侯燕杰，殷軍藝，聶少平

(南昌大學(xué) 食品學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)-加拿大食品科學(xué)與技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(南昌)，江西省生物活性多糖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031)

魔芋是天南星科(Araceae)魔芋屬(AmorphophallusBlume)多年生草本植物，在我國(guó)秦嶺大巴山、四川盆地和云貴高原等地廣泛種植。魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan, KGM)是魔芋塊莖的主要成分之一，成熟鮮魔芋塊莖中KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～30%，干燥精制魔芋粉中KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)70%[1-3]。

KGM是由甘露糖或葡萄糖通過(guò)β-1, 4糖苷鍵連接而成的雜多糖(圖1)，在糖殘基O-3或O-6位可能存在支鏈，且含有一定量的乙?；鵞4-9]。1951年，Torigata等首次報(bào)道了KGM中存在乙?；?，并推測(cè)主鏈上每9個(gè)糖殘基中可能存在1個(gè)乙?；鵞10]。隨后，Maekaji利用紅外光譜技術(shù)確認(rèn)了KGM中乙?；拇嬖?，并利用液相色譜法證實(shí)KGM每19個(gè)糖殘基中存在1個(gè)乙?；鵞11]。后續(xù)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)乙?；贙GM中隨機(jī)分布，取代度為0.05～0.11，連接在甘露糖殘基的O-2或者O-3位，但沒(méi)有在葡萄糖殘基上發(fā)現(xiàn)乙酰基的存在[12-13]。

圖1 魔芋葡甘露聚糖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure scheme of konjac glucomannan注:參考自文獻(xiàn)[4-9]。

由于來(lái)源和提取方式不同，KGM分子量一般在200～2 000 kDa之間[14-16]。KGM高分子量、高支化等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有增稠性等特性，被作為增稠劑廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥行業(yè)[17]。KGM分子鏈上的乙酰基通過(guò)阻礙分子間氫鍵的形成而賦予了KGM良好的溶解性和溶脹性[18-19]。增加KGM中乙?；靠梢源龠M(jìn)KGM溶解，而適當(dāng)降低乙?；靠梢垣@得具有較強(qiáng)凝膠特性的KGM[20-21]。然而，乙?；拇嬖谑筀GM分子空間位阻變大，分子鏈之間距離較遠(yuǎn)，KGM不能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制了其單獨(dú)作為膠凝劑的應(yīng)用。KGM脫除乙?；粌H能夠提高其熱穩(wěn)定性，還能夠形成彈性較高的不可逆凝膠，進(jìn)而使KGM可以被直接應(yīng)用于食品、材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。因此，本文綜述了乙酰基對(duì)KGM理化性質(zhì)的影響、KGM中的乙?；摮椒案黝惐碚骷夹g(shù)，總結(jié)了脫乙?；鵎GM的成膠機(jī)理、影響因素及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的研究趨勢(shì)和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 乙?；鶎?duì)KGM理化性質(zhì)的影響

1.1 對(duì)KGM溶解度的影響

與纖維素分子結(jié)構(gòu)類似，KGM主要由葡萄糖或者甘露糖通過(guò)β-1, 4糖苷鍵連接而成，但KGM中乙?；拇嬖谠黾恿丝臻g位阻效應(yīng)，分子內(nèi)及分子間的締合作用減弱，KGM分子與水之間形成大量氫鍵，進(jìn)而使KGM展現(xiàn)出良好的溶解度，表現(xiàn)出與纖維素不一樣的溶解性質(zhì)[22-23]。有研究表明，當(dāng)增加KGM溶液中的堿濃度時(shí)，KGM分子的乙?；肯陆?，空間位阻降低，導(dǎo)致其溶解度下降，分子間締合，形成不溶于水的凝膠[23]。與天然KGM相比，乙?；疜GM可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完全水合形成均勻分散體，且隨著KGM中乙?；潭鹊脑黾樱瘯r(shí)間逐漸縮短。去除乙?；螅琄GM的溶解度變差，但調(diào)整溶劑(如有機(jī)溶劑、離子溶劑等)可以在一定程度上促使脫乙?；鵎GM與溶劑通過(guò)氫鍵形成絡(luò)合物，增加其溶解度；另外，降低溫度也能增加脫乙酰基KGM的溶解度[24-25]。

