王元

1. 魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)及理化特性

魔芋葡甘聚糖是天南星科植物，是魔芋中的主要成分，是天然的植物多糖，具有較高的粘度。魔芋葡甘聚糖縮寫即為KGM，KGM主鏈D-甘露糖與D-葡萄糖通過β-1，4糖苷鍵鏈接而成，甘露糖與葡萄糖分子比約為1.5：1或1.6：1（花魔芋，A.konjac）或1.69：1。在某些糖殘基C3位上存在由β-1，3糖苷鍵鏈接的支鏈，支鏈上有葡萄糖與甘露糖殘基構(gòu)成，數(shù)量不等，KGM其化學(xué)結(jié)構(gòu)可由圖1.1表示。

KGM的特殊結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分賦予其獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的親水性、膠凝性、流變性能、增稠性能和成膜性能。KGM易溶于水，但不溶于甲醇、乙醇、丙酮和氯仿等有機(jī)溶劑，難以自由移動(dòng)的大分子使魔芋膠溶液成為粘稠的非牛頓流體。KGM具有優(yōu)異的保水性，可吸收自身體積的80至100倍，形成KGM溶膠。同時(shí)，KGM分子量大，吸濕性和容量性強(qiáng)，由于不帶電而具有極好的附著力，是自然界粘度最高的多糖之一，具有極好的增稠效果，相較于其他多糖。KGM溶膠的脫水在一定條件下可以形成膠膜，通過調(diào)節(jié)親水和疏水材料可以改變膠膜的透水性。

KGM吸水性強(qiáng)，可增加大便量，促進(jìn)腸蠕動(dòng)和糞便排泄，減少對(duì)有毒物質(zhì)的吸收，起到腸道清道夫的作用。KGM到達(dá)大腸后，在腸道微生物的作用下發(fā)酵產(chǎn)生酸和各種短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，調(diào)節(jié)腸道菌群，具有良好的腸道益生元作用。近年來，有報(bào)道稱，KGM的腸道益生元作用是發(fā)揮減肥降脂、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化損傷、預(yù)防大腸癌等生物學(xué)作用的重要途徑。對(duì)各種KGM及其衍生物的腸道益生元進(jìn)行了評(píng)估，性別在預(yù)測(cè)KGM的生物活性方面非常重要。

魔芋葡甘聚糖是一種優(yōu)質(zhì)膳食纖維，能促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)，具有“腸道清道夫”的功效，促進(jìn)體內(nèi)有害毒素的排出，預(yù)防和減少疾病的發(fā)生，有效保護(hù)胃黏膜，能清除胃壁并具有良好的腸道益生菌特性，但尚未報(bào)道哪種攝入形式發(fā)揮更好的作用。益生元發(fā)揮腸道益生菌的主要機(jī)制是，增加腸道益生菌的活性，從而調(diào)節(jié)腸道上皮屏障起到益生菌的作用，降低腸道pH值，抑制有害菌的增殖，防止腸道功能障礙，促進(jìn)益生菌的產(chǎn)生。鏈脂肪酸（SCFAs）為腸黏膜細(xì)胞提供能量，促進(jìn)細(xì)胞代謝和生長，增加腸道滲透壓，改善糞便含水量。

2. 魔芋葡甘聚糖的改性研究

KGM易溶于水而形成凝膠，溶解度小、穩(wěn)定性差、流動(dòng)性差，為了提高KGM的性能，可以通過物理、化學(xué)的方法進(jìn)行改性處理?；瘜W(xué)法包括化學(xué)沉淀法、吸附法、離子交換法等?；瘜W(xué)沉淀法又分為無機(jī)鹽沉淀法、有機(jī)試劑沉淀法、高分子材料沉淀法和超臨界流體技術(shù)。其中，以無機(jī)鹽沉淀法最為普遍。物理方法包括KGM的純化，物理共混和借助超聲，微波的降解改性。對(duì)KGM進(jìn)行化學(xué)改性就是將一些官能團(tuán)引入或除去多糖結(jié)構(gòu)，使多糖的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 KGM分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基及乙?；士捎妹撘阴?，醚化，酯化，交聯(lián)及接枝共聚等化學(xué)方法進(jìn)行改性。

2.1 化學(xué)改性

KGM分子鏈上含有豐富的羥基，KGM糖環(huán)C2，C3，C6位上的羥基在合適條件下能與酸或酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)形成相應(yīng)的酯化物。乙酸、磷酸與沒食子酸在KGM中發(fā)生了不同程度的酯化反應(yīng)，隨著取代程度的增加，KGM分子間形成了強(qiáng)氫鍵，使其易于脫水。經(jīng)酯化后，KGM具有良好的耐剪切、耐酸堿、黏度穩(wěn)定性好、溶解度大、抗張強(qiáng)度高、柔軟特性好等特點(diǎn)。通過紅外光譜圖可以看出，乙酰基的引入改變了KGM分子結(jié)構(gòu)，使其鍵合能力增強(qiáng)。此外，乙?；彩荎GM表面疏水性提高的原因之一。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，GMAc低DS條件下拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率較高。

