魔芋葡甘露聚糖的功能特性及應用研究進展

譚熙蕾，徐燕，周才瓊*

（1.西南大學食品科學學院，重慶400715；2.食品科學與工程國家級實驗教學示范中心（西南大學），重慶400715）

魔芋是天南星科魔芋屬（Amorphophallus）多年生草本植物，又名蒟蒻、鬼芋等，主要在亞洲范圍內(nèi)種植，在我國已有上千年的種植和食用史。據(jù)統(tǒng)計，我國魔芋種植面積占全世界的2/3，是魔芋生產(chǎn)量最大的國家，我國魔芋主要產(chǎn)于云南、貴州、四川、陜西等地區(qū)[1]。魔芋富含葡甘露聚糖，是優(yōu)質(zhì)的膳食纖維來源，有潤腸通便、控制體重等作用，對慢性非傳染性疾病有較好的預防效果[2]。魔芋葡甘露聚糖已引起越來越多的學者對其進行研究。本文將對魔芋葡甘露聚糖理化特性、功能特性及開發(fā)現(xiàn)狀進行概述，為魔芋進一步開發(fā)應用提供參考。

1 魔芋組成特點

魔芋含水量96.2%，碳水化合物3.3%（其中膳食纖維占90%以上，主要是葡甘露聚糖）[3]。魔芋還含有蛋白質(zhì)、脂肪、維生素及鈣、鎂、鉀、鐵等礦物質(zhì)，其中鈣和鉀含量較高。以干基計，魔芋塊莖碳水化合物占比44%～64%、粗蛋白占比5%～10%，粗脂肪占比5%～10%，有毒生物堿占比1%～2%，還有較多的草酸鈣結(jié)晶，故魔芋必須處理后方可食用。加工后的魔芋精粉中葡甘露聚糖占比51.6%～71.6%，含有少量蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、無機鹽等，經(jīng)純化處理后魔芋精粉的葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）含量可提高至90%以上[4]。KGM為白色粉末，是一種天然的可溶性膳食纖維，有良好的持水性等。

2 魔芋葡甘露聚糖的結(jié)構(gòu)與功能特性

2.1 魔芋葡甘露聚糖的結(jié)構(gòu)

KGM是魔芋中最主要的功能因子，其含量占魔芋干重的50%～60%以上，加水可溶脹，是已知植物膠中黏度最大的高分子多糖。KGM是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶1.6的比例通過β-1，4糖苷鍵結(jié)合而成，分子式為（C6H10O5）n，相對分子質(zhì)量 200 000～2 000 000，在其分子鏈上平均每17個糖殘基C-6位上連有1個乙?；渚w結(jié)構(gòu)有α型（非晶型）和β型（結(jié)合型）兩種[3，5]，對于其確切的分子結(jié)構(gòu)尚無定論，其推測結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 KGM的化學結(jié)構(gòu)Fig.1 The chemical structure of KGM

2.2 魔芋葡甘露聚糖的功能特性

2.2.1 持水性及凝膠性

KGM是一種水溶性的非離子型多糖，有很強的吸水性，極易溶于水，水分子之間通過氫鍵、分子偶極、誘導偶極、瞬時偶極形成龐大而難以自由運動的巨型分子，在整個溶解過程中，水分子的擴散速度遠遠超過KGM大分子的擴散遷移速度，KGM溶液溶脹形成高黏度的非牛頓流體的溶膠。KGM溶膠在酸性條件下可保持良好的性能，但在堿性環(huán)境中，KGM分子的乙?；摮龝е翶GM分子的自身聚集、分子鏈的纏繞，從而形成局部和連續(xù)的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[7]。常用于誘導KGM 發(fā)生凝膠化的堿有 NaOH、KOH、CaOH、Na2CO3和K2CO3，其中KOH有最強的脫乙酰作用。隨著脫乙?；潭鹊脑黾?，KGM分子的團聚能力增強，親水相互作用減弱[8]。對于KGM的凝膠體系而言，溶液濃度、堿濃度、環(huán)境溫度、乙?；潭鹊纫蛩囟际怯绊懩z形成的重要因素，且凝膠化作用時間越短，所得凝膠強度越大，形成的凝膠性能越好[9]。KGM在不同條件作用下會形成熱可逆（熱穩(wěn)定）凝膠和熱不可逆（熱不穩(wěn)定）凝膠兩種，和黃原膠、卡拉膠等產(chǎn)生強烈協(xié)同作用形成熱可逆凝膠[10]；而KGM在堿性加熱條件下脫去乙?；纬傻臒岵豢赡婺z對熱穩(wěn)定，100℃下反復加熱，凝膠強度也不會發(fā)生變化[11]，這為魔芋葡甘露聚糖的應用提供支持。

