论文部分内容阅读
食品防腐保鲜是食品工业发展的重要推动力之一，研究开发高效、广谱、安全的新型防腐剂也就成为食品科学的热点问题之一。本论文研究了19种含有α,β-不饱和羰基结构系列防腐剂的11种理化参数与防腐剂抗菌活性之间的关系，发现防腐剂分子前沿轨道能差对抗菌活性影响最显著，最低空轨道能量、分子极性、辛醇一水分配系数的对数和极化率也对抗菌活性有较大影响。
据此规律，在现有的各类食品添加剂中，寻找到一种具有潜在高效抗菌性能的防腐剂前体物质——α-呋喃丙烯酸丙酯，因其具有强烈的焦糖香味，不适合作为食品防腐剂。因此，本研究合成了无味的α-呋喃丙烯酸晶体，对其合成工艺进行了探讨和改进，并对其抑菌性能进行了研究。
与另外19种防腐剂相比，α-呋喃丙烯酸的最高占有轨道能量(E<,HOMO>)最高，而最低空轨道能量(E<,LUMO>)居于中等水平，说明它容易给出电子，且具有一定的接受电子的能力，其前沿轨道能差低于其他大多数防腐剂，前沿轨道电子跃迁容易，化学反应活性较高；最高占有轨道中的活泼电子主要分布在α-呋喃丙烯酸的三个共轭碳碳双键上，在抑菌作用过程中生成的部分电荷能有效的被三个双键所稳定，使抑菌作用容易发生；α-呋喃丙烯酸的静电势分析表明，其分子中的三个氧原子很可能就是其发挥抗菌作用的活性原子。
计算了20种防腐剂的11个理化参数，用逐步线性回归法优化选择出4种参数，得到能较好预测防腐剂抗菌活性的QSAR模型：
lg(1/MIC)=-1.656-0.274E<,LUMO>+0.062μ+0.083lgP+0.018α
该方程对19种防腐剂抗菌活性的计算值和其试验值拟和较好，同时，预测出试验条件下，α-呋喃丙烯酸对大肠杆菌的MIC为3.33μmol/mL，经抗菌试验验证，其试验值为2.90μmol/mL，而山梨酸的MIC试验值为4.46 μmol/mL，苯甲酸的MIC试验值为5.33 μmol/mL，说明α-呋喃丙烯酸是一种潜在的高效抗菌剂，值得进一步研究。
根据绿色有机合成原则，确定了Knoevenagel法以糠醛和丙二酸为原料，固体碱KF/γ-Al<,2>O<,3>为催化剂，以吡啶为溶剂，一步合成α-呋喃丙烯酸的路线；Perkin法以糠醛和乙酸酐为原料，KF/γ-Al<,2>O<,3>为催化剂，无需反应溶剂，以吡啶作为缚酸剂，一步合成α-呋喃丙烯酸的路线。
采用Knoevenagel法合成α-呋喃丙烯酸时，与KF、K<,2>CO<,3>/γ-Al<,2>O<,3>、γ-Al<,2>O<,3>和不加催化剂的几种情况相比，KF/γ-Al<,2>O<,3>催化合成α-呋喃丙烯酸的产率最高。进一步研究表明，γ-Al<,2>O<,3>粒度越小催化效率越高；KF/γ-Al<,2>O<,3>采用抽真空旋转蒸发仪脱水后，继续在80℃下真空干燥4h，催化效率较好；KF和/γ-Al<,2>O<,3>的质量比为25％时，催化效率较高。Knoevenagel法合成α-呋喃丙烯酸的优化工艺为：
n(糠醛)∶n(丙二酸)∶m(KF/γ-A1203)∶n(吡啶)=1mol∶1.4mol∶20g∶1mol，反应温度95℃，反应时间60min，产物最终收率可达93.2％。固体碱催化剂可回收再利用至少5次以上，而且反应时间比传统方法短。 采用Perkin法合成α-呋喃丙烯酸时，质量比为20％的KF/γ-Al<,2>O<,3>，催化反应70min后，微波法制备的KF/γ-Al<,2>O3催化生成的α-呋喃丙烯酸的产率比浸渍法制备的KF/γ-Al<,2>O<,3>的催化产率高约15％。采用微波法制备的质量比为20％的KF/γ-Al<,2>O<,3>催化Perkin反应合成α-呋喃丙烯酸的优化工艺为：n(糠醛)∶n(乙酸酐)∶m(KF/γ-Al<,2>O<,3>)∶n(吡啶)=1mol∶3mol∶14g∶1mol，反应温度140℃，反应时间40min，产物最终收率可达90.4％。催化剂可以重复使用至少5次以上，催化活性仍基本保持不变。
Perkin法合成α-呋喃丙烯酸的反应动力学和机理研究表明，总的反应对于每个反应组元而言，都接近一级，三个组元中任意两个组元含量大大过量的情况下，总的反应是一个准一级反应。在不改变反应机理的前提下，催化剂碱性越强，初始反应速率越快。催化剂活性中心周围的空间阻碍越小，催化活性越高，初始反应速率越快。溶剂极性越高，有利于稳定乙酸酐碳负离子，反应初期的α-呋喃丙烯酸收率越高。本文提出烯醇式乙酸酐的羟基氢原子被碱性催化剂夺去形成乙酸酐碳负离子是Perkin法合成α-呋喃丙烯酸的关键步骤之一。
合成产物α-呋喃丙烯酸为白色或淡黄色针状晶体，熔点为140～141℃，产物质量分数为99.64％，红外光谱显示：2924.68 cm<-1>为二聚体羧酸的O-H特征吸收峰；1715 cm<-1>为二聚体羧酸的羰基吸收峰；3022.72 cm<-1>中等强度和尖锐的吸收峰为C=C的碳原子上的C-H键吸收峰；1628.19 cm<-1>为与羰基共轭的C=C的吸收峰；1484.02 cm<-1>和1412.90 cm<-1>为呋喃环的特征吸收。质谱确定产物α-呋喃丙烯酸的分子量为138，且检测质谱图与标准α-呋喃丙烯酸的EI质谱图吻合，确证了本文合成得到的产物是α-呋喃丙烯酸。
α-呋喃丙烯酸的抗菌活性研究表明，在pH6.0条件下，它对大肠杆菌(E．Coli)、枯草杆菌(Bac．Subtilis)、金黄色葡萄球菌(staph．Aureus)、啤酒酵母(Sac．Cerivisiae)和黑曲霉(Asp．Niger)的最低抑菌浓度分别为0.55g/L、0.45g/L、0.40g/L、0.50g/L，和0.60g/L。一定程度上说明α-呋喃丙烯酸可能对食品中常见的细菌、酵母菌和霉菌的抑制作用较强。0.4g/L浓度的α-呋喃丙烯酸可以有效的延长革兰氏阴性菌大肠杆菌、革兰氏阳性菌枯草杆菌、啤酒酵母和黑曲霉的生长适应期，降低它们的生长总量，试验条件下的抑菌效果显著优于常用防腐剂苯甲酸和山梨酸。Α-呋喃丙烯酸对混合菌群——牛奶酸败菌具有显著的抑制作用，它可以有效的延长微生物的生长适应期，降低微生物生长总量。在培养70h后，α-呋喃丙烯酸抑制牛奶酸败菌的抑菌率为80％，而苯甲酸和山梨酸分别只有42.2％和60.9％。Α-呋喃丙烯酸的热稳定性好，130℃热处理120分钟条件下，其抗菌效果几乎无变化。