魔芋葡甘露聚糖对淀粉性能的影响及其在功能性食品中的应用进展

韩 倩，周童欣，李英溥，李国栋，宋兆萍，刘小娜，王慧丽

（齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东济南 250353）

魔芋葡甘露聚糖（Konjac glucomannan，KGM），又称魔芋胶，是从魔芋根茎中提取的一种天然多糖大分子，主链由β-D-甘露糖和β-D-葡萄糖单元通过1，4糖苷键链接（图1），根据基因型的不同，分为1.6:1和1.4:1（摩尔比）两种，结构不同的产品功能也略有差异[1−2]。魔芋隶属于天南星科（Araceae）魔芋属（AmorphophallusBlume）多年生草本植物，是自然界唯一能大量提供葡甘聚糖的重要经济作物。魔芋原产于印度，目前在我国种植广泛，已成为云贵陕川等贫困山区的重要的经济作物，也是近年来乡村振兴重点推广种植的作物[3−4]。

图1 魔芋葡甘露聚糖的结构Fig.1 Chain structure of konjac glucomannan

作为目前比较成熟的食品添加剂，KGM在食品中最大允许添加量为10 g/kg[5]，主要原因是KGM在人体并不能被完全吸收，未被吸收的大分子在肠道中滞留时容易被肠道菌群利用从而发酵。因此，一旦摄入过量，不耐受体质的个体容易产生腹部不适，如便秘或者腹泻[6]。而在摄入量范围内，KGM对人体健康有益[7]，并且由于魔芋块茎中含有丰富的生物碱、果胶、氨基酸、微量元素等，会随着KGM一起被留着，伴随着食品进入人体并产生有益健康的功效，可在口腔、食道、胃、小肠、大肠等各处发生作用，有助于增强身体的免疫系统，治疗疾病状态。另外，KGM具有调节脂质代谢[8]、调节肠道功能[9]、增强免疫力和抑制肿瘤[10−11]、延缓衰老[12]等的作用，被用作保健食品原料（如无糖魔芋软糖[13]、魔芋粉条[14]、魔芋豆腐[15]）、食品添加剂[16]和食品保鲜剂[17]等。除此以外，KGM具有生物相容性好、无毒、无害且可生物降解等优点，可与淀粉、黄原胶、卡拉胶等多糖协同作用，被广泛应用于食品、制药、材料等领域，具有巨大的应用价值[18−21]。

近年来，研究者对KGM与多糖间相互作用机理，KGM对多糖性能的影响开展了大量研究工作，淀粉作为食品中最重要的多糖，在KGM作用下性能变化显著[22−23]。本文在总结KGM对淀粉性能的影响基础上，综述了其在功能性食品中的应用，希望进一步推动魔芋产品的应用，为功能性食品的发展提供新的思路，提高社会和经济效益。

1 KGM对淀粉性能的影响

KGM是一种用途广泛的多糖，尽管KGM及其衍生物已被研究和利用多年，但与纤维素、淀粉等一些已被广泛认知的多糖相比，对KGM这一多糖及其衍生物的认识还有很多工作要做，更有潜力的产品有待于开发。淀粉是提取自植物的多糖，其最终水解产物为葡萄糖，可为人体供能，然而天然淀粉具有易回生、热不稳定等的缺点[24]，不能满足某些食品性能要求，需要采用物理、化学或者酶作用来改善天然淀粉的特性，鉴于化学改性易污染、酶改性成本高，便捷、绿色、低成本的物理改性是常用方法。KGM对天然淀粉在流变特性、回生特性、消化特性等方面的改良具有有益作用。

1.1 流变特性

在食品生产加工过程中，有水存在的环境中淀粉受热会发生糊化，淀粉颗粒膨胀、分子部分溶解，黏度增高，食品加工过程中流变学特性直接影响食品特性，最终改变食品的口感。通过KGM改善淀粉流变学特性，改善淀粉基食品内部结构，可改善食品质量，提供更为丰富淀粉基食品种类[25]。

