一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物及制备方法和应用

1.本发明涉及食品保鲜领域，尤其涉及一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物及制备方法和应用。


背景技术：

2.众所周知，水果和蔬菜的易腐性使其保质期有限。在储存过程中导致食物损失的原因有很多，这其中包括：环境因素，保存条件，以及运输过程。因此，如何延长水果和蔬菜的保质期是一个急需解决的问题。目前常用的延长保质期的技术包括冷藏技术和涂覆涂层以降低食品的损失。然而，冷藏技术存在能耗大的缺点，并且传统涂层基于合成蜡和化学杀菌剂，可能存在毒性和较差的生物降解性，广泛使用会给环境和人类健康带来风险。此外，这些合成化合物的使用会导致致病生物产生抗药性，从而使这些化合物的使用越来越受到限制。因此，在这些环境问题和对食品安全的需求下，有必要探索一种可以延长水果和蔬菜的保存时间且环保的涂层。
3.在食品表面涂覆含有不同类型功能物质的活性可食用涂层可用作一种保存方法，以提高水果和蔬菜在储存时的质量、安全性和保质期。天然生物基原料可以成为石油基原料的环保替代品，获得更多的生物基聚合物材料。天然生物聚合物是天然衍生的材料，其具有形态可调节，化学成分多样以及拥有用于化学改性的多个反应位点，良好的生物相容性和生物降解性等特点。
4.目前的食品涂层是将活性物质直接掺入天然生物聚合物后应用到食品中，由于大部分活性物质不稳定，可能会降低其功效，并可能通过扩散从包装迁移到产品，干扰食品成分，影响水果和蔬菜的原始味道，这增加了潜在毒性和安全性的风险。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物及制备方法和应用，可以赋予羧甲基纤维素涂层更好的抗微生物抗氧化能力，同时还能减少活性物质向水果表面迁移，能够显著延长食品保鲜市场，且不会对人体和环境造成危害。
6.为了实现上述目的，本技术采用如下技术方案：一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物制备方法，包括如下步骤：
7.s1：将羧甲基纤维素钠溶解酸化，使得羧甲基纤维素钠中的羧酸离子质子化；
8.s2：将n-(3-二甲氨基丙基)-n-乙基羧基二酰亚胺盐类和n-羟基丁二酰亚胺溶解得到混合液b，将混合液b和质子化后的羧甲基纤维素钠溶液混合，激活羧甲基纤维素钠溶液中羧酸，得到混合液c；
9.s3：向混合液c中加入半胱胺盐酸盐，调节ph值至5.0-6.0并进行搅拌反应；采用透析膜去除n-(3-二甲氨基丙基)-n-乙基羧基二酰亚胺盐类、n-羟基丁二酰亚胺以及未反应的半胱胺盐酸盐，冷冻干燥后得到改性羧甲基纤维素；
10.s4：将冷冻干燥后得到的改性羧甲基纤维素和丁香酚溶解于水与异丙醇的混合溶液中得到混合液d，加入光引发剂，在紫外灯照射下搅拌反应，经过乙醇和蒸馏水透析后，得到基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物。
11.进一步的，步骤s1中采用稀盐酸将羧甲基纤维素钠溶解酸化。
12.进一步的，所述透析膜的分子切断量为3000。
13.进一步的，步骤s4中水与乙醇的体积比为1:1。
14.进一步的，步骤s4中丁香酚的摩尔量大于改性羧甲基纤维素的摩尔量。
15.进一步的，步骤s4中光引发剂为dmp，光引发剂的质量分数为混合液d的1％。
16.进一步的，步骤s4中紫外灯照射的功率为360w，紫外灯的emax＝365nm。
17.一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物，采用如上所述的制备方法制备而成。
18.一种基于生物多糖接枝丁香酚的绿色涂层，包括如上所述的制备方法制备而成的共聚物。
19.一种基于生物多糖接枝丁香酚的使用方法，包括：将如上所述的制备方法制备而成的共聚物涂覆在食品表面，进行食品保鲜。