1.2 對(duì)KGM結(jié)晶性的影響

乙?；繉?duì)KGM分子的結(jié)晶性有一定影響。Sakurada等最早提出脫乙酰基前后KGM結(jié)晶性的變化：KGM在X-射線衍射中呈現(xiàn)出近似無(wú)定形的α-光譜，而在乙醇環(huán)境中經(jīng)加熱或堿處理脫除乙?；?，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?光譜，即從無(wú)定形非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)[26]。Ogawa等深入探究了乙?；鶎?duì)KGM結(jié)晶性的影響，發(fā)現(xiàn)脫乙?；鵎GM經(jīng)高溫處理再緩慢冷卻后，會(huì)由無(wú)定形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂须p螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)晶狀[27]。后續(xù)研究進(jìn)一步證實(shí)，KGM脫乙?；蠓肿渔溕蠠o(wú)乙酰基的部分鏈段形成了KGM結(jié)晶區(qū)[28-30]。由于KGM的分子量高且大多屬于無(wú)定形微結(jié)晶狀，因此探索脫乙?；驥GM結(jié)晶性的變化存在一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.3 對(duì)KGM分子構(gòu)象的影響

乙?；梢灾苯佑绊慘GM分子在溶液中的構(gòu)象。Jian等采用分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法發(fā)現(xiàn)，KGM分子構(gòu)象是非典型的螺旋結(jié)構(gòu)，而該螺旋結(jié)構(gòu)受到乙?；挠绊懀ヒ阴；驥GM分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)則線狀，表明乙?；蔷S持KGM螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要基團(tuán)[31]。有學(xué)者通過(guò)原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，KGM分子為單股長(zhǎng)度200～400 nm、厚度1.0 nm、寬度35.0～35.2 nm的伸展螺旋鏈，脫乙?；髣t轉(zhuǎn)變?yōu)橹睆?0～50 nm、厚度3.5～5.0 nm的彈性圓臺(tái)狀[32]，同時(shí)KGM分子的特性黏度降低、非對(duì)稱性增加，形成有序結(jié)構(gòu)[33-34]。

2 KGM的脫乙?；椒?/h2>

盡管乙酰基可以使KGM表現(xiàn)出良好的溶解性并被作為增稠劑應(yīng)用于食品行業(yè)，但KGM自身膠凝性較低，需要提高濃度或與其他多糖進(jìn)行復(fù)配使用，這在一定程度上限制了KGM的應(yīng)用。KGM脫乙?；髸?huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡婺z，在冷凍加工(如纖維改性溶解和再生)、材料(如保鮮膜)、膠凝劑等方面有諸多應(yīng)用。目前，KGM脫乙?；姆椒ㄒ曰瘜W(xué)法為主，根據(jù)其輔助方法的不同，大致可分為機(jī)械-化學(xué)結(jié)合法[35-36]、無(wú)輔助的純化學(xué)法[37-39]及化學(xué)-加熱結(jié)合法[40-41]3種。表1對(duì)KGM脫乙?；姆椒ㄟM(jìn)行了歸納總結(jié)和比較。

表1 KGM脫乙?；椒ū容^Tab.1 Comparation of the KGM deacetylation methods

采用機(jī)械-化學(xué)結(jié)合法進(jìn)行KGM脫乙?；幚頃r(shí)，如室溫下采用臺(tái)式振動(dòng)研磨機(jī)并加入強(qiáng)堿(NaOH、KOH、Ca(OH)2)的處理方式，堿性越強(qiáng)KGM的脫乙?；Ч胶谩Ｔ摲椒梢钥s短KGM受機(jī)械外力的作用時(shí)間，還可以減少機(jī)械帶來(lái)的能源損耗及機(jī)械外力對(duì)KGM結(jié)構(gòu)性能的影響；但使用該方法對(duì)固相KGM進(jìn)行脫乙?；幚頃r(shí)，粉末狀KGM與堿的反應(yīng)速率相對(duì)較慢，且后續(xù)乙醇洗滌會(huì)對(duì)脫乙?；^(guò)程產(chǎn)生消極影響，獲取含有特定乙酰基含量KGM的難度較大[35-36]。相比于天然KGM，使用機(jī)械-化學(xué)結(jié)合法得到的脫乙?；鵎GM的黏度和熱穩(wěn)定性均有所提高，制備薄膜時(shí)不容易受溫度影響。

