羧甲基壳聚糖/醛化羧甲基纤维素聚合物的制备及其在草莓保鲜中的应用

吴若寒,曹立妤,孙 芸,周 治,倪 芳,朱本伟,姚 忠

(南京工业大学 食品与轻工学院,江苏 南京 211800)

壳聚糖(chitosan,CS)是甲壳素(chitin)的N-脱乙酰基衍生物,也是目前已知唯一的天然碱性多糖[1]。壳聚糖具有良好的生物相容性和可降解性,且吸附性、成膜性、吸湿保湿性也十分优异。此外,壳聚糖结构中含有大量高活性的伯胺基团,这不仅赋予其较强的抑菌活性,同时也便于进行化学修饰,形成丰富多样的功能性生物材料[2]。

在果蔬采后贮藏领域,CMCS作为涂膜保鲜剂也显示出良好的应用潜力。CMCS膜液涂布在果蔬表面能够形成屏障,有效隔绝O2和果实的直接接触,减弱果实的呼吸强度,延缓果实的成熟、衰老以及腐烂[11],但单一的CMCS涂膜无论在材料性能(如,力学强度或韧性)还是抑菌性方面仍存在一定缺陷。为此,人们尝试通过向CMCS中添加各类活性物质或戊二醛交联的方式来改善其性能[12-14],但戊二醛毒性大,存在安全性问题,在食品中的应用受到很大的限制。

为此,本文以羧甲基壳聚糖为基础材料,以醛化羧甲基纤维素(CMC-CHO)为交联剂,通过希夫碱反应制备CMCS/CMC-CHO交联聚合物,考察交联复合膜的材料性能(拉伸性能、膜透湿性和透光性),测试其对黑曲霉(Aspergillusniger)和扩展青霉(Penicilliumexpansum)的抑制作用,并初步开展CMCS/CMC-CHO复合物在草莓采后贮藏中的应用研究,以期拓展此涂膜的应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

羧甲基壳聚糖(CMCS,取代度80%),上海麦克林生化科技有限公司;羧甲基纤维素(CMC,黏度为800～1 200 mPa·s)、乙二胺四乙酸二钠、3,5-二硝基水杨酸、抗坏血酸(VC)、CuSO4(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;高碘酸钠(分析纯),阿拉丁试剂(上海)有限公司;盐酸羟胺(分析纯),西陇化工股份有限公司;甘油(分析纯),上海源叶生物科技有限公司;马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基,广东环凯微生物科技有限公司。

1.2 CMC-CHO的制备及醛化度的测定

将高碘酸钠和羧甲基纤维素避光反应[15],合成醛化羧甲基纤维素。用盐酸羟胺法[16]测得反应物的醛化度为13.30%。

1.3 CMCS/CMC-CHO复合膜及涂膜液的制备及红外光谱

复合膜制备采用铸膜法。配制体积分数为2.25%的CMCS溶液,按体积比2∶1加入不同浓度的CMC-CHO溶液,使CMCS终质量浓度为15 g/L,CMC-CHO终质量浓度分别为1、3、5、8和10 g/L,加入终体积分数为0.5%的甘油后混合反应5 min;按照CMCS、CMC-CHO、Gly的添加顺序,取15 mL反应液倒入培养皿(直径为90 mm),消除气泡,于50 ℃下烘干8 h成膜,分别制备CMCS膜、CMCS/CMC-CHO复合膜以及CMCS/CMC-CHO/Gly复合膜。

涂膜液的制备:控制CMCS终质量浓度为15 g/L,CMC-CHO终质量浓度为8 g/L,甘油终体积分数为0.5%,分别制备CMCS、CMCS/CMC-CHO以及CMCS/CMC-CHO/Gly涂膜液,后续保鲜实验采用此添加浓度。

将CMC、CMC-CHO、CMCS/CMC-CHO分别配制成一定浓度的溶液,再将溶液滴于KBr压片,进行红外光谱(FT-IR)表征,扫描范围为4 000～400 cm-1[17]。

1.4 CMCS/CMC-CHO复合膜性能测试

1.4.1 膜拉伸性能

将制得的复合膜剪成哑铃形薄片(70 mm×4 mm),测量膜的厚度后以万能试验机(美特斯工业系统(中国)有限公司)测定复合膜的断裂伸长率和断裂应力[18]。断裂伸长率和断裂应力的计算见式(1)～(2)。

(1)

(2)

式中:S是膜被拉伸的长度,mm;L是原长,mm;F是膜断裂时所能承受的最大拉力,N;A是膜拉伸前的横截面积,mm2。

1.4.2 透湿性和透光性

采用 GB 1037—1988杯式法测定膜的透湿性。将复合膜裁剪、覆于瓶口并用热熔胶密封;将透湿杯置于25 ℃、50%相对湿度的恒温恒湿箱内进行试验[19]。每隔24 h水蒸气透过量的计算见式(3)。

(3)

