不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的研究进展

姚 雪，韩本超

(西南科技大学生物质材料教育部工程研究中心，四川绵阳621010)

不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的研究进展

姚 雪，韩本超

(西南科技大学生物质材料教育部工程研究中心，四川绵阳621010)

综述了不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的制备方法、理化性质和生理功能等方面的研究进展，并探讨了其中的利弊，以期为不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的进一步研究和规模化生产提供一些理论参考。

魔芋葡甘聚糖，魔芋葡甘露低聚糖，降解，理化性质，生理功能

1 魔芋葡甘露低聚糖的制备

1.1 制备方法

降解天然KGM的方法主要是酶降解法、酸降解法和辐照降解法，此外还有碱降解法、超声降解法、酸酶结合降解法等等。

1.1.1 酸降解法 酸水解法［14－16］是一种传统的降解方法，早期应用较多，但由于酸降解反应条件剧烈，对设备腐蚀严重，反应的稳定性和重复性较差，对环境污染严重等缺点，目前已逐渐被淘汰。

1.1.2 辐照降解法 在食品工业中，辐照被认为是一种高效、低廉的物理加工手段而受到青睐。近年来，利用辐照技术降解KGM的研究也不断出现，徐振林［17］等人利用60Coγ－射线对KGM进行辐照降解，发现KGM的分子量和粘度随着辐照剂量的增加而显著下降，但辐照前后KGM的热性能变化不明显。刘勤生［18］等人利用60Coγ－射线辐照处理KGM得出了相同的结论，同时，他们还指出经辐照处理后，魔芋胶的粘度、热可逆性提高，经8kGy辐照的样品粘度、热可逆性最好。师萱［19］、邓霄［20］等人也相继报道了辐照法降解KGM的研究。

1.1.3 酶降解法 酶降解法是目前运用最广的方法［21－24］。酶降解法因其清洁、条件温和、可控性强等优点被广泛用于天然KGM的降解中，使用的酶需要能够切断β－1，4吡喃糖苷键的内切糖苷酶。目前已用于生产的酶主要是β－甘露聚糖酶、纤维素酶和β－葡聚糖酶。β－甘露聚糖酶是一种能水解多种甘露聚糖(包括均一甘露聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳甘露聚糖和半乳葡萄甘露聚糖)的主链β－1，4－D－甘露糖苷键的半纤维素酶［25］，是一种专一性的内切水解酶，它的来源非常广泛，可以由微生物代谢产生，如:地衣芽孢，枯草芽孢杆菌，黑曲霉和产紫青霉等等;一些低等动物的肠道分泌液中也可以分离得到β－甘露聚糖酶;此外，从魔芋块茎中也可以提取出β－甘露聚糖酶。纤维素酶是一种复合酶，主要由3种酶构成，包括外切葡聚糖酶(c1)、内切葡聚糖酶(c2)和β－葡萄糖苷酶。β－葡聚糖酶也可由微生物代谢产生，能有效降解 β－葡聚糖分子中的 β－1，3和β－1，4糖苷键，使之降解为小分子。在这三种酶中，β－甘露聚糖酶和β－葡聚糖酶比纤维素酶的专一性更强、效率更高、运用更广，陶兴无等人［26］已经证实了这点。

酶降解过程中可控因素比较多，如可以通过加酶量、酶解时间、底物浓度、反应的pH和温度等来控制降解产物的分子量和降解产物的多分散系数。由于酶活力受到反应条件的影响十分显著，因此，要得到高分子量和低分子量的KOGM可以通过酶解的条件得到很好地控制［27］。目前，对天然KGM酶解过程的机理也研究得比较透彻了［23，28］，要通过酶降解得到窄分子量分布宽度的各种不同分子量KOGM指日可待。相对而言，酸降解法和辐照降解法都是比较极端的降解法，降解条件比较剧烈，得到的一般都是分子量很低的降解产物，降解过程中可控条件少，这对于要得到不同分子量的KOGM以及要控制这些KOGM的多分散系数都是很不利的。所以，若要达到可控降解的目的，目前酶降解法相对而言是最理想的。

1.2 KOGM分子量及多分散系数的研究

1.2.1 KOGM分子量及多分散系数的研究方法 对KOGM分子量及KOGM多分散系数的测定方法主要有粘度法、凝胶渗透色谱法(GPC)、凝胶渗透色谱－静态光散射联用法(SEC－MALLS)［22］。粘度法受外界条件影响显著、误差较大，而且不能确定样品的多分散系数，随着分析技术的进步将逐渐被取代;GPC虽然能测定分子量及分子量分布，但需要标准品校准且测得的值都是相对的;SEC－MALLS不需要标准品即可测定样品的绝对分子量和多分散系数，同时还能得到均方根旋转半径、构象指数等分子参数，是目前最具有前景的分析方法［29］。

