6050），上海精宏实验设备有限公司；数显pH 计（MODEL818），奥立龙公司；紫外可见分光光度计（7504），上海欣茂仪器有限公司；微机控制电子万能试验机（CMT6104），深圳瑞格尔仪器有限公司；数字旋转黏度计（NDJ-8S ），上海精密科学仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪（NEXUS 470FT-IR ），美国Nicolet 公司。

1.2实验方法1.2.1水溶性壳聚糖盐的制备［9］称取一定量充分干燥的壳聚糖放入研钵中，根据壳聚糖的脱乙酰度计算出样品中实际氨基质量摩尔浓度。

配置与氨基等物质的量的有机酸或无机酸水溶液，一边向壳聚糖中均匀喷入酸溶液，一边充分研磨至样品成为均匀潮湿、蓬松、棉絮状物质，40ħ真空干燥12h ，研磨均匀干燥器储存备用。

抗坏血酸盐采用真空冷冻干燥。

1.2.2红外光谱［10］采用溴化钾（KBr ）压片法，样品粉末与KBr 按1ʒ60质量比混合后充分研磨，60ħ真空干燥24h ，取出后于27MPa 压力下2min ，每个样品压6 8个片，压好的片110ħ真空干燥24h ，于Nicolet NEXUS 470FT-IR 光谱仪在室温、干燥条件下扫描得样品红外光谱图。

扫描范围为4000 400cm －1，分辨率4cm －1，累加32次，以空气为背景，每个样品扫描前扣除背景。

1.2.3理化性能测定［8］溶解性。

称取各种水溶性壳聚糖样品1g 于250mL 烧杯中，室温下（25ħ）加入99mL 蒸馏水，机械搅拌2h 后观察其溶解情况。

pH 值。

室温下，用pH 计测定1g /L 样品水溶液的pH 值随时间变化的趋势，每隔1h 测定一次，连续记录10h 。

表观黏度。

在室温下，将配置好的样品溶液倾入902010Vol.36No.10（Total 274）专用的测量杯中，用数显黏度计记录1g /L 样品水溶液表观黏度的变化趋势，每隔1h 测定一次，连续记录10h ，每次测3个平行取平均值。

1.2.4成膜性能［11］称取一定质量的壳聚糖盐配制成质量分数1%的溶液，搅拌30min 后真空脱气，称取100g 溶液，用流延法倒入13cm 2平底塑料盘中，在40ħ下干燥24h 成膜。

所有的膜分装于HDPE 塑料袋中，密封避光保存。

膜厚度：用螺旋测微器以五点法测量膜的厚度。

透明度：采用紫外可见分光光度计测定，将待测膜裁成（10ˑ25）mm 矩形，用透明胶带纸贴于比色皿表面，在480nm 下测定透光率T%。

拉伸强度和断裂伸长率：选择平整、无气泡和裂纹的薄膜，裁成（15ˑ120）mm 横条，采用CMT6104微机控制电子万能试验机测定。

每个试样进行5次平行实验，实验方法按照国家标准GB13022－1991执行。

1.2.5抑菌效果［12］称取一定量壳聚糖盐，溶于无菌水中，配制成一系列等浓度梯度的盐溶液，将滤纸片浸入其中。

在接种含适宜菌落数的金黄色葡萄球菌菌悬液的培养基上，按无菌操作小心放上处理好的滤纸片。

于37ħ倒置培养24h ，观察菌落生长情况及抑菌情况。

以青霉素为对照，每个浓度做5个平行。

1.2.6用于鸡蛋保鲜［13］挑选蛋壳洁净、大小适中的鸡蛋，进行照蛋检查，剔除次劣蛋。

称取一定质量的壳聚糖盐配制成1%溶液，每枚鸡蛋在盐液中浸没2s 后取出自然沥干，置于25ħ、相对湿度60% 80%下贮存，试验从2007年3月21日开始。

每组10枚，以未作任何处理的鲜蛋作为对照。

2结果与讨论2.1结构表征采用半干研磨法分别制备了壳聚糖乳酸盐（CHI-LAC ）、乙酸盐（CHI-HAC ）、盐酸盐（CHI-HCl ）、抗坏血酸盐（CHI-V C ）和苯甲酸盐（CHI-BAC ），除CHI-V C 色泽稍重呈浅灰色，其他样品均呈淡黄色，与原料壳聚糖色泽无明显差异。

红外光谱是研究物质化学结构的一种非常有效的手段，尤其对研究高分子化合物的化学结构，更是一不可或缺的工具。

它不但可以给出化合物的基团信息，提供定性的分析，还可以提供定量的分析。

不同壳聚糖盐样品的傅里叶变换红外光谱如图1所示。

图1不同壳聚糖盐的红外光谱壳聚糖盐酸盐2923和2875cm －1的C —H 伸缩振动峰明显减弱，几乎不可见，其他几种盐也有明显减弱现象。

同时这2个峰也是HCl 的基频振动峰，而酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带明显向高频（低波数）方向偏移，说明酸与壳聚糖—NH 2之间复合物的形成。

壳聚糖乳酸盐和抗坏血酸盐在1719cm －1出现典型的羰基吸收峰，1590cm －1—NH 2特征吸收峰发生偏移或者将酰胺Ⅰ带掩盖形成单峰，均说明酸的—COO —基团与壳聚糖—NH 3+基团之间羧化物的形成。

