魔芋葡甘聚糖的功能化改性及应用

廖晴雨，张洪斌

(上海交通大学 流变学研究所，高分子科学与工程系，变革性分子前沿研究中心，上海 200240)

魔芋(Amorphophalluskonjac)属天南星科多年生草本块茎植物，其块茎主要成分为魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)以及一定量的淀粉、纤维素和粗脂肪等(表1)[1]。魔芋是中国、日本和东南亚国家许多地区的食物原料，在我国还被认为有重要药用价值；而KGM是一种具有重要工业应用价值的食品亲水胶体，也被称为魔芋胶，我国将其批准为食品原料，美国食品药品监督管理局(FDA)及欧盟将其批准用作食品添加剂。

表1 魔芋块茎组分及含量Tab.1 Composition and content of konjac tuber

KGM是由D-葡萄糖残基(G)和D-甘露糖残基(M)以β-1，4糖苷键连接的一种中性杂多糖(图1)，其主链上葡萄糖残基和甘露糖残基的比例为1∶1.6，约每19个糖残基中含有1个乙酰基，每32个糖残基中含有3个支链[2]。KGM的化学结构类似于二元无规共聚物或二嵌段共聚物，分子量可高达百万，易于水合，其水溶液或水分散液具有高黏度和典型的假塑性流变学性质，碱性加热条件下能形成热不可逆弹性凝胶[3]。

图1 魔芋葡甘聚糖主链结构Fig.1 The structure of KGM backbone

增稠性和凝胶性是KGM的两个重要特性。KGM能吸收约自身体积100倍的水，通过与水分子之间的氢键、偶极等相互作用聚集形成超分子，因而具有良好的增稠性能。质量分数1%的KGM水溶液黏度可达30 Pa·s，是已知黏度最高的多糖溶液之一，且黏度随KGM浓度的增加显著升高[4]。KGM与淀粉、黄原胶、海藻酸钠等亲水胶体混合具有协同增稠作用，添加KGM的溶液黏度比单独使用黄原胶、淀粉的溶液黏度高数倍[5]。KGM水溶液还具有剪切变稀性质，其浓度越高剪切变稀越显著，当质量分数高于7%时，KGM可形成液晶相，此时体系黏度对剪切速率的依赖性降低[6]。KGM是少数能形成高弹性热不可逆物理水凝胶的多糖大分子，其分子链上含有5%～10%的乙酰基，该基团是影响KGM凝胶动力学的重要因素[7-8]。利用碱性条件下的脱乙酰化反应，KGM很容易形成水凝胶[9]，这在本质上也是对天然KGM的改性。

KGM具有多种健康功效，是一种优良的膳食纤维。KGM的β-1，4糖苷键不能被胃肠道消化酶水解[10]，进入人体后会吸收大量液体、发生体积膨胀成为黏液，继而在消化过程中与食物团块融合，形成难消化层。KGM在体内可作为糖和营养素的吸收屏障，具有降低血液胆固醇和血糖水平、调节肠道菌群、减轻体重、改善免疫功能等生理活性[11]，可以有效预防高血压、冠心病、糖尿病等病症[12]。此外，KGM以其良好的增稠性、胶凝性、成膜性、持水性以及生物相容性在食品、包装、涂料、生物医药及化妆品等领域被广泛用作食品原料、增稠剂、凝胶剂、被膜剂、崩解剂、悬浮剂和保水剂[13-15]。近年来，KGM的应用还拓展到了能源领域，被用作锂离子电池负极黏结剂[16]。

然而，KGM在水中溶解度低、加工性差，工业应用受到限制，增加水溶性、发掘新功能是充分利用KGM的重要途径。KGM分子链上含有大量羟基，可作为反应位点发生酯化、醚化、酰化、烷基化等衍生化反应，获得不同性能的衍生物，从而提高其在有机溶剂、极性溶剂尤其是水中的溶解性。随着物理、化学改性技术的发展，KGM及其衍生物的应用研究已经从食品和食品添加剂扩展到医药、生物技术和精细化工等各个领域[17]。基于此，本文重点综述KGM的化学、物理改性及其衍生物的应用研究。

1 KGM化学改性

衍生化改性是改变天然高分子结构和性质，并将这种可再生资源作为增值原材料使用的重要途径。利用KGM分子链上丰富的羟基作为活性位点，进行酯化、酰基化、羧甲基化、磺化、氧化、接枝共聚、交联等各类化学改性，对开发KGM新功能、提高其应用价值具有重要意义。

1.1 酯化及酰基化改性

KGM酯化反应利用糖单元环上的C2、C3、C6位羟基在适宜条件下与酸、酸酐反应生成相应的酯，其酯化产物可应用于制药、食品、化妆品、化工等行业[18]。采用乙酸和三氟乙酸酐混合物处理KGM，可得到具有一定取代分布的葡甘聚糖乙酸酯(KGMAc)，其力学性能和热稳定性随取代度的不同而不同[19]。与高取代度产物相比，低取代度KGMAc具有较高的拉伸强度和断裂伸长率，但热稳定性降低，且有高于其他无定形聚合物(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯)的玻璃化转变温度。琥珀酸盐、聚乳酸与KGM反应得到的生物聚酯材料也具有良好的力学性能[20]。在碱性条件下，KGM和辛烯基琥珀酸酐(OSA)反应可得到葡甘聚糖辛烯基琥珀酸酯(KGOS)[21]，其乳液临界胶束浓度(CMC)随反应程度的增加而降低，乳化能力和稳定性随反应程度的增加而增加[22]。KGOS具有良好的亲水性和亲油性，可作为新型聚合物表面活性剂，拥有比OSA改性淀粉更佳的乳化性和增稠性[23]。此外，KGOS产物不能被胃或上肠消化，但可在下肠和结肠中被消化，表明其具有结肠靶向转运潜能，可作为乳化剂和稳定剂用于生物活性营养素包封[24]。利用氨基酸对KGM进行酯化改性，可制备水溶性葡甘聚糖L-精氨酸酯和葡甘聚糖L-组氨酸酯，改性后的KGM酯在酸性条件下对金属溶解具有抑制效应，可作为盐酸溶液中低碳钢的绿色缓蚀剂[25]。采用苯甲酰氯对硫酸水解的KGM纳米晶进行酯化改性，并将其作为增强填料与聚氨酯复合，发现酯化改性KGM纳米晶的添加可使复合材料的力学性能和热稳定性提高[26]。温和条件下利用脂肪酶催化异辛烷中的油酸和KGM酯化，可制备两亲性KGM脂肪酸酯，用于表面涂层材料、食品调味剂和药物载体[27]。

