不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的研究進(jìn)展

姚 雪，韓本超

(西南科技大學(xué)生物質(zhì)材料教育部工程研究中心，四川綿陽621010)

不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的研究進(jìn)展

姚 雪，韓本超

(西南科技大學(xué)生物質(zhì)材料教育部工程研究中心，四川綿陽621010)

綜述了不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的制備方法、理化性質(zhì)和生理功能等方面的研究進(jìn)展，并探討了其中的利弊，以期為不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的進(jìn)一步研究和規(guī)模化生產(chǎn)提供一些理論參考。

魔芋葡甘聚糖，魔芋葡甘露低聚糖，降解，理化性質(zhì)，生理功能

1 魔芋葡甘露低聚糖的制備

1.1 制備方法

降解天然KGM的方法主要是酶降解法、酸降解法和輻照降解法，此外還有堿降解法、超聲降解法、酸酶結(jié)合降解法等等。

1.1.1 酸降解法 酸水解法［14－16］是一種傳統(tǒng)的降解方法，早期應(yīng)用較多，但由于酸降解反應(yīng)條件劇烈，對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，反應(yīng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，對環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點，目前已逐漸被淘汰。

1.1.2 輻照降解法 在食品工業(yè)中，輻照被認(rèn)為是一種高效、低廉的物理加工手段而受到青睞。近年來，利用輻照技術(shù)降解KGM的研究也不斷出現(xiàn)，徐振林［17］等人利用60Coγ－射線對KGM進(jìn)行輻照降解，發(fā)現(xiàn)KGM的分子量和粘度隨著輻照劑量的增加而顯著下降，但輻照前后KGM的熱性能變化不明顯。劉勤生［18］等人利用60Coγ－射線輻照處理KGM得出了相同的結(jié)論，同時，他們還指出經(jīng)輻照處理后，魔芋膠的粘度、熱可逆性提高，經(jīng)8kGy輻照的樣品粘度、熱可逆性最好。師萱［19］、鄧霄［20］等人也相繼報道了輻照法降解KGM的研究。

1.1.3 酶降解法 酶降解法是目前運用最廣的方法［21－24］。酶降解法因其清潔、條件溫和、可控性強(qiáng)等優(yōu)點被廣泛用于天然KGM的降解中，使用的酶需要能夠切斷β－1，4吡喃糖苷鍵的內(nèi)切糖苷酶。目前已用于生產(chǎn)的酶主要是β－甘露聚糖酶、纖維素酶和β－葡聚糖酶。β－甘露聚糖酶是一種能水解多種甘露聚糖(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)的主鏈β－1，4－D－甘露糖苷鍵的半纖維素酶［25］，是一種專一性的內(nèi)切水解酶，它的來源非常廣泛，可以由微生物代謝產(chǎn)生，如:地衣芽孢，枯草芽孢桿菌，黑曲霉和產(chǎn)紫青霉等等;一些低等動物的腸道分泌液中也可以分離得到β－甘露聚糖酶;此外，從魔芋塊莖中也可以提取出β－甘露聚糖酶。纖維素酶是一種復(fù)合酶，主要由3種酶構(gòu)成，包括外切葡聚糖酶(c1)、內(nèi)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謝產(chǎn)生，能有效降解 β－葡聚糖分子中的 β－1，3和β－1，4糖苷鍵，使之降解為小分子。在這三種酶中，β－甘露聚糖酶和β－葡聚糖酶比纖維素酶的專一性更強(qiáng)、效率更高、運用更廣，陶興無等人［26］已經(jīng)證實了這點。

酶降解過程中可控因素比較多，如可以通過加酶量、酶解時間、底物濃度、反應(yīng)的pH和溫度等來控制降解產(chǎn)物的分子量和降解產(chǎn)物的多分散系數(shù)。由于酶活力受到反應(yīng)條件的影響十分顯著，因此，要得到高分子量和低分子量的KOGM可以通過酶解的條件得到很好地控制［27］。目前，對天然KGM酶解過程的機(jī)理也研究得比較透徹了［23，28］，要通過酶降解得到窄分子量分布寬度的各種不同分子量KOGM指日可待。相對而言，酸降解法和輻照降解法都是比較極端的降解法，降解條件比較劇烈，得到的一般都是分子量很低的降解產(chǎn)物，降解過程中可控條件少，這對于要得到不同分子量的KOGM以及要控制這些KOGM的多分散系數(shù)都是很不利的。所以，若要達(dá)到可控降解的目的，目前酶降解法相對而言是最理想的。

