韓 倩，周童欣，李英溥，李國棟，宋兆萍，劉小娜，王慧麗

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東濟(jì)南 250353）

魔芋葡甘露聚糖（Konjac glucomannan，KGM），又稱魔芋膠，是從魔芋根莖中提取的一種天然多糖大分子，主鏈由β-D-甘露糖和β-D-葡萄糖單元通過1，4糖苷鍵鏈接（圖1），根據(jù)基因型的不同，分為1.6:1和1.4:1（摩爾比）兩種，結(jié)構(gòu)不同的產(chǎn)品功能也略有差異[1?2]。魔芋隸屬于天南星科（Araceae）魔芋屬（AmorphophallusBlume）多年生草本植物，是自然界唯一能大量提供葡甘聚糖的重要經(jīng)濟(jì)作物。魔芋原產(chǎn)于印度，目前在我國種植廣泛，已成為云貴陜川等貧困山區(qū)的重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是近年來鄉(xiāng)村振興重點推廣種植的作物[3?4]。

圖1 魔芋葡甘露聚糖的結(jié)構(gòu)Fig.1 Chain structure of konjac glucomannan

作為目前比較成熟的食品添加劑，KGM在食品中最大允許添加量為10 g/kg[5]，主要原因是KGM在人體并不能被完全吸收，未被吸收的大分子在腸道中滯留時容易被腸道菌群利用從而發(fā)酵。因此，一旦攝入過量，不耐受體質(zhì)的個體容易產(chǎn)生腹部不適，如便秘或者腹瀉[6]。而在攝入量范圍內(nèi)，KGM對人體健康有益[7]，并且由于魔芋塊莖中含有豐富的生物堿、果膠、氨基酸、微量元素等，會隨著KGM一起被留著，伴隨著食品進(jìn)入人體并產(chǎn)生有益健康的功效，可在口腔、食道、胃、小腸、大腸等各處發(fā)生作用，有助于增強身體的免疫系統(tǒng)，治療疾病狀態(tài)。另外，KGM具有調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝[8]、調(diào)節(jié)腸道功能[9]、增強免疫力和抑制腫瘤[10?11]、延緩衰老[12]等的作用，被用作保健食品原料（如無糖魔芋軟糖[13]、魔芋粉條[14]、魔芋豆腐[15]）、食品添加劑[16]和食品保鮮劑[17]等。除此以外，KGM具有生物相容性好、無毒、無害且可生物降解等優(yōu)點，可與淀粉、黃原膠、卡拉膠等多糖協(xié)同作用，被廣泛應(yīng)用于食品、制藥、材料等領(lǐng)域，具有巨大的應(yīng)用價值[18?21]。

近年來，研究者對KGM與多糖間相互作用機理，KGM對多糖性能的影響開展了大量研究工作，淀粉作為食品中最重要的多糖，在KGM作用下性能變化顯著[22?23]。本文在總結(jié)KGM對淀粉性能的影響基礎(chǔ)上，綜述了其在功能性食品中的應(yīng)用，希望進(jìn)一步推動魔芋產(chǎn)品的應(yīng)用，為功能性食品的發(fā)展提供新的思路，提高社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 KGM對淀粉性能的影響

KGM是一種用途廣泛的多糖，盡管KGM及其衍生物已被研究和利用多年，但與纖維素、淀粉等一些已被廣泛認(rèn)知的多糖相比，對KGM這一多糖及其衍生物的認(rèn)識還有很多工作要做，更有潛力的產(chǎn)品有待于開發(fā)。淀粉是提取自植物的多糖，其最終水解產(chǎn)物為葡萄糖，可為人體供能，然而天然淀粉具有易回生、熱不穩(wěn)定等的缺點[24]，不能滿足某些食品性能要求，需要采用物理、化學(xué)或者酶作用來改善天然淀粉的特性，鑒于化學(xué)改性易污染、酶改性成本高，便捷、綠色、低成本的物理改性是常用方法。KGM對天然淀粉在流變特性、回生特性、消化特性等方面的改良具有有益作用。

1.1 流變特性

在食品生產(chǎn)加工過程中，有水存在的環(huán)境中淀粉受熱會發(fā)生糊化，淀粉顆粒膨脹、分子部分溶解，黏度增高，食品加工過程中流變學(xué)特性直接影響食品特性，最終改變食品的口感。通過KGM改善淀粉流變學(xué)特性，改善淀粉基食品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可改善食品質(zhì)量，提供更為豐富淀粉基食品種類[25]。