KGM酰基化改性利用其分子链上的羟基在一定条件下与酰基碳链(碳原子数为2～12)反应生成新的酰基化产物，其亦可看作是一种酯化改性。酰基化改性KGM具有热塑性，其热性能和力学性能可通过酰基结构进行调控。例如，利用氯乙酰、乙酸酐等在适宜取代度下通过溶液浇铸法可制备热塑性、可降解的乙酰基化KGM透明薄膜[28]，乙酰化程度对薄膜的断裂伸长率和拉伸强度具有重要影响[29]。KGM在混合酸或酸酐体系中发生酰基化反应可制备高热稳定性的酰基化KGM混合酯，还可通过溶剂浇铸法和热压法制备无色透明薄膜，所制备混合酯薄膜的拉伸强度和杨氏模量随酰基碳链的增加而降低，断裂伸长率增加，力学性能可与常用聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯)相当[19]。此外， KGM的高溶胀性使其在用作药物时在胃肠道中容易吸收水分，引起腹泻[30]，而KGM乙酰基改性可在一定程度上减弱其吸水性，拓展KGM在生物医药领域的应用。

早期的塑料和化学纤维由改性纤维素制成，相较于纤维素酯和淀粉酯，KGM酯从种类到应用都处于初始阶段，酯化产物的功能还在探索中，但作为生物基塑料和新型乳化剂等，KGM酯已显示出积极的应用前景。酯化改性的反应条件较为苛刻，KGM多糖分子链在反应过程中可能发生降解，其终产物需要分级分离，KGM特定位点的羟基修饰也存在挑战。目前仅有少量文献报道酶催化KGM的特异性酯化，未来需进一步探索有效催化剂在温和条件下的KGM特异性酯化修饰。KGM酯化产物的性质和功能高度依赖酯化度和取代分布，其中，酯化度对产物性质影响的研究较多，而不同取代分布对产物性能影响的研究很少，需深入探索。

1.2 羧甲基化改性

羧甲基化改性属于醚化改性，也是常用的多糖改性方法，在纤维素、淀粉等多糖改性中有成功应用。KGM的羧甲基化也利用链上含有的大量羟基作为反应位点，反应中所引入的羧甲基基团主要位于糖环的C6位[31]。引入羧甲基后可减弱KGM分子间的相互作用，特别是氢键作用，大大增加KGM水溶性[32]。羧甲基化所用醚化试剂一般为NaOH，但在强碱作用下，KGM会同时脱乙酰基形成凝胶。为在羧甲基化的同时保留部分乙酰基，有研究采用乙酸钠和氯乙酸作为醚化试剂进行KGM羧甲基化改性，得到保留有一半乙酰基的羧甲基葡甘聚糖(CMKGM)[33]。Kobayashi等通过对KGM羧甲基化得到一系列不同取代度的CMKGM产物，并发现羧甲基化程度随醚化剂浓度的增加而增加，产物具有更高的水溶性[34]。KGM的羧甲基化改性通常在水溶液或有机溶液中进行，具有耗时长、产量低、成本较高、污染较大的缺点。相比而言，微波法制备CMKGM有一定优势，该方法先将一定量的KGM与适量的氯乙酸及氢氧化钠混合，后喷入少量体积分数为80%的乙醇溶液，充分混匀后(反应体系仍为固相)送入微波反应器进行反应[35]。

作为一种阴离子多糖，CMKGM在溶液中表现出典型的聚电解质行为。Li等基于聚合物溶液理论研究了CMKGM的构象及其溶液性质，系统描述了荷电和静电屏蔽等情况下溶液的流变行为，并建立了CMKGM盐溶液和无盐溶液的流变参数与多糖浓度、分子量的标度关系以及溶液黏弹性本构方程[36]。CMKGM能与多种金属阳离子(如La3+、Ce4+、Fe3+、Al3+、Ca2+、Zr4+)交联，发生凝胶化，在水中形成稳定且不溶的凝胶微球[37]。将正电荷稀土阳离子(如La3+、Ce4+、Zr4+)固定在CMKGM材料上可用于吸附磷酸盐[38]，具有无毒、环保的优点[39]。采用静电喷涂和溶胶-凝胶法制备的镧负载CMKGM微球可用作除磷吸附剂，该吸附剂稳定、耐用，在328.15 K、pH值为4的条件下具有优异的磷吸附能力(16.06 mg/g)，可用于控制水环境富营养化[40]。氟离子粒径小、电负性高，对带正电荷的多价金属离子(如La3+、Zr4+、Ca2+、Ce4+、Fe2+、Al3+)具有强亲和力[41]，将正电荷阳离子(如La3+、Al3+)固化到CMKGM材料上有助于产生表面荷正电活性位点并吸附氟离子；利用该特性，可借助 CMKGM负载La3+、Al3+制备除氟化物的新型吸附剂[42]。将CMKGM和聚多巴胺复合还可制备Pb2+吸附剂(CMKGM-PDA)，室温下CMKGM-PDA对Pb2+的平衡吸附容量和最大吸附容量分别达到42.68和95.24 mg/g[43]。以表氯醇为交联剂交联CMKGM能够吸附水溶液中的Cu2+、Pb2+、Cd2+离子[44]。研究发现，任何金属离子吸附都能够在20 min内达到平衡并遵循二阶动力学方程，CMKGM可以重复使用且不会显著改变其吸附能力和解吸率。