無(wú)輔助的純化學(xué)法是使用較為廣泛的脫乙?；椒āＤ壳?，KGM脫乙酰基大多是在均相體系中(以水溶液為主)采用堿進(jìn)行處理的，如在室溫條件下將KGM分散于水溶液后加入Na2CO3、K2CO3等弱堿脫除乙?；摲椒ú僮骱?jiǎn)便、反應(yīng)溫和、不會(huì)造成分子降解[39]；也有室溫下在KGM溶液中加入強(qiáng)堿脫除乙?；淖龇?，該方法雖然可以加速脫乙?；^(guò)程，但易造成分子降解[38]。由于KGM溶液黏度較高，無(wú)法直接使用純化學(xué)方法進(jìn)行高濃度KGM的脫乙?；幚?。非均相化學(xué)法脫除KGM乙酰基是先將KGM分散于乙醇和水環(huán)境中，再加入堿進(jìn)行脫乙酰基處理的方法，該方法不僅適用于高濃度KGM，還能夠得到具有精確乙?；康拿撘阴；鵎GM，但多次乙醇洗滌會(huì)降低脫除效率[37]。

化學(xué)-加熱結(jié)合法是一種可以快速脫除KGM中乙?；姆椒?，但同樣需要注意強(qiáng)堿、高溫會(huì)導(dǎo)致KGM分子降解[40-41]。該方法得到的脫乙?；鵎GM黏度低于天然KGM，但堿、熱共同作用不僅可以加速凝膠形成，還會(huì)使凝膠更加均勻。

上述方法中使用頻率較高的KGM脫乙酰基方法是無(wú)輔助的純化學(xué)法和化學(xué)-加熱結(jié)合法。處理后得到的、與天然KGM性質(zhì)相差較大的脫乙?；鵎GM不可逆凝膠具有溶解度降低、凝膠強(qiáng)度較大、彈性較好等特性，這些特性均為KGM的進(jìn)一步應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

3 KGM脫乙酰基的表征方法

在脫乙?；^(guò)程中及脫乙?；昂?，KGM的性質(zhì)均會(huì)發(fā)生明顯變化。研究人員先后采用了多種表征方法(表2)對(duì)KGM的脫乙?；^(guò)程進(jìn)行深入研究。

表2 KGM脫乙?；谋碚鞣椒═ab.2 Characterization methods of KGM deacetylation

3.1 傅里葉變換紅外光譜和熒光光譜

熒光光譜中的芘為壽命較長(zhǎng)的熒光分子，能優(yōu)先溶解于聚集體內(nèi)的疏水區(qū)域，且芘對(duì)環(huán)境極性變化很敏感[47-48]，可以用于檢測(cè)KGM脫乙酰基過(guò)程中疏水相互作用的變化。Xin等報(bào)道，當(dāng)KGM溶液中的堿濃度增加時(shí)，第一波段和第三波段之間的發(fā)射強(qiáng)度比(I1/I3)降低，表明KGM中乙酰基含量降低后體系中逐漸形成了疏水區(qū)域[49]。雖然該方法可以合理表征KGM脫乙?；^(guò)程中的作用力，但受限于特殊材料芘的應(yīng)用，該方法使用頻率較低。

3.2 流變學(xué)和擴(kuò)散光譜學(xué)

流變學(xué)可以表征脫乙?；^(guò)程中及脫乙?；昂驥GM黏度和成膠性能的變化，該方法操作簡(jiǎn)單，普及率較高。KGM溶液為黏稠液體，表觀黏度大，當(dāng)KGM中的乙?；赐耆摮龝r(shí)，堿會(huì)破壞分子鏈和水分子間的氫鍵，此時(shí)KGM的表觀黏度隨乙?；康臏p少而降低[42,50]。隨著堿濃度的增加，KGM中的乙?；恐饾u降低，KGM發(fā)生凝膠化而形成不溶于水的凝膠。流變儀可以通過(guò)測(cè)定振蕩模式過(guò)程中樣品的儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗角正切、復(fù)模量等參數(shù)來(lái)表征流變特性[51]，以獲取KGM在脫乙?；笮纬赡z的穩(wěn)定性和完整性等信息[18,44,52-53]。

擴(kuò)散光譜學(xué)是一種在微觀上考察樣品流變特征的技術(shù)，具有采樣體積小、采集時(shí)間短、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，也可以用于監(jiān)測(cè)KGM脫乙?；^(guò)程中流變特性的變化。Zhou等使用擴(kuò)散光譜學(xué)監(jiān)測(cè)KGM的脫乙?；^(guò)程，發(fā)現(xiàn)脫乙?；^(guò)程中KGM的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變是乙?；拷档褪筀GM鏈之間有更多交聯(lián)點(diǎn)造成的[54]。結(jié)合流變儀和擴(kuò)散光譜學(xué)，可以從宏觀和微觀兩個(gè)角度較為全面地解釋KGM的脫乙?；鶛C(jī)制。

