崔文慧，郭 芹，李慶鵬，靳 婧，哈益明

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100193）

殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能性質(zhì)的比較

崔文慧，郭 芹，李慶鵬，靳 婧，哈益明*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100193）

將殼聚糖進(jìn)行?；男灾频脷ぞ厶?檸檬酸，測定其重均分子質(zhì)量及水溶性，然后利用傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、熱重分析儀、X-射線衍射儀及核磁共振儀對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，確證?；磻?yīng)的發(fā)生，并且探討殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對重金屬鎘離子的吸附效果及對羥自由基和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基的清除效果。結(jié)果表明，與殼聚糖相比，殼聚糖-檸檬酸的重均分子質(zhì)量和水溶性都明顯增加；結(jié)構(gòu)表征直接或間接證明殼聚糖與檸檬酸發(fā)生?；磻?yīng)，結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致性質(zhì)差異；殼聚糖-檸檬酸對重金屬鎘離子的吸附效果及對自由基的清除能力均優(yōu)于殼聚糖。該研究為殼聚糖及其衍生物在實際中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了一定的研究依據(jù)。

殼聚糖；殼聚糖-檸檬酸；結(jié)構(gòu)性質(zhì)；功能性質(zhì)

工業(yè)化進(jìn)程的加快雖推動了經(jīng)濟和社會的發(fā)展，但同時也帶來了環(huán)境污染，尤其是重金屬污染。重金屬污染指由重金屬及其化合物造成的污染[1]。常見的重金屬主要有鉛、鎘、汞、砷和鉻等，其中鎘在工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，主要用于電池、冶煉、采礦、化工、電鍍和染料，這些過程中會產(chǎn)生大量含鎘污染物[2-3]。一般條件下，它們的性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易分解[4]。當(dāng)這些含鎘污染物排放到環(huán)境中會污染土壤及地表水，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體，長期蓄積至一定量，可導(dǎo)致人的腎臟及肝臟等器官發(fā)生病變，還可能引發(fā)骨痛病，甚至影響下一代的健康[3-4]。1955年日本富士山發(fā)生的骨痛病事件就是由于人們長期飲用被鎘污染的水及食用被鎘污染的糧食所致[5]。目前，國內(nèi)外常見的重金屬污染物處理方法主要包括化學(xué)法（化學(xué)還原法、化學(xué)沉淀法和電解法等）、生物化學(xué)法（植物修復(fù)法和生物絮凝法）和物理化學(xué)法（膜分離法、離子交換法和吸附法等）[6-11]?；瘜W(xué)還原法常用于預(yù)處理階段；化學(xué)沉淀法處理過程中會使用大量的化學(xué)試劑，易形成二次污染；電解法操作方便、無二次污染，但成本較高。植物修復(fù)法目前技術(shù)條件還不成熟；生物絮凝法處理效果較差。膜分離法分離效率高，但膜易被污染使得處理費用增加；離子交換法高效方便，但選擇一個交換性能好的離子交換樹脂較難；吸附法因其易于操作、處理效果好、成本低、二次污染小而應(yīng)用廣泛[6-11]。常用的吸附劑有活性炭、殼聚糖（chitosan，CTS）和纖維素等，殼聚糖因其良好的生物可降解性、資源豐富和吸附性好等特點，常用于重金屬離子的吸附[12]。

圖 1 殼聚糖的結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Structural formula of chitosan

殼聚糖是由單體2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接而成，由結(jié)構(gòu)式（圖1）看出，分子中含有大量的氨基和羥基，這些基團中存在孤對電子，與重金屬離子可形成穩(wěn)定的螯合物[13-14]。但殼聚糖僅溶于稀酸溶液，在酸性條件下，殼聚糖C2位上的—NH2易形成—NH3

