魔芋葡甘聚糖物理改性研究进展
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关键词： 魔芋葡甘聚糖； 物理改性； 应用前景； 研究进展 中图分类号： TS231 文献标识码： A 文章编号： 1005 － 1295（ 2013） 05 － 0048 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 1295． 2013． 05． 013
Ｒesearch Progress in the Physical Modification of Ko百度文库jac Glucomannan LI Yao-ling，LIN Li，WAND Fu-ju，CHI Cheng-deng，PANG Jie
包装与食品机械 2013 年第 31 卷第 5 期
魔芋葡甘聚糖物理改性研究进展
李耀玲，林 立，王富聚，池承灯，庞 杰
（ 1． 福建农林大学食品科学学院，福州，350002）
摘要： 魔芋葡甘聚糖及衍生物因具有独特的理化性质和优良的保健功能广泛应用于食品、医药、生 物、化工等领域，其改性方法的研究也成为人们关注的热点。相对于化学、生物等降解及改性方法，物理 方法具有操作简便、可控性好和污染小等特点。在开展大量相关研究工作的基础上，重点阐述 KGM γ － 射线辐照改性、超微粉碎改性、微波改性、超声波改性、等离子体表面改性及物理共混的应用进展，以 期为扩大其应用范围提供理论依据。
动、加速度及声压等力学量） 和热效应，使大分子链 发生断裂，分子量分布变窄，降低其分子量。研究 表明选用适当频率和功率的超声波，能有效地将大 分子链打断，从而降解多聚糖。黄永春等研究了超 声波对 KGM 醋酸溶液的降解作用，考察了超声功 率、超声时间、降解温度、KGM 浓度等对降解的影 响［21］。结果表明，超声波对 KGM 有明显的降解作 用，降解的最适条件为超声功率 100 ～ 150W、超声 时间 120 ～ 150min、降解温度 45℃ 、KGM 浓度 0． 8 ～ 1． 0g / mL。Lin 等利用超声波降解 KGM 制备不 同分子量 KGM，并用于中式香肠的脂肪替代品而 不影响香肠的质地和口感［22］。曾援采用超声处理 KGM 水溶胶，结果发现短时间的超声处理对 KGM 水溶液黏度影响不大，超过 30min 后黏度开始急剧 下降，90min 后有趋于缓和。其特性黏度也相应降 低。汪超等人对 KGM 的溶胶进行超声波处理，考 察其对 KGM 分子构象的影响，结果发现超声波能 使 KGM 的旋光度变小，数值变化趋势符合线性函 数方程，随超声处理的时间延长和酶浓度的增大， KGM 分子量逐渐减小，且 KGM 水溶胶浓度越小， 受其影响越大，这种分子量的变化同时也产生了分 子构象的规律变化［23］。
有通便、减肥、降血糖、降血脂等重要生理功能，对 预防和辅助治疗肠道癌、肥胖症、糖尿病、心血管 病等现代富贵病具有很重要的作用。
目前魔芋葡甘聚糖已广泛应用于食品、医药、 生物、化工、纺织、造纸等领域。
1 魔芋葡甘聚糖的化学结构
KGM 是由 D-葡萄糖和 D-甘露糖以 1 ∶ 1． 6 ～
收稿日期： 2013 － 07 － 01 ； 修稿日期： 2013 － 07 － 10 基金项目： 福建省自然科学基金（ 2011J0101） ； 福州市科技计划项目（ 2011 － N － 44） 作者简介： 李耀玲（ 1990 － ） ，硕士，研究方向为天然产物化学研究，E-mail： 254809641@ qq． com。 通信作者： 庞杰（ 1965 － ） ，男，研究员，博士生导师，主要从事天然产物化学研究，通信地址： 350002 福建福州市金山 福建农林大学食品
3 超微粉碎改性技术
