一种壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物及其制备方法与应用，属于生物质有机高分子复合材料技术领域。通过先将壳聚糖和环氧基季铵盐通过开环反应，制备壳聚糖季铵盐，再将所述壳聚糖季铵盐与羧基季鏻盐通过酰胺化反应，制得壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物。本发明通过对壳聚糖进行双改性(季铵盐改性、季鏻盐改性)，制得了壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物具有永久正电荷，增加了壳聚糖的抑菌性、抗氧化活性和水溶性。

说明书

技术领域

本发明涉及生物质有机高分子复合材料技术领域，特别涉及一种壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物及其制备方法与应用。

背景技术

涂膜保鲜技术就是在果蔬表面涂上一层高分子的液态膜，待其干燥后成为一层很均匀的膜，可以有效隔离果实与空气进行气体交换，从而能够抑制果实的呼吸作用，减少营养物质的消耗，同时改善果实的硬度和新鲜饱满程度，并减少病原菌的侵染而造成的腐烂。因其具有简单易行、绿色环保，成本低，操作简单等优点，便于在农副产品保藏中应用，正在受到国内外的广泛研究。

壳聚糖是一种天然可食性高分子多糖，具有无毒、无异味、良好的成膜性等特点；经壳聚糖涂膜处理后，在果实表面会形成一层无色透明的半透膜，既能防止果实水分散失，降低果实的失水率，又能有效阻止微生物的入侵，降低果实的呼吸强度，一定程度上减少果实的腐烂，从而延长果实的贮藏时间。研究显示壳聚糖处理的果实能显著降低采后病害发生率，抑制病原菌的生长。

在壳聚糖涂膜保鲜的研究和应用中，单一壳聚糖的涂膜保鲜主要存在2个关键问题，一方面是膜的透性缺乏良好的选择性和可调性，如透氧和透二氧化碳等性质，对不同品种、不同采收期和不同呼吸强度的果蔬会出现较大差异，导致保鲜结果大相径庭，从而影响其应用的广泛性；另一方面是膜的强度、韧性不够，一段时间后易断裂破碎，使部分表面裸露，果蔬仍然受到外界的影响。这些都是壳聚糖自身的结构和性质所致。壳聚糖复合涂膜保鲜材料的有效性已被许多研究者所报道和评价。以壳聚糖为成膜材料载体，添加抗菌和抗褐变如有机酸、植物精油、草本提取物和纳米粒子等活性成分制成的复合涂膜保鲜材料已被广泛开发。这些涂膜材料不仅能提高水果和蔬菜的贮藏品质，还能够延长果实货架期。

申请号为CN201710750157.X的中国专利公开了一种植物精油复合壳聚糖柑橘涂膜保鲜剂及其制备。该发明专利将复配植物精油、壳聚糖、香椿-荸荠皮复合提取液、纳他霉素、CaCl

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物及其制备方法与应用，通过对壳聚糖进行季铵化季鏻化双改性，复合聚乙烯醇，制备具有抗菌性能的壳聚糖复合涂膜，该复合涂膜中的壳聚糖衍生物由于同时具有季铵基团和季鏻基团，在用于制备涂膜保鲜方面，与壳聚糖相比具有永久正电荷，优势的抑菌性和抗氧化活性，同时具有良好的机械性能和水溶性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明的技术方案之一：提供一种壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物，结构式如式I所示：

式I中，m、n为≥1的自然数，X、Y为F、Cl、Br、I、HSO

本发明的技术方案之二：提供一种上述壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备方法，包括以下步骤：

将壳聚糖和环氧基季铵盐通过开环反应，制备壳聚糖季铵盐，将所述壳聚糖季铵盐与羧基季鏻盐通过酰胺化反应，制得壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物。

优选的，所述开环反应的具体步骤包括：将所述壳聚糖溶解于溶剂中，调节pH至8～9，加入所述环氧基季铵盐，反应完成后，制得壳聚糖季铵盐。

更优选的，所述溶剂包括水、异丙醇、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种；所述壳聚糖的粘均分子量为1.2×10

优选的，所述酰胺化反应的具体步骤包括：将所述壳聚糖季铵盐与活化剂混合，加入所述羧基季鏻盐和缩合剂，反应完成后，制得壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物。