3.3 掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡

掃描電子顯微鏡可以直接觀察KGM脫乙?；昂蟊砻嫘螒B(tài)的變化。通過(guò)掃描電子顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)，隨著KGM中乙酰基含量的減少，分子間的締合作用增強(qiáng)，KGM表面逐漸由波浪狀、粗糙狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向光滑有序形態(tài)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密[42]。與K2CO3相比，Na2CO3誘導(dǎo)KGM脫乙?；笮纬傻哪z均勻性更高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更好、更致密[39]。掃描電子顯微鏡表征結(jié)果還表明，當(dāng)乙酰基含量較低時(shí)，KGM更趨向于先自發(fā)聚集，在混合凝膠中的參與數(shù)量減少，網(wǎng)絡(luò)變稀疏[55]。然而，利用掃描電子顯微鏡測(cè)試前需要凍干樣品，該操作會(huì)使凝膠脫水、結(jié)構(gòu)變形，最終導(dǎo)致測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)孔徑大于理論值，因此還需探索更先進(jìn)的技術(shù)以精確表征脫乙酰基KGM凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

與掃描電子顯微鏡類似，原子力顯微鏡也具有制樣簡(jiǎn)單、可直觀觀察KGM脫乙?；昂蟊砻嫘蚊沧兓膬?yōu)勢(shì)。例如，用堿處理KGM水溶液后，利用原子力顯微鏡可以從三維角度表征KGM鏈在脫乙?；^(guò)程中的團(tuán)聚、聚集過(guò)程[54,56]。

3.4 X-射線衍射

X-射線衍射經(jīng)常用于表征樣品的晶體/非晶結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體生長(zhǎng)、成分分布及成核[60]，具有制樣簡(jiǎn)單、對(duì)樣品無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)，可以用于檢測(cè)KGM脫乙?；昂蠼Y(jié)晶性質(zhì)的變化。有研究顯示，脫乙?；昂驥GM的X-射線衍射結(jié)果相近，均為無(wú)定形結(jié)構(gòu)，只在小范圍衍射強(qiáng)度內(nèi)有細(xì)微差別[42]。另有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)KGM中的乙?；拷抵脸跏己康囊话霑r(shí)，會(huì)在2θ為12°時(shí)出現(xiàn)1個(gè)新衍射峰，說(shuō)明脫乙酰基KGM發(fā)生了自卷曲，其分子間相互作用產(chǎn)生了新的微結(jié)晶區(qū)域[57]。但X-射線衍射技術(shù)通常只能表征KGM脫乙?；昂蟮慕Y(jié)晶差異，無(wú)法探究脫乙?；^(guò)程，具有一定的局限性。

3.5 熱分析儀和動(dòng)態(tài)光散射

熱分析儀和動(dòng)態(tài)光散射也可以用于表征KGM脫乙?；昂蠓肿娱g的相互作用。熱交換或重量變化通常伴隨著物質(zhì)中相互作用力的變化，熱分析技術(shù)可以揭示KGM脫乙?；^(guò)程中發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變時(shí)作用力的變化情況[58]。Zhou等采用熱分析儀探究脫乙酰基過(guò)程中KGM分子間的相互作用及構(gòu)象變化，通過(guò)測(cè)定該過(guò)程中的能量變化，發(fā)現(xiàn)隨著乙?；拿摮?，吸熱峰移向更高溫度，推測(cè)脫乙酰基KGM分子和水分子之間的氫鍵遭到破壞，疏水作用代替氫鍵成為主要作用力，破壞該作用力需要更高能量，因此所需溫度增加[54]。

動(dòng)態(tài)光散射作為一種物理表征手段,可以用于測(cè)量聚合物溶液中分子粒徑的變化，獲得纏結(jié)或交聯(lián)聚合物鏈的相關(guān)長(zhǎng)度[59]。一般而言，流體動(dòng)力學(xué)半徑(Rh)增加表示分子間聚集，通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射檢測(cè)可以獲得KGM分子的Rh變化，進(jìn)而了解KGM鏈在脫乙酰基前后的聚集、解聚狀態(tài)[45,56]。

以上KGM脫乙酰基表征方法中，使用較多且操作簡(jiǎn)單的方法為傅里葉變換紅外光譜，該方法不受樣品溶解度的影響，能直接表征KGM脫乙?；昂蟛町?。熒光光譜、流變儀和擴(kuò)散光譜學(xué)可用于探究KGM脫乙?；^(guò)程中的作用力和溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變情況。掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡通過(guò)成像方式可以直觀顯示KGM脫乙酰基前后的分子狀態(tài)變化。除此之外，還需要結(jié)合X-射線衍射、熱分析等其他手段，共同解釋KGM脫乙?；鶛C(jī)制。