Sun等[26]考察大米淀粉、馬鈴薯淀粉和豌豆淀粉的流變性變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)三種淀粉與KGM結(jié)合后均表現(xiàn)出剪切變稀的特性，KGM可與游離水結(jié)合，減少淀粉中的游離水，導(dǎo)致流體系數(shù)減小，表現(xiàn)為假塑性行為。Liu等[27]研究發(fā)現(xiàn)在美人蕉淀粉中添加KGM，觀察到具有私密網(wǎng)格的多空微結(jié)構(gòu)，可以顯著改善流體的流變性能。馮佳[28]通過實驗也發(fā)現(xiàn)，KGM的增稠效果和KGM與膨脹淀粉顆粒之間的相互作用都可能導(dǎo)致淀粉黏度增加。Ma等[29]探究了KGM對玉米淀粉流變特性的影響。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，隨著KGM含量的增加，淀粉-KGM混合物表現(xiàn)出更為明顯的非牛頓剪切稀化特性，而這種特征表現(xiàn)在產(chǎn)品上就是流變性能降低。

KGM可吸收自身質(zhì)量100倍的水，與水分子之間以氫鍵、偶極等相互作用聚集形成超分子，具有極強的持水性和增稠性。KGM加入淀粉類食品中時，與體系中游離水的結(jié)合，導(dǎo)致體系黏度增加、流變性能降低。

1.2 回生特性

淀粉類食品在儲存過程中回生后，食品的黏稠度、硬度、口感及透明度等性能發(fā)生變化，是影響淀粉類食品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。淀粉的回生實際是聚合物結(jié)晶過程，回生后的淀粉結(jié)晶穩(wěn)定性更高，難以糊化，且具有抗酶解特性，不易被人體消化吸收。抑制淀粉回生是淀粉類食品生產(chǎn)中需要考慮的重要問題。

針對水煮小麥面條中淀粉回生和水分遷移導(dǎo)致的質(zhì)量變差和保質(zhì)期短的問題，Ge等[30]展開通過添加KGM改善產(chǎn)品質(zhì)量的研究，并建立了保質(zhì)期預(yù)期模型。研究發(fā)現(xiàn)KGM抑制了面條中結(jié)合水和靜止水的流動性，KGM不會改變面條內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但可以抑制冷藏后淀粉的再結(jié)晶，阻礙了淀粉回生。Guo等[31]也探討了KGM對冷凍小麥淀粉回生的影響。結(jié)果表明，KGM的加入顯著抑制了冷凍淀粉凝膠的回生，改善了面條因淀粉回生導(dǎo)致的質(zhì)量變差和保質(zhì)期短的缺陷。Ning等[32]也發(fā)現(xiàn)KGM的加入抑制了脫支玉米淀粉的長期回生。KGM與水分子結(jié)合，在低溫狀態(tài)下阻止了淀粉分子的運動，從而阻止淀粉回生，保持產(chǎn)品良好的品質(zhì)。

淀粉分子在糊化過程中氫鍵斷裂，水分子進(jìn)入淀粉微晶束結(jié)構(gòu)，分子混亂度增加，而回生則是完全糊化的淀粉在較低溫度下自然冷卻或緩慢脫水干燥，使在糊化時被破壞的淀粉分子氫鍵再度結(jié)合，分子重新變成有序排列的現(xiàn)象。在KGM存在的體系中，水分子與KGM優(yōu)先結(jié)合，可以很大程度抑制淀粉回生。

1.3 消化特性

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的多糖化合物，不同來源的淀粉結(jié)構(gòu)差別很大，其物理化學(xué)結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)特性決定了淀粉類食品的品質(zhì)，在食品加工中通過添加食品添加劑改變淀粉結(jié)構(gòu)及功能，從而改善淀粉基食品的營養(yǎng)特性，可拓展更為廣闊的淀粉類食品市場。作為人類重要能量來源，除了淀粉來源、顆粒大小、破損程度及表面特性等影響淀粉消化率，直鏈和直鏈淀粉含量、糊化溫度、結(jié)晶度等因素對淀粉的消化特性都有影響。

KGM與淀粉相互結(jié)合，可以降低淀粉的消化率。為了更深入地了解KGM與淀粉的相互作用，Zhu等[33]研究了添加高達(dá)20%的KGM對藜麥淀粉和玉米淀粉的理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，添加KGM后，兩種淀粉糊化過程中的黏度、膨脹力和水溶性均有提高，淀粉的體外消化率降低。He等[34]的研究也表明，淀粉與KGM具有協(xié)同作用，KGM的加入可使淀粉結(jié)構(gòu)更加緊湊，抑制了淀粉的膨脹，并且使得淀粉分子微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化從而降低淀粉消化率。Ning等[35]開發(fā)低消化率的脫支玉米淀粉/KGM復(fù)合物并研究其理化性質(zhì)，通過激光共聚焦顯微鏡可觀察到KGM包裹脫支玉米淀粉，顆粒均勻而致密，玉米淀粉溶解度降低，而溶脹力增加。體外消化分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)KGM阻礙了消化酶對淀粉的攻擊，可有效降低淀粉消化率。蔡攀福等[36]也發(fā)現(xiàn)，添加KGM可降低面條體外淀粉消化率。