20.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明使用一种具有硫醇作为亲核基团和伯胺作为氢键受体基团的小分子半胱胺盐酸盐改性cmc。然后利用高产率，反应条件简单的硫醇-烯点击反应将丁香酚接枝到改性羧甲基纤维素分子链上得到基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物，既可以赋予羧甲基纤维素涂层更好的抗微生物抗氧化能力，同时还能减少活性物质向水果表面迁移，能够显著延长食品保鲜市场，且不会对人体和环境造成危害；同时本技术制备过程中很少用到有机溶剂，能够减少对环境的污染。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.附图中：
24.图1为本技术中cmc-cyst-eug制备示意图；
25.图2为表征实验1中cmc，cyst，eug，cmc-cyst和cmc-cyst-eug的红外光谱；
26.图3为表征实验1中cmc，cyst，eug，cmc-cyst和cmc-cyst-eug的紫外谱图；
27.图4为表征实验1中cmc,cmc-cyst和cmc-cyst-eug的核磁氢谱；
28.图5为实验例1中不同处理对草莓失重率的影响；
29.图6为实验例1中不同处理对草莓果肉ph的影响；
30.图7为实验例1中不同处理对草莓总可溶性固形物含量的影响。
具体实施方式
31.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神
和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。若未特别指明，本发实施例中所用的实验材料、试剂、仪器等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所有的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
32.如附图1所示，一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物制备方法，包括如下步骤：
33.s1：将羧甲基纤维素钠(cmc)溶解在去离子水中，加入稀盐酸进行酸化，使得cmc中的羧酸离子得到一定程度的质子化；
34.s2：将n-(3-二甲氨基丙基)-n-乙基羧基二酰亚胺盐类(edc)和n-羟基丁二酰亚胺(nhs)溶解得到混合液b，将混合液b和质子化后的cmc溶液混合，激活cmc溶液中羧酸，得到混合液c；
35.s3：向混合液c中加入半胱胺盐酸盐(cyst)，用稀氢氧化钠调节ph值至5.0-6.0，室温搅拌24小时；采用分子切断量为3000的透析膜去除edc、nhs和未反应的cyst，该过程持续48小时，冷冻干燥后得到改性羧甲基纤维素(cmc-cyst)；
36.s4：将冷冻干燥后得到的cmc-cyst和过量的丁香酚(eug)溶解于水与异丙醇(1:1)的混合溶液中得到混合液d，加入光引发剂dmpa(1wt％)，在360w，emax＝365nm的紫外灯照射下搅拌反应，经过乙醇和蒸馏水反复透析后，冷冻干燥得到基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物(cmc-cyst-eug)。
37.由于cmc紧密堆积、有序的氢键网络结构，cmc涂料表现出优异的氧气、香气和油阻隔性能，各种研究表明cmc在食品保鲜中的应用，为水果与环境之间的气体交换提供屏障，成功地用于调节氧气和水分的传递。因此，cmc是保持水果质量和延长保质期的理想选择。此外，cmc侧链有羟基(
–
oh)和羧酸根(
–
coo
–
)基团，成为开发生物材料的优势所在。通常人们将cmc分子链上的羟基和羧基作为反应点引入各种疏水性和响应性基团，从而提高其疏水性，作为疏水药物载体，实现药物递送。
38.丁香酚是一种可再生且含量十分丰富的有趣酚类化合物，通常从丁香油中获得，由于其结构中具有活性酚羟基和烯丙基，因此为进一步的化学改性和聚合提供了良好的平台。由于丁香酚在研究中显示出优异的抗菌活性，以及抗病毒、抗炎、抗癌和抗氧化等特性，因此它受到医学和化妆品行业等各个领域的关注。丁香酚作为天然来源的活性物质可以应用于包装用来延长食品保质期。
39.本发明使用一种具有硫醇作为亲核基团和伯胺作为氢键受体基团的小分子cyst改性cmc。然后利用高产率，反应条件简单的硫醇-烯点击反应将eug接枝到改性羧甲基纤维素分子链上得到基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物，既可以赋予羧甲基纤维素涂层更好的抗微生物抗氧化能力，同时还能减少活性物质向水果表面迁移，能够显著延长食品保鲜市场，且不会对人体和环境造成危害；同时本技术制备过程中很少用到有机溶剂，能够减少对环境的污染。
