魔芋功能活性成分的研究进展_吴春华

Research Advances in Functional Active Components of Amurphophallus Konjac
WU Chunhua, PANG Jie
（College of Food science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002,China） Abstract: Konjac glucomannan, is the main functional active component of konjac, it is rich of biological activity for its special structure and turns out to be one of research focuses in polysaccharide field. In this paper, the progress in the research of KGM were reviewed, including chemical composition and structure, physical and chemical properties, physiological activity, and the future application of KGM was discussed as well. The present research problems were suggested and the future research directions were forecasted, and then provide theoretical foundation and scientific basis for the deep use of KGM. Keywords: konjac glucomannan, structure, physical and chemical properties, physiological activity, application 魔芋(Amurphophallus konjac)是天南星科魔芋属(Amorphnphallus Blame)单子叶植物纲多年生宿茎草本 植物，别名“蒟蒻”。魔芋块茎可作为中医药，具有较高的药用、食用价值，其主要功能活性成分是魔芋葡 甘聚糖(konjac glucomannan，简称 KGM)[1-2]。KGM 是一种功能性多糖，以其独特的结构，理化性质和生 物活性广泛应用于食品、医疗、卫生、环保等领域，尤其是改性后 KGM 应用更加广泛，可开发出多种的 新型功能材料[3-5]。 近年来能源危机、环境恶化和健康保健的热点问题刺激了天然高分子材料的发展。天然高分子因其安 全，环境相容等优越性能在食品和医药领域倍受重视[6-9]。KGM 是继淀粉和纤维素之后，又一种令人感兴 趣的天然高分子多糖，逐渐成为具有应用前景的环境友好生物材料。
图3
脱乙酰基 KGM 分子的稳定构象
可见，乙酰基是构成 KGM 结构的重要组成部分，但由于 KGM 是高分子量多糖，黏度大，鉴于现代 仪器分析的技术，还不能确定其具体的化学结构，因此，如何降解获得低分子的 KGM 多糖，研究其结构 与生物活性的关系，拓宽其应用，将成为今后多糖研究领域的热点之一。
1.2 KGM的理化特性
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KGM应用的初步探讨
KGM稳定的理化性质决定了其具有广泛而独特的功能特性，如水溶性、凝胶性、增稠性、高粘性、持 水性、抗菌性、可成膜性、易改性等，而且可生物降解、无毒、来源广泛，因此在KGM在食品行业已得到 广泛应用，尤其是利用其凝胶特性制备仿生食品，在化工、医药、农业、石油钻探等领域也具有很好的开 发应用前景。
2.2 在医药保健中的应用研究
