魔芋中多糖提取分離純化及應用研究進展

李 浪，張澤俊，彭 瀟，張 蒲

(昭通學院 化學化工學院，云南 昭通 657000)

魔芋的主要成分是葡苷露聚糖(Konjac Glucomannan，簡稱KGM)，其含量通常能達到44%～64%。它是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶2的比例，通過β-1,4糖甘鍵結合而成的復合天然高分子多糖[1]，具有獨特的水溶性、持水性、成膜性、凝膠性、增稠性等特性，能夠改善腸道生態、抗癌、抗HIV、抗HBV、抗病毒、抗衰老、減肥、減緩細胞衰老、改善新城代謝等多種功能，所以國內外對魔芋中KGM研究很多。隨著時間的推移，KGM提取分離純化的方法和應用方面已取得很大的進展，KGM在食品保健、化工、環保、醫療及日化方面的前景。作為世界上最大的魔芋生產國，歐美市場的魔芋主要靠我國出口，但目前為止我國的魔芋高附加產品很少，應用技術方面有待加強。由于我國提純技術落后造成魔芋主要成分沒有得到充分有效利用，所以本文主要收集國內外有關KGM資料信息，對比了相關的研究結果，并論述了KGM的提取分離純化方法及應用問題，希望對今后的魔芋中KGM提取分離純化及應用研究方面提供理論依據，為以后魔芋產業的發展提供重要依據。

1 魔芋中KGM的提取分離純化

1.1 魔芋中KGM提取

魔芋中KGM是極性很大的天然高分子化合物，能夠形成難于自由移動的巨形分子團。張迎慶等[2]利用纖維素酶制備魔芋中KGM，最佳條件為：10g魔芋精粉，500U纖維素酶在40℃，pH值為5.0時反應2h，所得的低聚糖的分子量主要分布在數均相對分子量5100處，重均相對分子量7160處。雖然纖維素酶法所獲得的KGM的水溶性很好，但其膠凝性很差，且提純技術比較復雜，不適合大規模生產。

莫湘濤等[3]采用酶法和糖化菌處理法成功地從魔芋精粉中提取出KGM，獲得了純度高達90%的KGM，且不含淀粉雜質。有關實驗證明，水浴水浸提取法提取時間比較長，提取率較低，制約了KGM的大規模生產和普遍應用目前很少使用這種方法。乙醇沉淀法主要是利用KGM能溶于水而不溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等有機溶劑的特性。因為成本低、易操作、可行性高、提取率能達到90%及以上，而成為目前實驗室和工廠大規模生產常用的提取方法。

1.2 魔芋中KGM純化

魔芋塊莖經過漂洗、干燥和制粉等過程制得魔芋粗產品，主要物質成分是KGM除此之外還含有很多雜質，如淀粉、蛋白質、生物堿等。這些雜質的存在會影響KGM的品質，導致KGM的功能難以完全發揮，所以需要采用方法進行純化。

1.2.1 生物酶純化法

生物酶純化法是針對魔芋中多種雜質采取功能不同的生物酶進行除雜，從而得到高純度的KGM。莫湘濤等人通過稱取魔芋粉加水調勻，在適當條件下加入少量淀粉酶調節pH值進行液化滅菌，再冷卻并調pH，然后加入少量糖化酶繼續振蕩處理，高溫滅菌后冷卻，加水過濾得到液體，最后用沉淀法即可得到KGM。此方法的缺點是：降解性的選擇不夠理想，生物酶純化法獲得的產品缺乏選擇性，不能定向選擇產品，得到的KGM粘度有所下降步驟比較反鎖復雜。

1.2.2 酸純化法

閻華[11]等人進行三種魔芋精粉提純方法的比較，發現磷酸純化法不管從產品的產率、溶膠性能、操作難易等方面都優于傳統提純方法。且研究表明：采用磷酸水解進行純化得到的成品KGM的提取率高達95%及以上，無其它雜質的引入，能夠很大程度上節約成本[3]。此方法簡便易行，適于生產生活中推廣應用。缺點是：工藝十分復雜，而且通過酸的作用降低了KGM的分子量、粘性、成膜性能等。

1.2.3 Pb(Ac)2法

利用Pb(Ac)2法能對蛋白質進行沉淀可以除去魔芋KGM中的蛋白質。在沉淀過程中引入有毒的Pb2+對環境有污染，同時限制了魔芋在食用性方面的應用。水解過程中多次用到酸，會造成KGM的部分水解，使得KGM中含有魔芋低聚糖，并且有一部分直接降解為單糖，導致KGM提取率比較低。該工藝過程十分復雜，生產成本比較高，不易于實驗室和工業上大規模生產[4]。

1.2.4 二甲基亞砜法

通過二甲基亞砜可以溶解淀粉而不能溶解KGM的特性除去魔芋中的淀粉[14]。但是很可能會在進行純化的操作過程中引進硫離子，對操作要求特別高，從而該法的應用范圍。

2 魔芋中KGM的應用

2.1 醫療方面的應用

在醫療技術方面，KGM分子結構中含有大量羥基、羰基等親水性基團，能夠促進腸道有益微生物區的形成。食用后不在胃中分解消化，反在腸道中被分解消化，從而促進腸道的消化活性。除此之外可以被人體和動物體有益腸道的細菌吸收，促進腸系酶類分泌，不但能提高其活性，清除腸道上的廢物，而且有效降低對有害物質的吸收，從而促進了消化功能。因此在治療便秘等疾病方面有很好的效果，所以被稱為“胃腸清道夫”。