式中:t是质量变化稳定后的两次间隔时间,h;Δm是t时间内的质量变化量,g;A是膜透过水蒸气的面积,m2。

参照文献[18]的方法测定复合膜的透光性。对不同膜的紫外区和可见光区吸收光谱(280～700 nm)进行了连续扫描,选取10个数据点,计算并绘制复合膜在不同波长下的光透过率曲线[20]。透光率(T)的计算见式(4)。

T=10-A×100%

(4)

式中:A是膜的吸光值。

1.5 涂膜液抑菌性能测试

将～106cfu/mL的黑曲霉(Aspergillusniger)、扩展青霉(Penicilliumexpansum)菌悬液分别加入无菌培养皿中,与冷却至合适温度的PDA固体培养基(20 mL)混匀;待凝固后,用8 mm无菌的牛津杯扣出3个洞,加入120 μL经灭菌的涂膜液,每种涂膜液做3个平行,空白对照用无菌水。培养皿于28 ℃下培养48 h,查看抑菌圈并测量抑菌圈直径大小[21]。

1.6 草莓的涂膜处理

取新鲜草莓(品种为“红颜”)120枚,随机分成对照组、CMCS处理组、CMCS/CMC-CHO处理组和CMCS/CMC-CHO/Gly处理组,每组30枚;对照组草莓洗净,自然晾干;处理组草莓洗净后,在3种涂膜液中浸涂30 s,取出后自然晾干;将处理组和对照组草莓分别装入无盖的保鲜盒中,于室温下(～20 ℃)下贮藏7 d,不避光,相对湿度为72%。分别在第0天、第2天、第4天、第6天、第7天取样,测定样品质量损失率(称质量法)[22]、硬度(GY-1硬度计)[23]、腐烂率[24]以及有机酸(滴定法)[25]、可溶性固形物(阿贝折光仪)[12]、还原糖(3,5-二硝基水杨酸法)[26]和VC(紫外分光光度法)含量[27]。

2 结果与讨论

2.1 复合膜的FT-IR分析

图1 CMC、CMC-CHO及CMCS/CMC-CHO聚合物的红外光谱

2.2 CMCS和CMC-CHO添加量对膜拉伸性能的影响

断裂应力和断裂伸长率可以反映膜的力学强度和延伸韧性。考察CMCS和CMC-CHO添加量对膜拉伸性能的影响,结果如图2所示。由图2可知:随着CMCS添加量的增大,膜的断裂应力先增加后减小,而断裂伸长率则持续下降。这可能是因为随着CMCS添加量的增大,高分子链间的作用力增加,膜的强度增加,断裂应力相应增大。而当CMCS添加量继续增加时,铸膜液的黏度加大,导致膜的均一性降低,断裂应力会相应减小。此外,随着CMCS添加量增大,膜的硬度逐渐增大,而膜的柔韧性下降,断裂伸长率则相应减小[30]。

图2 CMCS和CMC-CHO添加量对膜拉伸性能的影响

在CMCS为15 g/L的条件下,随着CMC-CHO添加量的增大,复合膜的断裂应力逐渐上升,这是由于CMC-CHO与CMCS发生了希夫碱反应,使高分子链间形成了交联,提高了复合膜的力学强度。与此相反,复合膜的断裂伸长率随着CMC-CHO浓度的增大而呈逐渐下降的趋势,其主要原因也是CMCS和CMC-CHO发生了交联聚合,膜的交联网络结构越致密,分子链间不宜发生相对滑移,导致膜的韧性越差[31]。当CMCS为15 g/L、CMC-CHO为8 g/L时,膜的断裂应力达到39.81 MPa,断裂伸长率为7.52%。为了进一步改善复合膜的材料性能,在上述配方基础上添加了0.5%(体积分数)的甘油,最终复合膜断裂应力达到32.42 MPa,断裂伸长率为12.45%。

2.3 CMC-CHO添加量对膜透湿性的影响

固定CMCS为15 g/L、甘油体积分数为0.5%,考察CMC-CHO添加量对复合膜透湿性的影响,结果如图3所示。

图3 CMC-CHO添加量对膜水蒸气透过量的影响

由图3可知:随着CMC-CHO添加量的增大,膜的透湿性呈先增大后降低的趋势。由于膜的水蒸气透过量主要由膜中聚合物的结晶度,聚合物分子大小、取向以及聚合物的性质决定[32]。当低添加量的CMC-CHO与CMCS交联时,提高了聚合物的亲水性,水蒸气透过量有所增大,但随着交联度的升高,复合膜的致密性逐渐增加,对水蒸气的阻隔作用也随之增强,导致膜的透湿性呈下降的趋势。总体上看,在CMC-CHO量低于8 g/L条件下均可提高复合膜的透湿性。

2.4 CMC-CHO添加量对膜透光性的影响

固定CMCS为15 g/L,甘油体积分数为0.5%,添加不同质量浓度的CMC-CHO,考察其对复合膜透光性的影响,结果如图4所示。由图4可知:在可见光范围内(波长390～700 nm),CMC-CHO添加量对膜的透光性影响不大,不同添加量下膜的光透过率均超过了80%;在近紫外线范围内(200～380 nm),随着CMC-CHO添加量的增大,膜的透光率不断降低,当CMC-CHO为10 g/L时,在280 nm下的光透过率仅有8.65%,较对照下降了85.87%,表明CMCS/CMC-CHO复合膜具有优良的阻挡紫外线性能。