超细微粉碎技术指采用物理的方法，克服颗 粒的内聚力，使物料破碎后粒度 达 到 10 μm 以 下，从而引起物料性质的巨大变化，近 20 年来，快 速发展的技术，已渗透到电子、材料、航天、医药、 食品等领 域［13］。 丁 金 龙 等 人 对 魔 芋 粉 进 行 超 微 粉碎处理，并对其处理后魔芋粉比表面积、表观密 度、流动性、色度、溶胀速度及溶胶黏度等物理性 质进行研究，结果发现超微粉碎处理后随魔芋粉 粒度的不断下降，粉的比表面积总体呈不断增大 的趋势，色度有所改善，而魔芋粉的表观密度、流 动性、溶 胀 时 间 及 溶 胶 的 表 观 黏 度 呈 下 降 的 趋 势［14 － 17］。与未处理的魔芋粉相比，处理后的魔芋 粉粘度下降 93． 06% ，分子量下降 68． 45% ，葡甘 聚糖 含 量 下 降 9． 02% ，魔 芋 低 聚 糖 的 含 量 为 7． 56% 。这些研究表明，超微粉碎也可以使 KGM 发生部分降解，而且随着粒度的细化和粉碎程度 的增强，分子量会不断下降，并且产生魔芋葡甘低 聚糖。此外，该课题组研究还发现在超微粉碎过 程中，葡甘聚糖会发生明显的机械降解，产生大量 自由基，且在一定范围内随粉碎时间的延长，自由
显著破坏［9］。日本学者 Prawitwong 等采用辐照处 理 KGM 粉，KGM 的结构随 γ 辐照吸收剂量增加， 自由基产量增加，辐照导致链断裂，但除了增加少 量羰基，没有引入新的重要的化学基团； 随着剂量 增加到 10kGy，固有粘度、摩尔质量、旋转半径迅 速 下 降，然 后 下 降 速 度 变 缓。 Mark-HouwinkSakurada 方程为［η］ = 5． 3 × 10 － 4 M0． 78 。α 值表 明 KGM 分子在水溶液中以无规卷曲的状态被溶 剂化； 辐照前后的 KGM 有同样的三种结合水状 态，分子量超过 2 × 105 的 KGM 在保水能力上没 有明显差异［10］。此外，通过研究发现 KGM 经辐 照后其对 β － 甘露聚糖酶的敏感性有所提高，可 能与 辐 照 后 KGM 降 解 导 致 活 性 位 点 增 多 有 关［11］。由于辐照可以显著降低 KGM 的粘度，因 此将辐照降解技术与酶解技术相结合制备功能性 葡甘低聚糖具有操作简便、效率高等特点，具有一 定的应用前景。Li 等研究了 γ － 射线辐照处理对 KGM ∕壳聚糖共混膜凝聚态结构和力学性能的 影响，共混膜在极端照射条件下有一个显著的抑 制作用，当共混膜受 γ － 射线辐射时，共混膜的机 械性能得到明显的改善［12］。
4 微波降解法
微波是指频率在 300MHz ～ 300GHz 范围的电 磁波，已广泛应用于化学领域。黄永春等研究了 微波辅助 H2 O2 降解 KGM，结果发现微波能有效 辅助 H2 O2 对 KGM 的 降 解，其 效 果 优 于 微 波 或 H2 O2 的单独作用［18］。其降解条件为： KGM 浓度 2% ，pH 值 3． 6，H2 O2 浓 度 为 1． 8% ，微 波 功 率 540W，降解时间 3min。微波降解 KGM 的机理可 能为： KGM 中带有羟基等极性基团，由于分子内 电荷分布不均匀，在微波场中能迅速吸收电磁波 的能量，通过分子偶极作用和分子的高速振动产 生热效应，使得 KGM 中的糖苷键迅速获得能量， 发生 水 解 或 降 解。 Kok 等 人 发 现 微 波 处 理 的 KGM，当分散在 0． 1mol / L，pH 6． 8 的磷酸缓冲液 中时呈半 柔 性 卷 曲［19］。 构 象 在 其 他 分 散 介 质 中 时可能完全不同，比如氢氧化镉乙二胺溶液作为 溶剂，溶液相互作用可能不同。微波处理对 KGM 的溶液性质如特性粘度、旋光度及凝胶性能如胶 液收缩率、凝固点也有一定的影响。
Key words： KGM ； physical modification； application prospects； progress
0 引言
魔芋 葡 甘 聚 糖 （ konjac glucomannan，KGM） 是从魔芋块茎中提取的一种水溶性非离子型高分 子多糖，因其具有良好的水溶性、持水性、增稠性、 胶凝性、成膜性以及生物相容性等性质，被作为一 种重要的工业生产原料或添加剂。同时还发现魔 芋葡甘聚糖还是一种重要的可溶性膳食纤维，具
科学学院，E-mail： pang3721941@ 163． com。
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魔芋葡甘聚糖物理改性研究进展———李耀玲，林立，王富聚，池承灯，庞杰
1． 70 的摩尔比通过 β-1，4-吡喃糖苷键结合形成 的，其 侧 链 上 含 有 乙 酰 基，平 均 相 对 分 子 质 量 在 20 ～ 200 万 Da 之间，是一种中性杂多糖［1 － 3］。虽 然目前研究者对其结构进行了大量的研究，但由 于其结构复杂，还没有对其有确切的结构定论，可 能的结构如图 1 所示。