KGM不能被上胃肠道中的消化酶水解，但可以被结肠微生物菌落产生的β-甘露聚糖酶降解，该性能使KGM成为结肠靶向给药的潜在载体。与KGM相比，CMKGM带负电荷，水溶性和溶胀速率更高，且CMKGM具有取代度依赖性负电荷、与蛋白水解酶相似的抗性及天然KGM的β-甘露聚糖酶敏感性，借助层层组装、复合凝聚等技术制备的CMKGM功能材料在结肠靶向给药方面潜力巨大[45]。结合改性性质及生物活性， CMKGM能作为聚阴离子被用于药物递送体系构建[46]。例如，胆固醇修饰的CMKGM两亲性纳米胶束对药物的最大包封率达39.4%，可稳定释放药物23 h[47]。此外，可利用改性KGM制备5-氨基水杨酸片剂的包衣材料[48]。将CMKGM与壳聚糖(CS)交联并冷冻干燥，能制备出具有较高溶胀率、适当水蒸气透过率、良好生物相容性且能促进组织再生的CMKGM/CS复合海绵；该复合海绵能够有效促进小鼠皮肤伤口愈合，加速成纤维细胞增殖，可作为潜在伤口敷料用于组织再生[49]。将CMKGM和2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)复合能制备出对卵清蛋白具有良好缓释作用的纳米球[50]，其卵清蛋白包封率为71.8%，体外释放可维持24 h以上。CMKGM与壳聚糖通过静电作用和氢键结合会形成凝胶珠，其在模拟胃肠液中能够维持结构，但可以被模拟结肠液中的β-甘露聚糖酶降解，用于益生菌缓释[51]。此外，采用冻融法还可制备由多重氢键交联、具有良好热稳定性的酸性和中性CMKGM水凝胶[52]。

天然多糖在不使用水或其他增塑剂的情况下，通常不能通过常规热塑性方法加工成膜。对其进行亲水改性，如羧甲基化，可以大幅度提升多糖的水溶性和成膜能力。CMKGM与海藻酸钠(SA)在钙离子辅助交联的情况下复合，可形成半互穿网络，制得力学性能和热稳定性较高的共混膜[53]。将CMKGM与水性聚氨酯混合也可制得力学性能和热性能优良的膜材料，其拉伸强度和杨氏模量随CMKGM含量的增加而显著增加[54]。CMKGM和大豆分离蛋白(SPI)混合制得的薄膜强度和韧性均高于纯CMKGM和SPI膜[55]。另有研究表明，质量分数0.9%的CMKGM可使纸张密度、爆裂指数、拉伸指数和耐折性显著提高，改善纸张质量[56]。

羧甲基化修饰是目前KGM改性应用最广泛的方法之一，与未修饰的天然KGM相比，CMKGM的水溶性及生物活性得到改善，但羧甲基化修饰影响多糖生物活性的机理尚不清晰，成为今后CMKGM结构与性能的研究方向。此外，醚化过程的传质传热、醚化剂利用率等问题也有待深入探索。

1.3 磺化改性

磺化改性是在一定条件下将磺酸基引入分子中的反应，多糖磺化通常利用浓硫酸、三氧化硫-吡啶、氯磺酸-甲酰胺等试剂在分子链上引入磺酸基。早期的磺化改性多采用浓硫酸法，但该方法反应条件严苛，反应过程大量放热，需要冰浴环境。三氧化硫-吡啶法反应条件温和，但试剂毒性大且具有腐蚀性，现已较少采用。目前应用较为广泛的磺化方法为氯磺酸-甲酰胺法，其以甲酰胺为溶剂、氯磺酸为磺化试剂，常温反应3～4 h即可得到磺化产物[57]。

天然KGM磺化改性后生成磺酸酯，并表现出更强的或新的生物活性[58]。研究表明，磺化KGM与蛋白质中的氨基存在静电作用，可以稳定结合氨基酸；当其有效质量分数达到50%时具有强抗人类免疫缺陷病毒(HIV)活性，并具有一定的抗凝血性[59]。磺化改性KGM与血浆中的低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白之间存在静电作用和分子筛效应，可以进行选择性吸附，有望成为新型血液净化剂[60]。引入聚氨酯链段的磺酸化KGM仿肝素聚氨酯水凝胶表现出良好的血液相容性和载药释放性能[61]。

天然KGM磺化改性后的水溶性、抗病毒活性、抗凝血活性明显提高，在生物医药领域具有广阔的潜在应用价值，但常用的磺化试剂如氯磺酸等毒性较强，且存在反应条件不易控制、工艺要求高等缺点，限制了磺化改性KGM的推广应用。未来随着修饰方法的完善和新技术的应用，磺化KGM将得到更深入的研究和发展，其生物活性的潜在作用机制也将被进一步揭示。