1.2 KOGM分子量及多分散系數(shù)的研究

1.2.1 KOGM分子量及多分散系數(shù)的研究方法 對KOGM分子量及KOGM多分散系數(shù)的測定方法主要有粘度法、凝膠滲透色譜法(GPC)、凝膠滲透色譜－靜態(tài)光散射聯(lián)用法(SEC－MALLS)［22］。粘度法受外界條件影響顯著、誤差較大，而且不能確定樣品的多分散系數(shù)，隨著分析技術(shù)的進(jìn)步將逐漸被取代;GPC雖然能測定分子量及分子量分布，但需要標(biāo)準(zhǔn)品校準(zhǔn)且測得的值都是相對的;SEC－MALLS不需要標(biāo)準(zhǔn)品即可測定樣品的絕對分子量和多分散系數(shù)，同時還能得到均方根旋轉(zhuǎn)半徑、構(gòu)象指數(shù)等分子參數(shù)，是目前最具有前景的分析方法［29］。

1.2.2 KOGM分子量范圍的研究 目前，KGM的酶催化降解中一般是將KGM降解成分子量極低的低聚糖(分子量通常在10000以下)，而未得到其它分子量KOGM［21，30］。少數(shù)制備其它分子量KOGM的報道，一般是通過酶解反應(yīng)的時間和加酶量來控制產(chǎn)物的分子量，隨機(jī)性強(qiáng)，重現(xiàn)性不高，產(chǎn)物的分子量也不全面［17，31］。因而，如何系統(tǒng)得到不同分子量KOGM需要進(jìn)一步的研究。

2 不同分子量KOGM理化性質(zhì)的研究進(jìn)展

2.1 水溶性及與其它物質(zhì)的反應(yīng)能力

不同分子量KOGM在水中的溶解性是不一樣的，并且分子量越高，溶解度越低，Zhi－Gang Chen，Min－Hua Zong，Guang－Ji Li［23－33］的研究已經(jīng)證實了這一點，他們已測得KOGM分子量為78000、114000、208000、270000、980000u時的溶解度分別是44.8× 10－2、37.2×10－2、15.2×10－2、9.6×10－2、3.7×10－2mg/mL。并且，他們通過掃描電子顯微鏡觀察到低分子量KOGM顆粒沒有高分子量KOGM顆粒的結(jié)構(gòu)緊密，并且具有更多的多孔性結(jié)構(gòu)。由此可見，低分子量的KOGM不僅能夠增加天然KGM的溶解度，還能更有利于KOGM與其它物質(zhì)的反應(yīng)。

2.2 流變性質(zhì)和凝膠機(jī)理的研究

M Yoshimura，K Nishinari［30］和H Zhang［32］等人研究了4種不同分子量KOGM(分子量分別是2.56× 105、4.38×105、4.44×105、5.96×105u)的流變性質(zhì)，他們指出分子量的大小對KOGM的流變性質(zhì)影響十分顯著，在同等條件下，分子量越大，凝膠速度越快，且凝膠的彈性模量和儲能模量都越大，原因是長分子鏈之間更容易互相穿插、纏結(jié)形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而增加了凝膠的彈性和穩(wěn)定性。如2%的分子量為2.56×105u的KOGM在60℃時形成凝膠的損耗正切 tanδ＜0.1，而分子量大于4.38×105u的KOGM，tanδ＞0.1，即前者凝膠較弱，后者凝膠具有彈性。Zhenglin Xu等人［17］通過輻照降解天然KGM得到了兩種不同分子量的KOGM，分別是3.703×105和3.99×104u。通過對這兩種KOGM和天然KGM的分析測定，發(fā)現(xiàn)隨著KGM分子量的降低，其水溶液的表觀粘度也會相應(yīng)降低，但粘度穩(wěn)定性卻有所改善。紅外分析表明，輻照前后KGM沒有明顯的結(jié)構(gòu)變化，但是紫外結(jié)果顯示，輻照降解后KOGM在365nm處有明顯的吸收峰，并且分子量越低越明顯，他們推測這可能是由羰基或者雙鍵導(dǎo)致的。高劑量的輻照還會使得KOGM的熱穩(wěn)定性稍有下降。

