红外光对魔芋葡甘聚糖影响研究及优化

朱于鹏，汪 超，龚元元，王金华，李冬生，曹约泽

（1湖北工业大学生物工程学院，湖北 武汉430068；2湖北省校企共建中心，湖北十堰，442300）

魔芋（konjac）属天南星科草本块茎植物，其主成分魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是由D－葡萄糖与D－甘露糖按1∶1.6的比例以β－1，4－糖苷键连接的杂多糖［1－2］.分子量可达百万道尔顿，水溶胶粘度大，其优良的增稠性、胶凝性、粘结性被应用于食品、包装、涂料、生物医药及化妆等领域［3－7］.我国魔芋加工约65%是土炕烘烤和烤房烘烤干燥，一级品率仅20%～70%［8］，常出现“黑心”，“黑角”等质量问题.据文献［9］报道，红外辐射干燥不仅缩短干燥时间25%～40%，节约能源25%～35%，提高产量17.4%，而且解决了“黑心”、“黑角”的问题，从而提高产品质量.本文通过探讨红外光对KGM的影响，为魔芋的红外辐照干燥和KGM的保藏提供参考.

1 材料与仪器

1.1 材料与试剂

魔芋精粉购于上海北连食品有限公司，魔芋特级粉，其他试剂均为国产分析纯.

1.2 实验仪器

WS70－1远红外干燥器，上海索谱仪器有限公司；DAWN／HELEOS静态激光光散射仪，美国怀雅特技术公司；Opticlab rEX示差折光检测器，美国怀雅特技术公司；NDJ－8S数字旋转粘度计，上海恒平科学仪器有限公司；Quanta 200SEM，荷兰FEI.

2 实验方法

2.1 KGM分子量分析

参照李斌［10］的方法制备 KGM.以0.2mol／L磷酸盐缓冲液作为稀释液配制1.0g／L的KGM溶胶，经0.45μm微孔滤膜过滤，备用.采用静态激光光散射仪分析 GPC－LS联用技术分析：Shodex－G805凝胶柱，Opticlab rEX示差折光检测器，波长658nm，温度25℃，流动相0.2mol／L磷酸盐缓冲溶液，流速1.0mL／min，进样量20μL.数据分析采用Astra软件.

2.2 KGM水溶胶粘度测量

恒温25℃水浴中，将KGM样品分散于离子水中充分溶胀1.0h，配制10g／L的KGM溶胶，测其粘度［11－13］.

2.3 单因素实验

2.3.1 光强度 将已知分子量（1.34×106D）和水分含量（w＝9.3% ）的KGM置于红外干燥器中持续照射时间24h，调节KGM样品位置来恒定设定的红外光辐照温度（49℃、73℃）.调节红外输出电压（U）改变光强，分别选取140V、160V、180V、200V和220V电压处理KGM样品.

2.3.2 辐照温度 取2.3.1KGM 照射相同时间，固定电压220V，调节KGM样品位置改变来辐照温度，分别选取49℃、55℃、61℃、67℃、73℃和79℃处理KGM样品.

2.3.3 照射时间 固定电压220V和辐照温度55℃，取2.3.1KGM 分别处理12h、24h、36h、48 h、60h、72h.

2.3.4 KGM含水量 含水量测定方法参照国标GB 5009.3－85《食品中水分的测定方法》.利用康氏皿将KGM与不同的饱和盐溶液恒温（30℃）作用获取不同含水量的KGM.固定电压220V、辐照温度73℃和照射时间24h，分别对含水量9.3%、10.8%、20.7%、31.3%、42.1%和54.3%的 KGM （分子量1.34×106D）样品处理.为消除样品含水量对KGM溶胶粘度的影响，实验以KGM样品吸水前的初始质量来计量.

2.4 响应面优化实验

根据SAS数据统计软件中Box－Benhnken的中心组合实验设计原理，选择单因素实验中与因变量有明显相关性的因素进一步研究探讨.

3 结果与讨论

3.1 分子量测定

根据分子尺寸大小与散射光强的对应关系分析其分子量及分布.图1可见KGM分子量近似正态分布，峰宽较窄，重均分子量Mw＝1.34×106，多分散系数Mw／Mn＝1.12.可见KGM分子大小分布集中，为相对均一多糖.

图1 KGM的GPC－LS谱图

3.2 单因素实验

3.2.1 光强度 不同强度红外光照射对KGM的影响见图2.辐照温度49℃，KGM溶胶随光强增大，粘度基本不变；73℃表现出49℃类似的规律，但所有红外处理样品均较空白样品的溶胶粘度显著降低，这可能与较高辐照温度有关，表明在相同辐照温度下强度变化对KGM粘度没有明显影响.