2.2.2 增稠性

KGM相對分子質(zhì)量大、水合能力強和不帶電荷等特性決定了其優(yōu)良的增稠性[12]。KGM是目前多糖中黏度最高的一種天然多糖，1 g KGM溶解于100 g水中的黏度高達30 Pa·s[13]。與相同濃度下卡拉膠、黃原膠、刺槐豆膠等增稠劑比，KGM黏度更高，且是一種非離子型增稠劑，受體系中鹽的影響相對小，因此在食品工業(yè)中具有重要的應用價值。另外，KGM與黃原膠、淀粉等增稠劑混合使用時，有很好的協(xié)同增稠作用[14]，在1%黃原膠中混入0.02%～0.03%的魔芋精粉，黏度可增加2 倍～3 倍[14]。

2.2.3 流變性

KGM溶膠是一種假塑性流體，具備非牛頓流體的特征，即具有剪切稀化的性質(zhì)[14-15]，其溶膠的表觀黏度隨剪切速度增加而降低[16]。KGM溶液的剪切應力與其濃度、溫度和剪切速率密切相關。當溶液溫度升高時，KGM溶液的剪切應力降低，冷卻后剪切應力又重新升高，但不能回升到加熱前的水平。較低溫度（25℃～45℃）下增加KGM濃度會增大溶液的剪切應力，隨著溫度升高，體系剪切應力隨KGM濃度升高而增加，但增加趨勢逐漸變緩；較高溫度下（55℃～65℃）體系的剪切應力隨著濃度增加表現(xiàn)出逐步增加（0.3%～1.5%）的變化趨勢。調(diào)整KGM溶液的溫度與濃度，可改變其剪切應力，從而提高或降低其變形能力，這為便捷加工提供了有效手段[17]。彭曼曼等[18]發(fā)現(xiàn)超聲處理可使KGM表觀黏度下降，使KGM溶膠連續(xù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)孔洞，變得稀疏且雜亂無序，進而提高其流動性。外源性氯化鈉的添加則會使KGM溶液在大振幅振蕩剪切試驗中表觀黏度明顯降低，使剪切變稀的臨界剪切速率延緩出現(xiàn)[19]。這些有關KGM溶膠的流變學性能在一定程度上會影響KGM的加工工藝條件；此外，KGM溶膠的流變學性能還會影響乳制品、焙烤制品、冷飲制品等在生產(chǎn)過程中穩(wěn)定劑、增稠劑的用量，以及加工的便利性或產(chǎn)品的貯藏穩(wěn)定性等。因此，進行深入的相關研究具有重要意義。

2.2.4 成膜性

KGM具有良好的成膜性，在堿性條件下加熱脫水可形成有黏著力的硬膜，該膜在冷、熱水及酸液中穩(wěn)定，但單一KGM形成的膜有成膜時間長、吸濕度大、強度低和抗菌能力低等缺陷。適當?shù)靥砑犹砑觿┛筛淖兡さ男阅?，如添加保濕劑可改變膜的機械性能，降低膜的強度，提高其柔軟性；添加親水性物質(zhì)可增加膜的透水性，添加疏水性物質(zhì)可降低膜的透水性?；蛘咄ㄟ^物理或化學等方法對KGM進行改性提高其性能。KGM在堿性環(huán)境里脫水形成的膜的結(jié)晶度加強，可減弱吸水力和水蒸氣透過能力[20]。