图4 CMC-CHO添加量对膜透光性的影响

2.5 抑菌性能分析

图5 3种涂膜对黑曲霉和扩展青霉的抑菌效果

3种涂膜液对扩展青霉的抑菌效果均低于黑曲霉,抑菌圈直径也比较小。抑制效果从小到大依次为CMCS、CMCS/CMC-CHO/Gly、CMCS/CMC-CHO,与黑曲霉抑菌试验得到的结果一致。3种涂膜液的抑菌圈直径数据整理在表1中。

表1 不同涂膜液的抑菌圈直径

虽然希夫碱化合物对一些霉菌有抑菌效果[35],但是其对霉菌的抑菌机制没有较多的研究。

2.6 不同涂膜液处理对草莓采后品质变化的影响

涂膜处理对草莓贮藏期质量损失、硬度变化、草莓的有机酸、可溶性固形物、还原糖以及VC含量(按每100 g草莓计算)的影响如图6所示。由图6可知:随着贮藏时间的延长,各组草莓的质量损失率都呈增大的趋势,与曾令晋等[36]研究结果相似,对照组在贮藏7 d后的质量损失率达到了23.12%,而涂膜处理组的草莓质量损失率均小于对照组,其中CMCS/CMC-CHO涂膜处理7 d后的质量损失率最低,仅为20.66%,这可能是因为草莓经涂膜处理后,不仅会减少一部分水分的流失,而且能延缓营养物质的消耗,最终降低草莓果实的质量损失[37]。

图6 涂膜处理对草莓的失重率、硬度、有机酸、可溶性固形物、还原糖以及VC含量的影响

随着贮藏时间的延长,实验组和对照组草莓的硬度都在不断下降,但处理组的下降趋势明显低于对照组。经7 d贮藏后,对照组草莓硬度仅为2.25×105Pa;CMCS处理组可保持在2.78×105Pa,而CMCS/CMC-CHO涂膜处理组中草莓硬度保持得最好,达3.04×105Pa,较对照组提高了35.11%。

涂膜处理后能有效缓解贮藏期间草莓中营养物质的消耗,其中CMCS/CMC-CHO处理组的抑制效果最为明显。经7 d贮藏后,草莓中有机酸、可溶性固形物、还原糖以及VC含量分别为0.41%、10.50%、6.77%和50.78 mg,分别较对照组提高了36.67%、14.13%、3.51%和44.30%。

图7～8为不同涂膜处理后的草莓腐烂率及第0天、第3天和第7天的腐烂状况。由图7～8可知:对照组和处理组的腐烂率都随贮藏时间的延长呈增大的趋势,经7 d贮藏后,对照组腐烂率达62%;CMCS处理组、CMCS/CMC-CHO/Gly处理组的腐烂率变化及腐烂状况与对照组没有明显差异;而CMCS/CMC-CHO处理组的腐烂率仅有36%,明显低于其他实验组,同时在7 d后也没有出现腐烂痕迹,这与抑菌性分析结果一致。

图7 不同涂膜液处理对草莓腐烂率的影响

CK—对照组;G1—CMCS处理组;G2—CMCS-CMC-CHO处理组;G3—CMCS-CMC-CHO-Gly处理组

3 结论

以羧甲基壳聚糖和氧化羧甲基纤维素为原料,通过席夫碱反应制备水溶性共价交联聚合物CMCS/CMC-CHO,并制备了CMCS/CMC-CHO复合膜,并测定其性能,在此基础上分别考察CMCS、CMCS/CMC-CHO和CMCS/CMC-CHO/Gly这3种涂膜液草莓保鲜中的应用效果,得到以下结果。

1)CMCS膜的断裂应力随CMC-CHO添加量增大呈先增加后减小的趋势,而断裂伸长率则持续下降;与CMC-CHO交联后复合膜的强度增大,而断裂伸长率却大幅下降。

2)虽然较高的CMC-CHO添加量有利于提高聚合物的亲水性,但会增加复合膜的致密性,阻碍水分子的扩散。当它的添加量低于8 g/L时,复合膜的蒸汽透过率均优于单一的CMCS膜,透湿性良好;复合膜的可见光透过率良好,但对近紫外光(200～380 nm)有良好的阻隔作用,且阻隔效果随CMC-CHO添加量的增大而提高。

3)3种涂膜液对黑曲霉的抑菌效果优于扩展青霉;与CMCS/CMC-CHO-Gly和CMCS相比,CMCS/CMC-CHO的抑菌效果更为突出。经7 d贮藏后,草莓腐烂率、质量损失率比对照减少了41.94%、10.64%,而硬度、有机酸含量、可溶性固形物含量、还原糖含量、VC含量分别比对照提高了35.11%、36.67%、14.13%、3.51%和44.30%,有最好的保鲜效果。