不同分子量壳聚糖对壳聚糖型二氧化硫（SO₂）缓释材料释放SO₂的影响

王秋平，杨晓君，王宇杰，阿卜杜萨拉木·阿卜杜卡迪尔

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052）

摘要：本实验探讨不同分子量壳聚糖型二氧化硫（SO₂）缓释材料释放SO₂的影响。采取化学方法进行合成，依照冯双庆《果蔬保鲜技术及常规测试方法》所记载方法测定保鲜剂在室温环境下每天释放的SO₂，并以其变化量及变化趋势为考察指标。在单因素实验基础上，借助红外光谱检测选出最佳分子量壳聚糖型二氧化硫（SO₂）缓释材料的制备。结果表明：由分子量为5万的化合物C和分子量15万的化合物D复合而成的固体粉末SO₂缓释材料在前4天,释放SO₂的量突然升高,第4-30天释放量趋于稳定,30天之后释放量逐渐的减小,并且受温湿度的影响最小。由此可以推断,分子量由5万的化合物C和15万的化合物D复合而成的固体粉末SO₂缓释保鲜剂较为最佳，同时可以推断该保鲜材料可以用于水果的保鲜。

关键词：壳聚糖；二氧化硫；分子量；缓释材料

Effect of Chitosan with Different Molecular Weight on Release of SO₂ by Chitosan Sulfur Dioxide (SO₂) Sustained Release Material

WANG Qiu-ping,YANG Xiao-jun,WANG Yu-jie,Abudusalamu·Abudukadier

Abstract:The effect of different molecular weight chitosan type sulfur dioxide (SO₂) on the release of SO₂ was investigated.The chemical method was used for the synthesis,and the SO₂, released by preservatives at room temperature was determined according to the methods recorded in Feng Shuangqingundefineds Fresh-keeping techniques and routine testing methods. The quantity and trend of the changes were taken as the indexes.On the basis of single factor experiment, the best molecular weight chitosan type sulfur dioxide (SO₂) slow-release material was selected by infrared spectroscopy.The results show:The solid powder SO₂ sustained-release material composed of the compound C of molecular weight 50,000 and the compound D with a molecular weight of 150,000 has a sudden increase in the amount of SO₂ released in the first 4 days, and the release amount tends to be stable on the 4th-30th day,and gradually decreased after 30 days. And the influence of temperature and humidity is the least.It can be concluded that the SO₂ sustained-release preservative of solid powder composed of compound C with molecular weight of 50 000 and compound D of 150000 is the best，At the same time, it can be inferred that the fresh-keeping material can be used for the preservation of fruits.

Key words:Chitosan; SO₂; molecular weight; delivery material

近年来，国内外相关研究人员在气调贮藏^[^1-3^]、辐射处理^[⁴^]、臭氧^[⁵^]、二氧化氯^[⁶^]等保鲜措施方面做了一些研究，一定程度上减轻了葡萄的漂白、SO₂残留等药害，但成本高以及多次施药处理在生产上可行性不高。SO₂作为目前不可替代的葡萄保鲜剂，是因为SO₂兼具防腐、钝化氧化酶活性、抗氧化、抑制呼吸、延缓代谢等多重功能^[⁷^]。SO₂及亚硫酸对人体有毒害作用，通过SO₂保鲜处理的葡萄保鲜剂残留量问题也是人们关注的焦点之一。

而壳聚糖具有复杂的双螺旋结构，其分子链中氨基葡萄糖单元上的伯羟基、仲羟基以及氨基等基团具有较强的反应活性^[^8-9^]，可通过功能化修饰或改性方法使壳聚糖在改善其溶解性的同时，并被赋予各种不同的功能特性^[^10-13^]，制备开发出新颖的具有优良性能的壳聚糖衍生物。其分子材料本身具有一定的成膜性和保水性，在医药行业多用其改性后制备缓释材料、医用保水赋形材料^[^14-15；并利用其生物相容性、抑菌性能制备多种新型药用材料^[¹⁶^]。故此，本实验拟将壳聚糖与金属离子配位改性后再利用高分子硫化改性使壳聚糖分子含硫，并部分交联；将亚硫酸盐用金属配位改性的壳聚糖包埋分散，将含硫壳聚糖骨架分子与亚硫酸盐用金属配位改性的壳聚糖包埋产物复合制备壳聚糖型SO₂缓释颗粒材料，并探讨不同分子量壳聚糖合成的SO₂缓释颗粒材料对SO₂释放的影响。