40.以下通过具体实施例对本技术进行进一步解释说明，其中，下述实施例中所用材料说明如下：
41.粘度为300-800mpa
·
s的羧甲基纤维素钠(cmc，usp级)、丁香酚(eug，99％)、2,2-二甲氧基-2-苯乙酮(99％)、n-(3-二甲氨基丙基)-n-乙基羧基二酰亚胺盐类(edc)和n-羟基丁二酰亚胺(nhs)购于上海aladdin生物化学科技有限公司(上海)。半胱胺盐酸盐(cyst，98％)购自上海麦克林生化科技有限公司(中国上海)。乙醇(无水)、丙酮、氢氧化钠(naoh,
97％)、盐酸(hcl,37％)购自天津大茂化学试剂有限公司。所有的化学物质都是直接使用的，没有进一步的净化。所有实验均使用去离子水。
42.实施例1
43.一种基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物制备方法，包括如下步骤：
44.s1：将1g cmc溶于40ml去离子水中，在烧杯中快速搅拌，直至完全溶解；加入稀盐酸进行酸化，使cmc的羧酸离子得到一定程度的质子化。
45.s2：用5ml去离子水溶解edc(0.3g)和nhs(0.15g)，得到混合液b，将混合液b加入cmc溶液中激活羧基，得到混合液c。
46.s3：两小时后，向混合液c中加入2gcyst并搅拌溶解，用稀氢氧化钠调ph至5.5，室温搅拌24小时。用分子切断量为3000的透析膜透析去除edc、nhs和未反应的cyst48小时，冷冻干燥后得到改性羧甲基纤维素cmc-cyst。
47.s4：将冷冻干燥后得到的cmc-cyst(300mg)和过量的eug溶解于水与异丙醇(1:1)的混合溶液中，加入光引发剂dmpa(1wt％)。在360w(emax＝365nm)的紫外光照射下搅拌，反应持续5小时。经乙醇和蒸馏水反复透析，冷冻干燥得到基于生物多糖接枝丁香酚的共聚物cmc-cyst-eug。
48.表征实验1
49.采用美国perkin elmer公司的100傅里叶红外光谱仪对cmc、cyst、eug、cmc-cyst和cmc-cyst-eug进行傅立叶变换红外光谱(ftir)表征。采用kbr片剂技术，扫描32次，比较振动状态在4000～400cm-1
范围内的变化。如附图2所示，观察cmc红外谱图可以看到，3377cm-1
处的宽峰是由于-oh基团拉伸振动引起的，1621cm-1
、1422cm-1
、1422cm-1
处的强峰分别对应于-coo-的共轭拉伸振动、亚甲基和羟基的弯曲振动。关于cyst光谱，在3432cm-1
和1612cm-1
处的峰归因于氨基中的n-h伸长和n-h角畸变、3020cm-1
和1496cm-1
处对应于亚甲基中的c-h伸长和振动，cyst中的-sh基团特征峰出现在2500cm-1
.在cmc-cyst光谱中，3432cm-1
和1612cm-1
处的峰消失。在2505cm-1
处出现不明显的-sh峰，是由于该信号通常强度较弱。与cmc、cyst相比，cmc-cyst光谱在1626cm-1
和1563cm-1
处出现新的特征峰，分别是二级酰胺(
–
conh-)的酰胺i和ii振动，证实了交联反应的成功。eug由于c＝c-h拉伸，c＝c拉伸芳香，c＝ch2弯曲，分别可以在3075cm-1
，1638、1608和1513cm-1
，995和914cm-1
观察到特征峰。cmc-cyst-eug共聚物光谱与cmc-cyst光谱对比，发现在2505cm-1
处的-sh峰消失。并且，在cmc-cyst-eug共聚物光谱中观察到1520cm-1
处出现新峰是芳香c-c拉伸引起的，丁香酚在3075cm-1
(拉伸c＝c-h)，995cm-1
和914cm-1
(弯曲c＝ch2)特征峰在cmc-cyst-eug共聚物中消失，证实了cmc-cyst与eug的接枝作用。
50.由于eug典型峰与cmc峰重叠，通过ftir分析不容易确定改性cmc中eug存在，根据丁香酚这种物质的特性，下一步我们使用紫外-可见分光光度分析来检测丁香酚，因为这种化合物会吸收这种光。
51.利用uv-3600紫外-可见分光光度计(日本岛津)获得cmc、cmc-cyst和cmc-cyst-eug在200-800nm波长的紫外-可见(uv-vis)漫反射光谱。如附图3所示，通过图3中紫外光谱图可以发现cmc-cyst-eug在280nm处出现了新的吸收峰，这是丁香酚的典型吸光度。