3422cm －1附近O —H 与N —H 伸缩振动峰叠加形成的峰峰形变宽、减弱，也说明—NH 3+的形成，壳聚糖与酸发生质子化成盐反应［14］。

2.2理化性质测定2.2.1溶解性壳聚糖盐在中性冷水中的溶解情况见表1。

实验条件下制备的壳聚糖盐均能很好的溶于中性水中，且除苯甲酸盐溶解较慢外，其他几种盐的溶解速度较快。

均能在30min 内形成均一透明的溶液，说明壳聚糖大分子中的氨基随机质子化后减少了其分子内/间氢键作用，从而溶解于中性水中。

抗坏血酸盐溶液色泽变化较大，在短短几分钟内色泽明显加重，比单纯的V C 氧化褐变更为明显，可见V C 自身的强氧化作用可以保护壳聚糖，防止壳聚糖酸溶液在放置过程中由于氧化降解而带来的不利影响，具体原因有待进一步研究证实。

值得注意的是，向CHI-LAC 和CHI-HAC 溶液中添加95%乙醇，乙醇体积分数达到70%时仍无沉淀析出，这与一般高分子多糖在高浓度乙醇中易沉淀析出的性质不同，可能原因是壳聚糖与乳酸或乙酸形成盐后，与水分子间的亲和力增强，在沉淀剂乙醇存在时壳聚糖盐与水的结合力大于乙醇与水的亲和力，导致乙醇无法破坏壳聚糖盐分子周围的水2010年第36卷第10期（总第274期）91化膜而使其沉淀，具体原因有待进一步研究。

表1不同壳聚糖盐的溶解性质乳酸盐乙酸盐盐酸盐抗坏血酸盐苯甲酸盐溶解性可溶可溶可溶可溶（褐变）可溶溶解速度快快快一般慢70%沉淀性无沉淀无沉淀絮沉絮沉絮沉2.2.2溶液pH 值以水为溶剂配制质量分数为1%的固体壳聚糖盐酸盐、醋酸盐、乳酸盐、苯甲酸盐以及抗坏血酸盐溶液。

用数显酸度计测定各溶液的pH 值，结果见图2。

壳聚糖盐水溶液的pH 值均在4.5 5.5，这与文献［15］报道混合溶剂法制备的固体壳聚糖盐水溶液pH 值基本一致，说明半干法制备的固体壳聚糖盐氨基的质子化程度与湿法制备的基本相同。

与壳聚糖酸溶液相比，壳聚糖盐水溶液pH 值比较高，且具有一定的缓冲作用，有利于在化妆品、医药和絮凝等对刺激性要求比较苛刻的领域的应用。

图2不同壳聚糖盐溶液的pH 值变化趋势2.2.3稳定性高聚物的粘均分子质量是根据其在一定温度和溶剂下的特性粘度值（［η］值），按照建立的Mark-Houwink 方程计算出来，是实验室常用的简单、快速的测定高聚物分子量的相对方法。

但［η］值的测定比较麻烦，在实际操作过程中不要求知道样品相对分子量大小的情况下，往往采用表观黏度考查样品分子量的变化情况。

高聚物已有研究表明，相同条件下，相对分子质量越大，表观黏度越大，这是因为在大量出现链缠结的临界分子量以上，分子链愈长，分子间的缠结点愈多，表观黏度就愈大。

图3不同壳聚糖盐溶液的表观黏度变化趋势图3为不同壳聚糖盐溶液粘度变化趋势，除乙酸盐外，浓度为1g /L 的壳聚糖盐在10h 内表观粘度没有发生明显的变化，且随着时间推移趋向于一致，表明各壳聚糖盐的性质比较稳定，制备的盐中不存在吸附的游离酸，可以改善传统壳聚糖应用时必须现配现用的弊端。

2.2.4成膜性能壳聚糖具有良好的成膜性能，配置质量分数1%的壳聚糖盐溶液，采用流延法成膜，发现除壳聚糖抗坏血酸盐成膜严重褐变无使用价值外，其他几种盐均具有良好的成膜性能，基本性质如表2所示。

乙酸盐和乳酸盐膜厚度小，透光率、抗拉强度大，比较适宜作为膜材料或涂膜保鲜材料。

表2不同壳聚糖膜的基本性质膜厚度/mm透光率/%抗拉强度/MPa 断裂伸长率/%壳聚糖苯甲酸盐 1.86ʃ0.0994.28ʃ1.23118.31ʃ10.12 1.94ʃ0.25壳聚糖乳酸盐 1.38ʃ0.1896.60ʃ1.12137.69ʃ9.66 6.31ʃ0.23壳聚糖盐酸盐 2.00ʃ0.1686.50ʃ1.8379.29ʃ8.16 4.13ʃ0.26壳聚糖乙酸盐1.00ʃ0.1689.44ʃ0.89124.50ʃ12.822.19ʃ0.242.3壳聚糖盐的抑菌效果大多数研究显示，壳聚糖的抑菌能力随其浓度增大而增强，但是Sudarshan 等认为适当的低浓度壳聚糖的抑菌能力最强［16］。