1.4 氧化改性

氧化葡甘聚糖(OKGM)通过在KGM中引入羧基和羰基实现[62]。氧化过程中 KGM降解形成低黏度的OKGM分散体，进而提高KGM的稳定性、成膜性和透明度。KGM可被IO4-或ClO2-氧化成二羧基KGM，产物具有良好的溶解性和酶解性[63]。氧化后的KGM还可作为免疫刺激剂，提高免疫球蛋白活性[64]。Chen等利用Schiff碱反应设计了含有壳聚糖和氧化葡甘聚糖的可注射自愈合水凝胶，该水凝胶还具有黏合性、抗菌性以及生物相容性，能够促进伤口愈合，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别为96%和98%[65]。在没有外源刺激时，全厚度皮肤缺损模型在该可注射水凝胶敷料的作用下，4 h内可实现愈合，显著缩短了伤口恢复时间。

2, 2, 6, 6-四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)是选择性氧化伯醇和仲醇的催化剂，KGM单元中葡萄糖和甘露糖的C6羟基可被TEMPO选择性氧化，进而实现对KGM氧化程度的有效控制。TEMPO氧化可增强KGM分子间的电荷斥力，破坏分子间相互作用，降低KGM结晶度，提高KGM薄膜的溶解性、透明度，并在一定程度上降低薄膜黏度。TEMPO-OKGM能够用于胶囊壳中，氧化度为80%的OKGM被认为是胶囊制剂的最佳候选物[66]。OKGM与壳聚糖的交联聚合物可用来控制释放双氯芬酸钠[67]。OKGM醛基与羧甲基壳聚糖硫酸盐(CMSS)[68]或接枝了胶原肽(COP)的水溶性壳聚糖胶原肽(CS-COP)衍生物[69]的氨基通过Schiff反应也可形成复合水凝胶。这些水凝胶都具有凝胶时间短、溶胀能力强、水蒸发速率适宜、血液相容性和生物相容性良好等特点，能够用作皮肤伤口敷料。

在KGM化学改性方法中，氧化法是较为简单和常用的方法之一。采用高碘酸盐、次氯酸盐、过氧化氢等试剂可以将KGM分子链中的大量羟基氧化为醛基或羧基，改善其分散性、黏合性、透明度和成膜性等性能。然而，氧化法也存在氧化试剂毒性大、利用效率低、成本高等问题，开发新型低成本、高效绿色的KGM氧化技术将是未来KGM氧化改性的研究方向。

1.5 接枝共聚改性

接枝共聚是在高分子主链的某些原子上连接与其化学结构不同的高分子链段或功能性侧基，形成性能特殊或具有新功能的接枝共聚物的改性方法。Li等通过在羧甲基化改性的KGM分子链上接枝聚乙二醇(CMCK-g-PEG)，将接枝共聚物与α-环糊精共混自组装，并将葡萄糖氧化酶(GOX)包埋在溶液中，形成了340～1 200 nm的空心球[70]。空心球的核-壳结构大大提升了体系的热稳定性、生物相容性和贮存稳定性。Shahbuddin等在KGM半互穿网络或接枝网络的基础上，采用UV或UV结合铈引发N-乙烯基吡咯烷酮和聚(乙二醇)二丙烯酸酯聚合，合成了2种用于伤口愈合的KGM水凝胶，2种水凝胶表现出不同的溶胀性质，并具有细胞相容性和刺激细胞生长的能力[71]。

Chen等采用溶液聚合法制备出一种新型KGM-丙烯酸高吸水性树脂，其以过硫酸钾为自由基引发剂、以三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TPTA)为交联剂，将部分中和的丙烯酸接枝到KGM上，所形成共聚物的溶胀性能在体系pH值为7.4时达到最佳[72]。KGM的多孔结构及含有的大量羟基有助于提高KGM基共聚物的吸水性，为天然多糖超级吸水剂的制备提供了新思路。Luan等通过简单的两步合成制备出两亲性脂肪族胺接枝的KGM胶束(KGM-g-AH8、KGM-g-AH12、KGM-g-AH18)，并利用Schiff碱作为“开关”实现了细胞内酸触发的姜黄素释放[73]。上述KGM-g-AH8在水性介质中可组装成球形纳米胶束(118.6±0.6 nm)，其在28 d内拥有较高的姜黄素负载能力和良好的物理稳定性，且表现出释放可控、溶酶体pH敏感和生物相容性[73]。Tian等采用N，N′-亚甲基双丙烯酰胺交联KGM/丙烯酸单体，制备出一种基于KGM的咖啡因分子印迹聚合物；与非印迹聚合物相比，该分子印迹聚合物对咖啡因的吸附率高达91.3%～99.2%，可用于可乐和茶叶中咖啡因的提取[74]。

Gou等通过自由基共聚合将KGM、丙烯酰胺、丙烯酸、烯丙基氧乙烯醚聚合成新的水溶性接枝共聚物[75]。该共聚物在28 d生物降解实验后的降解率超过60%，表现出良好的生物降解性，与相同条件下的部分水解聚丙烯酰胺相比，接枝共聚物具有更优异的抗剪切性、剪切可逆性、耐温性、黏弹性和耐盐性。此外，该接枝共聚物具有有效的流动控制能力和优良的驱油效果，在65 ℃、 6 700 mg/L盐溶液存在的条件下，可将油回收率提高13.76%。

接枝共聚已成为扩大高分子应用领域、改善高分子材料性能的一种行之有效的方法。有关KGM的接枝共聚改性已有不少报道，但由于接枝共聚物的性能取决于主链和支链的组成、结构、链长度以及支链数，相关方面的研究尚需加强。此外，通过自由基进行的改性也面临热效应显著、产物结构难以控制等问题，光自由基聚合和活性自由基聚合是较好的解决方法，但受工艺条件、成本等因素限制，此类改性仍处于实验阶段，产业化发展有待探索和研究。