2.3 對KGM成膜性質(zhì)的改善

L H Cheng等人［33］用不同程度酸解制備的KOGM制成可食性薄膜，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，酸處理后的可食性膜能夠表現(xiàn)更好的吸水能力和透濕性，隨著KOGM分子量的降低和多分散系數(shù)的增加，彈性模量和拉伸強(qiáng)度都有所增加，但是當(dāng)KOGM分子量過低時，這些指標(biāo)便會下降。因此，可以通過酸解的程度、KOGM的分子量和多分散系數(shù)來控制薄膜的吸水性、透濕性、熱穩(wěn)定性和拉伸強(qiáng)度等性質(zhì)，制備出更加符合實用要求的薄膜。相同的報道如一定程度酸解的乳清分離蛋白形成的薄膜［34］和一定程度水解的馬鈴薯淀粉形成的薄膜［35］也能表現(xiàn)出比未經(jīng)過降解處理的原料形成的薄膜更優(yōu)良的性質(zhì)。

2.4 高脂食品的模擬

Kuo Wei Lin，Chiu Ying Huang［36］利用超聲降解的方法制備了不同分子量KOGM，并研究了不同分子量KOGM凝膠的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，評價了不同分子量KOGM的添加對中國低脂香腸的組織結(jié)構(gòu)和感官性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著分子量的降低，KOGM凝膠的儲能模量和損能模量也會相應(yīng)的降低。KOGM能夠一定程度取代高脂肪的豬油，并且，加入KOGM的低脂香腸和加入豬油的高脂肪香腸在組織結(jié)構(gòu)和感官性質(zhì)上十分接近，因此，KOGM的使用有利于低脂食品的生產(chǎn)，能夠解決一系列富貴病的難題。

3 不同分子量KOGM生理功能的研究進(jìn)展

3.1 對有益微生物特別是雙歧桿菌的促生長作用

動物體內(nèi)分泌的消化酶如淀粉酶只對α－1，4糖苷鍵起作用，而KOGM是由β－1，4糖苷鍵連接主鏈和β－1，3糖苷鍵連接側(cè)鏈的，因而KOGM幾乎不能被動物本身所利用。但某些有益微生物如乳酸桿菌、雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌等能選擇性利用KOGM，所以KOGM能夠促進(jìn)有益菌群的生長，從而抑制有害菌群的生長。熊德鑫等人［9］研究了三種不同的低聚糖選擇性促進(jìn)雙歧桿菌的生長情況，這三種低聚糖分別是魔芋低聚糖(由4－8分子的葡萄糖和甘露糖組成，由天然KGM酶解制備)、乳果糖(由吡喃半乳糖和呋喃果糖等單糖構(gòu)成)和異麥芽低聚糖(由6－葡糖基麥芽糖、異麥芽糖和異麥芽三糖等構(gòu)成)。他們指出，魔芋低聚糖和低聚異麥芽糖選擇性促進(jìn)雙歧桿菌生長的活性最強(qiáng)，乳果糖作用最弱，并且魔芋低聚糖能夠同時促進(jìn)長雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌和兩歧雙歧桿菌的生長，而乳果糖只能促進(jìn)嬰兒雙歧桿菌的生長，異麥芽低聚糖可以促進(jìn)除嬰兒雙歧桿菌之外的其余雙歧桿菌的生長。

3.2 對血糖血脂的調(diào)節(jié)作用

KOGM攝入后不會引起體內(nèi)血糖水平的波動，能夠降低血清膽固醇和三脂酰甘油的含量，是高血壓和糖尿病患者理想的功能性甜味劑。楊艷燕等人［37］通過自制的魔芋精粉的水解產(chǎn)物(二糖或三糖異構(gòu)體的低聚糖，通過酶解法制備)和不同濃度的葡萄糖溶液對小鼠血糖含量及抗氧化性能力的研究，發(fā)現(xiàn)高濃度葡萄糖可使小鼠血糖含量增加，而相同濃度的魔芋低聚糖不但未使小鼠血糖含量發(fā)生變化，同時能夠降低過氧化脂質(zhì)(LPO)水平。李春美等人［8］以四氧嘧啶誘導(dǎo)糖尿病小鼠為實驗?zāi)Ｐ?，研究了他們通過酶解制備的三種不同分子量 KOGM (KOGM－Ⅰ，KOGM－Ⅱ，KOGM－Ⅲ)和天然KGM的降血糖效果。他們發(fā)現(xiàn)，其它條件相同時，上述四種多糖對應(yīng)的小鼠血糖下降率分別為 55.37%、80.60%、33.44%和40.90%，可見KOGM－Ⅱ的降血糖效果是天然KGM的近2倍。不過比較遺憾的是，他們未測定KOGM－Ⅰ、KOGM－Ⅱ、KOGM－Ⅲ的分子質(zhì)量，雖然能夠證實不同分子量KOGM和天然KGM對降血糖作用的差異性，但未能建立分子量與血糖下降率的關(guān)系，還有待后續(xù)的研究。

