三法聯(lián)用制備魔芋葡甘低聚糖的研究

侯嘉慧　呂碩　馬卓云

摘 要：目的：探究紫外輻照、超聲處理及酶處理聯(lián)用提取魔芋精粉中魔芋葡甘低聚糖的工藝。方法：先進(jìn)行紫外、超聲、酶處理單因素實驗，再研究紫外、酶法、超聲聯(lián)用對制備魔芋葡甘低聚糖的影響。結(jié)果：制備魔芋葡甘低聚糖最優(yōu)的處理方法為紫外處理60 min、超聲處理90 min、固液比為1.00 g·L-1、酶處理的最佳條件pH值5.0、反應(yīng)溫度45 ℃、纖維素酶的添加量1 000 U·g-1，將魔芋精粉先進(jìn)行紫外輻照和超聲提取，最后用纖維素酶進(jìn)行處理，可以使魔芋葡甘低聚糖的提取率達(dá)到90%。結(jié)論：紫外、超聲及酶處理聯(lián)用可以使魔芋精粉中葡甘低聚糖的提取效果大幅提高。

關(guān)鍵詞：魔芋低聚糖;酶法降解;紫外輻照;超聲處理

Abstract：Objective： To investigate the effect of ultraviolet， ultrasound and enzyme treatment on the extraction of Amorophophallus? glucomannan oligosaccharide from Amorophophallus konjac flour. Method： the single factor experiments of UV， ultrasound and enzyme treatment were carried out， and then the effects of UV， enzyme and ultrasound on the preparation of Amorophophallus konjac glucomannan oligosaccharide were studied. Result： the optimum treatment method of Amorophophallus? glucomannan oligosaccharide was ultraviolet treatment for 60 min， ultrasonic treatment for 90 min， solid-liquid ratio of 1.00 g·L-1. The optimum conditions of enzyme treatment were as follows： pH 5.0， reaction temperature was 45 ℃， cellulase addition was 1 000 U·g-1， Amorophophallus? flour was first extracted by ultraviolet irradiation and ultrasonic extraction. Finally， the extraction rate of Amorophophallus? glucomannan oligosaccharide can reach 90% by cellulase treatment. Conclusion： UV， ultrasound and enzyme treatment can greatly improve the extraction effect of glucomannan from Amorophophallus? flour.

Key words：Amorophophallus? oligosaccharide; Enzymatic degradation; Ultraviolet irradiation; Ultrasonic extraction

中圖分類號：Q946.3

魔芋俗稱蒟蒻、鬼芋，為多年生單子葉草本植物，天南星科魔芋屬，營養(yǎng)價值十分豐富[1]，被聯(lián)合國衛(wèi)生組織定為十大保健品之一。魔芋中含有16種氨基酸、10種礦物質(zhì)微量元素和豐富的膳食纖維，不僅可以用來防治高血壓和糖尿病[2]，還可以用來預(yù)防和治療結(jié)腸癌和腸胃消化系統(tǒng)有關(guān)的疾病[3]。將魔芋塊莖經(jīng)去皮、切片、粉碎和過篩等工序處理后可以得到魔芋精粉。

魔芋精粉的主要活性成分是魔芋葡甘聚糖（簡稱葡甘聚糖，KGM）是一種高分子多糖[4]，既可以活血化瘀[5]、抗癌消腫，又可以潤腸通便、充饑減肥，具有豐富的營養(yǎng)價值[6]，但KGM相對分子質(zhì)量過大，在溶液中形成的粘度較大，不利于廣泛應(yīng)用[7]。將KGM降解可以得到魔芋低聚糖[8]，它是一種功能性低聚糖，具有很多生理功效。

魔芋葡甘低聚糖的制備方法主要有物理法[9]、化學(xué)法[10]、酶解法[11]。超聲波穿透性強(qiáng)、方向性好、對一些天然產(chǎn)物的提純具有很大優(yōu)勢[12]，廣泛的應(yīng)用于工程、生物和醫(yī)藥診斷等方面;紫外線不僅具有消毒殺菌的作用[13]，還可以使一些物質(zhì)產(chǎn)生分解現(xiàn)象，是一種有效的前處理方法[14];纖維素酶是一種水解常用復(fù)合酶，具有高效的催化性和專一性[15]，可以催化葡甘聚糖的降解[16]，但提取時間長、效率低，不利于魔芋低聚糖的規(guī)模生產(chǎn)。本實驗采用紫外輻照、超聲提取和酶降解聯(lián)用水解魔芋精粉，研究制備魔芋葡甘低聚糖的提取優(yōu)化工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