随着对KGM理化性质、结构和药理作用的深入研究，发现多糖在医药领域有很多新用途。KGM在医 药领域的应用可分为两类：一类是利用KGM的独特理化性质，如易形成凝胶、高粘度和吸水性，来制备医 另一类是利用KGM的抗肿瘤等生物功能或活性制备疫苗或新药[44]。 药材料、 药物缓释剂、 血浆代用品等[43]； 天然魔芋多糖作为研制缓、控释和结肠定位药物的辅料有不可比拟的优越性，作为天然化合物不仅价廉易 得， 而且其安全性已经长期使用证实并多数作为药物辅料收载于各国药典。 通过改变KGM水凝胶的交联度、 膨胀度及其它有关参数，可以用于制作栓剂基质和缓释药片、口服结肠定位释药剂，由于其在胃肠道上部 通常不被吸收，可被结肠菌酶专一性降解，因此在结肠定位给药方面具有良好的应用前景和临床意义，如 治疗便秘、结肠炎、大肠癌等肠道疾病及开发多肽蛋白类口服制剂[45]。KGM和四价硼酸盐反应产生稳定 的空间网状络合物，他具有良好的透明性、强度、弹性及生物相容性，其固态凝胶可以制成隐形眼镜和医 疗光学制品，液态溶胶可制成护眼液[46-47]。 此外，KGM还可制成胶囊、海绵、组织工程支架材料、卫生用品等。作为重要的膳食纤维，KGM可 以用于制作防治肥胖、防治糖尿病、降血压、降血脂、防治冠心病、调节肠道功能等多种“富贵病”的医药 保健品[38][48]。
KGM的特殊的结构及化学组成使其具有多种独特的理化性质，如亲水性、流变学特性、凝胶性、成膜 性、增稠性、抗菌性等[18-20]。KGM易溶于水，不溶于甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂，溶于水后可吸收20-200 倍的水，与水分子之间可以通过氢键、分子偶极、诱导偶极、瞬间偶极等作用力聚集成庞大而难以自由运 动的巨型分子，使水分子的扩散迁移速度远远超过KGM大分子的扩散迁移速度，这时KGM溶液变为黏稠 的非牛顿流体溶胀形成高粘度非牛顿流体的溶胶，这种溶胶是一种假塑性流体，剪切作用可以使其溶胶变 稀，粘度降低[21]。此外，KGM溶胶经过加热冷却、化学改性或复配均可以制成具有抗菌保鲜作用膜，有 研究已将其应用于果蔬保鲜及图书保护等[22-23]。 由于KGM本身具有的一些特性，如黏度高，流动性不好等使其应用受到限制，为了提高KGM性能， 可采用物理、化学以及生物手段来对其改性以适应不同加工需求。KGM的物理改性主要有包括辐射改性、 微波改性、超微粉碎改性，超声波wenku.baidu.com解作用，还可以与k-卡拉胶、黄原胶、大豆蛋白等混溶后产生协同增 稠作用，以提高凝胶性、成膜性、增稠性、粘结性等理化性能，还可以获得功能性材料[24-26]；化学改性主 要有甲基醚化、一氯醋酸羧甲基化、磷酸盐酯化、氧化剂氧化、交联改性、乙烯基单体接枝共聚、阳离子 化及碱化脱乙酰基等[27-30]。生物改性主要是酶法改性通过多糖酶的作用，使长链的KGM水解成短的KGM 分子链，即使KGM多糖部分地转化低聚糖或寡糖，从而使KGM的空间结构发生相应的改变，改变KGM溶 液的流变学性质[31-32]。这些改性研究主要的目的是降低KGM的分子量、黏度等，拓宽KGM的应用范围， 挖掘KGM潜在的价值。
基金项目：国家自然科学基金项目（30871749）和（30901004） ；福建省自然科学基金项目（2009J01061） 作者简介：吴春华，男，研究生，主要从事多糖结构与活性的研究；E-mail:xiao-chun-hua@163.com 通讯作者：庞杰，男，研究员，博士生导师，主要从事食品生物生化学、食品化学、生药学、食品安全检测得研究
图2
n=1 时 KGM 的稳定构象图 2
而简文杰等应用分子动力学模拟与现代仪器分析相结合的方法系统研究了KGM的螺旋结构形成机理 及其稳定性，结果表明KGM分子构象是一种非典型的螺旋结构，乙酰基是维持KGM分子螺旋结构的重要 基团，脱除乙酰基后的KGM分子链进行真空下298.15K分子动力学模拟，其构象在真空中均呈现无规线团 状态，构图如图3所示[17]。
CH2OH H H OH O OH H H H CH2OH O H OH OH H H H H OH O H H OH O H H H O H O H H OH H H OH O CH2OH O H H OH CH2OH O H H O
CH2OH H
-1,4 连接 -1,3 连接
G-M-M-M-M-G-M-G-M-M-G-M-G-M-G-M-M-G-M-G-M-M-G-M-G-G-M-M-M-M-G-G-M-M x G-M…… Ac
2.1 在食品工业中的应用研究
