魔芋是天南星科魔芋属（Amorphophallus）多年生草本植物，又名蒟蒻、鬼芋等，主要在亚洲范围内种植，在我国已有上千年的种植和食用史。据统计，我国魔芋种植面积占全世界的2/3，是魔芋生产量最大的国家，我国魔芋主要产于云南、贵州、四川、陕西等地区[1]。魔芋富含葡甘露聚糖，是优质的膳食纤维来源，有润肠通便、控制体重等作用，对慢性非传染性疾病有较好的预防效果[2]。魔芋葡甘露聚糖已引起越来越多的学者对其进行研究。本文将对魔芋葡甘露聚糖理化特性、功能特性及开发现状进行概述，为魔芋进一步开发应用提供参考。
1 魔芋组成特点
魔芋含水量96.2%，碳水化合物3.3%（其中膳食纤维占90%以上，主要是葡甘露聚糖）[3]。魔芋还含有蛋白质、脂肪、维生素及钙、镁、钾、铁等矿物质，其中钙和钾含量较高。以干基计，魔芋块茎碳水化合物占比44%～64%、粗蛋白占比5%～10%，粗脂肪占比5%～10%，有毒生物碱占比1%～2%，还有较多的草酸钙结晶，故魔芋必须处理后方可食用。加工后的魔芋精粉中葡甘露聚糖占比51.6%～71.6%，含有少量蛋白质、脂肪、纤维素、无机盐等，经纯化处理后魔芋精粉的葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）含量可提高至90%以上[4]。KGM为白色粉末，是一种天然的可溶性膳食纤维，有良好的持水性等。
2 魔芋葡甘露聚糖的结构与功能特性
2.1 魔芋葡甘露聚糖的结构
KGM是魔芋中最主要的功能因子，其含量占魔芋干重的50%～60%以上，加水可溶胀，是已知植物胶中黏度最大的高分子多糖。KGM是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶1.6的比例通过β-1，4糖苷键结合而成，分子式为（C6H10O5）n，相对分子质量 200 000～2 000 000，在其分子链上平均每17个糖残基C-6位上连有1个乙酰基，其晶体结构有α型（非晶型）和β型（结合型）两种[3，5]，对于其确切的分子结构尚无定论，其推测结构如图1所示[6]。
图1 KGM的化学结构
Fig.1 The chemical structure of KGM
2.2 魔芋葡甘露聚糖的功能特性
2.2.1 持水性及凝胶性
KGM是一种水溶性的非离子型多糖，有很强的吸水性，极易溶于水，水分子之间通过氢键、分子偶极、诱导偶极、瞬时偶极形成庞大而难以自由运动的巨型分子，在整个溶解过程中，水分子的扩散速度远远超过KGM大分子的扩散迁移速度，KGM溶液溶胀形成高黏度的非牛顿流体的溶胶。KGM溶胶在酸性条件下可保持良好的性能，但在碱性环境中，KGM分子的乙酰基脱除会导致KGM分子的自身聚集、分子链的缠绕，从而形成局部和连续的凝胶网络结构[7]。常用于诱导KGM 发生凝胶化的碱有 NaOH、KOH、CaOH、Na2CO3和K2CO3，其中KOH有最强的脱乙酰作用。随着脱乙酰化程度的增加，KGM分子的团聚能力增强，亲水相互作用减弱[8]。对于KGM的凝胶体系而言，溶液浓度、碱浓度、环境温度、乙酰化程度等因素都是影响凝胶形成的重要因素，且凝胶化作用时间越短，所得凝胶强度越大，形成的凝胶性能越好[9]。KGM在不同条件作用下会形成热可逆（热稳定）凝胶和热不可逆（热不稳定）凝胶两种，和黄原胶、卡拉胶等产生强烈协同作用形成热可逆凝胶[10]；而KGM在碱性加热条件下脱去乙酰基形成的热不可逆凝胶对热稳定，100℃下反复加热，凝胶强度也不会发生变化[11]，这为魔芋葡甘露聚糖的应用提供支持。
2.2.2 增稠性
KGM相对分子质量大、水合能力强和不带电荷等特性决定了其优良的增稠性[12]。KGM是目前多糖中黏度最高的一种天然多糖，1 g KGM溶解于100 g水中的黏度高达30 Pa·s[13]。与相同浓度下卡拉胶、黄原胶、刺槐豆胶等增稠剂比，KGM黏度更高，且是一种非离子型增稠剂，受体系中盐的影响相对小，因此在食品工业中具有重要的应用价值。另外，KGM与黄原胶、淀粉等增稠剂混合使用时，有很好的协同增稠作用[14]，在1%黄原胶中混入0.02%～0.03%的魔芋精粉，黏度可增加2 倍～3 倍[14]。
2.2.3 流变性