4 脫乙?；鵎GM的凝膠機(jī)理及影響因素

4.1 凝膠機(jī)理

堿性條件誘導(dǎo)KGM凝膠化的機(jī)理由Maekaji首次報(bào)道，其通過(guò)跟蹤KGM中加入堿的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)降低乙酰基含量會(huì)誘導(dǎo)KGM形成凝膠，整個(gè)過(guò)程分為誘導(dǎo)期和凝膠形成期[11]。加入堿后經(jīng)過(guò)短暫的誘導(dǎo)期，KGM開(kāi)始凝膠化，此時(shí)溶液黏度大幅度增加，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。之后有研究進(jìn)一步證實(shí)，在KGM與堿的作用過(guò)程中，乙酰基脫除是形成凝膠的重要反應(yīng)[11,61]。為探明乙酰基在KGM形成凝膠過(guò)程中的作用，Gao等和Huang等先在KGM分子鏈中引入乙?；賹⑵渑cNa2CO3反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)最終形成的凝膠彈性高于KGM直接與堿反應(yīng)得到的凝膠，表明KGM中乙酰基含量越高，KGM與堿反應(yīng)后形成的凝膠彈性越強(qiáng)[52，62]。

以上研究雖然對(duì)堿誘導(dǎo)KGM凝膠的形成過(guò)程進(jìn)行了探索，但均未從分子水平揭示乙?；坑绊慘GM凝膠形成的機(jī)理。為探明KGM在脫乙?；^(guò)程中的分子間作用力類型，Yin等和Case等分別在堿和KGM共存體系中加入十二烷基硫酸鈉(SDS)和感膠離子序列鹽，發(fā)現(xiàn)二者均可促進(jìn)凝膠化，初步推測(cè)脫乙?；鵎GM分子間存在疏水鍵；再通過(guò)比較脫乙酰基KGM和已知凝膠機(jī)理的高聚物的流變特性，發(fā)現(xiàn)氫鍵和疏水作用共同促進(jìn)KGM凝膠化[63-64]。因此，乙?；客ㄟ^(guò)影響KGM分子間的疏水作用而影響其凝膠化行為[19]。另有研究表明，在KGM溶液中加入Na2CO3后，脫乙酰基過(guò)程立刻發(fā)生，KGM在形成低交聯(lián)度的不可逆膠束前，會(huì)發(fā)生由線圈到自組裝纖維狀網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)型轉(zhuǎn)變，當(dāng)凝膠完全形成后，過(guò)度纖維間聚集形成由非乙酰基部分組成的區(qū)域[54]。Williams等研究指出，互相纏結(jié)的KGM分子在堿性環(huán)境中會(huì)發(fā)生脫乙酰基反應(yīng)，分子鏈彼此聚集并產(chǎn)生交聯(lián)點(diǎn)，隨著脫乙?；鵎GM分子的增多，交聯(lián)點(diǎn)變多，凝膠逐漸形成[65]。

綜上，在堿誘導(dǎo)KGM形成凝膠的過(guò)程中，隨著乙酰基含量的降低，KGM鏈上無(wú)乙酰基部分增多，其通過(guò)疏水作用力、氫鍵發(fā)生交聯(lián)，最后形成強(qiáng)度高于未脫乙?；鵎GM的凝膠。

4.2 影響因素

堿誘導(dǎo)的KGM脫乙?；z化過(guò)程受多種因素影響，如KGM的濃度[44,46,52]、堿的濃度[18,54,66]和種類[38]、溫度[18,21,44-45,53,56,62,67]等。

4.2.1 KGM濃度的影響

當(dāng)其他條件不變時(shí)，KGM濃度是對(duì)凝膠化影響最大的因素。當(dāng)KGM濃度低于臨界值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%)時(shí)，凝膠化不能發(fā)生；當(dāng)KGM濃度高于臨界值時(shí)，隨著KGM濃度的增加，KGM臨界凝膠時(shí)間和儲(chǔ)能模量平臺(tái)值增加，凝膠時(shí)間縮短，凝膠彈性模量增強(qiáng)[44,52]。另外，在相同堿濃度下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的KGM比3%的 KGM形成的網(wǎng)絡(luò)更堅(jiān)固、更強(qiáng)[46]。當(dāng)KGM濃度較高時(shí)，KGM分子間距離較近，互相纏結(jié)，可以穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，提高體系的整體機(jī)械性能；但當(dāng)KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7%時(shí)，KGM自身形成凝膠，不利于脫乙酰基的進(jìn)行[68]。因此，選擇合適的KGM濃度更有利于其脫乙酰基凝膠化。

