魔芋中多糖提取分離純化及應(yīng)用研究進(jìn)展

李 浪，張澤俊，彭 瀟，張 蒲

(昭通學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昭通 657000)

魔芋的主要成分是葡苷露聚糖(Konjac Glucomannan，簡(jiǎn)稱KGM)，其含量通常能達(dá)到44%～64%。它是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶2的比例，通過(guò)β-1,4糖甘鍵結(jié)合而成的復(fù)合天然高分子多糖[1]，具有獨(dú)特的水溶性、持水性、成膜性、凝膠性、增稠性等特性，能夠改善腸道生態(tài)、抗癌、抗HIV、抗HBV、抗病毒、抗衰老、減肥、減緩細(xì)胞衰老、改善新城代謝等多種功能，所以國(guó)內(nèi)外對(duì)魔芋中KGM研究很多。隨著時(shí)間的推移，KGM提取分離純化的方法和應(yīng)用方面已取得很大的進(jìn)展，KGM在食品保健、化工、環(huán)保、醫(yī)療及日化方面的前景。作為世界上最大的魔芋生產(chǎn)國(guó)，歐美市場(chǎng)的魔芋主要靠我國(guó)出口，但目前為止我國(guó)的魔芋高附加產(chǎn)品很少，應(yīng)用技術(shù)方面有待加強(qiáng)。由于我國(guó)提純技術(shù)落后造成魔芋主要成分沒(méi)有得到充分有效利用，所以本文主要收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)KGM資料信息，對(duì)比了相關(guān)的研究結(jié)果，并論述了KGM的提取分離純化方法及應(yīng)用問(wèn)題，希望對(duì)今后的魔芋中KGM提取分離純化及應(yīng)用研究方面提供理論依據(jù)，為以后魔芋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要依據(jù)。

1 魔芋中KGM的提取分離純化

1.1 魔芋中KGM提取

魔芋中KGM是極性很大的天然高分子化合物，能夠形成難于自由移動(dòng)的巨形分子團(tuán)。張迎慶等[2]利用纖維素酶制備魔芋中KGM，最佳條件為：10g魔芋精粉，500U纖維素酶在40℃，pH值為5.0時(shí)反應(yīng)2h，所得的低聚糖的分子量主要分布在數(shù)均相對(duì)分子量5100處，重均相對(duì)分子量7160處。雖然纖維素酶法所獲得的KGM的水溶性很好，但其膠凝性很差，且提純技術(shù)比較復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

莫湘濤等[3]采用酶法和糖化菌處理法成功地從魔芋精粉中提取出KGM，獲得了純度高達(dá)90%的KGM，且不含淀粉雜質(zhì)。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，水浴水浸提取法提取時(shí)間比較長(zhǎng)，提取率較低，制約了KGM的大規(guī)模生產(chǎn)和普遍應(yīng)用目前很少使用這種方法。乙醇沉淀法主要是利用KGM能溶于水而不溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑的特性。因?yàn)槌杀镜?、易操作、可行性高、提取率能達(dá)到90%及以上，而成為目前實(shí)驗(yàn)室和工廠大規(guī)模生產(chǎn)常用的提取方法。

1.2 魔芋中KGM純化

魔芋塊莖經(jīng)過(guò)漂洗、干燥和制粉等過(guò)程制得魔芋粗產(chǎn)品，主要物質(zhì)成分是KGM除此之外還含有很多雜質(zhì)，如淀粉、蛋白質(zhì)、生物堿等。這些雜質(zhì)的存在會(huì)影響KGM的品質(zhì)，導(dǎo)致KGM的功能難以完全發(fā)揮，所以需要采用方法進(jìn)行純化。

1.2.1 生物酶純化法

生物酶純化法是針對(duì)魔芋中多種雜質(zhì)采取功能不同的生物酶進(jìn)行除雜，從而得到高純度的KGM。莫湘濤等人通過(guò)稱取魔芋粉加水調(diào)勻，在適當(dāng)條件下加入少量淀粉酶調(diào)節(jié)pH值進(jìn)行液化滅菌，再冷卻并調(diào)pH，然后加入少量糖化酶繼續(xù)振蕩處理，高溫滅菌后冷卻，加水過(guò)濾得到液體，最后用沉淀法即可得到KGM。此方法的缺點(diǎn)是：降解性的選擇不夠理想，生物酶純化法獲得的產(chǎn)品缺乏選擇性，不能定向選擇產(chǎn)品，得到的KGM粘度有所下降步驟比較反鎖復(fù)雜。