KGM溶胶是一种假塑性流体，具备非牛顿流体的特征，即具有剪切稀化的性质[14-15]，其溶胶的表观黏度随剪切速度增加而降低[16]。KGM溶液的剪切应力与其浓度、温度和剪切速率密切相关。当溶液温度升高时，KGM溶液的剪切应力降低，冷却后剪切应力又重新升高，但不能回升到加热前的水平。较低温度（25℃～45℃）下增加KGM浓度会增大溶液的剪切应力，随着温度升高，体系剪切应力随KGM浓度升高而增加，但增加趋势逐渐变缓；较高温度下（55℃～65℃）体系的剪切应力随着浓度增加表现出逐步增加（0.3%～1.5%）的变化趋势。调整KGM溶液的温度与浓度，可改变其剪切应力，从而提高或降低其变形能力，这为便捷加工提供了有效手段[17]。彭曼曼等[18]发现超声处理可使KGM表观黏度下降，使KGM溶胶连续结构出现孔洞，变得稀疏且杂乱无序，进而提高其流动性。外源性氯化钠的添加则会使KGM溶液在大振幅振荡剪切试验中表观黏度明显降低，使剪切变稀的临界剪切速率延缓出现[19]。这些有关KGM溶胶的流变学性能在一定程度上会影响KGM的加工工艺条件；此外，KGM溶胶的流变学性能还会影响乳制品、焙烤制品、冷饮制品等在生产过程中稳定剂、增稠剂的用量，以及加工的便利性或产品的贮藏稳定性等。因此，进行深入的相关研究具有重要意义。
2.2.4 成膜性
KGM具有良好的成膜性，在碱性条件下加热脱水可形成有黏着力的硬膜，该膜在冷、热水及酸液中稳定，但单一KGM形成的膜有成膜时间长、吸湿度大、强度低和抗菌能力低等缺陷。适当地添加添加剂可改变膜的性能，如添加保湿剂可改变膜的机械性能，降低膜的强度，提高其柔软性；添加亲水性物质可增加膜的透水性，添加疏水性物质可降低膜的透水性。或者通过物理或化学等方法对KGM进行改性提高其性能。KGM在碱性环境里脱水形成的膜的结晶度加强，可减弱吸水力和水蒸气透过能力[20]。
2.2.5 其它化学特性
KGM结构中葡萄糖和甘露糖残基上有3个醇羟基，在一定条件下向分子结构中引入功能基团进行醚化或酯化改性，可使KGM带上电荷并与带有相反电荷的聚电解质结合，具有较强的离子交换能力，利用这一性质将其制备成离子交换树脂[21]。KGM在肠道内吸附胆酸，使得胆酸循环进入肝脏的量减少，被认为有降血清胆固醇的作用[22]。KGM在结肠内促进双歧杆菌等有益厌氧微生物繁殖，一定程度上改善肠道菌群，抑制致病菌生长[23]。
3 魔芋葡甘露聚糖主要功能作用
3.1 减肥降脂及预防心血管疾病
Zhai等[24]发现KGM能有效抑制高脂饮食诱导的小鼠肥胖；采用魔芋精粉0.75 g和左旋肉碱0.3 g的复方魔芋片（3片/d）对肥胖者进行膳食干预的研究结果显示：受试者体重、体质指数、体内脂肪量和腰围分别较干预前降低 4.1%、4.0%、8.0%和 3.2%（P＜0.01），皮褶厚度明显下降（P＜0.05）[25]。
KGM有降低实验动物血清胆固醇的功效，使肝灶性坏死的发生率降低[22]；灌胃以魔芋、绞股蓝、荷叶为主要成分的降脂方的小鼠血清总胆固醇（total cholesterol，TC）、血清甘油三酯（triglyceride，TG）、低密度脂蛋白胆固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C）水平明显降低，并呈剂量效应关系[26]。Vasques等[27]采用双盲随机试验给58位肥胖者（体质指数30.0 kg/m2～39.9kg/m2）服用藤黄提取物2.4g+魔芋葡甘露聚糖1.5 g（3次/d，12周），发现总胆固醇和LDL-C显著降低。
这些研究表明KGM具有控制体重、调节血脂和预防心血管疾病的作用。
3.2 润肠通便、防治便秘和癌症
张茂玉等[28]研究表明便秘者食用魔芋能增加每日粪便湿重（1 g魔芋精粉大约能增重11.4 g）和粪便含水量，缩短食物在肠道运转的时间和平均排便时间，并增加双歧杆菌数。KGM改善肠道菌群生态环境，可增殖具有明显增强免疫作用和抗肿瘤活性的双歧杆菌，其润肠通便作用可减少便秘者因肠道分解代谢产生的有害物质重吸收的作用，有预防结直肠癌的作用[29]。罗德元等[30]发现魔芋精粉对甲基硝基亚硝基胍（methyl nitrate nitrosoguanidine，MNNG）诱发的小鼠肺癌有预防作用。