更优选的，所述壳聚糖与所述羧基季鏻盐的质量比为1:(1～5)；所述活化剂与所述羧基季鏻盐的摩尔比为(1-2):1；所述活化剂包括1-羟基-苯并三唑(HOBT)、苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐(HBTU)和O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸(TBTU)中的一种或多种；所述缩合剂与所述羧基季鏻盐的摩尔比为(1-2):1；所述缩合剂包括1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)、二环己基碳二亚胺(DCC)和二异丙基碳二亚胺(DIC)中的一种或多种；所述酰胺化反应的反应条件为室温下反应24～36h；所述羧基季鏻盐包括5-羧基戊基-三苯基溴化磷、4-羧基丁基-三苯甲基溴化磷和3-羧基丙基-三苯甲基碘化磷中的一种或多种。

本发明通过将季铵盐和季鏻盐接枝到壳聚糖中，使其同时具备水溶性和抗菌性，其中季铵盐的接枝率越高，产物的水溶性越好；季鏻盐的接枝率越高，产物的抑菌作用越好。本发明通过综合考虑产物季铵盐和季鏻盐接枝对壳聚糖的影响，对反应物的用量进行控制，使季铵盐的接枝率在53.5～76.5％之间，而季鏻盐的接枝率在3.2～13.27％之间；该接枝区间的产物不仅水溶性良好，抑菌性能也很强。

本发明壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备过程过程如下：

本发明技术方案之三：提供一种壳聚糖基保鲜涂膜材料，按质量份数计，原料包括：成膜物质5～20份、分散剂50～90份、增塑剂1～10、纳米增强粒子1～10份和粘结剂0.5～5份；所述成膜物质由上述壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物和聚乙烯醇按质量比1:(1～2)混合得到。

优选的，所述聚乙烯醇的平均分子量为16000～20000；所述增塑剂包括乙二醇、丙三醇、山梨醇、分子量低于5000的聚乙二醇、乙二胺和三乙醇胺中的一种或多种；所述纳米增强粒子包括纳米TiO

本发明技术方案之四：提供一种上述壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，包括以下步骤：

将成膜物质与占分散剂总用量70％～80％的分散剂混合，一次搅拌，制成粘稠溶液；将增塑剂、纳米增强粒子和粘结剂与剩余的分散剂混合，二次搅拌，制成均一溶液；将制得的粘稠溶液与均一溶液混合，三次搅拌，制得壳聚糖基保鲜涂膜材料。

优选的，所述一次搅拌条件为在80～90℃下搅拌0.5～12h；所述二次搅拌的时间为0.5～12h；所述三次搅拌的时间为0.5～12h。

本发明的有益技术效果如下：

本发明通过对壳聚糖进行双改性(季铵盐改性、季鏻盐改性)，制得了壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物具有永久正电荷，增加了壳聚糖的抑菌性、抗氧化活性和水溶性。

本发明利用上述壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物为原料制备壳聚糖基保鲜涂膜材料，由于引入了带有刚性苯环结构的季鏻盐基团，使制得的壳聚糖基保鲜涂膜材料成膜强度高，同时在膜液中添加增塑剂、纳米增强粒子来提高膜层机械性能，从而能保证涂膜层具有良好的稳定性。本发明提供的壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备条件可控，方法简便有效，易于推广。

附图说明

图1为实施例1中壳聚糖、壳聚糖季铵盐和壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的傅里叶红外光谱图；其中A为壳聚糖；B为壳聚糖季铵盐；C为壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；

图2为实施例1中壳聚糖、壳聚糖季铵盐和壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的核磁氢谱图；其中A为壳聚糖；B为壳聚糖季铵盐；C为壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；

图3为对比例1-2及实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料制成的保鲜涂膜的机械性能图；

图4为对比例1-2及实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料用于芒果保鲜的效果对比图；其中使用对比例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏前为A，贮藏后为a；使用对比例2制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏前为B，贮藏后为b；使用实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏前为C，贮藏后为c。

图5为实施例1-5制备的不同接枝率的壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物与壳聚糖对芒果炭疽病菌的抑制效果对比图，其中a为壳聚糖空白组、b为实施例1组、c为实施例2组、d为实施例3组、e为实施例4组、f为实施例5组。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

实施例1

(1)壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备方法，具体步骤如下：

①称取2.5g壳聚糖(粘均分子量为1.2×10

②将步骤①得到的壳聚糖季铵盐与活化剂1-羟基-苯并三唑(HOBT)混合均匀，然后将2.5g的5-羧基戊基-三苯基溴化磷及缩合剂1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)加入至上述溶液中(其中n(HOBT):n(季鏻盐)＝1:1，n(EDC):n(季鏻盐)＝1:1)，室温下反应36h。将得到的反应产物用水透析3天，冷冻干燥，得到壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；其季铵盐接枝率为53.5％，季鏻盐的接枝率为3.2％。