1.2.2 酸純化法

閻華[11]等人進(jìn)行三種魔芋精粉提純方法的比較，發(fā)現(xiàn)磷酸純化法不管從產(chǎn)品的產(chǎn)率、溶膠性能、操作難易等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)提純方法。且研究表明：采用磷酸水解進(jìn)行純化得到的成品KGM的提取率高達(dá)95%及以上，無(wú)其它雜質(zhì)的引入，能夠很大程度上節(jié)約成本[3]。此方法簡(jiǎn)便易行，適于生產(chǎn)生活中推廣應(yīng)用。缺點(diǎn)是：工藝十分復(fù)雜，而且通過(guò)酸的作用降低了KGM的分子量、粘性、成膜性能等。

1.2.3 Pb(Ac)2法

利用Pb(Ac)2法能對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行沉淀可以除去魔芋KGM中的蛋白質(zhì)。在沉淀過(guò)程中引入有毒的Pb2+對(duì)環(huán)境有污染，同時(shí)限制了魔芋在食用性方面的應(yīng)用。水解過(guò)程中多次用到酸，會(huì)造成KGM的部分水解，使得KGM中含有魔芋低聚糖，并且有一部分直接降解為單糖，導(dǎo)致KGM提取率比較低。該工藝過(guò)程十分復(fù)雜，生產(chǎn)成本比較高，不易于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)[4]。

1.2.4 二甲基亞砜法

通過(guò)二甲基亞砜可以溶解淀粉而不能溶解KGM的特性除去魔芋中的淀粉[14]。但是很可能會(huì)在進(jìn)行純化的操作過(guò)程中引進(jìn)硫離子，對(duì)操作要求特別高，從而該法的應(yīng)用范圍。

2 魔芋中KGM的應(yīng)用

2.1 醫(yī)療方面的應(yīng)用

在醫(yī)療技術(shù)方面，KGM分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基、羰基等親水性基團(tuán)，能夠促進(jìn)腸道有益微生物區(qū)的形成。食用后不在胃中分解消化，反在腸道中被分解消化，從而促進(jìn)腸道的消化活性。除此之外可以被人體和動(dòng)物體有益腸道的細(xì)菌吸收，促進(jìn)腸系酶類分泌，不但能提高其活性，清除腸道上的廢物，而且有效降低對(duì)有害物質(zhì)的吸收，從而促進(jìn)了消化功能。因此在治療便秘等疾病方面有很好的效果，所以被稱為“胃腸清道夫”。

陳黎[5]等人對(duì)小鼠進(jìn)行了飼喂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)魔芋低聚糖有降血脂和降尿素氮的作用。王忠霞[6]等人對(duì)大鼠進(jìn)行了飼喂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)魔芋具有降血脂的作用。證明可以用于防治高脂血癥可明顯降低正常及糖尿病大鼠的血清中甘油三脂、血清總膽固醇、低密度脂蛋白、升高高密度脂蛋白，故對(duì)糖尿病和并發(fā)癥的預(yù)防和治療具有積極作用。

2.2 食品方面的應(yīng)用

2.2.1 KGM作為食品的添加劑

KGM在食品添加劑領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。如在餅干、啤酒和飲料中作為穩(wěn)定劑，在固體飲料、食品中作為增稠劑、凝膠劑等，顯著的改善食品的穩(wěn)定性、膠凝性和乳化性，使食品的韌性和彈性有所增加，所以經(jīng)常作為改良劑運(yùn)用在食品加工中，讓其后也不易斷節(jié)和粘連，增加口感。