3.3 抗氧化與增強(qiáng)機(jī)體免疫力功能

楊艷燕等人［37］的研究結(jié)果不但證實了KOGM具有降血糖作用，同時還證實了KOGM能夠大大促進(jìn)小鼠體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)活性的提高，因此KOGM能夠提高機(jī)體的抗氧化作用。此外，李春美［8］等人還指出KOGM－Ⅰ、KOGM－Ⅱ和魔芋精粉均可增強(qiáng)正常小鼠腹腔巨噬細(xì)胞的吞噬功能和由DNFB所致的遲發(fā)性變態(tài)反應(yīng)，且KGM－Ⅱ的效果顯著強(qiáng)于KGM－Ⅰ和魔芋精粉。李小寧［38］研究了KOGM口服液對二硝基氟苯(DNFB)所致的小鼠耳糜超敏反應(yīng)(DTH)的影響，結(jié)果證實了KOGM可以增強(qiáng)ICR小鼠的細(xì)胞免疫功能和單核－巨噬細(xì)胞吞噬功能。Xiu－Ju Lu等人［39］通過β－甘露聚糖酶水解得到了3種不同分子量KOGM，并研究了這三種分子量KOGM對鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)糖尿病模型的胰島NO自由基釋放量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，只有其中一種KOGM能夠使胰島培養(yǎng)液中的NO自由基釋放量下降，而這種KOGM是α－D－甘露糖殘基為末端的分子量為666u的四糖。低劑量的這種四糖能夠降低STZ－誘導(dǎo)模型中NO自由基的釋放量，但是不會改變正常體系中NO自由基的釋放量和胰島正常分泌途徑，所以這種四糖有望成為治療糖尿病或抗氧化作用的藥物。

4 結(jié)論

近年來對魔芋葡甘露低聚糖的研究十分活躍，魔芋葡甘露低聚糖不僅能夠解決天然魔芋葡甘聚糖溶解度過低、粘度過大等缺點，而且不同分子量的葡甘露低聚糖還具有特殊的理化性質(zhì)和生理功能，所以不同分子量魔芋葡甘露低聚糖有望為食品工業(yè)和其它生產(chǎn)領(lǐng)域提供更為理想的原料或添加劑。

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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屬多年生草本植物，其主要活性成分魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，KGM)是一種水溶性的天然高分子多糖，可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、食品、醫(yī)藥、化工以及生物領(lǐng)域［1］。KGM通過β－1，4吡喃糖苷鍵將β－D－葡萄糖和β－D－甘露糖按1∶1.6或1∶1.69的摩爾比連接而成，每19個糖殘基上有一個乙?；鶊F(tuán)存在［2－4］。KGM水溶液的粘度相當(dāng)大，其特性粘度可達(dá)1320mL/g，是食品工業(yè)中使用粘度最高的多糖之一［5］。由于天然KGM分子量過大，造成粘度過高、溶解度過小等難題，使得KGM的應(yīng)用受到了嚴(yán)重地限制。目前，大量的化學(xué)和生物改性方法都是為了增加KGM在水中的溶解度以及使KGM更容易與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)［5－7］。此外，天然KGM食用后難消化、易引起腹脹和腹痛等缺點［8］，使得天然KGM的可控降解成為了熱點。魔芋葡甘露低聚糖(Konjac oligo－glucomannan，KOGM)是指通過酶、酸、輻照等方法使天然KGM降解而得到的不同分子量且具有不同的物化性質(zhì)和生物功能的多糖，如促進(jìn)益生菌生長［9］、吸附病原菌［10］、降低血脂［11］、清除自由基［12］和抑制腸內(nèi)氨的生成和吸收［13］等等。更重要的是，KOGM可以顯著地增加天然KGM在水中的溶解性，不同分子量KOGM流變性質(zhì)具有顯著差異，所以不同分子量的KOGM將成為各生產(chǎn)領(lǐng)域更為理想的原料或添加劑。本文就目前KOGM的制備方法、理化性質(zhì)和生理功能方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展做一綜述，以期為不同分子量KOGM的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供一定的理論參考。

2011－05－16

姚雪(1986－)，女，碩士研究生，研究方向:生物大分子深加工與應(yīng)用。

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2007BAE42B04)。