魔芋葡甘聚糖理化性质及应用前景

2023-07-30张颖

食品安全导刊 2023年18期

张颖

（武汉产品质量监督检验所，湖北武汉 430040）

魔芋，是一种多年生草本植物。魔芋的块茎大部分呈扁球状，由于魔芋生长年限和品种不同，块茎有大有小，一般在3～5年内可以收获。魔芋植株高40～70 cm，喜阴，叶柄粗，花紫色，有特殊气味，不能生吃。我国魔芋广泛分布在东南山地、云贵高原、四川盆周山地等湿润季风气候区域。我国魔芋品种有26种，我国的特有品种有14种，花魔芋和白魔芋是我国目前栽培最多、分布最广的品种，具有很高的研究价值[1]。魔芋的主要成分有水分、葡甘聚糖、淀粉、纤维素与半纤维素、蛋白质、氨基酸、生物碱以及20多种无机成分[2]。其中，葡甘聚糖在魔芋中的含量很高，高达50%～60%。

魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan，KGM）是一种非离子型水溶性高分子多糖，分子式为（C6H10O5）n，由d-甘露糖和d-葡萄糖通过β-（1,4）糖苷键连接，以摩尔比为1.6∶1或1.4∶1与乙酰基组成[3]。乙酰基是葡甘聚糖分子结构的特殊存在，它不仅影响葡甘聚糖的亲水性，还影响葡甘聚糖的胶凝性质。在碱性条件下，去除乙酰基，可促进葡甘聚糖形成不可逆凝胶[4]。测定葡甘聚糖含量的主要方法有苯酚比色法、气相色谱斐林滴定法和3,5-二硝基水杨酸比色法等[5]。其中，3,5-二硝基水杨酸比色法相对简单、成本低，是葡甘聚糖含量测定的理想方法。葡甘聚糖被广泛应用于食品行业[6]，以及化妆品、化学合成等领域[7]。

总的来说，我国魔芋资源丰富，魔芋中的葡甘聚糖极具开发利用价值，深入研究葡甘聚糖的理化性质对实际应用具有指导意义。为全面了解葡甘聚糖，本文对魔芋葡甘聚糖的理化性质以及应用前景进行综述。

1 理化性质

1.1 水溶性和保水性

魔芋葡甘聚糖分子中含有大量的羰基、羟基等亲水基团，可以通过分子偶极、氢键、诱导偶极、瞬时偶极等作用力与大量的水分结合，形成巨大分子并且难以自由移动。魔芋葡甘聚糖溶液为非牛顿流体溶胶，保水量是其自身重量的几十倍甚至上百倍。但是，在将葡甘聚糖溶于水的过程中，由于水分子的扩散迁移速率远大于葡甘聚糖分子的扩散迁移速率[8]，葡甘聚糖颗粒膨胀，颗粒容易相互黏结成块状。如果不加热，在一定时间内水溶性较差[9]。

1.2 增稠性

魔芋葡甘聚糖由于分子量大，与水的结合能力强，在水溶液中具有很高的粘度。1%的魔芋精粉粘度可以达到每秒几十到几百帕斯卡，具有良好的增稠效果。研究表明，在相同浓度下葡甘聚糖溶胶的粘度远高于阿拉伯胶、卡拉胶、黄原胶等增稠剂[10]。葡甘聚糖没有电荷，是一种非离子多糖，在食物体系中受盐的影响较小。此外，葡甘聚糖与其他增稠剂混合时，表现出良好的协同增稠效果[11]。因此，在食品中应用葡甘聚糖可以减少增稠剂的使用量，节约生产成本。

1.3 凝胶性

葡甘聚糖溶液可以在剪切作用下变稀，降低粘度[12]，具有一定的流动性，静止后，流动性变小，形成凝胶。葡甘聚糖在不同的条件下可以形成热稳定（热不可逆）凝胶和热不稳定（热可逆）凝胶[13]。葡甘聚糖与卡拉胶、黄原胶等具有较强的凝胶协同作用；与卡拉胶混合时，葡甘聚糖比例越大，凝胶韧性越强；相反，凝胶越脆。魔芋葡甘聚糖在上述条件下形成的是热可逆的凝胶。但在碱性条件下加热，凝胶则是热不可逆的。如在NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3等存在时，在加热的环境中，葡甘聚糖上的乙酰基团会脱落，形成稳定的凝胶状态，即使在100 ℃循环加热的条件下，其凝胶强度也基本不变[14-15]。