2.2.2 KGM在食品保鮮中的應(yīng)用

KGM溶液具有良好的成膜特性，將魔芋中KGM溶于水形成液溶膠，通過(guò)噴灑的方法使液溶膠在水果和蔬菜表面形成一層無(wú)色透明的保護(hù)膜，從而起到保鮮作用。戴文婧等[8]通過(guò)將魔芋中KGM涂膜涂抹在牛角椒表面來(lái)研究牛角椒的保質(zhì)期情況，研究發(fā)現(xiàn)，KGM涂膜能有效減緩牛角椒果實(shí)的質(zhì)量損失，抑制葉綠素的分解，基本能維持果實(shí)外觀綠色和亮度，延緩采摘后牛角椒果實(shí)的衰老，對(duì)保持牛角椒果實(shí)較好的貨架品質(zhì)和商品性有積極作用。孫海燕[9]通過(guò)將魔芋中KGM復(fù)合涂膜對(duì)櫻桃保鮮效果研究，通過(guò)KGM涂膜試驗(yàn)研究分析可知，以魔芋中KGM為主要成分的涂膜液，對(duì)櫻桃具有一定延長(zhǎng)保質(zhì)期的作用，可顯著降低果實(shí)的失重率、腐爛指數(shù)、呼吸強(qiáng)度，延緩果實(shí)Vc、總酸含量的下降，起到明顯的保鮮效果。因?yàn)樵谒褪卟吮砻嫘纬闪艘粚泳鶆?、透明且透氣性較好的薄膜，能有效地減緩O2的進(jìn)入和CO2釋放，減少了水分的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致水果和蔬菜的光合作用和呼吸作用強(qiáng)度減弱；減少了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，抑制水果和蔬菜的失水。同時(shí)在水果和蔬菜表面增加保護(hù)膜，抑制了致病菌的侵入，防止其腐敗變質(zhì)，很大程度上減少了損失、提高食品質(zhì)量和延長(zhǎng)食品儲(chǔ)藏期和貨架期，在一定時(shí)間內(nèi)能最大程度保持水果和蔬菜的形態(tài)和味道。因此被廣泛應(yīng)用于水果和蔬菜保鮮中。

2.2.3 保健食品

周永安[22]等將先進(jìn)的凍干技術(shù)引入到食品保健中，使得魔芋產(chǎn)品得以開(kāi)發(fā)利用。魔芋粉經(jīng)過(guò)先進(jìn)的凍干技術(shù)開(kāi)發(fā)處理得到的保健食品能抗衰老、防癌癥、抗癌癥、食用方便、無(wú)副作用，是純天然的綠色保健藥用的理想食品。

2.3 環(huán)保方面的應(yīng)用

當(dāng)前，世界各國(guó)把經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為首要發(fā)展目標(biāo)，很多國(guó)家還在走先發(fā)展經(jīng)濟(jì)后治理環(huán)境的老路。隨著人們生活水平提高，認(rèn)識(shí)到環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性，從而促進(jìn)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的訊速發(fā)展，以魔芋中KGM為原材料進(jìn)行生產(chǎn)的可降解膜、涂料、吸水劑及其他材料等。對(duì)解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、凈化處理廢水等方面存在的環(huán)境污染問(wèn)題都具有十分重要的意義。

2.3.1 農(nóng)業(yè)方面的環(huán)保應(yīng)用

目前研究KGM薄膜可替代由聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯為原料制作的塑料薄膜，由于KGM具有良好成膜性、增稠性、穩(wěn)定性等特性，在吸水膨脹的同時(shí)會(huì)影響KGM膠液的濃度，從而影響薄膜硬度和穩(wěn)定性。因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，利用KGM化學(xué)特性，采取了化學(xué)手段，將魔芋中KGM進(jìn)行改性，制成可降解材料，若再與聚苯乙烯和聚氯乙烯混合，可以制得復(fù)合雙降解材料。

王運(yùn)[10]等對(duì)魔芋/聚乙烯醇塑料薄膜的研究中，發(fā)現(xiàn)制得的塑料薄膜具有良好的性能，完全符合國(guó)家對(duì)于塑料制品的要求標(biāo)準(zhǔn)，且共混體系具有良好的相容性。原料來(lái)源廣泛、物美價(jià)廉、成本低、制作工藝簡(jiǎn)單；生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染，且能完全進(jìn)行生物降解，屬于環(huán)境友好材料。保持優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，解決了塑料薄膜不易自然分解的缺點(diǎn)，為解決白色污染和環(huán)境保護(hù)作出了重要貢獻(xiàn)。