1.2.2 KOGM分子量范围的研究 目前，KGM的酶催化降解中一般是将KGM降解成分子量极低的低聚糖(分子量通常在10000以下)，而未得到其它分子量KOGM［21，30］。少数制备其它分子量KOGM的报道，一般是通过酶解反应的时间和加酶量来控制产物的分子量，随机性强，重现性不高，产物的分子量也不全面［17，31］。因而，如何系统得到不同分子量KOGM需要进一步的研究。

2 不同分子量KOGM理化性质的研究进展

2.1 水溶性及与其它物质的反应能力

不同分子量KOGM在水中的溶解性是不一样的，并且分子量越高，溶解度越低，Zhi－Gang Chen，Min－Hua Zong，Guang－Ji Li［23－33］的研究已经证实了这一点，他们已测得KOGM分子量为78000、114000、208000、270000、980000u时的溶解度分别是44.8× 10－2、37.2×10－2、15.2×10－2、9.6×10－2、3.7×10－2mg/mL。并且，他们通过扫描电子显微镜观察到低分子量KOGM颗粒没有高分子量KOGM颗粒的结构紧密，并且具有更多的多孔性结构。由此可见，低分子量的KOGM不仅能够增加天然KGM的溶解度，还能更有利于KOGM与其它物质的反应。

2.2 流变性质和凝胶机理的研究

M Yoshimura，K Nishinari［30］和H Zhang［32］等人研究了4种不同分子量KOGM(分子量分别是2.56× 105、4.38×105、4.44×105、5.96×105u)的流变性质，他们指出分子量的大小对KOGM的流变性质影响十分显著，在同等条件下，分子量越大，凝胶速度越快，且凝胶的弹性模量和储能模量都越大，原因是长分子链之间更容易互相穿插、缠结形成稳定的三维网络结构，因而增加了凝胶的弹性和稳定性。如2%的分子量为2.56×105u的KOGM在60℃时形成凝胶的损耗正切 tanδ＜0.1，而分子量大于4.38×105u的KOGM，tanδ＞0.1，即前者凝胶较弱，后者凝胶具有弹性。Zhenglin Xu等人［17］通过辐照降解天然KGM得到了两种不同分子量的KOGM，分别是3.703×105和3.99×104u。通过对这两种KOGM和天然KGM的分析测定，发现随着KGM分子量的降低，其水溶液的表观粘度也会相应降低，但粘度稳定性却有所改善。红外分析表明，辐照前后KGM没有明显的结构变化，但是紫外结果显示，辐照降解后KOGM在365nm处有明显的吸收峰，并且分子量越低越明显，他们推测这可能是由羰基或者双键导致的。高剂量的辐照还会使得KOGM的热稳定性稍有下降。

2.3 对KGM成膜性质的改善

L H Cheng等人［33］用不同程度酸解制备的KOGM制成可食性薄膜，经研究发现，酸处理后的可食性膜能够表现更好的吸水能力和透湿性，随着KOGM分子量的降低和多分散系数的增加，弹性模量和拉伸强度都有所增加，但是当KOGM分子量过低时，这些指标便会下降。因此，可以通过酸解的程度、KOGM的分子量和多分散系数来控制薄膜的吸水性、透湿性、热稳定性和拉伸强度等性质，制备出更加符合实用要求的薄膜。相同的报道如一定程度酸解的乳清分离蛋白形成的薄膜［34］和一定程度水解的马铃薯淀粉形成的薄膜［35］也能表现出比未经过降解处理的原料形成的薄膜更优良的性质。

2.4 高脂食品的模拟

Kuo Wei Lin，Chiu Ying Huang［36］利用超声降解的方法制备了不同分子量KOGM，并研究了不同分子量KOGM凝胶的理化性质和结构特征，评价了不同分子量KOGM的添加对中国低脂香肠的组织结构和感官性质的影响。结果发现，随着分子量的降低，KOGM凝胶的储能模量和损能模量也会相应的降低。KOGM能够一定程度取代高脂肪的猪油，并且，加入KOGM的低脂香肠和加入猪油的高脂肪香肠在组织结构和感官性质上十分接近，因此，KOGM的使用有利于低脂食品的生产，能够解决一系列富贵病的难题。