图2 红外光强度对溶胶粘度的影响

3.2.2 辐照温度 由图3可知，KGM溶胶随温度升高，粘度先缓慢上升后急剧下降.实验测得55℃处理KGM样品水分含量降至2.7%.表明辐照使KGM样品水分挥发，同比溶胶浓度增大，导致粘度升高［11］；随辐照温度继续升高，KGM吸收辐照能转化为分子内能，温度升高，可能导致分子断链致使溶胶粘度降低.

图3 红外光辐照温度对溶胶粘度的影响

3.2.3 照射时间 图4显示随照射时间延长，55℃下的溶胶粘度先升后降，可能原因是前期样品水分挥发致使溶胶浓度增加，后期热能增加导致断链，致使溶胶粘度下降，表明较高的辐照温度长时间照射对KGM有明显的降解作用.

图4 红外光照射时间对溶胶粘度的影响

3.2.4 KGM含水量 图5可见，辐照温度73℃时溶胶粘度除较空白样品明显降低基本不变，含水量大于31.3%的KGM的溶胶粘度逐渐降低.这可能是KGM含水量达到一定值时，分子链部分展开，受红外影响程度较含水量低的样品加剧，导致分子量下降，溶胶粘度降低.

图5 KGM初始含水量对溶胶粘度的影响

3.3 响应面优化实验

3.3.1 因素水平的选取 通过上面的单因素实验分析，上述三个因素红外光持续照射时间、红外光辐照热、KGM的含水量均对KGM水溶胶粘度的影响显著，具有进一步试验分析的价值.因此，根据Box－Benhnken的中心组合实验设计原理，对红外光辐照热、红外光持续照射时间、KGM的含水量三个因素进行更深入研究，所得因素水平如表1所示.

表1 响应面分析因素与水平

3.3.2 响应面分析方案及结果 对红外光辐照热、红外光持续照射时间、KGM的含水量作如下变换：以X1、X2、X3为自变量，以 KGM 水溶剂的粘度为响应值（Y），试验方案及结果见表2.

表2 响应面分析方案及试验结果

15个试验分为析因点和零点，试验号1－12是析因试验，13－15是中心试验.其中析因点为自变量取值在X1、X2、X3所构成的三维定点，零点区域为中心点，零点试验重复3次，以估计试验误差.以KGM水溶胶的粘度为响应值，利用SAS数据统计软件回归拟合，得到回归分析结果如表3，回归方程为

表3 回归分析结果

由表3可知，上述回归方程描述各因子与响应值之间的关系时，拟合的多元相关系数为R2＝4.6237×109／（4.7283×109）＝0.9779，说明模型对实际情况拟合很好，可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系.若p＜0.05方程是显著的，则表3中X1、X2、X3、X1X1和X1X2项的影响是显著的，即一次项和二次项都有显著性因素，因此各试验因子对响应值的影响不是简单的线性关系.所以，可以利用该回归方程确定红外光对KGM的影响.

响应面图形是响应值对各试验因子X1、X2、X3所构成的三维空间的曲面图，根据回归方程作出不同因子的响应面分析图，结果见图6.对式（2）一阶偏导数并令其为0得

解式（3）得红外光对KGM影响最小的条件：X1＝－0.79，X2＝0.18，X3＝－1.10.将其代入式（1）得A＝56.51，B＝40.30，C＝－2.40%，但是C表示水分含量在实际中不可为负值，故C趋近0，即X3趋近0时，代入回归方程得Y≈71 765.59.即在56.50℃红外光持续照射时间为40.30h，KGM的含水量趋近0%处理所得KGM的水溶胶粘度最高71 765.59 mPa·s.

图6 Y ＝f （X1，X2）／（X1，X3）／（X2，X3）的响应面图

4 结论

1）红外光对KGM的影响主要来源于红外光产生的辐照热，即红外光照射过程中产生的较高温度对KGM的分子结构产生了破坏，且温度越高照射时间越长破坏越大，但控制合理，红外光照射产生的温度在40～60℃范围内时对KGM有较好的干燥效果，且在一定的时间范围内对其分子结构没有明显的影响.

2）KGM的含水量越高，在经较高温度的红外光照射处理时，其破坏越严重，表明KGM含水量越高越不利于保藏.

3）56.50℃红外光持续照射40.30h对KGM有很好的干燥效果，且不会破坏KGM分子结构，能在加工中保证KGM品质的稳定.

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