2.3.2 建筑業(yè)方面的環(huán)保應(yīng)用

田志高[11]通過(guò)改性魔芋精粉內(nèi)墻涂料的研制與施工，得到一種新型內(nèi)墻涂料，硬度高、附著力強(qiáng)、涂層表面平整致密、耐酸堿、價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型涂料。

2.3.3 廢水處理方面的環(huán)保應(yīng)用

在廢水處理過(guò)程中，一般使用無(wú)機(jī)絮凝劑和無(wú)機(jī)聚合物絮凝劑，但這兩種絮凝劑的使用都容易造成金屬鐵和鋁的二次污染。李鳳[12]通過(guò)魔芋絮凝劑處理蛋白廢水的研究，發(fā)現(xiàn)魔芋制品作為蛋白廢水的絮凝劑微粉具有最佳絮凝效果。用魔芋微粉作為絮凝劑處理蛋白廢水pH對(duì)絮凝有顯著的影響，初始COD值對(duì)絮凝有明顯影響，在3.5～5.0g/L范圍內(nèi)絮凝劑對(duì)絮凝無(wú)明顯影響。在本實(shí)驗(yàn)條件的最佳處理?xiàng)l件pH=4.5、COD初始值6892mg/L和微粉用量3.5g/L時(shí)COD去除率高達(dá)75.84%。

KGM具有很強(qiáng)的親水性和凝膠性，KGM經(jīng)過(guò)化學(xué)改性，提高KGM的吸水性，可制成一種新型絮凝劑，絮凝劑的微粒能夠在水中相互碰撞，從而以絮狀沉淀聚合，并相互結(jié)合，形成吸附網(wǎng)，具有極強(qiáng)吸附能力，而且成本低，不會(huì)造成二次污染。

2.4 化工方面的應(yīng)用

KGM分子中存在多種可反應(yīng)的官能團(tuán)，可以通過(guò)化學(xué)修飾進(jìn)行改性擴(kuò)展應(yīng)用范圍。KGM化學(xué)改性的方式有氧化、酯化、接枝共聚、交聯(lián)、醚化等。

符艷[13]等人用Na5P3O10對(duì)魔芋中KGM進(jìn)行化學(xué)改性，改性后的KGM比未改性前的KGM有了明顯的改善，如透明度、黏度、穩(wěn)定性等。并具有一定的耐酸、耐堿、耐高溫能力，且有相當(dāng)?shù)囊忠鹦Ч?。以KGM為主要原料，用Na5P3O10對(duì)KGM進(jìn)行化學(xué)改性，制得了磷酸酯化KGM液凝膠，具有較好的可降解性。

2.5 日化用品方面的應(yīng)用

魔芋中KGM是由單糖通過(guò)糖苷鍵結(jié)合而成。利用KGM的吸水性、增稠性、穩(wěn)定性、成膜性等功能。從結(jié)構(gòu)上可知含有大量羥基、羰基等親水性基團(tuán)，所以具有較強(qiáng)的持水能力，可與水分子形成氫鍵大量結(jié)合，再經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸如硫酸酸化處理后甚至可以與透明質(zhì)酸媲美。目前市場(chǎng)上主要涉及魔芋面膜、吸水劑、防曬霜等各種化妝用品。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)作為魔芋種植大國(guó)，對(duì)魔芋中KGM的提純和應(yīng)用研究已開(kāi)展三十多年。方法上多種多樣各有所長(zhǎng)，主要研究KGM結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和簡(jiǎn)單的化學(xué)改性，提純技術(shù)和應(yīng)用研究有待進(jìn)一步提高。應(yīng)用上我們也是涉及各領(lǐng)域。由于技術(shù)原因，導(dǎo)致很多技術(shù)都有一定的缺陷，從而導(dǎo)致應(yīng)用方面有限制。目前以魔芋精粉出口帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益為主，對(duì)于魔芋中KGM的開(kāi)發(fā)利用重視程度不足，導(dǎo)致魔芋中各成分產(chǎn)品得不到真正的“高效利用”。