＋，不利于對重金屬離子的吸附，使得吸附效果差，限制了它的應(yīng)用[15]。但殼聚糖分子中的氨基和羥基具有一定的活性，可通過化學(xué)改性方法引入新的基團改善殼聚糖本身的不足[16-18]。目前，已有很多殼聚糖改性產(chǎn)物應(yīng)用于重金屬離子的吸附研究，但有關(guān)殼聚糖-檸檬酸（chitosan-citric acid，CTS-CA）對重金屬鎘離子的吸附研究鮮有報道。本實驗主要研究本實驗室制備的殼聚糖-檸檬酸對重金屬鎘離子的吸附效果，并與殼聚糖比較，探討對重金屬鎘離子的吸附機理。同時初步研究殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸對羥自由基和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的清除效果，為殼聚糖及其衍生物在實際中的應(yīng)用提供了一定的研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（食品級，線性電位滴定法測定其脫乙酰度為84.40%，十八角度激光光散色儀測定其重均分子質(zhì)量為261 000 D） 上海西寶生物科技有限公司；檸檬酸、次亞磷酸鈉和冰乙酸（優(yōu)級純） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；無水乙酸鈉、疊氮化鈉（均為優(yōu)級純）上海Aladdin試劑有限公司；葡聚糖（優(yōu)級純，其相對分子質(zhì)量為40 000）、DPPH 德國Sigma公司；無水乙醇、溴化鉀、硫酸亞鐵、水楊酸、70%濃硝酸和30%雙氧水北京化工廠；重金屬鎘片 上海金山亭新化工試劑廠；70%濃硝酸（BV-Ⅲ級）、30%過氧化氫（BV-Ⅲ級）北京化學(xué)試劑研究所；實驗室用水為超純水；試劑除特殊說明外均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

YP1407033電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司；CP 213電子天平 奧豪斯儀器上海有限公司；DGG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 武漢利輝環(huán)境檢測設(shè)備有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵 河南省鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；SHB-Ⅲ 循環(huán)水式真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；FD-1A-50冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；DAWN HELEOS Ⅱ 激光光散色儀 美國Wyatt技術(shù)公司；769YP-15A粉末壓片機 天津市科器高新技術(shù)公司；Tensor 37傅里葉變換紅外光譜儀、400核磁共振譜儀 德國Bruker儀器公司；Quanta 200-FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡 美國FEI儀器公司；Pyris-115熱重分析儀 美國Perkin Elmer儀器公司；Dmax/2400 X-衍射儀 日本Rigaku儀器公司；Neofuge 15R臺式高速冷凍離心機 上海力申科學(xué)儀器有限公司；MARS 240/50 CEM密閉微波消解系統(tǒng)美國Matthews公司；7700電感耦合等離子質(zhì)譜儀 美國Agilent公司；T6新世紀(jì)紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.3 方法

1.3.1 殼聚糖-檸檬酸的制備

稱取一定量的檸檬酸和次亞磷酸鈉（檸檬酸與次亞磷酸鈉的摩爾質(zhì)量比為10∶1）置于50 mL耐壓瓶中，向其中加入30 g蒸餾水，待它們完全溶解后搖勻；再稱取1.50 g殼聚糖，少量多次加入耐壓瓶中，完全溶解后混勻；將其置于110 ℃條件下反應(yīng)3 h后，冷卻至室溫；用85%乙醇沉淀、洗滌并抽濾，收集濾餅于培養(yǎng)皿中；將濾餅于－50 ℃條件下真空冷凍干燥36 h，取出后稱質(zhì)量、研磨粉碎，得到殼聚糖-檸檬酸產(chǎn)物于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 殼聚糖-檸檬酸重均分子質(zhì)量測定及水溶性定性分析

使用十八角度激光光散色儀對殼聚糖-檸檬酸重均分子質(zhì)量進(jìn)行測定[19]，將樣品用流動相（pH 4.50的0.10 mol/L的醋酸和醋酸鈉緩沖溶液，其中含0.20‰的疊氮化鈉）溶解，配制成質(zhì)量濃度為1 mg/mL的溶液。進(jìn)樣前，樣品溶液用0.45?μm濾膜過濾，進(jìn)樣量為200?μL，流速為0.50 mL/min。葡聚糖為重均分子質(zhì)量測定的標(biāo)準(zhǔn)品，其相對分子質(zhì)量為40 000，殼聚糖-檸檬酸的重均分子質(zhì)量以葡聚糖的相對分子質(zhì)量為基準(zhǔn)計算得出。

分別稱取0.10 g的殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸置于試管中，向其中加入10 mL蒸餾水，振蕩后靜置片刻，觀察溶液的透明度及試管底部沉積物質(zhì)的量，據(jù)此定性判斷物質(zhì)的水溶性。若溶液呈現(xiàn)透明狀，且試管底部無沉積物質(zhì)，說明該物質(zhì)水溶性好；反之，水溶性差。