4.2.2 堿的影響

堿是KGM脫乙?；谋匾獥l件，其發(fā)揮脫乙?；饔玫臋C(jī)理如下：堿作為親核試劑可以誘導(dǎo)電子向羥基中的氧原子移動(dòng)，產(chǎn)生氧陰離子，使KGM分子鏈的負(fù)電荷密度遠(yuǎn)大于其所在蒸餾水的負(fù)電荷密度，進(jìn)而導(dǎo)致KGM分子鏈和水分子之間的水合作用氫鍵被破壞，阻礙了分子鏈在溶液中的膨脹，KGM分子在水中的溶解度降低[18,65]。因此，堿的濃度和種類均會(huì)影響KGM脫乙?；^(guò)程。

在凝膠化誘導(dǎo)期，凝膠化速率隨著堿濃度(不過(guò)量情況下)的增加而加快，乙?；恢饾u脫除后，KGM分子互相靠近形成連接區(qū)，最終得到彈性更好的凝膠[46,53,62]。Pan等對(duì)KGM進(jìn)行乙?；摮幚頃r(shí)發(fā)現(xiàn)，堿作為改性劑，其濃度是影響KGM脫乙酰基過(guò)程和乙?；康闹饕蛩豙69]。加入堿后KGM分子發(fā)生脫乙酰基，導(dǎo)致分子鏈聚集，當(dāng)堿過(guò)量時(shí)凝膠化速率過(guò)快，一些分子鏈來(lái)不及形成連接區(qū)，會(huì)使凝膠彈性模量減?。欢?dāng)堿不過(guò)量時(shí),連接區(qū)的分布更加均勻，能夠形成彈性和剛性更好的凝膠[46,53,62]。

堿的種類對(duì)KGM溶液的理化、流變學(xué)和結(jié)構(gòu)特性均有影響[70]。KOH和NaOH都屬于強(qiáng)堿，前者堿性大于后者，在相同濃度條件下KOH誘導(dǎo)KGM脫乙?；玫降哪z效果更好[41]。Na2CO3和K2CO3均為弱堿，相比于K+，Na+電荷更為密集(半徑更小)，可以與水分子和KGM鏈的羥基產(chǎn)生更強(qiáng)的離子偶極作用，在凝膠網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出更高水平的偶極序和更強(qiáng)的水合能力，因此Na2CO3誘導(dǎo)的脫乙?；鵎GM凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比K2CO3誘導(dǎo)的更均勻致密[39]。堿在KGM脫乙?；^(guò)程中的作用復(fù)雜多樣，其誘導(dǎo)KGM脫乙?；纬赡z的作用機(jī)理有待繼續(xù)深入探索。

4.2.3 溫度的影響

溫度也會(huì)影響KGM的脫乙酰基過(guò)程。在堿環(huán)境下熱處理KGM會(huì)導(dǎo)致分子熱運(yùn)動(dòng)，增加乙酰基脫除率[37]，促進(jìn)KGM分子聚集和連接區(qū)域形成[21]，提高凝膠形成速率[41]，但容易產(chǎn)生不均勻凝膠。堿和加熱共同作用下KGM形成凝膠的過(guò)程如圖2所示[56]：加熱能加快KGM分子運(yùn)動(dòng)和吸水膨脹，使KGM分子從聚集狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為分散舒展的單鏈。在只用堿處理時(shí)，脫乙?；鵎GM分子會(huì)形成連接區(qū)并發(fā)生聚集；而加熱和堿共同作用會(huì)使KGM快速形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。因此，熱和堿共同作用可以加快誘導(dǎo)KGM凝膠化。

圖2 KGM在堿、熱條件下形成凝膠示意圖Fig.2 Schematic diagram of KGM gel formation under alkali and heating conditions注：參考自文獻(xiàn)[56] 。