1材料与方法

1.1 仪器与设备

电子天平（FA2004N,d=0.01mg；上海菁海仪器有限公司）；真空泵（莱伯泰科有限公司LabTechVB50）；电热鼓风干燥箱（101-E；北京市永光明医疗仪器有限公司）；循环水式多用真空泵（SHB-III；郑州长城科工贸有限公司）；85-2控温磁力搅拌器（江苏金怡仪器科技有限公司）；酸度计pH S-3E（天津市赛得利斯实验分析仪器制造厂）；傅立叶变换红外光谱仪（6700；赛默飞世尔科技公司）；FW-4A粉末压片机（天津市拓普仪器有限公司）

1.2 材料与试剂

冰乙酸、丙酮、无水乙醇、硫酸铜、碘、碘化钾、可溶性淀粉、、焦硫酸钠、硫代硫酸钠、氢氧化钠、乳化剂OP-10、氨水、分析纯；溴化钾，色谱纯；沉淀硫，化学纯；四硫化双五亚甲基秋兰姆。

壳聚糖是由江苏瑞多生物有限公司厂家购买,脱乙酰度97%,分子量分别为5万、10万、15万以及分子量为5万的壳聚糖盐酸盐。

1.3实验内容与方法

1.3.1壳聚糖型SO₂缓释材料的制备

本文拟利用有机金属对不同分子量壳聚糖改性，进行壳聚糖分子链上N配位制得化合物B，使之分子链聚集状态改变，金属离子产生溶剂化效应，水溶性增加，并且具备良好的成膜性和包覆性；改变分子结构电性质，使其正电性增强，抑菌能力增强；再将化合物B利用硫化剂对壳聚糖分子进行浅交联制得化合物C，化合物C分子骨架形成含硫大网状结构，能在水分子和氧的作用下以金属离子为催化中心骨架上的硫转化为SO₂缓慢释放，并具备一定的吸水性、保水性。

化合物B因具有良好的成膜性和包覆性，作为亚硫酸盐或焦亚硫酸盐的包埋剂能调节水汽和氧与亚硫酸盐或焦亚硫酸盐的接触量，进一步利用化合物B包埋分散亚硫酸盐或焦亚硫酸盐制备得化合物D，化合物D作为SO₂长期稳定释放的主剂；将化合物C与化合物D复合制得具有SO₂分段缓释、SO₂缓释周期长的、新型保鲜材料E。

1.3.1.1不同分子量的壳聚糖金属离子配位改性制备化合物B

根据文献《壳聚糖衍生物金属配合物的制备及其抑菌、抗氧化活性研究》^[17]中的合成方法，选择能在食品上应用的、安全性高的Cu离子的有机金属盐，与不同分子量的壳聚糖进行络合配位，制备化合物B。即为壳聚糖经过金属离子配位改性制得的化合物。工艺流程图如下：

壳聚糖→溶于 1%甲酸溶液→加入等摩尔量的硫酸铜溶液→室温搅拌3h→

稀氨水调 p H 至 5-7→室温搅拌3h→化合物B（液态）→加入乙醇/丙酮（1:1）混合溶剂→抽滤→75%乙醇洗涤沉淀→无水乙醇洗涤→60℃烘干至恒重→化合物B（固态）

1.3.1.2含硫壳聚糖骨架分子化合物C的制备

以胶体硫、由二氯代烷烃与多硫化钠反应制得的聚硫胶为硫化剂对酶降解后金属离子配位改性的壳聚糖进行硫化浅交联及壳聚糖分子骨架硫化掺杂，形成含硫壳聚糖骨架大分子得到化合物C，化合物C在遇水汽和氧时，结合在分子骨架上的硫将配位的金属离子为催化中心转化为SO₂释放，制备满足“红地球”、“木纳格”葡萄保鲜贮藏前期所需的，具备一定贮藏微环境水汽调节能力的较高浓度SO2释放体。化合物C是作为葡萄保鲜贮藏前期较高浓度SO₂缓释剂。工艺流程图如下：

沉淀硫→研磨→加入饱和硫代硫酸钠溶液→加入四硫化双五亚甲基秋兰姆→研磨→加入乳化剂OP-10→加到化合物B（液态）中→在60℃下磁力搅拌（搅拌至颜色将要变为黑色）→化合物C（液态）→固态方法同上