1.3.3 結(jié)構(gòu)表征

紅外分析采用Tensor 37紅外光譜儀，KBr壓片法測定[20]，掃描范圍400～4 000 cm－1；電子顯微鏡分析采用Quanta 200-FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡測定[20]，測定電壓6 kV；熱重（thermogravimetric，TG）分析采用Pyris-115熱重分析儀測定[19]，測定條件：試樣量1.5～2.0 mg，N2流速50 mL/min，升溫速率10 ℃/min，掃描溫度范圍40～550 ℃；X-射線衍射分析采用Dmax/2400 X-衍射儀測定[21]，測定條件：Cu-Kα輻射源，濾波物質(zhì)Ni，管壓40 kV，管流100 mA，掃描速率6°/min，掃描2θ范圍5°～60°；13C核磁譜圖使用400固體核磁共振圖譜儀于室溫條件下進(jìn)行測定[21]，共振頻率為100 MHz。

1.3.4 重金屬鎘離子吸附實驗

分別對樣品做不同的處理：稱取0.10 g殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸置于50 mL質(zhì)量濃度為25?μg/L鎘離子溶液中，攪拌均勻，分別用鹽酸或NaOH調(diào)至pH值為3～10，振蕩8 h；稱取0.10～0.60 g殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸置于50 mL質(zhì)量濃度為25?μg/L鎘離子溶液中，攪拌均勻，用NaOH調(diào)至pH值為7，振蕩8 h；稱取0.10 g殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸置于50 mL質(zhì)量濃度為25?μg/L鎘離子溶液中，攪拌均勻，用NaOH調(diào)至pH值為7，振蕩2～12 h。然后將處理后的樣品溶液在4 ℃、4 000 r/min離心10 min。分別取1 mL上清液于消解管中，加入6 mL濃硝酸（體積分?jǐn)?shù)70%）預(yù)消解1 h，再加2 mL過氧化氫（30%）反應(yīng)30 min，排氣，然后混勻置于微波消解爐中消解，冷卻至室溫，用超純水定容至100 g，最后用電感耦合離子體-質(zhì)譜儀測定溶液中剩余的鎘離子濃度。電感耦合離子體-質(zhì)譜測定條件如下：高頻入射功率1550 W，霧化室溫度2 ℃，載氣流速1.07 L/min，蠕動泵速率0.10 r/s，透鏡電壓10.20 V，積分時間0.10 s，采樣周期0.31 s，掃描次數(shù)3 次。

1.3.5 羥自由基清除率的測定

測定殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的羥自由基清除率，參考Liu Jun等[22]的方法并稍做修改。殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸樣液用1%醋酸溶液配制，取1 mL樣液（0.20～1.60 mg/mL）于試管中，分別加入9 mmol的硫酸亞鐵1 mL、9 mmol的水楊酸-乙醇溶液0.50 mL和0.15%的過氧化氫1 mL，混合均勻，置于37 ℃水浴中保溫30 min，未加硫酸亞鐵和未加樣品作為空白對照組，紫外分光光度計于510 nm波長處測定吸光度，根據(jù)公式（1）計算羥自由基清除率。

式中：A1為加有硫酸亞鐵未加樣品組的吸光度；A2為加有硫酸亞鐵且加有樣品組的吸光度。

1.3.6 DPPH自由基清除率的測定

測定殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的DPPH自由基清除率，參考Shimada等[23]的方法并稍做修改。殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸樣液用1%醋酸溶液配制，2 mL的0.10 mmol的DPPH乙醇溶液與1～6 mL樣液（1.80 mg/mL）于試管中混勻，置于25 ℃水浴中保溫30 min，未加DPPH和未加樣品作為空白對照組，紫外分光光度計于517 nm波長處測定吸光度，根據(jù)公式（2）計算DPPH自由基清除率。

式中：A3為加DPPH未加樣品組的溶液吸光度；A4為加DPPH且加有樣品組的溶液吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖-檸檬酸重均分子質(zhì)量及水溶性定性分析