（1）材料。魔芋精粉（用于提取魔芋葡甘低聚糖）;纖維素酶10萬U·g-1（用于酶解魔芋精粉）;乙酸、乙酸鈉（分析純，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司，用于酸解魔芋精粉并提供適宜的pH）;乙醇分析純（用于純化魔芋精粉）。

（2）儀器。烏氏粘度計（上海壘固儀器有限公司）;電熱恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）;超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司，用于超聲降解魔芋精粉）;電子分析天平（上海方瑞儀器有限公司）;超凈臺。

1.2 魔芋精粉純化

稱取10.00 g魔芋精粉，用50%的乙醇溶液洗脫3次，然后將處理后的樣品放到恒溫干燥箱中烘干，得到純度較高的魔芋精粉，備用。

1.3 魔芋葡甘聚糖降解

1.3.1 紫外輻照處理

紫外輻照可以破壞魔芋精粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以不同輻照時間（30、60、90、120 min和150 min）為變量[17]，處理10 g魔芋精粉，進(jìn)行3次平行試驗，研究不同輻照時間對魔芋葡甘聚糖相對黏度的影響。

1.3.2 超聲處理

超聲波具有強(qiáng)大的穿透性，良好的機(jī)械振動性能和熱化性能[18]，有利于產(chǎn)品的純化和提取。固定超聲波功率為100 W，以不同時間（30、60、90、120 min和150 min）、固液比（0.50、0.75、1.00、1.25 g·L-1和1.50 g·L-1）為單因素變進(jìn)行三次平行實驗，研究處理時間對降解效果影響時保持固液比為1.00 g·L-1。

1.3.3 纖維素酶處理

纖維素酶具有高效的催化性，固定固液比為1.00 g·L-1，以溫度（30、35、40、45 ℃和50 ℃）、pH為（4.5、5.0、5.5、6.0和6.5）酶量（500、1 000、1 500、2 000 U·g-1和2 500 U·g-1）為單因素變量，三次平行[19]，研究不同處理對魔芋葡甘聚糖相對粘度的影響。

1.3.4 聯(lián)用降解

在確定紫外輻照、超聲提取和酶法處理適宜條件的基礎(chǔ)上分別研究紫外超聲酶法、紫外酶法超聲、超聲酶法紫外、超聲紫外酶法、酶法超聲紫外、酶法紫外超聲等不同處理方法對魔芋葡甘聚糖降解效果的影響。

1.4 相對黏度的測定

相對黏度是指溶液黏度與純?nèi)軇ざ鹊谋戎礫21]，溶液的黏度是指溶劑分子間的內(nèi)摩擦、高聚合物分子與溶劑分子間的內(nèi)摩擦和高聚物分子之間的內(nèi)摩擦總和，因此相對黏度的值也可以用溶液流過烏氏粘度計的時間與純?nèi)軇┝鬟^烏氏粘度計的時間的比值來表征[20]。溶液和溶劑流過的時間的比值越大，相對黏度就越大，魔芋低聚糖的降解效果就越差[22]。

1.5 聯(lián)用降解率

用ln（ηsp/c）對c作圖，外推得到特性黏度[η]，其中ηsp為增比黏度，c為魔芋葡甘低聚糖溶液的質(zhì)量濃度，增比黏度ηsp=ηr-1，ηr為相對黏度，根據(jù)得到的特性黏度計算聯(lián)用降解率。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外輻照降解

由圖1可知，相對黏度值隨輻照時間的增加呈先下降后上升的趨勢，輻照可以破壞魔芋精粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使魔芋葡甘聚糖降解。輻照時間為60 min時相對黏度的值最小，降解效果最好，當(dāng)輻照時間超過60 min后，相對黏度的值呈緩慢增大的趨勢，降解效果無太大變化，可能是因為輻照時間為60 min時魔芋葡甘聚糖已被降解完全[23]，再增加輻照時間反而不利于魔芋葡甘聚糖的降解，故輻照的最適時間為60 min。