2 γ － 射线辐照改性技术
γ － 射线是放射性同位素核衰变过程中释放 的光 子 流，具 有 高 能 量、长 射 程 及 强 穿 透 力 等 特 点。近年来，已经相继报道了利用60 Co γ － 射线 辐照技术 来 降 解 及 改 性 多 聚 糖 如 壳 聚 糖、KGM、 淀粉及纤维素等［6 － 8］。Xu 等对 KGM 粉末利用60 Co γ － 射线辐照进行处理，发现处理后的 KGM 样 品的重均分子量显著下降，表观黏度也随之显著 下降； 颜色 上 其 亮 度 （ L） 和 红 度 （ a） 降 低，黄 度 （ b） 显著增加，溶胶的粘度稳定性提高，并产生了 部分的魔芋葡甘低聚糖。同时还发现高剂量的辐 照处理会使晶体的结构受到部分破坏，热稳定性 下降等，但辐照并没有对 KGM 的颗粒形貌造成
（ College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）
Abstract： Konjac glucomannan and its derivatives are widely used in food，pharmaceutical，biological， chemical and other fields due to its unique physical and chemical properties and excellent health functions ， and whose modification methods research has become the focus of attention ． Ｒelative to chemical and biological degradation and modification methods ，physical method is simple ，controllable and less polluting． This paper，based on a lot of research work carried out ，focuses on the KGM γ － ray irradiation modified ultrafine grinding modification，modified by microwave ，ultrasonic modification，physical blending plasma surface modification andapplication progress ，in order to provide a theoretical basis to expand its scope of application ．
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包装与食品机械 2013 年第 31 卷第 5 期
基浓度不断上升，但产生的自由基并不稳定，在粉 碎后呈减速淬灭趋势。同时，粉碎过程中的机械 力化学激活效应，会在葡甘聚糖颗粒表面形成许 多高活性点。由于大量高能自由基和高活性点的 存在，若能结合适宜的物理场和化学改性剂，对葡 甘聚糖进行机械力化学改性应该是完全可能的。 不过，超细粉碎处理、特别是其间高活性自由基的 产生，是否在化学结构和功能特性方面给生物功 能性物质如中药材、保健功能材料等，带来一些负 面的影响，甚至带来一些安全性问题，这一问题值 得关注，并且很有必要去进一步研究。
图 1 KGM 的化学结构简式
天然的 KGM 由于分子量大，导致其在水中 溶胀速度慢、水溶胶粘度极大及粘度稳定性差等， 从一定 程 度 上 限 制 了 其 应 用。为 进 一 步 提 高 KGM 的性能，扩大其应用范围，通常可以通过物 理法、化学法和生物法等手段对其进行降解或改 性［4 － 5］。相对于化学法和生物法，物理改性方法 具有操作简便、可控性好和污染小等优点。本文 结合已有的工作基础，重点阐述 KGM γ － 射线辐 照改性、超微粉碎改性、微波改性、超声波改性、等 离子体表面改性及物理共混的应用研究进展，以 期为扩大其应用范围提供理论依据。
微波辐射降解具有操作简便、反应时间短、能 源使用率高等优点，但是，由于微波使 KGM 升温 过快，导致单体容易挥发，反应不充分等。
5 超声波降解法