淀粉基食品被人體攝入后，需要經(jīng)過淀粉酶的作用水解為葡萄糖才能被人體吸收利用[37]，KGM的加入使得淀粉分子微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在淀粉表面形成了粘膜類的物質(zhì)，包裹淀粉顆粒，使得淀粉酶無法作用于淀粉分子，抑制了淀粉的消化，阻礙了葡萄糖的產(chǎn)生。

1.4 其他性能

KGM對淀粉的粘彈性、吸水能力、凝膠強度也有影響。Sun等[38]考察KGM對大米、馬鈴薯和豌豆淀粉性能的影響。發(fā)現(xiàn)KGM增加了淀粉的粘彈性，提高淀粉的糊化溫度，抑制老化，利于改善淀粉類食品口感。Varela等[39]也發(fā)現(xiàn)KGM提高小麥淀粉和馬鈴薯淀粉粘彈性，而且能夠降低淀粉水溶性指數(shù)和吸水能力，主要是因為KGM優(yōu)先吸收了體系中的游離水。Fang等[40]發(fā)現(xiàn)KGM可增加馬鈴薯淀粉剪切誘導(dǎo)形成的凝膠強度。黎歡等[41]研究發(fā)現(xiàn)KGM可促進(jìn)百合淀粉糊化，降低黏度。

2 KGM在功能性食品中的應(yīng)用

隨著人們生活品質(zhì)的提高，對食品的要求不僅局限于營養(yǎng)供給、口感等基本要求，減肥塑身、保健、富含活性物質(zhì)等各種功能性食品需求日益旺盛。KGM在功能性食品中應(yīng)用廣泛，如圖2。

圖2 KGM在功能性食品中的應(yīng)用Fig.2 Application of KGM in functional foods

2.1 活性物質(zhì)運送功能性食品

姜黃素是自姜黃根莖提取的一種多酚類活性物質(zhì)，不僅具有良好的抗炎和抗癌特性，還可以降血糖、抗氧化、抗凋亡等[42]，但姜黃素水溶性差、穩(wěn)定性低，導(dǎo)致其利用率低[43]，因此提高姜黃素的利用率便成為迫在眉睫的事情。Zheng等[44]研究發(fā)現(xiàn)，通過添加KGM可降低乳狀液中姜黃素的釋放速率，從而進(jìn)行精準(zhǔn)的靶向給藥，為人體提供活性物質(zhì)的精準(zhǔn)釋放，可用于克服姜黃素作用于人體時的生物利用度低的缺點。

與姜黃素類似，β-胡蘿卜素作為一種優(yōu)良著色劑，具有多種優(yōu)良的生理功能[45]，如抗氧化性、增強免疫力等，但由于其生物活性易受環(huán)境影響，因此極大的限制了β-胡蘿卜素的應(yīng)用。Lu等[46]研究水包油乳液油相中溶解的β-胡蘿卜素的釋放性能，通過檢測水相中β-胡蘿卜素的含量發(fā)現(xiàn)，含KGM比不含KGM乳液中β-胡蘿卜素的最終釋放速率低，且釋放速率隨KGM含量的增加而降低。

綜上所述，KGM可作為活性物質(zhì)運送和釋放的載體，在提高活性物質(zhì)的生物利用率方面發(fā)揮作用。

2.2 減肥塑身功能性食品

除遺傳因素以外，環(huán)境和生活方式也是導(dǎo)致人肥胖的重要因素[47]，尤其是飲食習(xí)慣，理論上來說，減少能量攝入、增加能量消耗是實現(xiàn)能量平衡的主要機制，因此，“管住嘴、邁開腿”也就成了減肥的主要行動方式。

低脂食品是減少能量攝入的一種方式，有助于預(yù)防肥胖[48]。經(jīng)由牛奶發(fā)酵濃縮而成的奶酪是我國游牧民族的傳統(tǒng)食物，不僅味道鮮美、營養(yǎng)豐富、方便攜帶，收到眾多消費者追捧。但其油脂含量高限制了其消費量，低脂奶酪為肥胖和減肥人群提供了一種美食。Felix等[49]用0.5% KGM生產(chǎn)低脂加工奶酪，以減少奶酪脂肪含量。脂肪減少改變了加工奶酪的顏色和融化特性，相比于標(biāo)準(zhǔn)樣品在28 ℃即發(fā)生熔化，含有KGM或魔芋粉的低脂奶酪沒有熔化，顯示出更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這為開發(fā)更多低脂奶酪制品提供了新思路。