1.6 交联改性

KGM分子链中的羟基可以与含磷酸、醛基等官能团的交联剂发生化学交联反应，生成交联KGM。交联改性简单易行，可高效制备具有优良力学性能和耐水性的制品。KGM在水溶液中与硼砂离解的硼酸根离子交联能够形成热可逆凝胶[76]。碱性条件下以环氧氯丙烷为交联剂可制得KGM纳米球，该纳米球具有比KGM更高的水分吸附和解吸能力[77]。在碱性条件下，采用三偏磷酸钠交联KGM、人发蛋白、燕麦醇提取物，制备的水凝胶支架具有良好的膨胀性、生物相容性、抗氧化性和抗菌性，能够为伤口部位提供水分，促进细胞生长，修复受损组织，加速伤口愈合[78]。另有研究表明，先将具有相邻二羟基的KGM用高碘酸盐部分氧化得到二醛多糖，再将其电纺纳米纤维与己二酸二酰肼交联，可得到耐水性和力学性能优异的交联KGM纳米纤维，且由于己二酸二酰肼毒性低，交联的中性多糖纳米纤维显示出良好的生物相容性[79]。

交联改性是多糖基材料改善力学性能、提高稳定性、延长寿命和拓展功能的常用方法。相比于透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠等多糖，KGM的交联改性研究尚不充分，这可能是由于KGM能够通过脱乙酰基形成物理交联水凝胶，进而减弱了对KGM交联改性的需求。此外，KGM交联改性还存在缺乏无毒交联剂的多糖交联共性问题，有待进一步解决。

1.7 其他化学改性

KGM降解产物具有高溶解性和低黏度，且在细胞修复、抗病毒、免疫调节等方面展现出独特的生理活性[80]。KGM是制备低聚葡甘糖(KOG)的重要来源，但KGM的高分子量和高黏度不利于KOG的高效制备，利用过氧化氢激光辅助降解KGM可简便、快速地解决上述问题[81]。另外，采用γ-辐射和酶水解组合法可以获得聚合度低至2～9的KOG，该方法产量高，对氧化损伤具有显著保护作用，且KGM酶水解产物已被证实可以促进乳酸杆菌和双歧杆菌生长[82]。经超声降解的KGM水溶性得以改善，采用三氟乙酸进一步水解还可得到更低分子量的KGM混合物[83]。研究表明，降解得到的KGM低聚物组分更有利于双歧杆菌存活。

阳离子化改性通过阳离子醚化剂处理多糖产生季铵盐基团而获得聚阳离子多糖[84]。Ren等以酸性硝酸铈铵为引发剂，在水溶液中合成了葡甘聚糖接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基)三甲基氯化铵阳离子絮凝剂，KGM的阳离子取代度范围为0.09～0.3，在pH值1～9、无机盐存在条件下表现出良好的絮凝能力[85]。Wang等采用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵对KGM进行阳离子化改性，改性后的KGM可作为纸张增强剂，使纤维结合更紧密，提高纸张拉伸指数和耐折性[86]。

综上所述，多糖改性产物应用面广、功能多样，其中最重要、应用量最大的属酯化和醚化衍生物，因此，KGM的酯化和醚化改性研究值得加强。另外，改性产物中的改性基团在链上和糖单元环上的分布情况并不明晰，也少见采用区域选择性取代技术对KGM进行精准结构改性的报道。有别于通常的非区域选择性取代反应，区域选择性取代技术可获得单一精准结构的衍生物，调控产物的取代分布和取代度，是阐明KGM衍生物构效关系的纽带，相关研究值得深入开展。

2 KGM物理改性

相对于化学改性，物理改性是更简单、绿色的提高和改善材料性能的方法。物理改性未改变原料的天然结构和属性，基于消费者对天然、健康产品的推崇，对物理改性产品的需求不断增加[87]。目前，KGM物理改性主要包括共混填充[88]、物理交联[89]、微流控纺丝[90]、γ射线辐照[91-92]等方法。

2.1 共混填充

KGM具有独特的胶凝性和成膜性，可以与明胶、羧甲基纤维素、海藻酸钠和壳聚糖等多糖共混，制备出热稳定性和力学性能良好的复合凝胶。例如，将CMKGM和大豆分离蛋白共混成膜，受二者强分子间氢键的作用，共混膜的热稳定性、力学性能和水蒸气阻隔性能均得到提高[93]。KGM和黄蓍胶共混可制得热敏性水凝胶[94]，在生物医药、疾病诊疗和力学化工等领域具有应用潜力。KGM和黄原胶共混可制备高强度、可食性膜凝胶材料，共混材料的力学性能和耐水性有较大提高，有望作为食品包装材料[95]。

KGM作为可再生天然高分子，主链和支链中含有的大量羟基可与纳米颗粒相互作用，制备出高强度、高韧性、高生物相容性的水溶性纳米复合材料，用于解决日益严重的环境问题以及提高复合材料的力学性能和热性能。基于TEMPO氧化的纳米纤维素填充的KGM纳米复合薄膜展示出良好的力学性能、高透明性和高热稳定性[96]。另有研究将壳聚糖/没食子酸纳米颗粒加入到KGM水溶液中制备新型活性生物纳米复合膜[97]、将KGM与低盐肌原纤维蛋白共混制备增强型热稳定凝胶[98]、将聚多巴胺官能化微晶纤维素掺入KGM基质中制备薄膜[99]，这些KGM基薄膜都可应用于食品包装材料。在生物医药领域，共混填充改性得到的KGM复合材料也具有潜在应用价值。例如，在水体系中将银纳米颗粒通过原位还原法结合到罗非鱼鳞片明胶和KGM复合膜层状结构中，能够制备出强度高、环境友好的抗菌复合膜[100]。