(2)壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

③将10.0g壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物与10.0g聚乙烯醇(分子当量16000)溶解于70g水中，在90℃下搅拌0.5h，得到均一稳定的粘稠溶液。④将2g增塑剂丙三醇、2g纳米增强粒子TiO

⑤将步骤③得到的粘稠溶液和步骤④得到的分散液混合，在常温下搅拌0.5h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

实施例2

(1)壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备方法，具体步骤如下：

①称取2.5g壳聚糖(粘均分子量为2.5×10

②将步骤①得到的壳聚糖季铵盐与活化剂苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐(HBTU)混合均匀，然后将12.5g的4-羧基丁基-三苯甲基溴化磷及缩合剂二环己基碳二亚胺(DCC)加入至上述溶液中混合均匀(其中n(HBTU):n(季鏻盐)＝1.5:1，n(DCC):n(季鏻盐)＝1.5:1)，室温下反应36h。将得到的反应产物用水透析3天，冷冻干燥，得到壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；其季铵盐接枝率为65.5％，季鏻盐的接枝率为6.57％。

(2)壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

③将10.0g壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物与10.0g聚乙烯醇(分子当量20000)溶解于80g水中，在80℃下搅拌12h，得到均一稳定的粘稠溶液。

④将3g增塑剂丙三醇、3g纳米增强粒子TiO

⑤将步骤③得到的粘稠溶液和步骤④得到的分散液混合，在常温下搅拌12h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

实施例3

(1)壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备方法，具体步骤如下：

①称取2.5g壳聚糖(粘均分子量为2.5×10

②将步骤①得到的壳聚糖季铵盐与活化剂1-羟基-苯并三唑(HOBT)混合均匀，然后将5.0g的3-羧基丙基-三苯甲基碘化磷及缩合剂1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)加入至上述溶液中(其中n(HOBT):n(季鏻盐)＝2:1，n(EDC):n(季鏻盐)＝2:1)，室温下反应24h。将得到的反应产物用水透析3天，冷冻干燥，得到壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；其季铵盐接枝率为70.54％，季鏻盐的接枝率为8.82％。

(2)壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

③将15.0g壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物与15.0g聚乙烯醇(分子当量20000)溶解于70g水中，在85℃下搅拌6h，得到均一稳定的粘稠溶液。

④将5g增塑剂丙三醇、2g纳米增强粒子TiO

⑤将步骤③得到的粘稠溶液和步骤④得到的分散液混合，在常温下搅拌6h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

实施例4

(1)壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备方法，具体步骤如下：

①称取2.5g壳聚糖(粘均分子量为5.0×10

②将步骤①得到的壳聚糖季铵盐与活化剂O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸(TBTU)混合均匀，然后将7.5g的5-羧基戊基-三苯基溴化磷及缩合剂二异丙基碳二亚胺(DIC)加入至上述溶液中(其中n(TBTU):n(季鏻盐)＝2:1，n(DIC):n(季鏻盐)＝2:1)，室温下反应24h。将得到的反应产物用水透析3天，冷冻干燥，得到壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；其季铵盐接枝率为76.5％，季鏻盐的接枝率为10.24％。

(2)壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

③将12.0g壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物与12.0g聚乙烯醇(分子当量16000)溶解于70g水中，在80℃下搅拌6h，得到均一稳定的粘稠溶液。

④将3g增塑剂丙三醇、4g纳米增强粒子TiO

⑤将步骤③得到的粘稠溶液和步骤④得到的分散液混合，在常温下搅拌6h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

实施例5

(1)壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的制备方法，具体步骤如下：

①称取2.5g壳聚糖(粘均分子量为5.0×10

②将步骤①得到的壳聚糖季铵盐与活化剂O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸(TBTU)混合均匀，然后将10.0g的5-羧基戊基-三苯基溴化磷及缩合剂二异丙基碳二亚胺(DIC)加入至上述溶液中(其中n(TBTU):n(季鏻盐)＝2:1，n(DIC):n(季鏻盐)＝2:1)，室温下反应24h。将得到的反应产物用水透析3天，冷冻干燥，得到壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物；其季铵盐接枝率为58.64％，季鏻盐的接枝率为13.27％。

(2)壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

③将15.0g壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物与15.0g聚乙烯醇(分子当量16000)溶解于70g水中，在85℃下搅拌8h，得到均一稳定的粘稠溶液。

④将2g增塑剂丙三醇、3g纳米增强粒子TiO

⑤将步骤③得到的粘稠溶液和步骤④得到的分散液混合，在常温下搅拌10h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

