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壳聚糖的化学改性及其衍生物的抑菌活性研究

冯永巍  
【摘要】:壳聚糖无毒、无抗原性、可生物降解,并具有很多独特的生理功能。在医药、化工、材料、生物技术、食品与营养、农业与环境保护等多个领域都有着广泛的应用。特别是壳聚糖对包括细菌、真菌在内的一系列微生物都有抑制作用,被视为开发新型天然食品防腐剂的理想材料。目前,壳聚糖直接作为防腐剂在食品中应用仍存在一些问题:壳聚糖本身的防腐抗菌效果存在缺陷,对细菌的抑制效果好,对真菌抑制效果差,最小抑菌浓度较高,低剂量使用无法起到防腐抗菌的作用,而高剂量使用又会影响食品的风味和质构;壳聚糖只能在酸性水溶液中溶解,无法满足在成分更为复杂的食品体系中使用;对壳聚糖类食品防腐剂的基础研究缺乏,分子结构和抑菌效果的关系尚不清楚。因此,本课题选择化学修饰的方法对壳聚糖分子进行改性,合成一系列新型的壳聚糖衍生物。旨在提高壳聚糖的抑菌活性,拓宽壳聚糖的抑菌谱,改善壳聚糖的溶解性,进一步明确壳聚糖基防腐剂分子结构与抑菌效果之间的关系。本研究对壳聚糖作为天然防腐剂在食品中的应用以及新型壳聚糖基食品防腐剂的开发都具有理论学术意义和应用价值。 1、壳聚糖与苯甲酰氯在甲烷磺酸的催化下,合成了苯甲酰壳聚糖衍生物。红外和核磁光谱表征证明,苯甲酰氯与壳聚糖的羟基发生酯化反应,苯甲酰壳聚糖衍生物具有游离氨基和苯甲酰基两个抑菌基团。抑菌实验表明,苯甲酰壳聚糖衍生物的抑菌活性强于原料壳聚糖,且抑菌活性与取代度密切相关,中度取代(DS=1.28)的衍生物抑菌活性最强。 2、通过三步反应制备了对羟基苯甲酰壳聚糖衍生物。第一步,以对乙酰氧基苯甲酸为原料,制备对乙酰氧基苯甲酰氯;第二步,对乙酰氧基苯甲酰氯为酰化试剂,合成了选择性羟基酯化的对乙酰氧基苯甲酰壳聚糖;第三步,脱除酚羟基上的乙酰基,获得了对羟基苯甲酰壳聚糖。抑菌实验表明,对羟基苯甲酰壳聚糖衍生物的抑菌活性高于原料壳聚糖,抑菌活性与取代度密切相关,中度取代(DS=1.21)的衍生物抑菌活性最强。 3、富马酸和壳聚糖在硫酸的催化下,合成了富马酰壳聚糖衍生物。红外与核磁光谱表征证明,富马酸分子中的一个羧基与壳聚糖的羟基发生酯化反应,另外一个羧基以游离形式存在。热重分析表明,富马酸分子的引入,破坏了壳聚糖分子间的氢键作用和结晶结构,降低了壳聚糖分子的热稳定性。富马酰壳聚糖衍生物在中性pH条件下有较好的水溶性,水溶性随着取代度的提高而增加,当取代度为0.48时溶解度可达到52.6g/L,高取代的衍生物在广泛的pH值范围内都有良好的溶解性。抑菌实验表明,在中性条件下富马酰壳聚糖衍生物的抑菌活性强于原料壳聚糖,抑菌活性随着取代的增加而提高。 4、通过两步反应合成了山梨酰壳聚糖衍生物。第一步,山梨酸在亚硫酰氯中回流反应制备山梨酰氯;第二步,以山梨酰氯为酰化试剂,与壳聚糖反应生成选择性羟基酯化的山梨酰壳聚糖衍生物。X-射线衍射和溶解性测试的结果表明,山梨酰基的引入破坏了壳聚糖的结晶结构,导致山梨酰壳聚糖衍生物在在多种有机溶剂中的溶解性增加。DS=1.93的衍生物在乙醇、乙醚和乙酸乙酯中的溶解度可分别达到23.51、18.31、15.55g/L。衍生物在乙醇中溶解性最高。作为食品添加剂可在乙醇中预溶解,再向食品体系中添加。抑菌实验表明,山梨酰壳聚糖衍生物比壳聚糖的抑菌活性更强,抑菌活性与取代度相关,中度取代(DS=1.21)的衍生物抑菌活性最强。 5、壳聚糖衍生物的抑菌实验表明,四种壳聚糖衍生物的抑菌活性均与分子量大小密切相关,并呈现出类似的规律。中等分子量(164kDa)壳聚糖衍生物的抑菌活性,强于高取代度(300kDa)和低取代度的壳聚糖衍生物(43kDa)。壳聚糖衍生物的抑菌活性,要显著强于其对应反应物的混合物,说明衍生物抑菌活性的提高不仅仅是两种物质抑菌活性的简单叠加,取代基团的引入,改变了壳聚糖的分子构象,有助于提高衍生物的抑菌活性。最小抑菌浓度测试结果表明,苯甲酰壳聚糖(DS=1.28,Mw=164kDa)对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌和啤酒酵母的MIC分别为0.025、0.025、0.05、0.05%(w/v)。对羟基苯甲酰壳聚糖(DS=1.27,Mw=164kDa)对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌和啤酒酵母的MIC分别为0.0125、0.0125、0.025、0.025%(w/v)。山梨酰壳聚糖(DS=1.26,Mw=164kDa)对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌和啤酒酵母的MIC分别为0.0125、0.0125、0.025、0.025%(w/v)。富马酰壳聚糖(DS=0.48,Mw=164kDa)抑菌活性最强,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌和啤酒酵母的MIC分别为0.05、0.05、0.05、0.05%(w/v)。与壳聚糖相比,衍生物的抑菌活性显著提高。衍生化作用,提高了壳聚糖的抑菌活性,改善了壳聚糖的溶解性,拓宽了壳聚糖的抑菌谱。


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