4.2.4 鹽和乙醇的影響

除上述因素外，也有報(bào)道證實(shí)鹽和乙醇可以影響堿誘導(dǎo)的KGM凝膠化。Chen等用Hofmeister理論解釋了一系列鹽對(duì)KGM凝膠化的影響，發(fā)現(xiàn)不同陰離子對(duì)KGM凝膠化的影響由大到小依次為：SO42-、F-、Cl-、Br-、NO3-、ClO-、I-、SCN-[19]。鹽離子的摻入類似于用適當(dāng)溶劑代替水，其可以破壞KGM疏水區(qū)域，延遲疏水性聚集[71-72]，進(jìn)而影響脫乙酰基KGM凝膠的性質(zhì)。Xin等通過(guò)研究KGM溶膠-凝膠體系中的疏水相互作用發(fā)現(xiàn),與天然KGM相比，陰離子會(huì)引起鹽析，增強(qiáng)KGM在水中的疏水性，Na2SO4和NaSCN均可以促進(jìn)脫乙?；鵎GM凝膠的形成[49]。此外，NaNO3和NaSCN在KGM凝膠化過(guò)程中具有濃度依賴性，二者在較低濃度下更容易引起鹽析[67]。另有報(bào)道指出，在堿誘導(dǎo)KGM凝膠化過(guò)程中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的乙醇可以促使KGM形成堅(jiān)硬而易碎的醇凝膠，該醇凝膠的溶脹率為傳統(tǒng)堿誘導(dǎo)KGM凝膠的三分之一左右[66]。

綜上，KGM的濃度、堿的種類和濃度、溫度、鹽離子、乙醇等因素均會(huì)影響KGM的脫乙酰基過(guò)程。KGM分子在堿性環(huán)境中會(huì)立刻發(fā)生脫乙?；?，分子間的空間位阻降低，發(fā)生卷曲并靠近形成連接區(qū)。KGM濃度增加、溫度升高或堿濃度增加，均能加快上述脫乙?；俾剩⑿纬筛鶆?、致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然關(guān)于KGM的脫乙酰基機(jī)制和影響因素已有較多報(bào)道，但脫乙?；S溫度的變化過(guò)程及各種因素作用于乙酰基脫除的機(jī)理等仍有待深入探索。

5 脫乙?；鵎GM的探索性應(yīng)用

天然來(lái)源的KGM應(yīng)用范圍較窄，通常通過(guò)進(jìn)一步改性KGM以拓寬其應(yīng)用范圍[73-76]。在過(guò)去的研究中，主要利用接枝、靜電紡絲技術(shù)[77-78]等理化方法作用于KGM的羥基和乙酰基來(lái)改變KGM特性，用于制備傷口愈合水凝膠或去除廢水中重金屬離子等特殊用途[79-83]。傳統(tǒng)改性方法常會(huì)引入有毒物質(zhì)且操作復(fù)雜，相比而言，堿處理KGM改變乙酰基含量的方法能夠獲得更加安全的改性KGM。目前，脫乙?；鵎GM已經(jīng)有了較多方面的探索性應(yīng)用，具體如表3所示。

表3 脫乙?；鵎GM的探索性應(yīng)用Tab.3 The exploratory application of deacetylation KGM

利用脫乙?；鵎GM制備的可食用膜和生物可降解膜擁有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，但單一膜的穩(wěn)定性低、抗拉伸能力差、抑菌能力弱[97]。將KGM改性后與κ-卡拉膠、海藻酸鹽等大分子混合，能得到穩(wěn)定性良好、抗拉伸能力強(qiáng)、水蒸氣滲透力弱且可廣泛使用的復(fù)合膜[98]。由表3可以看出，復(fù)合膜的制備方法通常分為2種:第一種是先將KGM與堿作用，得到一系列乙?；坎煌腒GM，再與其他物質(zhì)混合[57,84]；第二種則順序相反，即KGM先與其他物質(zhì)混合，再加入堿作用[85-87]。前者一方面可用于探究KGM乙酰基含量對(duì)復(fù)合膜性質(zhì)的影響，另一方面能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求制備出所需性質(zhì)的復(fù)合膜；但其制備步驟繁瑣，工作量大，且乙酰基含量降低嚴(yán)重影響KGM水溶性，限制了復(fù)合膜的制備。后者制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠直接得到復(fù)合膜，但不能明確復(fù)合膜中KGM的乙?；?。

2種及2種以上多糖形成的混合體系在凝膠強(qiáng)度、穩(wěn)定性、黏彈性等方面均優(yōu)于單一多糖，可廣泛應(yīng)用于食品、材料等領(lǐng)域，因此制備混合膠更具應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值?；旌夏z的制備方法與復(fù)合膜相同[55,88-89]，2種方法均能形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合體系，顯著增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度，所制混合膠可添加于食品中使用或在生產(chǎn)中通過(guò)吸附雜質(zhì)起到凈化作用。