在食品工业中，KGM可作为食品原料及添加剂使用，利用其增稠性、持水性、稳定性等应用于饮料、 酸奶、豆花、豆奶、罐头、八宝粥、果汁、啤酒、冰淇淋等食品，对提高稳定性，改善口感和外观质量， 延长货架期、改善质地等品质作用具有显著。利用其胶粘性、持水性等应用于面条、方便面、米粉、面片、 馒头、饺子皮、面包、蛋糕、饼干等糕点中，增强了咀嚼性、改善了口感，面条完整性好，耐煮。利用粘 结性、膨胀性应用于肉制品如火腿肠、午餐肉、鸡丸、鱼丸中[39]。利用凝胶性制备凝胶类食品，如制成热 不可逆凝胶食品魔芋豆腐、雪魔芋、魔芋粉丝、魔芋片、仿生食品、面条，热可逆食品果冻、布丁、果酱、 软糖等，赋予凝胶食品良好的透明性、弹性、咀嚼性[40]。KGM食品不仅可以提高食品的品质，而且KGM 食品具有很好的保健功能，如减肥、防治糖尿病、降血压、降血脂、防治冠心病、调节肠道功能、提高免 疫力、抗辐射、抗肿瘤等功效[5]。 利用KGM的成膜性和抗菌性制成可降解的保鲜膜，应用于果蔬、肉类等食品的保鲜中，可以有效的提 高果蔬的货架期。普通的水溶性KGM膜具有光洁、透明、无色无味、见水速溶的特点，可用于食品的内包 装。而经过改性的KGM膜，特别是与其他胶的复配使用制成的膜，可以达到耐水、耐高温等优点。陈绍军 等用KGM保鲜膜处理的龙眼与普通PE保鲜膜相比，提高好果率，降低褐变率，降低失水率，延长保鲜期 和贮藏期，提高龙眼的整体品质[41]。潘思轶等利用KGM涂膜处理的冷却肉与普通存放的冷却肉对比，随 着贮藏时间的增长，其pH值变化速率降低、挥发性盐基氮及细菌总数降低，货架期延长至9天[42]。闫子娇 等研究魔芋葡苷聚糖涂膜对鲜切富士的保鲜影响，通过对苹果贮藏期间主要生理生化和品质变化的测定苹 果品质的保鲜作用，结果表明，魔芋葡甘聚糖涂膜，特别是复合使用l％的抗坏血酸浸泡后涂膜处理，能有 效抑制鲜切苹果的呼吸作用，减少贮藏期内水分的损失，防止苹果褐变，具有良好的保鲜效果[23]。
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为此，本文近年来对关于 KGM 的研究做一简要的综述，重点介绍 KGM 的结构、理化性质、生理功 能以及在个领域的应用，为天然高分子 KGM 的合理应用与开发提供理论基础。
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KGM的特性
1.1 KGM的化学组成和结构特征
许多研究人员对 KGM 的结构进行研究，结果表明 KGM 是 D-葡萄糖和 D-甘露糖组成。两种糖单元按 一定的摩尔比通过 β-（1→4）糖苷键和 β-（1→3）糖苷键键合而成，β-（1→4）糖苷键连接糖单元构成主 链，β-（1→3）糖苷键存在于主链甘露糖的 C-3 上连接支链。魔芋的种类不同，D-葡萄糖和 D-甘露糖的构 成摩尔比由 1︰1.51-1︰1.71 不等，一般选择 1︰1.6 作为二者的摩尔比[10,11]。 KGM 不带电荷，侧链上含有一些乙酰基（约每 19 个糖残基具有一个乙酰基） ，这些乙酰基不仅赋予 KGM 一定的水溶性，而且影响着 KGM 的凝胶性质，如在一定的碱性条件下，一经加热 KGM 的乙酰基就 可以脱除形成凝胶，碱的作用就是除去乙酰基基团[12-13]。已经得出的 KGM 可能结构如图 1 所示。
1.3 KGM的生理功能特性
从营养角度看， 魔芋是一种可溶性高膳食纤维的食品， 其主要活性成分KGM具有显著降低餐后血糖水 平、降低血胆固醇含量与调节脂质代谢、预防肥胖与防治便秘、增强免疫力和抗肿瘤等生理功能[33-38]，对 人体具有一定的营养保健作用[39]。但对于KGM多种生物活性的作用机理尚未完全明了，需进一步深入研 究。
CH2OOCCH3 H H OH O OH H H H H OH O H H OH
G-M……Ac
M = 甘露糖 G = 葡萄糖 Ac =乙酰基, CH3CO x = 聚合度
CH2OH O H H O
图1
KGM 结构示意图
近年来，近年来有关研究应用现代仪器分析与计算机分子模拟相结合的方法系统研究了葡甘聚糖分子 链结构特征。 李斌、谢笔钧采用采用原子力显微镜及透射电镜等现代分析手段研究KGM的分子链形态，认为KGM 为伸展的有一定刚性的半屈曲性直链分子[14]。Yui,T等利用红外光谱等光谱分析方法发现KGM具有二折螺 旋结构[15]。庞杰等应用计算机分子模拟方法模拟出了KGM的可能构象，图2所示为聚合度为1时KGM的稳 定构象[16]。
魔芋功能活性成分的研究进展
吴春华，庞 杰
350002）
（福建农林大学食品科学学院，福州
摘要：魔芋葡甘聚糖（KGM）是魔芋的主要功能活性成分，因其特殊的结构而具有丰富的生物活性功能，已成为 多糖研究领域的热点之一。综述了 KGM 的化学组成与结构、理化特性、生理活性功能以及其应用，提出了目前 研究中存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望，为 KGM 的深度利用提供理论基础和科学依据。 关键字：魔芋葡甘聚糖；结构；理化特性；生理功能；应用