KGM為低熱量的固體物質(zhì)，可用于低能食品生產(chǎn)[50]。利用KGM凝膠性制作的低能量魔芋面條、魔芋涼皮、魔芋蛋糕等，相比小麥淀粉面條，不僅能大量減少人體攝入的能量，而且提供不錯的飽腹感。Guo等[51]研究證明KGM可以提高餐后短期飽腹感并能維持長期飽腹感，還可以通過延遲胃內(nèi)食物排空并控制食欲減少食物的攝入，具有良好的控糖和抑制肥胖的效果。此外，KGM還是一種優(yōu)良的膳食纖維，有著潤腸通便的作用，不僅可用于制備以上減肥產(chǎn)品，可用于解決減肥人群常伴隨的便秘問題[52]。

2.3 預(yù)防疾病功能性食品

在日常飲食中，攝入足量的膳食纖維可以在一定程度上預(yù)防心血管疾病、高血脂、高膽固醇、肥胖癥等高發(fā)疾病。KGM作為一種優(yōu)良的水溶性膳食纖維，在預(yù)防以上疾病方面也具有一定的功效，KGM類保健產(chǎn)品日益增多。

黃艷[53]探究KGM與桑葉粉復(fù)配物增強骨密度的功效。研究發(fā)現(xiàn)，桑葉粉/KGM可以促進(jìn)小鼠骨骼生長，增加骨骼中鈣的儲存量提高骨的質(zhì)量，具有增強骨密度的功效。此外，桑葉粉/KGM復(fù)配物還具有腸道益生性，可顯著增大小鼠盲腸壁表面積、盲腸內(nèi)容物水分及短鏈脂肪酸濃度，降低盲腸內(nèi)容物pH、游離氨，抑制盲腸內(nèi)容物中大腸桿菌的生長，促進(jìn)雙歧桿菌和乳酸菌的增值。Mao等[54]探究KGM對小鼠腸道微生物群的保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)高分子量KGM對腸道微生物群具有良好的保護(hù)作用，可防止生物體內(nèi)抗生素擾動。

KGM及其衍生物還具有保肝護(hù)肝、調(diào)節(jié)血脂、抗腫瘤等功效[52]，作為添加劑添加到食品中可制備多功能保健食品。

2.4 其他功能性食品

隨著KGM在食品中的應(yīng)用研究拓展，更多KGM基功能性食品獲得推廣應(yīng)用，如降血糖食品、凝膠食品、解酒食品等。

KGM可以增加末梢組織對胰島素的敏感性，降低對胰島素的需求，從而調(diào)節(jié)機體血糖水平。莊新棟等[55]將KGM與大米進(jìn)行復(fù)配得到魔芋重組米，將魔芋重組米分為低中高劑量組，對大鼠進(jìn)行飼料干預(yù)，30 d檢測空腹血糖值均顯著性降低，說明KGM具有優(yōu)良的降血糖作用。

堿誘導(dǎo)KGM凝膠自古以來就是許多亞洲國家很受歡迎的食品。Yang等[56]研究發(fā)現(xiàn)，黃原膠（XG）加入KGM凝膠體系中90 ℃保溫2 h，然后冷卻至室溫的方法可使復(fù)合凝膠體系凝膠化。復(fù)合凝膠的凝膠強度增加明顯，XG的加入也降低了復(fù)合凝膠在凍融處理過程中的水解率。Yang等[20]基于黃原膠與KGM的協(xié)同凝膠機理，提出了一種制備高粘彈性乳膠凝膠的簡便方法。梁娜等[57]以乙醇致醉的小鼠為實驗對象，發(fā)現(xiàn)KGM具有良好的解酒防醉效果，可用以制作“解酒藥”投放市場。

3 結(jié)論

作為一種天然大分子多糖，KGM對淀粉流變特性、回生特性、消化特性等性能具有顯著影響，在淀粉類食品中添加KGM，可賦予食品更為優(yōu)異的性能。KGM在活性物質(zhì)運送、減肥塑身和預(yù)防疾病等功能性食品開發(fā)中也已獲得應(yīng)用，可為人類提供更為豐富的功能性食品。

然而，KGM作為一種復(fù)合多糖，其結(jié)構(gòu)、功能等在理論界還存在一定的爭議，深層價值尚未被人類充分認(rèn)識及開發(fā)。KGM與食品中的主要組分，包括淀粉等碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等大分子的相互作用機制研究尚存在諸多空白，利用各種技術(shù)手段探究KGM結(jié)構(gòu)與性能，掌握KGM與食品主要大分子的作用機理，還需繼續(xù)深入研究。在食品生產(chǎn)實踐中，利用KGM的天然功效，開發(fā)固態(tài)、液態(tài)、凝膠、顆粒等多種形態(tài)的功能性食品具有廣闊市場前景。