52.cmc和cmc-cyst-eug在d20条件下的1h nmr谱由核磁共振波谱仪(ascend 400,bruker,switzerland)记录，25℃时样品浓度为20mg ml-1
。cmc的1h nmr谱图如图4所示，其
对应的质子信号如下:4.25ppm(h1)，4.79ppm(d2o)，4.10ppm(h6)，3.19-3.97ppm(h2,h3,h4,h5,h7)。cmc-cyst的1h nmr谱图显示cyst的质子在2.89ppm，3.02ppm和3.38ppm(h8，h9和h10)处发出信号，表明cyst在cmc链之间成功交联。在cmc-cyst-eug的1h nmr谱图,共聚物在5.7～6.0ppm处未观察到乙烯基双健峰，而在1.9-2.2ppm时出现新的信号，这是因为接枝后丁香酚乙烯基双键变成单键。共聚物中存在苯基团，由共聚物中苯的质子引起的eug峰值在6.7-6.8ppm。分析证明，eug与cmc反应成功。
53.实验例1
54.本技术提供的一种基于生物多糖接枝丁香酚的使用方法，包括：将实施例1中制备而成的共聚物涂覆在蔬菜或水管表面，进行食品保鲜。
55.本实验例以草莓为实验对象，验证改性材料在浸涂保鲜中的有效性。将草莓浸泡在蒸馏水中1分钟。然后在常温下正常风量下干燥1小时。在去离子水(作为ck对照组)、eug溶液、cmc溶液和实施例1中制备而成的cmc-cyst-eug溶液中完全浸泡15秒。所有处理组在室温下保存。每一组定期称重，计算体重减轻。用ph计(上海三鑫mp511)测量果汁的ph值进行评价。草莓汁总可溶性固形物含量(tss)用手持式折射仪(lichen，浙江)测定，结果以百分数表示。
56.在水果保鲜过程中，失重率是判断保鲜效果的重要指标。草莓作为一种果皮较薄的浆果，更容易失水。如附图5所示，经eug对照处理组失重率最高，达到了74.48％，这可能是由于eug的处理使果实表皮内外形成浓度差，从而促使了草莓水分的流失。在储存第一天和第二天，其他处理组与ck组失重率差别不大。但在整体储存过程中，与ck(56.78％)和cmc(50.75％)对照组相比，cmc-cyst-eug组的草莓果实失重率最低，失重率最高(44.54％)在第7天。并且cmc组失重率低于ck组，说明经cmc处理后可减缓草莓的失重情况。值得注意的是，cmc-cyst-eug组相比cmc组表现出更小的重量损失，这归因于eug的接入。这表明，与单纯的eug相比，cmc更有效地提供物理屏障防止水分流失，从而延缓脱水和水果皱纹，同时，eug的接入也进一步的提高了cmc涂层对水果体重的保护性能。
57.不同处理组对草莓ph值的影响见图6，结果表明，所有处理组的ph值在储存期间都有所增加，这是由于，在果实成熟过程中，随着草莓成熟度的增加和腐败的出现，草莓中有机酸含量降低，草莓的ph值逐渐升高。因此，测量草莓的ph值可以反映草莓中营养成分的变化。我们注意到，cmc组与ck组对比没有表现出可以减缓草莓ph值的增加的效果，然而，cmc-cyst-eug组处理的草莓与对照和cmc包被的样品相比，在储存期间cmc-cyst-eug组草莓具有较低的ph值，这可能是由于eug的结合对果实代谢活动产生了一定的影响。
58.可溶性固形物(tss)是影响水果质量和消费者接受度的重要参数。tss可以反映水果的成熟度和风味，因为糖和有机酸占水果中总可溶性固体的大部分。从tss分析中获得的结果如图7所示，所有样品在6天储存期间对照和所有处理组样品中可溶性固形物的含量增加，tss值的增加可能是由于细胞壁多糖的水解或糖浓度的增加，这可能归因于淀粉转化为糖或由于水果呼吸速率增加而导致的水分流失。但由于草莓积累的淀粉很少，所以还有可能是因为花青素增加了到可溶性固体。其中，eug处理组tss值表现出急剧增加趋势，这主要归因于果实中水分的流失，在前面我们也提到eug组重量损失较大。我们观察到，cmc涂层对草莓储存过程中tss的影响与ph的测试结果类似，cmc涂层处理对照ck组草莓，tss值并未发现明显变化。但是，我们观察到cmc-cyst-eug涂层略微延缓了ssc的增加，这也说明了，eug
的加入可以防止水果tss的剧烈变化。
59.可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。