生物催化條件下，KGM能與一些脂溶性脂肪酸進(jìn)行酯化反應(yīng)，脂肪酸疏水部分與KGM結(jié)合，使KGM具有兩親特性，是提高KGM油基配方及乳狀液溶解度的一種潛在途徑。 然而，由于脂類物質(zhì)的親水部位容易吸附于KGM表面，而使其水溶性降低，KGM在油包水型乳化劑體系中易失水，從而導(dǎo)致油水分離困難。 Meng等人采用弱堿性的微波法將KGM與辛烯基琥珀酸酐（OSA）進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到含有OSA基團(tuán)的KGM分子。

2.2 物理改性

相對(duì)于化學(xué)交聯(lián)，物理共混不靠共價(jià)修飾而靠共混物之間的氫鍵或者靜電吸引而相互作用。其中，KGM具有優(yōu)異的機(jī)械性能、光學(xué)穩(wěn)定性及生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作藥物控釋材料。但是，由于制備工藝復(fù)雜且成本較高，使得該領(lǐng)域研究較為困難。KGM物理共混物的制備方法比較簡(jiǎn)單，它主要是形成溶液共混物或者乳液共混物來提高KGM在某一特定方面的性能，或者介紹一些特殊性能來提高KGM的適用范圍。KGM/GG/DMY活性復(fù)合膜是在KGM/DMY結(jié)冷膠基質(zhì)中添加不同濃度二氫楊梅素制備而成。

物理降解包括熱降解、輻射降解、超聲降解、微波降解。其中，超聲降解以它特有的高效低能耗得到了廣泛關(guān)注，并已成為一種重要的微生物降解方式。目前，關(guān)于超聲降解機(jī)制及作用機(jī)理的報(bào)道較少。研究了超聲波功率對(duì)KGM分子量及流變性能影響，KGM的特征粘度在超聲波作用下逐漸降低，這與聚合物隨機(jī)斷鏈降解動(dòng)力學(xué)的第一反應(yīng)過程十分一致。結(jié)果表明：當(dāng)溫度低于80℃，聲輻射強(qiáng)度為20W/cm2，可以得到較低分子量（小于100kD）的產(chǎn)品;隨溫度升高，聲強(qiáng)增大。超聲處理也使KGM團(tuán)聚體的粒徑顯著下降，存儲(chǔ)模量及損耗模量均有所下降，但初級(jí)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生顯著改變。

3. 魔芋葡甘聚糖對(duì)腸道微生物調(diào)控的作用及其機(jī)制

魔芋葡甘聚糖單糖的結(jié)合方式與纖維素的結(jié)合方式相似，因此被分解成單糖，在小腸中不被吸收。研究表明，魔芋在動(dòng)物的胃和小腸中不被消化酶分解，而主要被大腸中的甘露聚糖桿菌分泌的甘露聚糖酶消化降解。當(dāng)葡甘露聚糖進(jìn)入大腸時(shí)，魔芋甘露聚糖首先被甘露聚糖酶分解為甘露聚糖和葡萄糖，產(chǎn)生的部分糖進(jìn)一步通過三羧酸系統(tǒng)被細(xì)菌分解代謝。另一方面，細(xì)菌利用這些代謝物進(jìn)行自身生長，同時(shí)分泌大量甘露聚糖酶進(jìn)一步消化魔芋甘露聚糖。

胃腸道是人體最大的微生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)維持人體的生存和健康起著非常重要的作用。人們?cè)谌粘Ｉ钪腥菀壮霈F(xiàn)便秘，當(dāng)廢物在腸道內(nèi)長期堆積時(shí)，會(huì)產(chǎn)生毒素，從而導(dǎo)致糖尿病、高血壓、癌癥等多種疾病。食用魔芋后，消化吸收會(huì)減慢，而大量的可溶性植物纖維能促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)，減少有害物質(zhì)在胃、腸和膽囊中的停留時(shí)間，有效保護(hù)胃黏膜，清潔胃壁，降低腸道疾病的發(fā)生率。