超声波是物质介质中的一种弹性机械波，其频 率范围为 2 × 104 ～ 109 。作为一种新的技术，超声 波在化学领域中发挥着越来越大的作用，并逐渐形 成了一门新的边缘交叉学科［20］。超声波法被认为 是高聚物降解中比较理想的一种物理方法，借助是 超声波的空化作用和机械效应（ 传声媒质的质点振 50
Ｒesearch Progress in the Physical Modification of Ko百度文库jac Glucomannan LI Yao-ling，LIN Li，WAND Fu-ju，CHI Cheng-deng，PANG Jie
包装与食品机械 2013 年第 31 卷第 5 期
魔芋葡甘聚糖物理改性研究进展
李耀玲，林 立，王富聚，池承灯，庞 杰
（ 1． 福建农林大学食品科学学院，福州，350002）
摘要： 魔芋葡甘聚糖及衍生物因具有独特的理化性质和优良的保健功能广泛应用于食品、医药、生 物、化工等领域，其改性方法的研究也成为人们关注的热点。相对于化学、生物等降解及改性方法，物理 方法具有操作简便、可控性好和污染小等特点。在开展大量相关研究工作的基础上，重点阐述 KGM γ － 射线辐照改性、超微粉碎改性、微波改性、超声波改性、等离子体表面改性及物理共混的应用进展，以 期为扩大其应用范围提供理论依据。
动、加速度及声压等力学量） 和热效应，使大分子链 发生断裂，分子量分布变窄，降低其分子量。研究 表明选用适当频率和功率的超声波，能有效地将大 分子链打断，从而降解多聚糖。黄永春等研究了超 声波对 KGM 醋酸溶液的降解作用，考察了超声功 率、超声时间、降解温度、KGM 浓度等对降解的影 响［21］。结果表明，超声波对 KGM 有明显的降解作 用，降解的最适条件为超声功率 100 ～ 150W、超声 时间 120 ～ 150min、降解温度 45℃ 、KGM 浓度 0． 8 ～ 1． 0g / mL。Lin 等利用超声波降解 KGM 制备不 同分子量 KGM，并用于中式香肠的脂肪替代品而 不影响香肠的质地和口感［22］。曾援采用超声处理 KGM 水溶胶，结果发现短时间的超声处理对 KGM 水溶液黏度影响不大，超过 30min 后黏度开始急剧 下降，90min 后有趋于缓和。其特性黏度也相应降 低。汪超等人对 KGM 的溶胶进行超声波处理，考 察其对 KGM 分子构象的影响，结果发现超声波能 使 KGM 的旋光度变小，数值变化趋势符合线性函 数方程，随超声处理的时间延长和酶浓度的增大， KGM 分子量逐渐减小，且 KGM 水溶胶浓度越小， 受其影响越大，这种分子量的变化同时也产生了分 子构象的规律变化［23］。
有通便、减肥、降血糖、降血脂等重要生理功能，对 预防和辅助治疗肠道癌、肥胖症、糖尿病、心血管 病等现代富贵病具有很重要的作用。
目前魔芋葡甘聚糖已广泛应用于食品、医药、 生物、化工、纺织、造纸等领域。
1 魔芋葡甘聚糖的化学结构
KGM 是由 D-葡萄糖和 D-甘露糖以 1 ∶ 1． 6 ～
收稿日期： 2013 － 07 － 01 ； 修稿日期： 2013 － 07 － 10 基金项目： 福建省自然科学基金（ 2011J0101） ； 福州市科技计划项目（ 2011 － N － 44） 作者简介： 李耀玲（ 1990 － ） ，硕士，研究方向为天然产物化学研究，E-mail： 254809641@ qq． com。 通信作者： 庞杰（ 1965 － ） ，男，研究员，博士生导师，主要从事天然产物化学研究，通信地址： 350002 福建福州市金山 福建农林大学食品
3 超微粉碎改性技术
超细微粉碎技术指采用物理的方法，克服颗 粒的内聚力，使物料破碎后粒度 达 到 10 μm 以 下，从而引起物料性质的巨大变化，近 20 年来，快 速发展的技术，已渗透到电子、材料、航天、医药、 食品等领 域［13］。 丁 金 龙 等 人 对 魔 芋 粉 进 行 超 微 粉碎处理，并对其处理后魔芋粉比表面积、表观密 度、流动性、色度、溶胀速度及溶胶黏度等物理性 质进行研究，结果发现超微粉碎处理后随魔芋粉 粒度的不断下降，粉的比表面积总体呈不断增大 的趋势，色度有所改善，而魔芋粉的表观密度、流 动性、溶 胀 时 间 及 溶 胶 的 表 观 黏 度 呈 下 降 的 趋 势［14 － 17］。与未处理的魔芋粉相比，处理后的魔芋 粉粘度下降 93． 06% ，分子量下降 68． 45% ，葡甘 聚糖 含 量 下 降 9． 02% ，魔 芋 低 聚 糖 的 含 量 为 7． 56% 。这些研究表明，超微粉碎也可以使 KGM 发生部分降解，而且随着粒度的细化和粉碎程度 的增强，分子量会不断下降，并且产生魔芋葡甘低 聚糖。此外，该课题组研究还发现在超微粉碎过 程中，葡甘聚糖会发生明显的机械降解，产生大量 自由基，且在一定范围内随粉碎时间的延长，自由