通過測定得知，殼聚糖-檸檬酸的重均分子質(zhì)量（MW）為529 000 D（圖2a）。殼聚糖與殼聚糖-檸檬酸在水中的溶解性見圖2b，可明顯看出，殼聚糖在試管底部的沉積量很多，溶液呈現(xiàn)非均勻透明狀，說明它在水中幾乎不溶解；而殼聚糖-檸檬酸在水中形成均勻透明溶液，試管底部無沉積物出現(xiàn)，說明殼聚糖-檸檬酸在水中的溶解性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于殼聚糖在水中的溶解性。初步判定是因為殼聚糖與檸檬酸發(fā)生?；磻?yīng)后，一方面殼聚糖分子中引入了親水基團羧基，另一方面破壞了殼聚糖分子中原有的分子間及分子內(nèi)氫鍵，所以殼聚糖-檸檬酸產(chǎn)物的水溶性優(yōu)于殼聚糖的水溶性。

圖 2 殼聚糖-檸檬酸的重均分子質(zhì)量（a）及水溶性（b）圖Fig. 2 Weight-average molar mass and water solubility of chitosan-citric acid complex

2.2 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的紅外光譜分析

圖 3 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸紅外光譜圖Fig. 3 Infrared spectra of chitosan and chitosan-citric acid complex

從圖3分析可知，殼聚糖紅外譜圖中1 323 cm－1為N—H對稱伸縮振動，1 381 cm－1為N—H面內(nèi)彎曲振動，1 425 cm－1為C—N伸縮振動，1 600 cm－1為氨基中N—H彎曲振動，1 658 cm－1為NH2變角振動[17]。而殼聚糖-檸檬酸紅外譜圖中1 717 cm－1處出現(xiàn)一個新的吸收峰，該吸收峰為檸檬酸羧基中C＝O的吸收峰，殼聚糖在1 600 cm－1處的吸收峰在殼聚糖-檸檬酸中峰形展寬至1 473～1 673 cm－1，為新形成的酰胺鍵（1 650～ 1 635 cm－1仲酰胺C＝O伸縮振動，1 535～1 560 cm－1為仲酰胺N—H面內(nèi)彎曲振動）的吸收峰，而1 396 cm－1處吸收峰為羧酸中C—OH面內(nèi)彎曲振動[24]。據(jù)上述分析判定殼聚糖和檸檬酸發(fā)生了酰化反應(yīng)，殼聚糖中C2位氨基轉(zhuǎn)化為酰胺鍵，分子中引入了羧基（—COOH）基團，分子間及分子內(nèi)氫鍵被破壞。

2.3 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的電子掃描電子顯微鏡分析由圖4可知，殼聚糖與殼聚糖-檸檬酸分子表面結(jié)構(gòu)形態(tài)存在顯著差異，殼聚糖分子粒徑較大，結(jié)構(gòu)平滑緊密；而殼聚糖-檸檬酸分子粒徑較小，結(jié)構(gòu)疏松多孔。也正是由于殼聚糖-檸檬酸這種疏松多孔的結(jié)構(gòu)，更利于水分子地進(jìn)入，增大它的水溶性，從分子水平解釋了2.1節(jié)結(jié)論，即殼聚糖在水中形成單一均勻透明的溶液，水溶性較好。同時也間接證明殼聚糖與檸檬酸確實發(fā)生了?；磻?yīng)。

2.4 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的熱重分析

圖 5 殼聚糖（a）和殼聚糖-檸檬酸（b）熱重分析圖Fig. 5 Thermogravimetric analysis of chitosan (a) and chitosan-citric acid complex (b)

殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的熱重分析結(jié)果如圖5所示。殼聚糖（圖5a）與殼聚糖-檸檬酸（圖5b）的差熱分析（differential thermal analysis，DTA）曲線表明，二者在300 ℃左右有一個放熱過程，分析可能是由于物質(zhì)晶形的轉(zhuǎn)變（物理變化）或者是物質(zhì)的分解（化學(xué)變化）造成的。TG和TG微分（derivative thermogravimetric，DTG）曲線用于說明殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸的熱穩(wěn)定性，其中TG曲線表明物質(zhì)質(zhì)量隨溫度的變化，而DTG曲線是TG曲線的一階導(dǎo)數(shù)，表示物質(zhì)質(zhì)量損失共有幾個階段（一個峰代表一個質(zhì)量損失階段）。殼聚糖DTG曲線表明（圖5a）其主要質(zhì)量損失只有一個階段，初始分解溫度為239.50 ℃，主要為殼聚糖主鏈糖苷鍵的斷裂，在這一階段當(dāng)溫度為297.10 ℃時最大質(zhì)量損失速率為165?μg/min；而殼聚糖-檸檬酸DTG曲線表明（圖5b）其主要質(zhì)量損失分為3 個階段，初始分解溫度為129.80 ℃，其熱穩(wěn)定性不如殼聚糖，第1階段溫度為177.60 ℃時最大質(zhì)量損失速率為39.10?μg/min，主要為改性后產(chǎn)物側(cè)鏈檸檬酸的斷裂，因為檸檬酸的沸點為175 ℃；第2階段溫度為250.10 ℃時最大質(zhì)量損失速率為48.10?μg/min，主要為殼聚糖與檸檬酸形成的酰胺鍵的斷裂，這也正好說明殼聚糖與檸檬酸發(fā)生了?；磻?yīng)；第3階段溫度為297.40 ℃時最大質(zhì)量損失速率為61.60?μg/min，主要為殼聚糖主鏈糖苷鍵的斷裂。

2.5 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的X-射線衍射分析

圖 6 殼聚糖（a）和殼聚糖-檸檬酸（b）X-射線衍射圖Fig. 6 X-ray diffraction patterns of chitosan (a) and chitosan-citric acid complex (b)

由圖6可知，殼聚糖的粉末X-射線衍射圖譜表明殼聚糖有2 種不同的晶體形態(tài)，在2θ=12.04°處有一個小的衍射吸收峰和2θ=20.12°處有一個主要衍射吸收峰，它們分別為殼聚糖的Form Ⅰ和Form Ⅱ晶形（圖6a），這與Krishnapriya等[12]的研究結(jié)果一致。而殼聚糖-檸檬酸僅在2θ=20.84°處有一個明顯的展寬的衍射吸收峰，相比于殼聚糖，它在2θ=12.04°處的衍射吸收峰消失（圖6b），說明改性后殼聚糖的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。原因是改性后的殼聚糖分子C2位置的氨基轉(zhuǎn)化為酰胺基，破壞了原有分子間及分子內(nèi)氫鍵，即晶相被破壞而非晶相相對占大部分，結(jié)晶度降低。所以也就解釋了殼聚糖-檸檬酸的水溶性優(yōu)于殼聚糖，因為一般情況下，結(jié)晶度越高越不易溶于水。再次間接證明了殼聚糖與檸檬酸發(fā)生了?；磻?yīng)。

2.6 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的13C固體核磁分析

核磁共振是有機物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定的一種重要手段，主要是根據(jù)物質(zhì)化學(xué)位移δ的吸收峰強度及位置鑒定有機物質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)，根據(jù)一定的化學(xué)基礎(chǔ)推斷出物質(zhì)分子之間的連接方式。從殼聚糖（圖7a）及殼聚糖-檸檬酸（圖7b）的固體13C核磁譜圖中可以看出，二者最大的不同在于殼聚糖-檸檬酸（圖7b）在化學(xué)位移δ=178.48處出現(xiàn)了一個新的吸收峰，分析該吸收峰為殼聚糖-檸檬酸中酰胺鍵及側(cè)鏈羧酸中碳的吸收峰，再一次證明了殼聚糖與檸檬酸發(fā)生了酰化反應(yīng)，δ≤100的核磁吸收峰為殼聚糖主鏈及側(cè)鏈檸檬酸中碳原子吸收峰。

圖 7 殼聚糖（a）和殼聚糖-檸檬酸（b）13C固體核磁譜圖Fig. 713C solid nuclear magnetic resonance spectra of chitosan (a) and chitosan-citric acid complex (b)

2.7 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對鎘離子吸附效果分析

圖 8 不同pH值、吸附時間和吸附劑用量條件下殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對鎘離子吸附效果圖Fig. 8 Adsorption ef fi ciency of chitosan and chitosan-citric acid complex to cadmium ions under different conditions of pH, time and dose