1.3.1.3亚硫酸盐壳聚糖包埋剂D的制备

利用金属离子配位改性后的壳聚糖化合物B为包埋剂，选择非水极性溶剂分散共混、固相捏合、两相高速剪切分散对亚硫酸盐、焦亚硫酸盐进行包埋，制备改性壳聚糖SO₂缓释包埋剂D。该包埋剂D是葡萄保鲜贮藏中后期SO₂平稳长效缓释剂。工艺流程图如下：

化合物B（液态）→加入硫代硫酸钠和焦硫酸钠的混合物→同时加入乳化剂 OP-10→在60℃下磁力搅拌（搅拌至颜色将要变为黑色）→化合物D（液态）→固态方法同上

1.3.1.4含硫壳聚糖骨架-有机金属改性壳聚糖亚硫酸盐包埋复合产物E的制备

将包埋剂D与含硫壳聚糖骨架分子化合物C分散复合，形成含硫壳聚糖骨架-有机金属改性壳聚糖亚硫酸盐包埋复合产物E。复合产物E在水气及氧气的作用下，含硫壳聚糖骨架分子在金属离子的催化下，缓慢释放二氧化硫，在缓慢释放二氧化硫的过程中形成一定的孔洞，使水汽能透入包埋剂，包埋的亚硫酸盐在金属离子的催化下转化为二氧化硫释放。工艺流程图如下：

化合物D+化合物C→室温高速剪切1h→加入乙醇/丙酮（1:1）的混合溶剂→抽滤→75%乙醇洗涤沉淀→无水乙醇洗涤→60℃烘干至恒重→材料E

1.3.2壳聚糖型SO₂缓释保鲜材料的表征

1.3.2.1利用红外光谱检测分析获知材料E的分子结构

根据文献《伊敏褐煤不同化学组分结构特征的红外光谱研究》^[1⁸^]中的检测方法，取溴化钾载体约100 mg，置于玛瑙研钵中，并加入少许化合物E ( 样品与载体的质量比为1∶100) 充分混合、磨细、混匀、装模，然后将模具置于压片机上并真空加压至12Kpa，受压1 min，把样品压制成0. 1 ～1. 0 mm厚的透明圆形薄片。用样品架固定圆形薄片，置于红外光谱仪的样品室中进行测试。

1.3.2.2化合物E释放二氧化硫（SO₂）的测定

依照冯双庆《果蔬保鲜技术及常规测试方法》^[19]所载方法测定保鲜剂在室温环境下每天释放的SO₂的变化量及变化趋势，将定量的材料E放入1号磨口锥形瓶中，室温下放置24h后迅速取出材料E，放入2号瓶中，再室温下放置。检测1号瓶释放SO₂量，迅速加入100mL新煮沸过的去离子水及1mL，10.5mol/L的NaOH溶液，吸收30min后，加入2mL淀粉指示剂，然后用1mol/L的碘标准溶液滴定至恰显蓝色，记录数据，并以同样的方法作空白试验。

释放的SO₂量(mSO₂)按下式计算：mSO₂= N(V₁- V₀)；式中：N—碘标准溶液的浓度，mol/L；V₁—滴定试样时消耗的碘标准溶液的体积；V₀—滴定空白试样消耗的碘标准溶液的体积。48h后，再从2号瓶中迅速取出材料E放入3号瓶中，检测2号瓶的SO₂量。依上类推，连续测定60天的SO₂缓释量。

2 结果与分析

2.1不同分子量合成缓释材料的红外检测分析结果

通过红外光谱的检测，可以看出不同分子量的空白壳聚糖在其特征结构处均有出峰，即在中 3400cm^-1 左右为出峰Ⅰ，是形成氢键缔结的-OH伸缩振动吸收峰与-NH的伸缩振动吸收峰重叠而增宽的多重吸收峰；在 29l8.8～2922.4cm^-1 和 2880.4～2881.7cm^-1处为出峰Ⅱ，分别为C-H的两个伸缩振动吸收峰；在1656．1～1657.8cm^-1 处为出峰Ⅲ，是较强的酰胺 I吸收峰；在15915～1598.8cm^-1处为出峰Ⅳ，是酰胺Ⅱ吸收峰；在1350~400cm^-1处为指纹区。