3.3 降血糖及防治糖尿病
KGM可明显降低Ⅱ型糖尿病小鼠血糖水平，对Ⅱ型糖尿病小鼠高血糖有防治作用[31]。Vuksan等[32]使用KGM和西洋参联合治疗Ⅱ型糖尿病，发现KGM可增加胰岛素敏感性，西洋参增加胰岛素分泌，合用具有治疗Ⅱ型糖尿病的潜力，可为糖尿病患者提供新的饮食选择。
3.4 其它功能作用
3.4.1 延缓衰老
KGM能显著降低脂质过氧化物含量，提升超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，具有较强的抗脂质过氧化和抗自由基损伤的作用[31]。同时KGM能加快排泄体内有害毒素，减少肠道系统病变率，在防治面疮、黑斑、雀斑、老人斑等方面有一定作用。
3.4.2 增强免疫
Yamada等[33]研究表明用KGM喂养的小鼠肠系膜淋巴细胞产IgA和IgG水平比其它喂养组明显增高，认为KGM可增强机体免疫功能，特别是肠道免疫系统。
3.4.3 抗炎
Onishi等[34]研究表明4周龄的特应性皮炎模型小鼠食用KGM粉末后的抓挠行为减少，并具有剂量依赖性。连续喂养小鼠KGM可显著抑制湿疹性皮肤病变，包括过度角质化、嗜酸性粒细胞和皮肤肥大细胞增多。同时，服用了KGM的小鼠皮肤中白细胞介素10（interleukin-10，1L-10）、白细胞介素 4（interleukin-4，1L-4） 和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的过度产生均受到抑制。该团队还发现KGM可抑制卵清蛋白鼻腔致敏导致的小鼠过敏性鼻炎症状。KGM可降低高脂饮食小鼠（雄性C57BL/6J）的游离脂肪酸（free fat acid，FFA）和炎症因子水平，服用了含KGM高脂饲料的小鼠组血清FFA、TNF-α、白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）和单核细胞趋化蛋白1（1-monocyte chemoattractant protein，1-MCP） 的水平明显低于高脂组（P＜0.05），同时影响了附睾周围脂肪细胞大小和分布[35]。
3.4.4 醒酒、解酒
在饮酒前食用魔芋精粉能在胃肠道内壁形成一层保护膜，防止酒精被胃肠道快速吸收，进而降低血液中酒精浓度，不易产生宿醉感[36]。
4 魔芋葡甘露聚糖的应用
KGM是一种可溶性植物纤维，热量较低，具有良好的凝胶性，因此可以将其用于研制魔芋凝胶食品，包括果冻、布丁、果酱、无脂肪软糖等热可逆凝胶类食品和魔芋豆腐、魔芋粉丝、魔芋片、仿生食品等热不可逆凝胶类食品。KGM优良的持水性和增稠性，可减少增稠剂用量，降低原料成本[7]；可作为冰淇淋稳定剂，使其口感更加顺滑细腻[37]；也可作为果汁和酒类澄清剂，使啤酒倒杯后气泡细小均匀，有较强的持泡能力及较长的挂杯时间[36]；KGM凝胶在透析除碱后能很好地保持凝胶结构，可运用到食品加工中保持产品形状。KGM良好的成膜性可用于制作微胶囊，保护包裹在其中的物料，避免与其它组分发生反应[1]，可考虑用于营养素靶向运载。
除了在食品领域应用广泛以外，KGM还可作为片剂辅料、细胞载体、外科伤口的包裹材料用于生物医药领域[36，38-39]；还可制成可降解保鲜膜，对果蔬起到保鲜、延长贮藏期的作用[6]；或将其改性后，应用于环保领域，代替常用的铝、铁絮凝剂，用于废水净化，防止二次污染[40-41]；在日化用品中，KGM可用作造纸、印刷胶液、橡胶、陶瓷、摄影胶片的黏着剂；在纺织工业中，KGM可用作毛、麻、棉纱的浆料，丝绸双面透印的印染糊料和后处理的柔软剂；还可用于烟草加工中用作保香剂；在化妆品工业上用作护肤霜、洗发水的添加剂等[38]。
5 发展前景
KGM作为一种结构及理化性质独特的天然多糖，具有重要的应用价值，已广泛用于食品、生物医药、工农业等领域，考虑KGM理化特性与其功能特性的关联，目前对KGM的研究主要集中在理化特性及改性上，而市场上魔芋相关产品仍存在很多不足。进一步深度加工和开发KGM，对拓展其应用范围、提高魔芋的附加价值具有重要的意义。
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