由圖8a可知，殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對重金屬鎘離子的吸附量都隨著pH值的增加先逐漸增大最后基本保持不變，中性及堿性條件下吸附效果較好，且殼聚糖-檸檬酸對重金屬鎘離子的吸附效果好于殼聚糖。殼聚糖在堿性條件下吸附效果較好，是因為在堿性條件下，C2位氨基（—NH2）難于形成NH3＋質(zhì)子，易于與鎘離子形成穩(wěn)定的螯合物[24-27]。殼聚糖-檸檬酸在堿性條件下吸附效果較好于殼聚糖，一方面是因為殼聚糖C2位氨基（—NH2）與檸檬酸形成酰胺鍵（圖3、5和7），自然也就無質(zhì)子化這一說法；另一方面是因為分子中引入了羧基基團（圖3、5和7），堿性條件下，羧基中的氫離子被中和形成羧基負(fù)離子（—COO－），利于與重金屬鎘離子結(jié)合成穩(wěn)定的物質(zhì)（異性電荷相互吸引）。它們的電子掃描電子顯微鏡圖（圖4）也很好地解釋了這一現(xiàn)象，一般情況下，分子粒徑越小，比表面積就越大，且殼聚糖-檸檬酸疏松多孔，所以更有利于對重金屬鎘離子的吸附。

不同吸附時間條件下殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸重金屬鎘離子的吸附效果如圖8b所示，可以看出，隨著吸附時間的延長，殼聚糖-檸檬酸和殼聚糖對重金屬鎘離子的吸附量呈現(xiàn)先增大，吸附時間達(dá)到8 h后吸附量基本不變，且殼聚糖-檸檬酸優(yōu)于殼聚糖對重金屬鎘離子的吸附。因為初始階段，溶液中重金屬鎘離子濃度較大，同時吸附劑表面的吸附位點較多，隨著時間的推移，吸附位點已經(jīng)達(dá)到飽和，所以呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢。

圖8c顯示的是不同吸附劑用量條件下殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對重金屬鎘離子的吸附效果，可以看出，殼聚糖-檸檬酸和殼聚糖的用量越大，對重金屬鎘離子的吸附效果越好，且前者優(yōu)于后者。因為溶液中重金屬鎘離子的濃度是一定的，吸附劑用量越大（0.10～0.50 g），說明存在的吸附位點就越多，吸附量自然就大。當(dāng)用量大于等于0.50 g時基本保持不變，可能是因為吸附位點達(dá)到飽和。

2.8 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的抗氧化性能分析

圖9a表明殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對羥自由基都有一定的清除能力，同質(zhì)量濃度條件下前者的清除能力遠(yuǎn)比后者差，且二者的清除能力都隨著溶液質(zhì)量濃度的增加而增大。殼聚糖及其衍生物對羥自由基的清除效果主要與其活性基團、分子中氫鍵及空間位阻等有關(guān)[28-29]。殼聚糖-檸檬酸對羥自由基清除效果優(yōu)于殼聚糖，是因為前者不僅破壞了殼聚糖分子中原有分子間及分子內(nèi)氫鍵，而且引入了活性基團羧基，其中的氫原子能與自由基結(jié)合成穩(wěn)定物質(zhì)，從而清除羥自由基。

由圖9b可知，相同質(zhì)量濃度條件下，隨著殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸用量的增加，二者對DPPH自由基的清除能力逐漸增大，后者清除效果略好于前者。殼聚糖及其衍生物對DPPH自由基的清除效果與其活性基團、分子中氫鍵及空間位阻等有關(guān)[28-29]。當(dāng)樣品用量為4 mL時，殼聚糖-檸檬酸對DPPH自由基的清除率比殼聚糖對DPPH自由基的清除率高5.97%，當(dāng)樣品用量為7 mL時，二者清除DPPH自由基的清除率分別為82.40%和82.68%，僅相差0.28%。

圖 9 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸的羥自由基和DPPH自由基清除能力Fig. 9 Hydroxyl radical scavenging capacity of chitosan and chitosan-citric acid complex

殼聚糖-檸檬酸對DPPH自由基清除效果優(yōu)于殼聚糖，是因為前者不僅破壞了原有分子間及分子內(nèi)氫鍵，而且引入了活性基團羧基，其中的氫原子能與自由基結(jié)合成穩(wěn)定物質(zhì)，從而清除DPPH自由基，作用機理如圖10所示[30]。