对比例1

壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

①将实施例1中的壳聚糖10.0g与10.0g聚乙烯醇(分子当量16000)溶解于70g水中，不断搅拌，得到均一稳定的粘稠溶液。

②将2g增塑剂丙三醇、2g纳米增强粒子TiO

③将步骤①得到的粘稠溶液和步骤②得到的分散液混合，在常温下搅拌0.5h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

对比例2

壳聚糖基保鲜涂膜材料的制备方法，具体步骤如下：

①将实施例1中的壳聚糖季铵盐10.0g与10.0g聚乙烯醇(分子当量16000)溶解于70g水中，不断搅拌，得到均一稳定的粘稠溶液。

②将2g增塑剂丙三醇、2g纳米增强粒子TiO

③将步骤①得到的粘稠溶液和步骤②得到的分散液混合，在常温下搅拌12h，得到壳聚糖基保鲜涂膜材料。

利用德国Tensor 27红外光谱(FT-IR)对实施例1中壳聚糖、壳聚糖季铵盐和壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物的结构官能团的变化进行分析，结果见图1，其中A为壳聚糖，B为壳聚糖季铵盐，C为壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物。从A中可以看出，壳聚糖的分子结构中存在乙酰基和氨基，壳聚糖的乙酰基特征图谱出现于1650cm

利用瑞士-布鲁克公司(Bruker BiospinAG)的600M核磁共振波谱仪(AV 600)对实施例1中的壳聚糖、壳聚糖季铵盐和壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物进行核磁氢谱分析，结果见图2，其中A为壳聚糖，B为壳聚糖季铵盐，C为壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物。在壳聚糖的

利用深圳三思科技有限公司的UTM5000电子万能试验机测定对比例1-2及实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料制成的保鲜涂膜的物理机械性能，结果见图3。从图3中可以看出，壳聚糖季铵盐复合膜(对比例2)的拉伸强度(41.65MPa)较壳聚糖复合膜(对比例1)的拉伸强度(32.04MPa)有所提高，这可能是因为壳聚糖季铵盐复合膜中成膜组分壳聚糖季铵盐的支链中引入了羟基官能团，使其与壳聚糖季铵盐直链的羟基或氨基官能团相互作用而使膜结合更加紧密，提高了其机械性能。另外，壳聚糖季铵盐季鏻盐复合膜(实施例1)的拉伸强度(49.72MPa)较壳聚糖季铵盐复合膜的拉伸强度(41.65MPa)要稍高些，这主要由于壳聚糖季铵盐季鏻盐复合膜的成膜组分壳聚糖季铵盐季鏻盐的支链中引入带有刚性苯环结构的季鏻盐基团，使得成膜的机械性能较之提高。

利用浸渍涂膜法对壳聚糖基保鲜涂膜液的保鲜效果进行测试。挑选无病虫害、大小相对一致、无机械损伤、成熟度八分熟的的果实，先用自来水冲洗，晾干，在分别用对比例1-2及实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料浸泡1min，取出，自然风干。每个组别处理5个果，将果实置于25℃下贮藏一周，观察果实外观变化，结果见图4，其中使用对比例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏前为A，贮藏后为a；使用对比例2制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏前为B，贮藏后为b；使用实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏前为C，贮藏后为c。从图4中可以看出，使用对比例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果贮藏一周后腐烂最严重，经过对比例2制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果，贮藏一周后的芒果腐烂程度略小于对比例1组，而经过实施例1制备的壳聚糖基保鲜涂膜材料处理的芒果，贮藏一周的芒果腐烂程度较小而果实本身还保留一定的绿色，由此可以说明根据本发明的制备方法制得的壳聚糖基保鲜涂膜材料不仅有延缓腐烂还有延缓衰老的作用。

图5为壳聚糖空白以及实施例1-5制备的不同接枝率的壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物经过6天实验周期对芒果炭疽病菌的抑制效果对比图，其中a为壳聚糖空白组、b为季鏻盐接枝率3.2％(实施例1组)、c为季鏻盐接枝率6.57％(实施例2组)、d为季鏻盐接枝率8.82％(实施例3组)、e为季鏻盐接枝率10.24％(实施例4组)、f为季鏻盐接枝率13.27％(实施例5组)。从图中可以看出，样品组(季铵盐季鏻盐壳聚糖)的抑菌圈明显比空白对照组的抑菌圈面积小，并且，随着季鏻盐接枝率的增加，抑菌圈的面积逐渐降低，说明季鏻盐的接枝率越高，产物的抑菌作用越好。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。