3 不同分子量KOGM生理功能的研究进展

3.1 对有益微生物特别是双歧杆菌的促生长作用

动物体内分泌的消化酶如淀粉酶只对α－1，4糖苷键起作用，而KOGM是由β－1，4糖苷键连接主链和β－1，3糖苷键连接侧链的，因而KOGM几乎不能被动物本身所利用。但某些有益微生物如乳酸杆菌、双歧杆菌、梭状芽孢杆菌等能选择性利用KOGM，所以KOGM能够促进有益菌群的生长，从而抑制有害菌群的生长。熊德鑫等人［9］研究了三种不同的低聚糖选择性促进双歧杆菌的生长情况，这三种低聚糖分别是魔芋低聚糖(由4－8分子的葡萄糖和甘露糖组成，由天然KGM酶解制备)、乳果糖(由吡喃半乳糖和呋喃果糖等单糖构成)和异麦芽低聚糖(由6－葡糖基麦芽糖、异麦芽糖和异麦芽三糖等构成)。他们指出，魔芋低聚糖和低聚异麦芽糖选择性促进双歧杆菌生长的活性最强，乳果糖作用最弱，并且魔芋低聚糖能够同时促进长双歧杆菌、青春双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和两歧双歧杆菌的生长，而乳果糖只能促进婴儿双歧杆菌的生长，异麦芽低聚糖可以促进除婴儿双歧杆菌之外的其余双歧杆菌的生长。

3.2 对血糖血脂的调节作用

KOGM摄入后不会引起体内血糖水平的波动，能够降低血清胆固醇和三脂酰甘油的含量，是高血压和糖尿病患者理想的功能性甜味剂。杨艳燕等人［37］通过自制的魔芋精粉的水解产物(二糖或三糖异构体的低聚糖，通过酶解法制备)和不同浓度的葡萄糖溶液对小鼠血糖含量及抗氧化性能力的研究，发现高浓度葡萄糖可使小鼠血糖含量增加，而相同浓度的魔芋低聚糖不但未使小鼠血糖含量发生变化，同时能够降低过氧化脂质(LPO)水平。李春美等人［8］以四氧嘧啶诱导糖尿病小鼠为实验模型，研究了他们通过酶解制备的三种不同分子量 KOGM (KOGM－Ⅰ，KOGM－Ⅱ，KOGM－Ⅲ)和天然KGM的降血糖效果。他们发现，其它条件相同时，上述四种多糖对应的小鼠血糖下降率分别为 55.37%、80.60%、33.44%和40.90%，可见KOGM－Ⅱ的降血糖效果是天然KGM的近2倍。不过比较遗憾的是，他们未测定KOGM－Ⅰ、KOGM－Ⅱ、KOGM－Ⅲ的分子质量，虽然能够证实不同分子量KOGM和天然KGM对降血糖作用的差异性，但未能建立分子量与血糖下降率的关系，还有待后续的研究。

3.3 抗氧化与增强机体免疫力功能

杨艳燕等人［37］的研究结果不但证实了KOGM具有降血糖作用，同时还证实了KOGM能够大大促进小鼠体内超氧化物歧化酶(SOD)活性的提高，因此KOGM能够提高机体的抗氧化作用。此外，李春美［8］等人还指出KOGM－Ⅰ、KOGM－Ⅱ和魔芋精粉均可增强正常小鼠腹腔巨噬细胞的吞噬功能和由DNFB所致的迟发性变态反应，且KGM－Ⅱ的效果显著强于KGM－Ⅰ和魔芋精粉。李小宁［38］研究了KOGM口服液对二硝基氟苯(DNFB)所致的小鼠耳糜超敏反应(DTH)的影响，结果证实了KOGM可以增强ICR小鼠的细胞免疫功能和单核－巨噬细胞吞噬功能。Xiu－Ju Lu等人［39］通过β－甘露聚糖酶水解得到了3种不同分子量KOGM，并研究了这三种分子量KOGM对链脲佐菌素(STZ)诱导糖尿病模型的胰岛NO自由基释放量的影响。研究发现，只有其中一种KOGM能够使胰岛培养液中的NO自由基释放量下降，而这种KOGM是α－D－甘露糖残基为末端的分子量为666u的四糖。低剂量的这种四糖能够降低STZ－诱导模型中NO自由基的释放量，但是不会改变正常体系中NO自由基的释放量和胰岛正常分泌途径，所以这种四糖有望成为治疗糖尿病或抗氧化作用的药物。

4 结论

近年来对魔芋葡甘露低聚糖的研究十分活跃，魔芋葡甘露低聚糖不仅能够解决天然魔芋葡甘聚糖溶解度过低、粘度过大等缺点，而且不同分子量的葡甘露低聚糖还具有特殊的理化性质和生理功能，所以不同分子量魔芋葡甘露低聚糖有望为食品工业和其它生产领域提供更为理想的原料或添加剂。

［1］Kobayashi S.Preparation and rheological characterization of carboxymethyl konjac glucomannan［J］.Food Hydrocolloids，2002，16(4):289－294.