2.2 物理交联

KGM不仅能够在碱性加热条件下发生脱乙酰基形成物理交联水凝胶，还可以与多糖经物理交联作用复合形成凝胶。例如，纯琼脂糖(AG)水凝胶因刚性和脆性强，应用受到限制，而KGM与AG协同作用会诱导形成更紧凑网络结构的复合凝胶，有效减少AG分子链中螺旋结构的聚集，形成多孔结构，该产物在药物缓释等领域具有良好应用前景[101]。Li等以聚乙烯醇(PVA)为交联剂交联KGM形成第一重网络，继而通过自由基聚合引入第二重聚丙烯酰胺(PAAm) 网络，所制备的双网络PVA-KGM/PAAm 复合水凝胶具有良好的力学性能和细胞黏附特性[102]。氧化石墨烯(GO)与KGM之间存在较强的分子间相互作用[103]，Wu等将基于GO和KGM之间物理交联作用制备的水凝胶，在800 ℃、N2气氛中煅烧60 min，获得了具有高弹性、低密度的三维GO-KGM多孔材料，可用于制备高灵敏度柔性应变传感器[104]。将KGM/海藻酸钠(SA)/GO溶液在高压静电辅助下注入CaCl2溶液中可制备微球，该微球在药物及营养因子结肠靶向递送中显示出应用潜力[105]。

溶胶-凝胶法和冷冻干燥法可联合用于KGM基环保型复合气凝胶的制备。例如，采用麦草增强KGM制备气凝胶，麦草的加入能显著提高气凝胶的力学性能、热稳定性和过滤性能[106]。农业废弃物小麦秸秆粉末和淀粉也被用于增强和改善KGM气凝胶物理性质的研究，如力学强度、孔径分布等，该类物理改性后的KGM气凝胶表现出优良的隔热性能[107]。将KGM与柔性SiO2纳米纤维结合，能够制备具有蜂窝状结构的超弹性、压敏碳质纳米纤维气凝胶，该气凝胶能够动态实时监测真实压力信号，灵敏度高，在电气、环境、能源等领域具有积极应用前景[108]。

2.3 微流控纺丝

KGM具有良好的生物相容性和成膜性，被作为活性化合物载体组分普遍应用于抗菌食品包装材料[109]。在诸多制备活性食品包装材料的方法中，微流控纺丝法因不需要高压电场及其他辅助措施、可以在常温环境下构建纤维薄膜而具有优势[110]。Ni等采用该方法，将KGM、聚乙烯吡咯烷酮、表没食子儿茶素没食子酸酯结合，制备出抗菌效果良好、能够促进伤口愈合的复合薄膜，为KGM基医用生物材料薄膜的构建提供了简便、绿色途径[111]。Gomes等基于壳聚糖和KGM之间的强相互作用制备了双层复合膜，该复合膜界面保留了壳聚糖和KGM的物理化学性质，表现出高生物相容性、低细胞毒性、良好的力学和阻隔性能，可用作伤口敷料[112]。Lin等利用KGM、绿原酸、甲基丙烯酸甲酯之间的亲水/疏水相互作用，借助微流控纺丝技术制备出热稳定性、防潮性能和力学性能良好的超细纤维薄膜，为KGM在高性能抗菌材料领域的应用提供了新思路[113]。

2.4 γ射线辐照

γ射线辐照为无热过程，由于电离能迅速穿透多糖颗粒而具有快速、方便、高效的特点，在食品、生物医药等领域具有广泛应用[114]。γ射线辐照能够使KGM糖苷键断裂，分子链降解，也可能导致羰基或双键形成及KGM褐变，辐照后KGM的分子量和表观黏度显著降低，稳定性得到改善，高剂量辐照会使KGM的热稳定性略有下降，但对其颗粒结构没有显著影响[115]。因此，γ射线辐照改性可以获得分散性和热稳定性较好的低分子量KGM[116]。Pan等将60Co γ射线和H2O2同时作用于KGM，结果表明γ射线辐照和H2O2处理具有协同降解效应，能显著改变KGM的物理性质[117]。

图2和表2总结了KGM的理化性质、化学和物理改性方法及改性产物的应用。相较于化学改性，KGM物理改性在不改变多糖基本结构的情况下，借助物理手段使多糖链发生降解或形成复合物，从而提高改性产物的水溶性、力学性能、抗氧化活性及生物活性等，其修饰更为绿色、安全和便捷，但如何提高改性产物的综合性能仍需进一步探究。需要指出的是，多糖的各类化学和物理改性并不是绝对独立的，改性既可以是不同化学或物理改性方法的联用，也可以是化学和物理改性方法的有机结合，这为KGM的改性提供了更多选择和途径。

图2 魔芋葡甘聚糖的改性及应用Fig.2 Schematic illustration of modification and application of konjac glucomannan注：网络版为彩图。

表2 KGM的理化性质、功能化改性及应用Tab.2 Physicochemical properties, functional modification and application of konjac glucomannan

续表2

3 KGM在食品和营养学领域的应用

KGM作为兼具高成本效益、低消化率、低热值的天然大分子增稠剂、凝胶剂和膳食纤维，已成为世界食品市场最具研究价值的亲水胶体之一[118]。KGM具有良好的生物相容性和生物可降解性，易于制成各种衍生物，也可以和海藻酸盐、黄原胶、明胶等亲水胶体形成复配凝胶。KGM在食品工业中作为成膜剂、稳定剂和增稠剂被广泛使用，对吞咽困难、高血糖、高胆固醇、肠道菌群失调及免疫系统失调等疾病的改善有积极作用。KGM及其衍生物在其他领域的应用前述内容已进行介绍，本节着重综述其在食品和营养学领域的应用研究。