对应不同分子量合成的壳聚糖型二氧化硫（SO₂）缓释材料在其相应的出峰处都有出峰，其中由分子量为10万合成的SO₂缓释保鲜剂除在指纹区发生红移，其他出峰处均出现蓝移，同时透过率均增大；由分子量为5万的壳聚糖盐酸盐合成的SO₂缓释保鲜剂除在出峰Ⅲ的位置没变，其他出峰位置均发生红移，同时透过率均增大；分别由分子量5万和15万合成的SO₂缓释保鲜剂除在出峰Ⅰ处发生蓝移，其他出均出现红移，同时透过率均增大；由分子量5万的化合物C和15万的化合物D复合而成的SO₂缓释保鲜剂在出峰Ⅰ处发生蓝移，并且透过率增大，在出峰Ⅱ和出峰Ⅳ处没有出峰，在出峰Ⅲ处位置没有发生变化但是透过率增加，在指纹区发生红移同时透过率降低；由分子量15万的化合物C和5万的化合物D复合而成的SO₂缓释保鲜剂在出峰Ⅰ处发生蓝移，透过率降低，在出峰Ⅱ和出峰Ⅳ处没有出峰，在出峰Ⅲ处发生红移，透过率增加，在指纹区发生红移同时透过率降低。

2.2 不同分子量合成缓释材料的SO₂释放量分析结果

图1 不同分子量缓释材料的SO2释放量

Fig.1 SO2 release from different molecular weight sustained release materials

图2 复合分子量缓释材料的SO₂释放量

Fig.2 SO₂ release from composite molecular weight sustained release materials

由图1和图2可以看出,在室温条件下自制的固体粉末SO₂缓释保鲜剂是有气体释放出的,而且随着时间的增加,固体粉末SO₂缓释保鲜剂释放气体的量大体是呈现了先升高后降低的趋势,从图1单一分子量合成的缓释材料可以看出分子量为5万和15万较为理想；从图2复合分子量合成的缓释材料可以看出，符合分子量比单一分子量合成的SO₂释放量相对平稳。其中复合分子量由5万的化合物C和15万的化合物D复合而成的固体粉末SO₂缓释保鲜剂前4天,释放SO₂的量突然升高,第4-30天释放量趋于稳定,30天之后释放量逐渐的减小,并且受温湿度的影响最小。由此可以推断,分子量由5万的化合物C和15万的化合物D复合而成的固体粉末SO₂缓释保鲜剂较为最佳。

2.3讨论

目前，葡萄商业化贮藏保鲜主要采用能释放SO₂的试剂来作防腐保鲜剂，利用SO₂的还原性能有效的抑制植物组织中微生物和氧化酶的活力，对浆果类果实风味和品质的保持有良好的效果^[²⁰^]。但SO₂保鲜作为化学保鲜方法的一种，无论采用熏蒸、保鲜纸、混合剂调配释放都存在SO₂保鲜剂投放量难以掌握^[21-25]，投放量低保鲜效果不佳，投放量高则SO₂残留量高，葡萄漂白率高^[26-29]，食用安全及葡萄外观品质深受影响。

结合葡萄保鲜现状，本实验将壳聚糖改性，有机金属配位处理，适当硫化制备成骨架型SO₂缓释材料，并将该材料与壳聚糖包埋分散处理的SO₂发生剂如亚硫酸盐、焦亚硫酸盐等复合制备成SO₂分段可控缓释型颗粒材料应用于鲜食葡萄保鲜，能起到提高鲜食葡萄贮藏品质，增加鲜食葡萄的效益。

3 结论

分子量为5万的化合物C和分子量为15万的化合物D复合而成的固体粉末SO₂缓释材料在前4天,释放SO₂的量突然升高,第4-30天释放量趋于稳定,30天之后释放量逐渐的减小,并且该复合产物受温湿度的影响最小。由此可以推断,分子量由5万的化合物C和15万的化合物D复合而合成的固体粉末SO₂缓释保鲜剂较为最佳，同时可以推断该保鲜材料可以用于水果的保鲜。后续将进一步优化该缓释材料的制备配方，并在研制壳聚糖型SO₂缓释材料的基础上，探讨贮藏保鲜期间壳聚糖型SO₂缓释材料对 “红地球”、“木纳格”葡萄上述各项指标的变化规律，并进行统计分析其对葡萄保鲜贮藏品质的影响

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