Sun等[26]考察大米淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉的流变性变化规律，研究发现三种淀粉与KGM结合后均表现出剪切变稀的特性，KGM可与游离水结合，减少淀粉中的游离水，导致流体系数减小，表现为假塑性行为。Liu等[27]研究发现在美人蕉淀粉中添加KGM，观察到具有私密网格的多空微结构，可以显著改善流体的流变性能。冯佳[28]通过实验也发现，KGM的增稠效果和KGM与膨胀淀粉颗粒之间的相互作用都可能导致淀粉黏度增加。Ma等[29]探究了KGM对玉米淀粉流变特性的影响。结果分析发现，随着KGM含量的增加，淀粉-KGM混合物表现出更为明显的非牛顿剪切稀化特性，而这种特征表现在产品上就是流变性能降低。

KGM可吸收自身质量100倍的水，与水分子之间以氢键、偶极等相互作用聚集形成超分子，具有极强的持水性和增稠性。KGM加入淀粉类食品中时，与体系中游离水的结合，导致体系黏度增加、流变性能降低。

1.2 回生特性

淀粉类食品在储存过程中回生后，食品的黏稠度、硬度、口感及透明度等性能发生变化，是影响淀粉类食品质量的关键因素。淀粉的回生实际是聚合物结晶过程，回生后的淀粉结晶稳定性更高，难以糊化，且具有抗酶解特性，不易被人体消化吸收。抑制淀粉回生是淀粉类食品生产中需要考虑的重要问题。

针对水煮小麦面条中淀粉回生和水分迁移导致的质量变差和保质期短的问题，Ge等[30]展开通过添加KGM改善产品质量的研究，并建立了保质期预期模型。研究发现KGM抑制了面条中结合水和静止水的流动性，KGM不会改变面条内部结构，但可以抑制冷藏后淀粉的再结晶，阻碍了淀粉回生。Guo等[31]也探讨了KGM对冷冻小麦淀粉回生的影响。结果表明，KGM的加入显著抑制了冷冻淀粉凝胶的回生，改善了面条因淀粉回生导致的质量变差和保质期短的缺陷。Ning等[32]也发现KGM的加入抑制了脱支玉米淀粉的长期回生。KGM与水分子结合，在低温状态下阻止了淀粉分子的运动，从而阻止淀粉回生，保持产品良好的品质。

淀粉分子在糊化过程中氢键断裂，水分子进入淀粉微晶束结构，分子混乱度增加，而回生则是完全糊化的淀粉在较低温度下自然冷却或缓慢脱水干燥，使在糊化时被破坏的淀粉分子氢键再度结合，分子重新变成有序排列的现象。在KGM存在的体系中，水分子与KGM优先结合，可以很大程度抑制淀粉回生。

1.3 消化特性

淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成的多糖化合物，不同来源的淀粉结构差别很大，其物理化学结构及营养特性决定了淀粉类食品的品质，在食品加工中通过添加食品添加剂改变淀粉结构及功能，从而改善淀粉基食品的营养特性，可拓展更为广阔的淀粉类食品市场。作为人类重要能量来源，除了淀粉来源、颗粒大小、破损程度及表面特性等影响淀粉消化率，直链和直链淀粉含量、糊化温度、结晶度等因素对淀粉的消化特性都有影响。

KGM与淀粉相互结合，可以降低淀粉的消化率。为了更深入地了解KGM与淀粉的相互作用，Zhu等[33]研究了添加高达20%的KGM对藜麦淀粉和玉米淀粉的理化性质的影响。结果表明，添加KGM后，两种淀粉糊化过程中的黏度、膨胀力和水溶性均有提高，淀粉的体外消化率降低。He等[34]的研究也表明，淀粉与KGM具有协同作用，KGM的加入可使淀粉结构更加紧凑，抑制了淀粉的膨胀，并且使得淀粉分子微观结构发生了变化从而降低淀粉消化率。Ning等[35]开发低消化率的脱支玉米淀粉/KGM复合物并研究其理化性质，通过激光共聚焦显微镜可观察到KGM包裹脱支玉米淀粉，颗粒均匀而致密，玉米淀粉溶解度降低，而溶胀力增加。体外消化分析结果发现KGM阻碍了消化酶对淀粉的攻击，可有效降低淀粉消化率。蔡攀福等[36]也发现，添加KGM可降低面条体外淀粉消化率。