3.1 用于吞咽困难特医食品

吞咽困难是一种吞咽障碍症状，通常由神经或结构性疾病如中风、帕金森、痴呆、头颈癌、多发性硬化及脊髓损伤等引起，可导致患者体重减轻、营养不良、脱水甚至吸入性肺炎及窒息等问题[119-120]。饮食治疗在改善吞咽困难及营养补充方面具有重要作用，其通过质地改良的食物减缓液体流动，保护气道，并根据个体耐受性促进饮食依从性，优化热量摄入[121]。吞咽困难患者的饮食应该具有较低的硬度和足够的黏结性以促进咀嚼、吞咽，增稠剂的使用可以改变食物的流变性质，降低食物通过口腔和咽部的速度，给肌肉更长的反射反应时间以避免误吸[122-123]。市售针对吞咽困难的食物通常采用淀粉基和胶体基增稠剂，但淀粉基增稠剂会产生吞咽后残留物，增加患者吞咽后误吸的风险，且淀粉颗粒在液体中膨胀产生的气味影响患者接受度[124]。在部分流体食品中，可采用亲水胶体作为增稠剂，其不易被唾液淀粉酶消化，易于获得具有适当黏度、保水性、硬度和平滑度的特医食品。添加KGM增稠剂改性的食品质地柔软均匀，口感好，在较宽的温度和pH值范围内稳定，有助于咀嚼能力的恢复，且能够降低血液胆固醇和血糖水平，促进肠道活动，改善免疫功能。最近，Wei等研究了羧甲基化可得然胶和KGM及其混合物在营养乳剂中的功效和适用性，以便设计新的吞咽安全营养制剂[125]。KGM的增稠性、膳食纤维特性及健康功效为吞咽困难患者的食物配方设计提供了新思路，KGM的高分子量和酸稳定性使其成为有价值的食品结构组分，可与黄原胶、淀粉等多糖复合制成吞咽困难专用营养食品[126]。综上，KGM及其衍生物在吞咽困难特医食品领域的应用值得关注。

3.2 调节血糖和胆固醇

糖尿病和心血管疾病一直是世界高患病率慢性病，其诱因与血糖和胆固醇含量直接相关，其中低密度脂蛋白含量过高会显著增加患冠心病的风险，极易引起身体器官病变。据报道，食用富含KGM的食物可降低糖尿病患者的血糖和血浆胆固醇水平，减少胰岛素分泌，保护胰腺细胞[127]。KGM对血糖和胆固醇的调节主要与细胞表面电荷的改变及抗氧自由基酶类活性的提高有关[128]。另有研究认为，短链KGM也具有降低血清胆固醇和脂蛋白胆固醇的效用[129]，通过射线辐照、氧化降解等方法制备的短链KGM可以在一定程度上改善KGM溶液的黏度和热稳定性，显著消耗血糖和胆固醇[130]。一方面，KGM在大肠中发酵产生丙酸盐，减少胆固醇合成；另一方面，KGM通过促进胆固醇酯和胆汁酸排出，降低血清胆固醇浓度。KGM为一种零卡路里的水溶性多糖，以它为原料生产的食品已在多个国家受到关注，营养学家认为在饮食中引入KGM纤维可以改善代谢，在减轻体重、降低胆固醇等方面具有积极效用[131]。需要指出的是，尽管KGM的各类功效有大量报道，但据最近的报道，服用葡甘聚糖等减肥补充剂能减重尚缺乏临床数据支撑，该方法并非有效减肥策略。另外，研究还发现，此类减肥补充剂可能会触发服用者的情绪变化，甚至会增加焦虑的风险[132]。因此，考虑到实际情况的复杂性，KGM是否具有长期减重效果仍有待进一步验证。

3.3 调节肠道菌群

食物中的非碳水化合物残留物进入结肠后，部分成分不能被消化，KGM优异的吸水性和饱腹感使其具有膳食纤维特性，能够刺激肠道运输，减少便秘。健康成年人摄入含KGM的低纤维饮食可以增加排便频率，减轻直肠压力，预防肠胃疾病[133]。

益生元是一种选择性发酵成分，可以使人体胃肠道有益微生物增殖，益于宿主健康。有益菌能积极作用于人的生理、代谢、营养和免疫，防止病原体入侵和增殖[134]。研究表明，KGM及其水解低聚糖可以选择性调节有益肠道微生物群(乳酸菌、双歧杆菌、盲肠厌氧菌等)的数量和分布，降低结肠癌发生率，具有优异的益生元效应[135]。另外，KGM在肠道厌氧菌的发酵下会产生甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等物质，类似于其他非益生元的可发酵纤维[136]。然而，通过不同方法和处理条件获得的降解KGM的营养效果尚未进行系统评估和比较。综合来看，KGM及其水解产物在脂肪替代产品及乳制品发酵等研究领域具有积极发展潜力。

3.4 调节免疫系统

KGM的膳食纤维特性使其进入胃肠道后难以被消化和吸收，在大肠能够被肠道菌群利用，有助于肠道疾病改善。研究表明，KGM可以调节免疫系统特性，如调节肠道相关淋巴组织特性、激活免疫细胞等，增强机体免疫力[137]。在一定浓度范围内，KGM可以调节大鼠血清IgA、IgG的水平以及淋巴细胞产生的免疫球蛋白[138]。小颗粒低黏度KGM还具有一定的抗炎效用，可以调节细胞因子，预防皮肤湿疹，口服短链KGM可以抑制小鼠局部肥大细胞增多和皮肤炎症免疫反应[139]。KGM也被证实能够刺激鱼和狗的免疫系统并提高其抗感染能力[140]。KGM调节免疫的机理可能是：一方面，其能够促进机体免疫细胞增殖，调节抗体分泌，清除病毒，保证免疫功能正常发挥；另一方面，KGM能够调节肠道菌群环境，促进益生菌增殖，抑制易诱发肠道疾病的细菌(如大肠杆菌等)黏附肠道上皮细胞，降低炎症发生率。