圖 10 殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸對DPPH自由清除機理圖Fig. 10 DPPH radical scavenging mechanism of chitosan and chitosan-citric acid complex

3 結(jié) 論

紅外光譜、熱重分析及固體核磁圖證明殼聚糖與檸檬酸發(fā)生?；磻?yīng)，形成仲酰胺產(chǎn)物，引入羧基基團；電子掃描電子顯微鏡圖表明殼聚糖-檸檬酸疏松多孔結(jié)構(gòu)比殼聚糖平滑緊密結(jié)構(gòu)更有利于水分子的進(jìn)入；X-射線衍射圖表明殼聚糖-檸檬酸結(jié)晶度降低；這些結(jié)構(gòu)表征方法都直接或間接證明殼聚糖發(fā)生?；磻?yīng)成功制備出殼聚糖-檸檬酸，且結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致水溶性的差異。

殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸在不同的pH值、吸附時間及吸附劑用量條件下對重金屬鎘離子的吸附效果不同，且在相同的條件下，前者對重金屬鎘離子的吸附效果不如后者，這與殼聚糖改性后結(jié)構(gòu)的變化有密切的關(guān)系。二者均在pH值為堿性、吸附時間為8 h及吸附劑用量為0.50 g時對重金屬鎘離子的吸附效果較好。相同條件下，殼聚糖-檸檬酸對羥自由基和DPPH自由基的清除率好于殼聚糖，這與殼聚糖改性前后結(jié)構(gòu)變化有密切關(guān)系。

綜上所述，殼聚糖和殼聚糖-檸檬酸性質(zhì)和結(jié)構(gòu)存在差異，且結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了性質(zhì)差異。研究表明改性后的結(jié)構(gòu)差異能夠改變殼聚糖對重金屬鎘離子的吸附效果及清除自由基的能力。因此，可以通過化學(xué)改性的方法來改善殼聚糖的性質(zhì)，擴大其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍，為殼聚糖及其衍生在實際中的應(yīng)用提供一定的研究參考。

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Comparison of Structural and Functional Properties of Chitosan and Chitosan-Citric Acid Complex

CUI Wenhui, GUO Qin, LI Qingpeng, JIN Jing, HA Yiming*
(Key Laboratory of Agro-products Processing and Quality Control, Ministry of Agriculture, Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Chitosan-citric acid complex was prepared by acylation reaction between chitosan and citric acid, and its weightaverage molar mass and water solubility were determined. Then, the structural characterization was investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD) and nuclear magnetic resonance (NMR) to validate the occurrence of acylation reaction. In addition, we?explored?the?adsorption?eff i ciency?of?chitosan?and?its?complex?for?cadmium?ions?and?their?scavenging?capacity?against?hydroxyl and 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radicals. Results indicated that compared with chitosan, the weightaverage?molar?mass?and?water?solubility?of?chitosan-citric?acid?complex?signif i cantly?increased.?At?the?same?time,?structural?characterization directly or indirectly proved that citric acid was successfully introduced into chitosan via acylation reaction and the structure differences resulted in differences in the properties of chitosan and its complex. In addition, the adsorption eff i ciency?for?cadmium?ions?and?free?radical?scavenging?capacity?of?chitosan-citric?acid?complex?were?better?than?those?of?chitosan. This research can provide some evidence for the practical application of chitosan and its derivatives.

chitosan; chitosan-citric acid complex; structural properties; functional properties

10.7506/spkx1002-6630-201705022

TS201.7

A

1002-6630（2017）05-0134-08

崔文慧, 郭芹, 李慶鵬, 等. 殼聚糖及殼聚糖-檸檬酸結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能性質(zhì)的比較[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(5): 134-141.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705022. http://www.spkx.net.cn

CUI Wenhui, GUO Qin, LI Qingpeng, et al. Comparison of structural and functional properties of chitosan and chitosancitric acid complex[J]. Food Science, 2017, 38(5): 134-141. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705022. http://www.spkx.net.cn

2016-04-07

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項（201303076；201503142-01）

崔文慧（1989—），女，碩士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程。E-mail：cuiwenhui07@163.com

*通信作者：哈益明（1957—），男，教授，碩士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮與質(zhì)量安全。E-mail：hayiming@sina.com