壳聚糖衍生物的制备及其抑菌性研究

论文摘要

壳聚糖（Chitosan, CS）是甲壳素（Chitin, CH）脱乙酰的产物。研究表明,CS具有广谱的抗菌性能,可研制开发成一种安全的食品生物防腐剂,但是较高分子量（Molecular weight, Mw）的CS一般只能溶解于有机酸和部分稀的无机酸中,严重制约了其应用范围。为改善CS的溶解性,众多科技工作者致力于水溶性CS衍生物的研制开发,但就目前水溶性CS衍生物的研究与应用现状看,真正能用于产业化的制备工艺却不多,且存在或产物稳定性差、或收率不高、或反应时间过长、或工艺复杂等缺陷,因此,探究可行的CS水溶性衍生物的制备工艺,并采用合适的手段评价其抑菌性能是当前水溶性CS衍生物研究的热点。以Mw1800kDa、脱乙酰度（Degree of deacetylation,DD）86%的CS为原料,采用醇酸降解法得到三种不同Mw（1180KDa、260KDa、94KDa）的CS。在降解过程中,随时间延长CS的Mw降低,而DD无明显变化（DD86±0.5%）。DD值及FTIR分析表明,CS在降解过程中,只有糖苷键发生了断裂,而酰胺键并未受影响,原料具有稳定的可靠性。采用先溶胀后经界面修饰的改进CS乙酸盐（Chiotsan acetate, CA）制备工艺制得到三种不同Mw的CA（CAa、CAb、CAc）。新制的CA为淡黄色粉末,易溶解于水和酸性溶液,碱性溶液中难溶。其1%（w/v）水溶液的OD420约为0.022,pH为4.91～5.01。不同Mw的CA的投入/产出比分别达到5:9 （CAa）、5:8 （CAb）、5:8 （CAc）。采用自创的产品结合度测定方法,测得CA的结合度分别为: 39.6±1.2% （CAa）、38.5±1.5% （CAb）、39.6±1.1% （CAc）。FTIR检测表明,CA是CS与HAc结合的离子化合物,具有–NH3+.RCOO-结构。用铝箔袋热合封装放置于室温下保存180d后,CA的各项指标均接近于新制备的CA。以三种不同Mw（CSa:1180KDa、CSb:260KDa、CSc:94KDa）的CS为原料,采用优化的CS季铵盐（Hydroxypropyl Trimethyl ammonium chloride chitosan, HACC）制备工艺,制得三种HACC（HACCa、HACCb、HACCc）。FTIR图谱上在1490cm-1处出现了新吸收峰,表明在N上引入了EPTAC基团。HACC是CS与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（Epoxy propyl trimethyl ammonium chloride, EPTAC）共价结合的化合物,具有–NH2?RN+（CH3）3Cl-结构。新制HACC为淡黄色粉末,在酸性、中性和碱性溶液中均可溶,其1%（w/v）的水溶液的pH为6.60～6.71,OD420约为0.09。采用改进工艺后制备的HACC投入/产出比分别是30:59（HACCa）、15:29 （HACCb ）、15:29 （HACCc）;取代度分别为: 91.3±0.2% （HACCa）、91.7±0.3% （HACCb）、91.6±0.2% （HACCc）。用铝箔袋热合封装,室温保存180d。HACC各项指标均接近新制的HACC。采用比浊法和平板涂布法分别测定CA和HACC对E.coli和S.aureus生长的抑制作用。在比浊法抑菌作用测定中:相同Mw的CA和HACC,伴随浓度升高,抑菌作用均显示出增强趋势:当CA和HACC浓度低于0.05%（w/v）时,抑菌效果不明显;当浓度达到0.1%（w/v）时,CA和HACC均显示出较强的抑菌作用。经过抑菌作用评估,在相同的浓度下,两种CS衍生物对S.aureu的抑制性均强于对E.coli的抑制性;HACC则显示出比CA更明显的抑菌作用。另外,根据本实验,不同Mw的CA和HACC对E.coli的抑菌作用与MW成正相关,而对S.aureu的抑菌作用则则与MW成负相关。在平板涂布法抑菌作用测定中:不同浓度、不同Mw的CS制备的CA和HACC对E.coli和S.aureu的抑制作用与比浊法测定分析所得的抑菌作用有相似的特点:当衍生物的浓度达0.1%（w/v）时,两者在固体培养基上对E.coli.和S.aureus.均能产生有效抑制,镜检时视野中无可见菌落。对比抑菌实验中,将CA、HACC与常见的化学防腐剂山梨酸钾（Potassium Sorbate, PS）进行抑制霉菌生长的对比:CA和HACC在各个浓度条件下均可达到相同浓度的PS类似的抑菌效果。其中,HACC对霉菌的抑制效果强于CA。CA和HACC的水果对比保鲜实验表明:处理相同时间时,浸泡处理的防腐效果优于喷洒,相同分子量和浓度的两种CS衍生物,HACC防腐效果优于CA。CA和HACC作为防腐剂可行性的。有望开发成一种价廉质优的食品生物防腐剂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 壳聚糖制备技术研究进展
• 0.2 壳聚糖性质研究进展
• 0.2.1 壳聚糖的基本理化性质
• 0.2.2 壳聚糖的多功能性
• 0.2.2.1 生物适应性及成膜性
• 0.2.2.2 吸湿性及保湿性
• 0.2.2.3 凝胶性
• 0.2.2.4 与金属离子的络合性
• 0.2.3 壳聚糖的化学改性研究
• 0.2.3.1 酰化反应
• 0.2.3.2 醚化反应
• 0.3 壳聚糖的应用研究进展
• 0.3.1 在食品工业方面的应用