1.4 成膜性

葡甘聚糖溶胶可以在碱性环境下加热脱水，然后经过适当处理，形成具有良好成膜性能的食用膜材料[16]。该膜在冷水、热水和酸性溶液中稳定，可在食品工业中制作食品调味品和食品工业中的包装材料以及用于果蔬涂膜保鲜。在医药方面，可经过适当改性后，作为微胶囊用于药物的靶向输送[17]。此外，加入保湿剂可以改变膜的机械性能。随着保湿剂用量的增加，膜的强度减小，柔软度增大。加入亲水性物质可提高膜的通透性；加入疏水物质会降低膜的透水性。

1.5 衍生性

由于葡甘聚糖具有独特的主体长链结构，其主链和支链上有许多羟基和可置换的活性基团。为了有效提高原有的稳定性和黏度，改善悬浮性或成膜性，提高其溶解度，可采用不同的化学方法进行各种酯化、醚化、甲基化等衍生物反应和水解反应。葡甘聚糖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，是一种酯化改性[18]。酰基化改性后葡甘聚糖是热塑性的，其热性能和力学性可以通过酰基结构来调节。

2 葡甘聚糖的应用前景

2.1 葡甘聚糖在食品加工中的应用

在食品加工方面，魔芋葡甘聚糖有凝胶增效作用[19]。研究人员在面条、馒头等这类传统食品中加入葡甘聚糖，既保留了传统的风味，又使其具有保健功能。同时，果冻、布丁和可吸冻等[20]凝胶食品都可用魔芋葡甘聚糖作为基料。在保健食品方面，葡甘聚糖营养价值高，不提供热能，被称为保健食品。其具有调节胆固醇代谢、减肥、便秘、糖尿病等作用，对动脉硬化、胆结石、肥胖症等有显著疗效。魔芋葡甘聚糖可制成酸奶、软糖、冰淇淋辅料、罐头和仿生食品[21]等。近年来，通过科学家们的研究，已经成功研制出纯度在90%以上的魔芋葡甘聚糖微粉、魔芋挂面和魔芋果冻等，在市场上广受各方好评，引起了人们的注意。

2.2 葡甘聚糖在工业中的应用

葡甘聚糖具有成膜性的理化性质，在光滑的表面上倒入1%的魔芋精粉溶胶，经过空气干燥，即可得到柔软的膜。在环保领域，人们主要利用其成膜性能制作保鲜膜和可降解膜，替代原有的包装材料；利用其黏结性和生物降解性生产废水处理剂等。魔芋葡甘聚糖可用作黏合剂，棉纱的浆料，糊料后处理的柔软剂和丝绸透印的印染，各种护发素、化妆品、护肤品的基质，建筑涂料，建筑混凝剂，工业废水的净化剂，重金属离子的快速絮凝剂，可降解塑料、陶瓷的黏合剂，制作微胶囊，造纸及作为固定化酶的载体等[22]。

2.3 葡甘聚糖在药品中的应用

葡甘聚糖是一种低热量的化学物质，不会被肠道中的消化酶消化，它能在进食后产生饱腹

感，并能延缓甚至降低葡萄糖的吸收，使血糖水平下降，起到防治糖尿病的功效[23]。葡甘聚糖能增强动物的特异性和非特异性免疫功能，调节免疫活性，对大肠癌、肺癌等癌症疾病有一定的预防作用[24]。服用葡甘聚糖对结肠癌和乳腺癌症患者有一定疗效。原因可能是葡甘聚糖起到了稀释致癌物浓度、加速其排出体外的作用；同时，肠道细菌发生变化，增加肠道厌氧菌数量，起到了一定的抗肿瘤效果。