［2］Kato k，k matsuda.Studies on the chemical structure of konjac mannan［J］.Journal of Agriculture and Biological Chemistry，1969，33:1446－1453.

［3］Maeda M，H Shimahara，N Sugiyama.Detailed examination of the branched structure of konjac glucomannan［J］.Agriculture and Biological Chemistry，1980，38:315－321.

［4］Cescutti P.Structure of the oligomers obtained by enzymatic hydrolysis of the glucomannan produced by the plant Amorphophallus konjac［J］.Carbohydrate Research，2002，337 (24):2505－2511.

［5］Alonso－Sande M.Glucomannan，a promising polysaccharide forbiopharmaceuticalpurposes［J］.European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2009，72(2):453－462.

［6］Zhang Yq，Xie Bj，Gan X.Advance in the applications of konjac glucomannan and its derivatives［J］.Carbohydrate Polymers，2005，60(1):27－31.

［7］Nishinari K.Konjac glucomannan，in Developments in Food Science［J］.G Doxastakis and V，2000:309－330.

［8］李春美.不同分子链段的魔芋葡甘露聚糖对实验性糖尿病小鼠血糖含量的影响［J］.中药材，2004，27(2):110－113.

［9］熊德鑫，李秋剑，徐殿霞.低聚糖体外选择性促进双歧杆菌生长的研究［J］.食品科学，2002，23(4):181－182.

［10］香红星.β－甘露聚糖酶产生菌的诱变育种及其应用开发研究［D］.北京:中国科学院成都生物研究所，2000.

［11］Chen H L，Sheu WH，Tai TS，et al.Konjac supplement alleviated hypercholesterolemia and hyperglycemia in type 2 diabetic subjects－a randomized double－blind trial［J］.Journal of the American College of Nutrition，2003，22:36－42.

［12］杨艳燕.魔芋低聚糖对小鼠血糖含量和抗氧化能力的影响［J］.中草药，2001，32:142－144.

［13］谢建华，庞杰，朱国辉.魔芋葡甘聚糖功能研究进展［J］.食品工业科技，2005，26(12):180－183.

［14］侯占伟.魔芋葡甘聚糖的化学改性及其性质研究［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［15］许牡丹，汤木红.酸酶结合法制备葡甘露低聚糖的工艺研究［J］.现状食品科技，2008，24(1):32－34.

［16］李涛，马美湖，邬应龙.氧化－酸解法制备魔芋葡甘露低聚糖的初步研究［J］.食品与发酵科技，2009，45(1):35－39.

［17］Xu Z.Effect of(－irradiation on some physiochemical properties of konjac glucomannan［J］.Carbohydrate Polymers，2007，70(4):444－450.

［18］刘勤生，王泓，祡春祥.辐照改性对魔芋胶的影响［J］.粮油加工，2010，43(7):120－122.

［19］师萱.γ－射线辐照对魔芋葡甘聚糖结构、理化性能的影响研究［D］.重庆:西南大学，2008.

［20］邓霄.辐照法魔芋葡甘聚糖丙烯酸改性及改性产物性能研究［D］.武汉:华中农业大学，2006.

［21］祁黎，李光吉，宗敏华.酶催化魔芋葡甘聚糖的可控降解［J］.高分子学报，2003，21(5):650－654.

［22］Chang Y T.Characteristics of galactomannanase for degrading konjac gel［J］.Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic，2006，43(1－4):153－157.

［23］Li G.Study on the kinetics for enzymatic degradation of a natural polysaccharide，konjac glucomannan［J］.Macromolecular Symposia，2004，216(1):165－178.

［24］张迎庆，干信，谢笔钧.纤维素酶制备魔芋葡甘低聚糖［J］.吉首大学学报:自然科学版，2003，24(3):42－44.

［25］李剑芳.β－甘露聚糖酶制备魔芋葡甘露低聚糖的研究［D］.无锡:江南大学，2007.

［26］陶兴无.β－葡聚糖酶分级降解魔芋葡甘聚糖工艺研究［J］.食品工业科技，2006，27(10):139－141.