2.2.5 其它化學特性

KGM結(jié)構(gòu)中葡萄糖和甘露糖殘基上有3個醇羥基，在一定條件下向分子結(jié)構(gòu)中引入功能基團進行醚化或酯化改性，可使KGM帶上電荷并與帶有相反電荷的聚電解質(zhì)結(jié)合，具有較強的離子交換能力，利用這一性質(zhì)將其制備成離子交換樹脂[21]。KGM在腸道內(nèi)吸附膽酸，使得膽酸循環(huán)進入肝臟的量減少，被認為有降血清膽固醇的作用[22]。KGM在結(jié)腸內(nèi)促進雙歧桿菌等有益厭氧微生物繁殖，一定程度上改善腸道菌群，抑制致病菌生長[23]。

3 魔芋葡甘露聚糖主要功能作用

3.1 減肥降脂及預防心血管疾病

Zhai等[24]發(fā)現(xiàn)KGM能有效抑制高脂飲食誘導的小鼠肥胖；采用魔芋精粉0.75 g和左旋肉堿0.3 g的復方魔芋片（3片/d）對肥胖者進行膳食干預的研究結(jié)果顯示：受試者體重、體質(zhì)指數(shù)、體內(nèi)脂肪量和腰圍分別較干預前降低 4.1%、4.0%、8.0%和 3.2%（P＜0.01），皮褶厚度明顯下降（P＜0.05）[25]。

KGM有降低實驗動物血清膽固醇的功效，使肝灶性壞死的發(fā)生率降低[22]；灌胃以魔芋、絞股藍、荷葉為主要成分的降脂方的小鼠血清總膽固醇（total cholesterol，TC）、血清甘油三酯（triglyceride，TG）、低密度脂蛋白膽固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C）水平明顯降低，并呈劑量效應關系[26]。Vasques等[27]采用雙盲隨機試驗給58位肥胖者（體質(zhì)指數(shù)30.0 kg/m2～39.9kg/m2）服用藤黃提取物2.4g+魔芋葡甘露聚糖1.5 g（3次/d，12周），發(fā)現(xiàn)總膽固醇和LDL-C顯著降低。

這些研究表明KGM具有控制體重、調(diào)節(jié)血脂和預防心血管疾病的作用。

3.2 潤腸通便、防治便秘和癌癥

張茂玉等[28]研究表明便秘者食用魔芋能增加每日糞便濕重（1 g魔芋精粉大約能增重11.4 g）和糞便含水量，縮短食物在腸道運轉(zhuǎn)的時間和平均排便時間，并增加雙歧桿菌數(shù)。KGM改善腸道菌群生態(tài)環(huán)境，可增殖具有明顯增強免疫作用和抗腫瘤活性的雙歧桿菌，其潤腸通便作用可減少便秘者因腸道分解代謝產(chǎn)生的有害物質(zhì)重吸收的作用，有預防結(jié)直腸癌的作用[29]。羅德元等[30]發(fā)現(xiàn)魔芋精粉對甲基硝基亞硝基胍（methyl nitrate nitrosoguanidine，MNNG）誘發(fā)的小鼠肺癌有預防作用。

3.3 降血糖及防治糖尿病

KGM可明顯降低Ⅱ型糖尿病小鼠血糖水平，對Ⅱ型糖尿病小鼠高血糖有防治作用[31]。Vuksan等[32]使用KGM和西洋參聯(lián)合治療Ⅱ型糖尿病，發(fā)現(xiàn)KGM可增加胰島素敏感性，西洋參增加胰島素分泌，合用具有治療Ⅱ型糖尿病的潛力，可為糖尿病患者提供新的飲食選擇。

3.4 其它功能作用

3.4.1 延緩衰老

KGM能顯著降低脂質(zhì)過氧化物含量，提升超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性，具有較強的抗脂質(zhì)過氧化和抗自由基損傷的作用[31]。同時KGM能加快排泄體內(nèi)有害毒素，減少腸道系統(tǒng)病變率，在防治面瘡、黑斑、雀斑、老人斑等方面有一定作用。