• 0.3.2 在化妆品方面的应用
• 0.3.3 在农业方面的应用
• 0.3.4 在造纸工业方面的应用
• 0.3.5 在医药卫生方面的应用
• 0.4 壳聚糖及其衍生物抑菌机理的研究进展
• 0.4.1 抑菌机理之一
• 0.4.2 抑菌机理之二
• 0.4.3 抑菌机理之三
• 0.4.4 抑菌机理之四
• 0.5 壳聚糖及其衍生物的抑菌性研究进展
• 0.5.1 壳聚糖抑菌作用的影响因素
• 0.5.1.1 壳聚糖的分子量对抑菌作用的影响
• 0.5.1.2 壳聚糖的脱乙酰度对抑菌作用的影响
• 0.5.1.3 壳聚糖溶液的pH 对抑菌作用的影响
• 0.5.1.4 壳聚糖溶液的浓度对抑菌作用的影响
• 0.5.2 不同壳聚糖衍生物的抑菌作用
• 0.5.2.1 壳聚糖-金属离子复合物的抑菌作用
• 0.5.2.2 壳聚糖乙酸化衍生物的抑菌作用
• 0.5.2.3 壳聚糖磺化衍生物的抑菌作用
• 0.5.2.4 壳聚糖羧甲基化衍生物的抑菌作用
• 0.5.2.5 壳聚糖季铵化衍生物的抑菌作用
• 0.5.2.6 水溶性壳聚糖的抑菌作用
• 0.6 研究的目的和意义
• 1. 壳聚糖乙酸盐的制备及部分性质研究
• 1.1 实验材料与仪器
• 1.1.1 实验材料与试剂
• 1.1.2 设备与仪器
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 不同分子量CS 的制备
• 1.2.2 不同CS 的部分理化指标测定
• 1.2.2.1 CS 分子量的测定
• 1.2.2.2 CS 脱乙酰度的测定
• 1.2.3 不同分子量CS 红外光谱表征
• 1.2.4 固态CA 的制备
• 1.2.4.1 制备CA 的反应原理
• 1.2.4.2 三种不同CA 的制备
• 1.2.5 三种不同CA 部分理化指标的测定
• 1.2.5.1 CA 的稳定性、溶解性和pH 值的测定
• 1.2.5.2 CA 的投入/产出比测定
• 1.2.5.3 CA 的结合度测定
• 1.2.6 CA 的红外光谱表征
• 1.3 结果与讨论
• 1.3.1 降解产物CS 的Mw 和DD
• 1.3.2 不同分子量CS 的红外光谱表征
• 1.3.3 CA 的部分理化指标
• 1.3.3.1 CA 的外观性状、稳定性、溶解性及pH 值
• 1.3.3.2 CA 的投入/产出比
• 1.3.3.3 CA 的结合度
• 1.3.4 三种不同CA 的红外光谱表征
• 1.4 小结
• 2. 壳聚糖季铵盐的制备及部分性质研究
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验材料与试剂
• 2.1.2 设备与仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 HACC 制备的实验原理
• 2.2.2 固态HACC 的制备
• 2.2.3 不同HACC 的部分理化指标的测定
• 2.2.3.1 HACC 的稳定性、溶解性和pH 值的测定
• 2.2.3.2 HACC 的投入/产出比
• 2.2.3.3 HACC 的取代度测定
• 2.2.4 HACC 红外光谱表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 HACC 的外观性状、稳定性、溶解性及pH 值
• 2.3.2 HACC 的投入/产出比
• 2.3.3 HACC 的取代度
• 2.3.4 HACC 的红外光谱表征
• 2.4 小结
• 3. 壳聚糖乙酸盐和壳聚糖季铵盐的抑菌性研究
• 3.1 实验材料与仪器
• 3.1.1 实验材料与试剂
• 3.1.2 设备与仪器
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 抑菌效果的测定——比浊法
• 3.2.1.1 培养基的配制
• 3.2.1.2 菌株接种与培养
• 3.2.1.3 测定与分析
• 3.2.2 抑菌效果的测定——平板涂布法
• 3.2.2.1 培养基的配制
• 3.2.2.2 菌株接种与培养
• 3.2.2.3 测定与分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 抑菌效果的测定——比浊法
• 3.3.1.1 相同Mw 的CA 和HACC 对E.coli 和S.aureu 的抑制作用
• 3.3.1.2 不同Mw 的CA 和HACC 对E.coli 和S.aureu 的抑制作用
• 3.3.2 抑菌效果的测定——平板涂布法
• 3.3.2.1 不同浓度、不同Mw 的CA 对E.coli 和S.aureu 的抑制作用
• 3.3.2.2 不同浓度、不同Mw 的HACC 对E.coli 和S.aureu 的抑制作用
• 3.4 小结
• 4. 壳聚糖乙酸盐/季铵盐作为新型食品防腐剂的初步研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料与仪器
• 4.1.2 CA、HACC 和PS 对霉菌的抑制实验
• 4.1.3 CA 和HACC 在水果果丁储存保鲜中的应用实验
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 不同浓度CA、HACC、PS 对霉菌生长的影响
• 4.2.2 CA 和HACC 在水果果丁储存保鲜中的应用效果
• 4.3 小结
• 全文结论
• 参考文献
• 本文的创新点
• 致谢
• 附录1
• 附录2