3.1 清潔胃腸道，防治便秘

魔芋葡甘聚糖可吸收水分、增大糞樣容積、改善腸道菌群、刺激腸道蠕動(dòng)，這些都有利于排便。其作用機(jī)制如下。

魔芋纖維能夠吸收大量水分，吸水后體積膨脹，更容易有飽腹感。食用后，可以抑制小腸對(duì)水分的吸收，使屏障中的水分被吸收。增加腸、糞便樣品的水分含量，使糞便樣品變得柔軟。魔芋纖維被大腸桿菌分解，利用時(shí)促進(jìn)鎖鏈脂肪酸的生成，刺激聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，提高排便率。小腸縮短1次排便的平均時(shí)間及腸活動(dòng)時(shí)間。同時(shí)，附著在屏障上的細(xì)菌的代謝產(chǎn)物和石膽酸、脫氧膽酸、突變異原物質(zhì)等致癌物質(zhì)、誘發(fā)突變物質(zhì)等廢棄物可以和纖維質(zhì)一起快速排泄，致癌物質(zhì)與腸道的接觸時(shí)間可以縮短墻壁的膜，降低職場(chǎng)及結(jié)腸毒素引起的癌癥發(fā)病率，起到清掃腸道的作用。

魔芋葡甘聚糖是一種外源性益生元，能促進(jìn)雙歧桿菌等有益微生物的生長發(fā)育和繁殖，同時(shí)抑制病原菌的生長。雙歧桿菌是人體腸道中具有代表性的有益微生物，具有明顯的免疫激活作用。除活菌的生理作用外，死菌和細(xì)菌成分也具有明顯的抗腫瘤活性。雙歧桿菌可定殖宿主腸黏膜形成生物屏障，具有拮抗病原菌、改善微生物平衡、合成多種維生素、供給營養(yǎng)、提高免疫力、降低膽固醇水平等重要生理功能，其對(duì)健康的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他乳酸桿菌。

同時(shí)，魔芋凝膠進(jìn)入人體腸道后，形成不同孔徑的半透膜附著在腸壁上，防止包括致癌物在內(nèi)的有害物質(zhì)侵入，起到解毒防癌的作用。魔芋葡甘聚糖可能會(huì)降低生長抑素對(duì)胃腸動(dòng)力的抑制作用，從而產(chǎn)生胃腸動(dòng)力作用。目前，魔芋葡甘聚糖具有很強(qiáng)的吸收性和膨脹性，因此被認(rèn)為是一種通過產(chǎn)生飽腹感來填充胃腸道并減少食物攝入量的機(jī)制。同時(shí)，由于魔芋葡甘聚糖的高分子量和高粘度，在胃腸道內(nèi)形成粘性纖維，減少了胃腸道對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，增加了糞便的排泄。

3.2 抑制人體肥胖，防治糖尿病

近年來的研究表明，魔芋葡甘聚糖能夠有效遏制糖尿病，有助于抑制人類肥胖。如前所述，魔芋葡甘聚糖因吸水性強(qiáng)而膨脹充盈胃腸道，產(chǎn)生飽腹感，可減少食量，達(dá)到控制體重的目的。同時(shí)，魔芋葡甘聚糖可降低腸黏膜中Na-K-ATP酶的活性，限制營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。此外，由于葡甘聚糖的分子量大、粘度高，增加了食糜在消化道的粘度，并通過覆蓋腸黏膜表面形成擴(kuò)散屏障，從而延緩了魚糜糊的停留時(shí)間。限制胃腔和腸黏膜，來自消化道的食物營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散到腸絨毛中的速度，從而延長了消化系統(tǒng)中食物的消化過程。同時(shí)，研究表明，魔芋葡甘聚糖將胰島素平衡調(diào)節(jié)到較低水平，從而限制脂質(zhì)和糖類的吸收，達(dá)到抑制體重增加和緩解糖尿病的效果。

3.3 降低膽固醇、預(yù)防高血壓、高血脂

研究表明，魔芋葡甘聚糖可以降低膽固醇、預(yù)防高血壓和高脂血癥。葡甘露聚糖纖維可抑制小腸對(duì)膽固醇、膽汁酸等脂解物質(zhì)的吸收，由于進(jìn)入血液的脂肪量少，可促進(jìn)脂質(zhì)物質(zhì)向體內(nèi)的排泄。魔芋葡甘聚糖在消化道內(nèi)能與膽固醇結(jié)合，破壞甘油三酯和膽固醇的吸收，有效抑制膽汁酸在回腸黏膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，使腸循環(huán)部分受阻，降低肝臟血脂，增加類固醇排泄，最終消耗脂肪酸。魔芋葡甘聚糖還可以在大腸內(nèi)被微生物分解，產(chǎn)生丙酸等短鏈脂肪酸，被人體吸收，產(chǎn)生低脂效果。

總結(jié)

魔芋葡甘聚糖覆蓋腸壁表面，病原微生物侵入后，被外源性萊克素識(shí)別，并附著在細(xì)胞表面，過濾掉病原微生物，排出病原微生物和毒素，提高機(jī)體免疫力。魔芋葡甘聚糖能增加腸道菌群的多樣性，改善腸道菌群的組成，促進(jìn)雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌的生長，對(duì)腸道健康發(fā)揮作用。