2.2 超聲降解

2.2.1 超聲時間的影響

由圖2可知，整體上看，相對黏度隨超聲提取時間的增加而逐漸減小，在降解開始階段相對黏度隨超聲時間的延長而急劇下降，當(dāng)處理時間為90 min時，相對黏度的變化趨于緩慢，當(dāng)處理時間為120 min時，相對黏度基本不變。這可能是因為降解魔芋精粉中的葡甘聚糖含量較大，因此降解效果明顯，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后，魔芋葡甘聚糖含量減小，可降解的糖苷鍵含量減小，因此相對黏度變化開始趨于緩慢。從節(jié)省時間和減小生產(chǎn)成本的角度考慮，超聲提取的最適時間為90 min。

2.2.2 固液比的影響

由圖3可知，隨著固液比濃度的增大，相對黏度的值先變小后增大，在固液比為1.00 g·L-1時達(dá)到最小。溶液濃度過低，會使分子間的碰撞減少[24]，不利于降解，溶液濃度過高，分子排列緊密，斷裂機(jī)會少[25]，降解效果差，因此適宜的固液比為1.00 g·L-1。

2.3 纖維素酶降解

2.3.1 酶解溫度的影響

由圖4可以看出相對黏度隨著溫度升高呈先下降后上升的趨勢，當(dāng)溫度為45 ℃時相對黏度的值最低，因此纖維素酶酶解的最適溫度為45 ℃。過高或過低溫度均不利于酶解反應(yīng)的進(jìn)行，也不利于魔芋精粉的降解，溫度過低會使酶的活性降低，溫度過高會使酶活性喪失，故酶解的適宜溫度為45 ℃。

2.3.2 酶解pH的影響

由圖5可以看出pH在4.5時，相對黏度隨pH的增大而減小，當(dāng)pH>5.0時，相對黏度隨pH的增大呈緩慢上升的趨勢，降解效果不明顯，這表明pH過高或過低都會使纖維素酶活性受到不同程度的破壞，酶解能力降低，不利于魔芋精粉的降解[26]。當(dāng)pH=5.0時，相對黏度的值最小，降解效果最好，故酶解的適宜pH為5.0。

2.3.3 酶量的影響

由圖6可知相對黏度的值隨著酶量的增加而逐漸減小，在1 000 U·g-1后下降趨勢趨于緩慢，表明魔芋精粉的水解逐漸到達(dá)到平衡狀態(tài)，可能是由于魔芋精粉中的葡甘露聚糖基本轉(zhuǎn)化為魔芋葡甘低聚糖[27]，再增加酶量并不會對魔芋精粉的水解產(chǎn)生太大影響[28]，故酶添加適宜量為1 000 U·g-1。

2.4 紫外、超聲和酶聯(lián)用降解

在單種方法制備魔芋低聚糖最佳條件的基礎(chǔ)上，研究3種方法的不同處理順序?qū)到饽в缶鄣挠绊懀Y(jié)果見表1。3法聯(lián)用可以使魔芋低聚糖的黏度下降，比較3法聯(lián)用相對黏度的大小，得到采用紫外、超聲、酶法的處理順序可以使相對黏度最小，其他的處理順序都使相對黏度呈現(xiàn)不同程度的下降，說明3法聯(lián)用的最優(yōu)順序依次是紫外、超聲和酶解，可以使降解效果更徹底、降解率更高。

3 討論與結(jié)論

研究表明，制備魔芋葡甘低聚糖的最佳方法是先紫外再超聲最后酶解，紫外輻照可以降低魔芋葡甘低聚糖的黏度，超聲處理可以打破凝膠顆粒網(wǎng)絡(luò)[29]。通過實驗確定了三法聯(lián)用的最佳條件：10.00 g魔芋精粉用乙醇純化烘干后紫外輻照60 min，超聲提取90 min，再加入1 000 U·g-1的纖維素酶，調(diào)節(jié)pH為5.0，45 ℃下進(jìn)行酶解，降解后的相對黏度可達(dá)1.08，降解率可達(dá)90%。魔芋低聚糖具有廣泛的應(yīng)用前景[30]，可應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生和功能性食品的生產(chǎn)等許多方面，運用現(xiàn)代技術(shù)研究和開發(fā)魔芋產(chǎn)品對其發(fā)展具有重大意義，但對于降解后魔芋低聚糖分子量的測定和反應(yīng)后的生理功能還需做進(jìn)一步的深入探究。

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