淀粉基食品被人体摄入后，需要经过淀粉酶的作用水解为葡萄糖才能被人体吸收利用[37]，KGM的加入使得淀粉分子微观结构发生了变化，在淀粉表面形成了粘膜类的物质，包裹淀粉颗粒，使得淀粉酶无法作用于淀粉分子，抑制了淀粉的消化，阻碍了葡萄糖的产生。

1.4 其他性能

KGM对淀粉的粘弹性、吸水能力、凝胶强度也有影响。Sun等[38]考察KGM对大米、马铃薯和豌豆淀粉性能的影响。发现KGM增加了淀粉的粘弹性，提高淀粉的糊化温度，抑制老化，利于改善淀粉类食品口感。Varela等[39]也发现KGM提高小麦淀粉和马铃薯淀粉粘弹性，而且能够降低淀粉水溶性指数和吸水能力，主要是因为KGM优先吸收了体系中的游离水。Fang等[40]发现KGM可增加马铃薯淀粉剪切诱导形成的凝胶强度。黎欢等[41]研究发现KGM可促进百合淀粉糊化，降低黏度。

2 KGM在功能性食品中的应用

随着人们生活品质的提高，对食品的要求不仅局限于营养供给、口感等基本要求，减肥塑身、保健、富含活性物质等各种功能性食品需求日益旺盛。KGM在功能性食品中应用广泛，如图2。

图2 KGM在功能性食品中的应用Fig.2 Application of KGM in functional foods

2.1 活性物质运送功能性食品

姜黄素是自姜黄根茎提取的一种多酚类活性物质，不仅具有良好的抗炎和抗癌特性，还可以降血糖、抗氧化、抗凋亡等[42]，但姜黄素水溶性差、稳定性低，导致其利用率低[43]，因此提高姜黄素的利用率便成为迫在眉睫的事情。Zheng等[44]研究发现，通过添加KGM可降低乳状液中姜黄素的释放速率，从而进行精准的靶向给药，为人体提供活性物质的精准释放，可用于克服姜黄素作用于人体时的生物利用度低的缺点。

与姜黄素类似，β-胡萝卜素作为一种优良着色剂，具有多种优良的生理功能[45]，如抗氧化性、增强免疫力等，但由于其生物活性易受环境影响，因此极大的限制了β-胡萝卜素的应用。Lu等[46]研究水包油乳液油相中溶解的β-胡萝卜素的释放性能，通过检测水相中β-胡萝卜素的含量发现，含KGM比不含KGM乳液中β-胡萝卜素的最终释放速率低，且释放速率随KGM含量的增加而降低。

综上所述，KGM可作为活性物质运送和释放的载体，在提高活性物质的生物利用率方面发挥作用。

2.2 减肥塑身功能性食品

除遗传因素以外，环境和生活方式也是导致人肥胖的重要因素[47]，尤其是饮食习惯，理论上来说，减少能量摄入、增加能量消耗是实现能量平衡的主要机制，因此，“管住嘴、迈开腿”也就成了减肥的主要行动方式。

低脂食品是减少能量摄入的一种方式，有助于预防肥胖[48]。经由牛奶发酵浓缩而成的奶酪是我国游牧民族的传统食物，不仅味道鲜美、营养丰富、方便携带，收到众多消费者追捧。但其油脂含量高限制了其消费量，低脂奶酪为肥胖和减肥人群提供了一种美食。Felix等[49]用0.5% KGM生产低脂加工奶酪，以减少奶酪脂肪含量。脂肪减少改变了加工奶酪的颜色和融化特性，相比于标准样品在28 ℃即发生熔化，含有KGM或魔芋粉的低脂奶酪没有熔化，显示出更稳定的结构，这为开发更多低脂奶酪制品提供了新思路。