显著破坏［9］。日本学者 Prawitwong 等采用辐照处 理 KGM 粉，KGM 的结构随 γ 辐照吸收剂量增加， 自由基产量增加，辐照导致链断裂，但除了增加少 量羰基，没有引入新的重要的化学基团； 随着剂量 增加到 10kGy，固有粘度、摩尔质量、旋转半径迅 速 下 降，然 后 下 降 速 度 变 缓。 Mark-HouwinkSakurada 方程为［η］ = 5． 3 × 10 － 4 M0． 78 。α 值表 明 KGM 分子在水溶液中以无规卷曲的状态被溶 剂化； 辐照前后的 KGM 有同样的三种结合水状 态，分子量超过 2 × 105 的 KGM 在保水能力上没 有明显差异［10］。此外，通过研究发现 KGM 经辐 照后其对 β － 甘露聚糖酶的敏感性有所提高，可 能与 辐 照 后 KGM 降 解 导 致 活 性 位 点 增 多 有 关［11］。由于辐照可以显著降低 KGM 的粘度，因 此将辐照降解技术与酶解技术相结合制备功能性 葡甘低聚糖具有操作简便、效率高等特点，具有一 定的应用前景。Li 等研究了 γ － 射线辐照处理对 KGM ∕壳聚糖共混膜凝聚态结构和力学性能的 影响，共混膜在极端照射条件下有一个显著的抑 制作用，当共混膜受 γ － 射线辐射时，共混膜的机 械性能得到明显的改善［12］。
4 微波降解法
微波是指频率在 300MHz ～ 300GHz 范围的电 磁波，已广泛应用于化学领域。黄永春等研究了 微波辅助 H2 O2 降解 KGM，结果发现微波能有效 辅助 H2 O2 对 KGM 的 降 解，其 效 果 优 于 微 波 或 H2 O2 的单独作用［18］。其降解条件为： KGM 浓度 2% ，pH 值 3． 6，H2 O2 浓 度 为 1． 8% ，微 波 功 率 540W，降解时间 3min。微波降解 KGM 的机理可 能为： KGM 中带有羟基等极性基团，由于分子内 电荷分布不均匀，在微波场中能迅速吸收电磁波 的能量，通过分子偶极作用和分子的高速振动产 生热效应，使得 KGM 中的糖苷键迅速获得能量， 发生 水 解 或 降 解。 Kok 等 人 发 现 微 波 处 理 的 KGM，当分散在 0． 1mol / L，pH 6． 8 的磷酸缓冲液 中时呈半 柔 性 卷 曲［19］。 构 象 在 其 他 分 散 介 质 中 时可能完全不同，比如氢氧化镉乙二胺溶液作为 溶剂，溶液相互作用可能不同。微波处理对 KGM 的溶液性质如特性粘度、旋光度及凝胶性能如胶 液收缩率、凝固点也有一定的影响。
Key words： KGM ； physical modification； application prospects； progress
0 引言
魔芋 葡 甘 聚 糖 （ konjac glucomannan，KGM） 是从魔芋块茎中提取的一种水溶性非离子型高分 子多糖，因其具有良好的水溶性、持水性、增稠性、 胶凝性、成膜性以及生物相容性等性质，被作为一 种重要的工业生产原料或添加剂。同时还发现魔 芋葡甘聚糖还是一种重要的可溶性膳食纤维，具
科学学院，E-mail： pang3721941@ 163． com。
48
魔芋葡甘聚糖物理改性研究进展———李耀玲，林立，王富聚，池承灯，庞杰
1． 70 的摩尔比通过 β-1，4-吡喃糖苷键结合形成 的，其 侧 链 上 含 有 乙 酰 基，平 均 相 对 分 子 质 量 在 20 ～ 200 万 Da 之间，是一种中性杂多糖［1 － 3］。虽 然目前研究者对其结构进行了大量的研究，但由 于其结构复杂，还没有对其有确切的结构定论，可 能的结构如图 1 所示。
2 γ － 射线辐照改性技术