3.4.2 增強免疫

Yamada等[33]研究表明用KGM喂養(yǎng)的小鼠腸系膜淋巴細胞產(chǎn)IgA和IgG水平比其它喂養(yǎng)組明顯增高，認為KGM可增強機體免疫功能，特別是腸道免疫系統(tǒng)。

3.4.3 抗炎

Onishi等[34]研究表明4周齡的特應性皮炎模型小鼠食用KGM粉末后的抓撓行為減少，并具有劑量依賴性。連續(xù)喂養(yǎng)小鼠KGM可顯著抑制濕疹性皮膚病變，包括過度角質(zhì)化、嗜酸性粒細胞和皮膚肥大細胞增多。同時，服用了KGM的小鼠皮膚中白細胞介素10（interleukin-10，1L-10）、白細胞介素 4（interleukin-4，1L-4） 和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的過度產(chǎn)生均受到抑制。該團隊還發(fā)現(xiàn)KGM可抑制卵清蛋白鼻腔致敏導致的小鼠過敏性鼻炎癥狀。KGM可降低高脂飲食小鼠（雄性C57BL/6J）的游離脂肪酸（free fat acid，F(xiàn)FA）和炎癥因子水平，服用了含KGM高脂飼料的小鼠組血清FFA、TNF-α、白細胞介素6（interleukin-6，IL-6）和單核細胞趨化蛋白1（1-monocyte chemoattractant protein，1-MCP） 的水平明顯低于高脂組（P＜0.05），同時影響了附睪周圍脂肪細胞大小和分布[35]。

3.4.4 醒酒、解酒

在飲酒前食用魔芋精粉能在胃腸道內(nèi)壁形成一層保護膜，防止酒精被胃腸道快速吸收，進而降低血液中酒精濃度，不易產(chǎn)生宿醉感[36]。

4 魔芋葡甘露聚糖的應用

KGM是一種可溶性植物纖維，熱量較低，具有良好的凝膠性，因此可以將其用于研制魔芋凝膠食品，包括果凍、布丁、果醬、無脂肪軟糖等熱可逆凝膠類食品和魔芋豆腐、魔芋粉絲、魔芋片、仿生食品等熱不可逆凝膠類食品。KGM優(yōu)良的持水性和增稠性，可減少增稠劑用量，降低原料成本[7]；可作為冰淇淋穩(wěn)定劑，使其口感更加順滑細膩[37]；也可作為果汁和酒類澄清劑，使啤酒倒杯后氣泡細小均勻，有較強的持泡能力及較長的掛杯時間[36]；KGM凝膠在透析除堿后能很好地保持凝膠結(jié)構(gòu)，可運用到食品加工中保持產(chǎn)品形狀。KGM良好的成膜性可用于制作微膠囊，保護包裹在其中的物料，避免與其它組分發(fā)生反應[1]，可考慮用于營養(yǎng)素靶向運載。

除了在食品領域應用廣泛以外，KGM還可作為片劑輔料、細胞載體、外科傷口的包裹材料用于生物醫(yī)藥領域[36，38-39]；還可制成可降解保鮮膜，對果蔬起到保鮮、延長貯藏期的作用[6]；或?qū)⑵涓男院?，應用于環(huán)保領域，代替常用的鋁、鐵絮凝劑，用于廢水凈化，防止二次污染[40-41]；在日化用品中，KGM可用作造紙、印刷膠液、橡膠、陶瓷、攝影膠片的黏著劑；在紡織工業(yè)中，KGM可用作毛、麻、棉紗的漿料，絲綢雙面透印的印染糊料和后處理的柔軟劑；還可用于煙草加工中用作保香劑；在化妝品工業(yè)上用作護膚霜、洗發(fā)水的添加劑等[38]。

5 發(fā)展前景

KGM作為一種結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)獨特的天然多糖，具有重要的應用價值，已廣泛用于食品、生物醫(yī)藥、工農(nóng)業(yè)等領域，考慮KGM理化特性與其功能特性的關聯(lián)，目前對KGM的研究主要集中在理化特性及改性上，而市場上魔芋相關產(chǎn)品仍存在很多不足。進一步深度加工和開發(fā)KGM，對拓展其應用范圍、提高魔芋的附加價值具有重要的意義。