KGM为低热量的固体物质，可用于低能食品生产[50]。利用KGM凝胶性制作的低能量魔芋面条、魔芋凉皮、魔芋蛋糕等，相比小麦淀粉面条，不仅能大量减少人体摄入的能量，而且提供不错的饱腹感。Guo等[51]研究证明KGM可以提高餐后短期饱腹感并能维持长期饱腹感，还可以通过延迟胃内食物排空并控制食欲减少食物的摄入，具有良好的控糖和抑制肥胖的效果。此外，KGM还是一种优良的膳食纤维，有着润肠通便的作用，不仅可用于制备以上减肥产品，可用于解决减肥人群常伴随的便秘问题[52]。

2.3 预防疾病功能性食品

在日常饮食中，摄入足量的膳食纤维可以在一定程度上预防心血管疾病、高血脂、高胆固醇、肥胖症等高发疾病。KGM作为一种优良的水溶性膳食纤维，在预防以上疾病方面也具有一定的功效，KGM类保健产品日益增多。

黄艳[53]探究KGM与桑叶粉复配物增强骨密度的功效。研究发现，桑叶粉/KGM可以促进小鼠骨骼生长，增加骨骼中钙的储存量提高骨的质量，具有增强骨密度的功效。此外，桑叶粉/KGM复配物还具有肠道益生性，可显著增大小鼠盲肠壁表面积、盲肠内容物水分及短链脂肪酸浓度，降低盲肠内容物pH、游离氨，抑制盲肠内容物中大肠杆菌的生长，促进双歧杆菌和乳酸菌的增值。Mao等[54]探究KGM对小鼠肠道微生物群的保护作用。研究发现高分子量KGM对肠道微生物群具有良好的保护作用，可防止生物体内抗生素扰动。

KGM及其衍生物还具有保肝护肝、调节血脂、抗肿瘤等功效[52]，作为添加剂添加到食品中可制备多功能保健食品。

2.4 其他功能性食品

随着KGM在食品中的应用研究拓展，更多KGM基功能性食品获得推广应用，如降血糖食品、凝胶食品、解酒食品等。

KGM可以增加末梢组织对胰岛素的敏感性，降低对胰岛素的需求，从而调节机体血糖水平。庄新栋等[55]将KGM与大米进行复配得到魔芋重组米，将魔芋重组米分为低中高剂量组，对大鼠进行饲料干预，30 d检测空腹血糖值均显著性降低，说明KGM具有优良的降血糖作用。

碱诱导KGM凝胶自古以来就是许多亚洲国家很受欢迎的食品。Yang等[56]研究发现，黄原胶（XG）加入KGM凝胶体系中90 ℃保温2 h，然后冷却至室温的方法可使复合凝胶体系凝胶化。复合凝胶的凝胶强度增加明显，XG的加入也降低了复合凝胶在冻融处理过程中的水解率。Yang等[20]基于黄原胶与KGM的协同凝胶机理，提出了一种制备高粘弹性乳胶凝胶的简便方法。梁娜等[57]以乙醇致醉的小鼠为实验对象，发现KGM具有良好的解酒防醉效果，可用以制作“解酒药”投放市场。

3 结论

作为一种天然大分子多糖，KGM对淀粉流变特性、回生特性、消化特性等性能具有显著影响，在淀粉类食品中添加KGM，可赋予食品更为优异的性能。KGM在活性物质运送、减肥塑身和预防疾病等功能性食品开发中也已获得应用，可为人类提供更为丰富的功能性食品。

然而，KGM作为一种复合多糖，其结构、功能等在理论界还存在一定的争议，深层价值尚未被人类充分认识及开发。KGM与食品中的主要组分，包括淀粉等碳水化合物、脂肪、蛋白质等大分子的相互作用机制研究尚存在诸多空白，利用各种技术手段探究KGM结构与性能，掌握KGM与食品主要大分子的作用机理，还需继续深入研究。在食品生产实践中，利用KGM的天然功效，开发固态、液态、凝胶、颗粒等多种形态的功能性食品具有广阔市场前景。