4 结论与展望

KGM是一种安全无毒的天然高分子原材料，在诸多领域具有积极而广阔的应用前景。作为从植物中分离获取的凝胶多糖和膳食纤维，KGM在食品中已被广泛用作食品原料、食品添加剂和膳食补充剂；依托良好的水合性、成膜性、胶凝性、生物降解性和生物相容性，近年来 KGM在功能材料上的应用也得到广泛研究和开发。然而，KGM较差的溶解性及材料力学性能限制了其使用范围，需要对KGM进行化学、物理改性，改善和提高其既有性能，开拓其新功能和新应用。目前，改性KGM材料已被应用于制备水凝胶、气凝胶、膜材料、药物载体、纳米颗粒和胶囊等。未来随着KGM改性研究的深入，各类改性KGM会得到更广泛、更重要的应用，其相关研究可关注以下几个方面。

(1)相比于纤维素和淀粉改性，KGM改性应用还十分有限，特别是改性KGM的工业化应用极少，更大程度地发挥KGM的工业价值仍是将来最重要的研究方向。

(2)深层次融合各类化学和物理改性技术，进一步创新改性方法，是KGM改性研究的重点。当前报道仅对许多KGM改性产物提出了潜在应用领域，如作为生物塑料、乳化剂等，其实际应用功效还有待进一步验证。在产品开发中分子链糖苷键的固有不稳定性、分子量分布较宽、糖单元序列结构不规则等因素需要考虑，KGM衍生物的结构-功能-应用系统研究需要加强。此外，KGM新衍生物的应用还需满足相关法规，获得批准。尽管魔芋精粉被美国FDA批准为食品添加剂，许多改性方法也被认为是安全的，但迄今为止，还没有魔芋胶衍生物被FDA类似机构批准使用。

(3)天然KGM的化学结构是含乙酰基的葡甘聚糖，而在碱性条件下脱乙酰化后形成的脱乙酰化KGM严格说并不是纯天然产物，而是半天然或天然KGM的改性产物。研究和应用中更多使用的是失去天然化学结构的脱乙酰化KGM，而对未脱乙酰化、具有天然化学结构KGM的研究被弱化，其性质和功能仍未被深刻认识，其研究难度与下述提及的天然KGM的低水溶性有很大关系。KGM及其衍生物溶液性质的基础研究仍不充分，如何维持溶液或分散液黏度稳定性也是实际应用中的难题。

(4)KGM虽然是一种水溶性天然高分子，但在常温和一般条件下，其溶解度很低，难以得到真正的水溶液。尽管一些化学改性能大大提高其水溶性，但碱性条件下的改性过程会不可避免地在不同程度上降低KGM分子量，在分子量降低的同时还会发生脱乙酰化，使KGM失去化学结构的天然性。如何在改性的同时保持KGM高分子量的特点和天然化学结构，是KGM化学改性中颇具挑战性的问题。

(5)对不同来源、不同产地、不同品种KGM的化学结构表征和分子构象研究尚不充分。KGM精细化学结构仍未被全面了解，特别是甘露糖和葡萄糖的序列结构、可能存在的支化结构以及不同品种之间化学结构的差异性，阐明精细结构对获得性能均一的低聚或寡聚KGM及其改性产物尤为重要。与纤维素和淀粉不同，低分子量或超低分子量的杂多糖KGM化学结构和性能可能存在巨大差异，如何低成本、绿色、高效地获得低分子量KGM也是尚未有效解决的问题。

(6)区域选择性取代反应对了解多糖分子构象、水溶性和构效关系非常重要，糖环上不同羟基的反应选择性不同。化学改性中对KGM采用区域选择性取代法的研究甚少，对取代发生在糖单元和整个高分子链上的位点和分布了解甚少，取代度和取代分布对衍生物性能的影响也认识不足。

(7)脱乙酰化KGM形成凝胶的热不可逆性与氢键作用的温度响应性不一致，KGM分子也不存在明显的疏水性基团，KGM物理凝胶形成的驱动力仍不明晰，包括分子间氢键的作用方式、甘露糖和葡萄糖残基片段的不同作用、是否存在疏水作用及其对凝胶网络形成的贡献大小和方式。

(8)对KGM用于药物封装和控释材料的健康功效缺乏系统、直接、令人信服的科学依据，特别是缺乏长期的体内和临床研究。KGM的药用价值和保健作用亦无系统性报道，也未形成共识，许多功能仅基于实验室研究。相比于纤维素和淀粉衍生物及其在食品和医药领域的广泛应用，KGM衍生物的生物相容性、食用安全性、毒性尚未得到全面评估，在食品和药品中的实际应用鲜有报道。

(9)KGM结晶性能和高浓度下形成液晶的研究和应用不足，改性对结晶行为的影响少有报道。

(10)材料类的应用研究大多未充分考虑KGM和改性KGM作为天然高分子的易降解性以及化学结构差异性可能带来的性质和功能的差异性。

KGM的开发对我国多糖研究和产业化具有特殊意义，在众多工业多糖特别是大宗工业植物多糖中，KGM是我国唯一的特产，深层次魔芋资源的高附加值综合利用及KGM改性和功能化研究在我国仍亟待加强。对KGM新功能、新材料的开发，特别是健康功效和生物新材料的开发，需要加强基础理论研究和工业化应用研究。与此同时，还需多学科协同，突破固化学科边界，加强高分子科学与食品科学、营养学和生命科学的交叉融合。