脫乙?；鵎GM可以作為膠凝劑用來(lái)改善蛋白質(zhì)地，如與魚(yú)蛋白混合，制作外觀和質(zhì)地新穎的重組海鮮產(chǎn)品[50,95]。制備方法一般是KGM先與堿作用后再與蛋白混合，該方法可以探究不同乙?；縆GM對(duì)蛋白凝膠特性的影響，但其更適用于研究，實(shí)際使用中為減少操作步驟，常將KGM與魚(yú)糜混合后再與堿作用。

KGM在堿和加熱作用下成膠的優(yōu)良特性，使脫乙?；鵎GM還可以作為壁材包埋藥物或者吸附小分子物質(zhì)等。然而，以上研究大多仍處于性質(zhì)探索階段，實(shí)際應(yīng)用較少，亟需開(kāi)展大量基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究，使脫乙?；鵎GM的應(yīng)用技術(shù)更成熟、應(yīng)用范圍更廣泛。

6 結(jié)論與展望

乙酰基分布于KGM的甘露糖上，具有維持KGM分子穩(wěn)定螺旋結(jié)構(gòu)的作用，賦予KGM良好的溶解性和吸水膨脹能力，使KGM可以作為增稠劑被應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而，乙?；筀GM分子間的空間位阻較大，阻礙了分子間靠近形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，影響了KGM的凝膠特性，因而有待脫去乙?；?。目前，普遍采用堿或堿結(jié)合機(jī)械、加熱等條件脫去KGM乙?；⑼ㄟ^(guò)傅里葉變換紅外光譜、流變、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射和熱分析等手段表征脫乙酰基過(guò)程中及脫乙?；昂驥GM結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化。根據(jù)已有研究結(jié)果，KGM脫乙酰基凝膠化過(guò)程主要包括：隨著乙?；康慕档?，KGM分子間的空間位阻降低，溶解度隨之降低，分子鏈發(fā)生卷曲并逐漸靠近產(chǎn)生連接區(qū)，構(gòu)成不可逆的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成膠束；在此過(guò)程中疏水作用力逐漸替代氫鍵發(fā)揮作用，KGM呈現(xiàn)出凝膠特性，最終形成不可逆凝膠。上述過(guò)程受到KGM濃度、堿的種類和濃度、溫度、鹽和乙醇等因素的影響。

雖然關(guān)于堿誘導(dǎo)KGM形成凝膠的機(jī)理已有一定研究基礎(chǔ)，但是受到表征技術(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算機(jī)模擬等條件的限制，對(duì)堿在誘導(dǎo)KGM形成凝膠過(guò)程中的作用、KGM的分子行為和凝膠結(jié)構(gòu)變化等的闡述仍不完善，有待進(jìn)一步深入研究。此外，乙?；贙GM分子上的分布位點(diǎn)尚不清楚，乙酰基從KGM上的脫除方式也缺乏規(guī)律性結(jié)論，還需要對(duì)脫乙酰基KGM進(jìn)行大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合核磁技術(shù)等探究KGM上的乙?；稽c(diǎn)及其脫除規(guī)律。

相比于天然KGM，脫乙?；鵎GM具有良好的成膜性和凝膠性，但目前對(duì)脫乙?；鵎GM還集中在混合膜、混合膠制備及性質(zhì)探究方面，實(shí)際應(yīng)用偏少。因此，除繼續(xù)深化對(duì)KGM脫乙?；鶛C(jī)理的研究外，脫乙?；鵎GM在未來(lái)的研究和應(yīng)用中可關(guān)注以下幾個(gè)方面：(1)在溫和且安全的弱堿環(huán)境(Na2CO3條件)下，選擇2種或多種其他天然高分子(如殼聚糖、海藻酸鹽、卡拉膠、黃原膠、瓊脂、結(jié)冷膠、蛋白等)與KGM混合制備可食用薄膜(具有綠色、環(huán)保、可降解的優(yōu)勢(shì))，作為包裝材料應(yīng)用于短期存儲(chǔ)的食品，延長(zhǎng)貨架期。(2)包埋營(yíng)養(yǎng)素制備可食用混合膠，作為膳食補(bǔ)充劑應(yīng)用于有吞咽障礙的人群。(3)將脫乙?；鵎GM與其他分子混合后作為壁材或載體，用于包埋生物活性組分并實(shí)現(xiàn)在人體內(nèi)的定點(diǎn)釋放。(4)將脫乙?；鵎GM作為化學(xué)材料吸附重金屬離子，用于工業(yè)廢水處理、改善水污染問(wèn)題等。