酚酸结构对壳聚糖膜性能及凡纳滨对虾保鲜效果的影响

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壳聚糖(chitosan,CS)具有良好的成膜性,微生物降解性和无毒性等,被广泛应用于食品保鲜领域。然而单独的壳聚糖保鲜膜,抗菌性和抗氧化性有限,大大地限制了它的应用,需要通过添加其他活性物质共同成膜来改善壳聚糖膜的各项性能。酚类物质具有强大的自由基清除能力,抗过渡金属氧化和脂质过氧化作用,是主要的高效抗氧化剂之一,与壳聚糖通过物理共混或者化学共价结合进而制成复合膜可有效提高壳聚糖膜的生物活性。但是目前探究不同分子结构的酚酸对壳聚糖膜性能影响的研究还很少。选取含量相同的五种常见酚酸:对香豆酸(p-coumaric acid,PA)、阿魏酸(ferulic acid,FA)、没食子酸(gallic acid,GA)、香草酸(vanillic acid,VA)和水杨酸(salicylic acid,SA),与壳聚糖共混后制膜,分别为对香豆酸-壳聚糖共混膜(PA-CS)、阿魏酸-壳聚糖共混膜(FA-CS)、没食子酸-壳聚糖共混膜(GA-CS)、香草酸-壳聚糖共混膜(VA-VS)和水杨酸-壳聚糖共混膜(SA-CS),对其进行红外光谱分析,证明了酚酸分子与壳聚糖链之间的相互作用是通过非共价键进行的。之后探究了复合膜的各项指标,包括厚度,不透明度,含水量,水溶性,水蒸气透过率,颜色指标,机械强度,总酚释放量,抗氧化活性和抗菌活性。与壳聚糖膜相比,酚酸-壳聚糖复合膜除了水溶性提升和机械性能降低外,不透明度,水蒸气透过率(water vapor permeability,WVP),颜色指标,抗氧化活性和抗菌性都有所改善,尤其是抗氧化性和抗菌性得到大幅提升。在五种酚酸-壳聚糖复合膜中,GA-CS的物理性能,机械性能和生物活性均为最好,这与GA分子中的三个酚羟基有关。GA-CS的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基清除率升高到14.85±0.25%,而FA-CS也达到了12.43±0.21%。GA-CS对金黄色葡萄球菌的抑菌圈提高到13.14±0.15 mm,FA-CS达到12.87±0.12 mm。在上述五种酚酸中选择两种结构相似的酚酸(FA和PA)制膜进行凡纳滨对虾保鲜实验。将大小均一的虾分为四组,分别为空白组,CS膜组,PA-CS组和FA-CS组,放置于4℃冰箱内,对其7天内的失重率,pH值,挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)值,硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值,总菌落数(total bacterial count,TBC)和感官评分变化进行检测。结果表明,覆膜组优于空白对照,酚酸-壳聚糖复合膜优于CS组,FA-CS组优于PA-CS组。经过7天的保存,被FA-CS膜处理的虾的失重率为0.98±0.19%,pH值为7.31±0.05,TVB-N值为25.96±1.16 mg N/100 g,TBA值为0.57±0.01 mg MDA/kg,TBC值为5.28±0.07 log CFU/g,感官评分为6.1±0.2。选取结构相似的3种酚酸,分别为:对香豆酸(p-coumaric acid,PA)、阿魏酸(ferulic acid,FA)和咖啡酸(caffeic acid,CA),通过碳二亚胺介导的偶联反应,制备了接枝度相近的3种酚酸-壳聚糖共聚物(phenolic acid-grafted-chitosan,phenolic acid-g-CS),红外光谱分析证明了共价键的产生,福林酚比色法测得PA-g-CS,FA-g-CS和CA-g-CS的接枝度分别为54.7,53.5和55.7 mg/g。进一步制备得到酚酸-壳聚糖共价膜(PA-g-CS膜,FA-g-CS膜和CA-g-CS膜),探究了共价膜的各项指标,包括厚度,不透明度,含水量,水溶性,WVP,机械强度,总酚释放量,抗氧化活性和抗菌活性。接枝了酚酸后壳聚糖膜的厚度没有明显变化,含水率和水蒸气透过率降低,水溶性,拉伸强度,不透明度,断裂伸长率,杨氏模量、抗氧化性和抗菌性增加。在3种酚酸-壳聚糖共价膜中,CA-g-CS的物理性能,机械性能和生物活性均为最好,这可能与其两个酚羟基的结构有关。CA-g-CS的DPPH自由基清除率升高到18.83±0.32%,对金黄色葡萄球菌的抑菌圈提高到14.23±0.32 mm。上述结果表明,酚酸的结构对壳聚糖膜的性能有较大的影响,尤其是接枝酚酸的壳聚糖膜抗菌性和抗氧化性得到大幅提升。将CS膜,PA-g-CS膜,FA-g-CS膜和CA-g-CS膜分别包覆于凡纳滨对虾的表面,4℃冰箱内贮存一周,对其7天内的失重率,pH值,TVB-N值,TBA值,TBC和感官评分变化进行检测。结果表明,覆膜组保鲜效果均优于空白对照,酚酸-壳聚糖共价膜的3组优于CS膜包覆组。而3种酚酸-壳聚糖共价膜处理的虾样品中,CA-g-CS组又优于另外两组,FA-g-CS次之。经过7天的保存CA-g-CS的失重率为1.79±0.11%,pH值为7.34±0.04,TVB-N值为24.19±1.31 mg N/100 g,TBA值为0.62±0.03 mg MDA/kg,TBC值为5.21±0.07 log CFU/g,感官评分为5.8±0.2。综合上述研究结果可知,酚酸的结构对壳聚糖膜的性能有很大的影响,除此以外,成膜方式也可影响复合膜的性质。酚酸-壳聚糖共混/共价膜是一种很有前途的食品活性包装材料,本实验的研究为其商业化生产提供一定的参考。
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