γ － 射线是放射性同位素核衰变过程中释放 的光 子 流，具 有 高 能 量、长 射 程 及 强 穿 透 力 等 特 点。近年来，已经相继报道了利用60 Co γ － 射线 辐照技术 来 降 解 及 改 性 多 聚 糖 如 壳 聚 糖、KGM、 淀粉及纤维素等［6 － 8］。Xu 等对 KGM 粉末利用60 Co γ － 射线辐照进行处理，发现处理后的 KGM 样 品的重均分子量显著下降，表观黏度也随之显著 下降； 颜色 上 其 亮 度 （ L） 和 红 度 （ a） 降 低，黄 度 （ b） 显著增加，溶胶的粘度稳定性提高，并产生了 部分的魔芋葡甘低聚糖。同时还发现高剂量的辐 照处理会使晶体的结构受到部分破坏，热稳定性 下降等，但辐照并没有对 KGM 的颗粒形貌造成
（ College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）
Abstract： Konjac glucomannan and its derivatives are widely used in food，pharmaceutical，biological， chemical and other fields due to its unique physical and chemical properties and excellent health functions ， and whose modification methods research has become the focus of attention ． Ｒelative to chemical and biological degradation and modification methods ，physical method is simple ，controllable and less polluting． This paper，based on a lot of research work carried out ，focuses on the KGM γ － ray irradiation modified ultrafine grinding modification，modified by microwave ，ultrasonic modification，physical blending plasma surface modification andapplication progress ，in order to provide a theoretical basis to expand its scope of application ．
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包装与食品机械 2013 年第 31 卷第 5 期
基浓度不断上升，但产生的自由基并不稳定，在粉 碎后呈减速淬灭趋势。同时，粉碎过程中的机械 力化学激活效应，会在葡甘聚糖颗粒表面形成许 多高活性点。由于大量高能自由基和高活性点的 存在，若能结合适宜的物理场和化学改性剂，对葡 甘聚糖进行机械力化学改性应该是完全可能的。 不过，超细粉碎处理、特别是其间高活性自由基的 产生，是否在化学结构和功能特性方面给生物功 能性物质如中药材、保健功能材料等，带来一些负 面的影响，甚至带来一些安全性问题，这一问题值 得关注，并且很有必要去进一步研究。
图 1 KGM 的化学结构简式
天然的 KGM 由于分子量大，导致其在水中 溶胀速度慢、水溶胶粘度极大及粘度稳定性差等， 从一定 程 度 上 限 制 了 其 应 用。为 进 一 步 提 高 KGM 的性能，扩大其应用范围，通常可以通过物 理法、化学法和生物法等手段对其进行降解或改 性［4 － 5］。相对于化学法和生物法，物理改性方法 具有操作简便、可控性好和污染小等优点。本文 结合已有的工作基础，重点阐述 KGM γ － 射线辐 照改性、超微粉碎改性、微波改性、超声波改性、等 离子体表面改性及物理共混的应用研究进展，以 期为扩大其应用范围提供理论依据。
微波辐射降解具有操作简便、反应时间短、能 源使用率高等优点，但是，由于微波使 KGM 升温 过快，导致单体容易挥发，反应不充分等。
5 超声波降解法
超声波是物质介质中的一种弹性机械波，其频 率范围为 2 × 104 ～ 109 。作为一种新的技术，超声 波在化学领域中发挥着越来越大的作用，并逐渐形 成了一门新的边缘交叉学科［20］。超声波法被认为 是高聚物降解中比较理想的一种物理方法，借助是 超声波的空化作用和机械效应（ 传声媒质的质点振 50