［27］李庆国，干信，邹群.魔芋葡甘低聚糖的制备和分析［J］.湖北工学院学报，2001，16(4):10－12.

［28］李秋瑾.多糖酶解动态特性表征与剪切机理分析及动力学模型［D］.天津:天津大学，2009.

［29］陈文平，江贵林，姜发堂，等.GPC－LS联用法研究魔芋葡甘聚糖分子链形态［J］.光谱实验室，2010，27(1):238－242.

［30］Yoshimura M，Nishinari K.Dynamic viscoelastic study on the gelation of konjac glucomannan with different molecular weights［J］.Food Hydrocolloids，1999，13(3):227－233.

［31］黄永春.超声波降解魔芋葡苷聚糖的研究［J］.食品科技，2006，31(9):103－105.

［32］Zhang H.Gelation behaviour of konjac glucomannan with different molecular weights［J］.Biopolymers，2001，59(1): 38－50.

［33］Cheng L H，A Abd Karim，CC Seow.Effects of acid modification on physical properties of konjac glucomannan(KGM) films［J］.Food Chemistry，2007，103(3):994－1002.

［34］Sothornvit R，Krochta J M.Oxygen permeability and mechanical properties of films from hydrolyzed whey protein［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2000，48(9):3913－3916.

［35］Shamekh S.Film formation properties of potato starch hydrolysates［J］.Starch Stärke，2002，54(1):20－24.

［36］Lin KW，Huang CY.Physicochemical and textural properties of ultrasound－degraded konjac flour and their influences on the quality of low－fat Chinese－style sausage［J］.Meat Science，2008，79(4):615－622.

［37］杨艳燕，李小明，李顺意.魔芋低聚糖对小鼠血糖含量和抗氧化能力的影响［J］.中草药，2001，32(2):142－144.

［38］李小宁.魔芋甘露低聚糖口服液对雌性ICR小鼠免疫功能的调节作用［J］.江苏预防医学，2008，21(4):3－4.

［39］Lu XJ.Effect of amorphophallus konjac oligosaccharides on STZ－induced diabetes model of isolated islets［J］.Life Sciences，2002，72(6):711－719.

Research progress of konjac oligo－glucomannan with various molecular weights

YAO Xue，HAN Ben－chao
(Engineering Research Center of Biomass Materials，Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China)

The preparation methods，physicochemical properties and physiological functions about konjac oligoglucomannan with different molecular weights were discussed and also put forward some opinions and suggestions，served for further studies and scaled production of konjac oligo－glucomannan with various molecular weights.

konjacglucomannan;konjacoligo－glucomannan;degradation;physicochemicalproperties; physiological function

TS201.2+3

A

1002－0306(2012)08－0416－04

魔芋是天南星科魔芋属多年生草本植物，其主要活性成分魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，KGM)是一种水溶性的天然高分子多糖，可广泛应用于环保、食品、医药、化工以及生物领域［1］。KGM通过β－1，4吡喃糖苷键将β－D－葡萄糖和β－D－甘露糖按1∶1.6或1∶1.69的摩尔比连接而成，每19个糖残基上有一个乙酰基团存在［2－4］。KGM水溶液的粘度相当大，其特性粘度可达1320mL/g，是食品工业中使用粘度最高的多糖之一［5］。由于天然KGM分子量过大，造成粘度过高、溶解度过小等难题，使得KGM的应用受到了严重地限制。目前，大量的化学和生物改性方法都是为了增加KGM在水中的溶解度以及使KGM更容易与其它物质发生反应［5－7］。此外，天然KGM食用后难消化、易引起腹胀和腹痛等缺点［8］，使得天然KGM的可控降解成为了热点。魔芋葡甘露低聚糖(Konjac oligo－glucomannan，KOGM)是指通过酶、酸、辐照等方法使天然KGM降解而得到的不同分子量且具有不同的物化性质和生物功能的多糖，如促进益生菌生长［9］、吸附病原菌［10］、降低血脂［11］、清除自由基［12］和抑制肠内氨的生成和吸收［13］等等。更重要的是，KOGM可以显著地增加天然KGM在水中的溶解性，不同分子量KOGM流变性质具有显著差异，所以不同分子量的KOGM将成为各生产领域更为理想的原料或添加剂。本文就目前KOGM的制备方法、理化性质和生理功能方面的国内外研究进展做一综述，以期为不同分子量KOGM的大规模生产和应用提供一定的理论参考。

2011－05－16

姚雪(1986－)，女，硕士研究生，研究方向:生物大分子深加工与应用。

“十一五”国家科技支撑计划项目(2007BAE42B04)。