陳黎[5]等人對小鼠進行了飼喂試驗，發現魔芋低聚糖有降血脂和降尿素氮的作用。王忠霞[6]等人對大鼠進行了飼喂試驗，發現魔芋具有降血脂的作用。證明可以用于防治高脂血癥可明顯降低正常及糖尿病大鼠的血清中甘油三脂、血清總膽固醇、低密度脂蛋白、升高高密度脂蛋白，故對糖尿病和并發癥的預防和治療具有積極作用。

2.2 食品方面的應用

2.2.1 KGM作為食品的添加劑

KGM在食品添加劑領域中得到了廣泛的應用。如在餅干、啤酒和飲料中作為穩定劑，在固體飲料、食品中作為增稠劑、凝膠劑等，顯著的改善食品的穩定性、膠凝性和乳化性，使食品的韌性和彈性有所增加，所以經常作為改良劑運用在食品加工中，讓其后也不易斷節和粘連，增加口感。

2.2.2 KGM在食品保鮮中的應用

KGM溶液具有良好的成膜特性，將魔芋中KGM溶于水形成液溶膠，通過噴灑的方法使液溶膠在水果和蔬菜表面形成一層無色透明的保護膜，從而起到保鮮作用。戴文婧等[8]通過將魔芋中KGM涂膜涂抹在牛角椒表面來研究牛角椒的保質期情況，研究發現，KGM涂膜能有效減緩牛角椒果實的質量損失，抑制葉綠素的分解，基本能維持果實外觀綠色和亮度，延緩采摘后牛角椒果實的衰老，對保持牛角椒果實較好的貨架品質和商品性有積極作用。孫海燕[9]通過將魔芋中KGM復合涂膜對櫻桃保鮮效果研究，通過KGM涂膜試驗研究分析可知，以魔芋中KGM為主要成分的涂膜液，對櫻桃具有一定延長保質期的作用，可顯著降低果實的失重率、腐爛指數、呼吸強度，延緩果實Vc、總酸含量的下降，起到明顯的保鮮效果。因為在水果和蔬菜表面形成了一層均勻、透明且透氣性較好的薄膜，能有效地減緩O2的進入和CO2釋放，減少了水分的蒸發，從而導致水果和蔬菜的光合作用和呼吸作用強度減弱；減少了營養物質的消耗，抑制水果和蔬菜的失水。同時在水果和蔬菜表面增加保護膜，抑制了致病菌的侵入，防止其腐敗變質，很大程度上減少了損失、提高食品質量和延長食品儲藏期和貨架期，在一定時間內能最大程度保持水果和蔬菜的形態和味道。因此被廣泛應用于水果和蔬菜保鮮中。

2.2.3 保健食品

周永安[22]等將先進的凍干技術引入到食品保健中，使得魔芋產品得以開發利用。魔芋粉經過先進的凍干技術開發處理得到的保健食品能抗衰老、防癌癥、抗癌癥、食用方便、無副作用，是純天然的綠色保健藥用的理想食品。

2.3 環保方面的應用

當前，世界各國把經濟發展作為首要發展目標，很多國家還在走先發展經濟后治理環境的老路。隨著人們生活水平提高，認識到環境問題的嚴重性，從而促進環保產業的訊速發展，以魔芋中KGM為原材料進行生產的可降解膜、涂料、吸水劑及其他材料等。對解決當前農業、建筑業、凈化處理廢水等方面存在的環境污染問題都具有十分重要的意義。

2.3.1 農業方面的環保應用

目前研究KGM薄膜可替代由聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯為原料制作的塑料薄膜，由于KGM具有良好成膜性、增稠性、穩定性等特性，在吸水膨脹的同時會影響KGM膠液的濃度，從而影響薄膜硬度和穩定性。因此，為了解決這個問題，利用KGM化學特性，采取了化學手段，將魔芋中KGM進行改性，制成可降解材料，若再與聚苯乙烯和聚氯乙烯混合，可以制得復合雙降解材料。

王運[10]等對魔芋/聚乙烯醇塑料薄膜的研究中，發現制得的塑料薄膜具有良好的性能，完全符合國家對于塑料制品的要求標準，且共混體系具有良好的相容性。原料來源廣泛、物美價廉、成本低、制作工藝簡單；生產過程無污染，且能完全進行生物降解，屬于環境友好材料。保持優點的同時，解決了塑料薄膜不易自然分解的缺點，為解決白色污染和環境保護作出了重要貢獻。

2.3.2 建筑業方面的環保應用

田志高[11]通過改性魔芋精粉內墻涂料的研制與施工，得到一種新型內墻涂料，硬度高、附著力強、涂層表面平整致密、耐酸堿、價格低廉、工藝簡單，是一種經濟、環保型涂料。

2.3.3 廢水處理方面的環保應用

在廢水處理過程中，一般使用無機絮凝劑和無機聚合物絮凝劑，但這兩種絮凝劑的使用都容易造成金屬鐵和鋁的二次污染。李鳳[12]通過魔芋絮凝劑處理蛋白廢水的研究，發現魔芋制品作為蛋白廢水的絮凝劑微粉具有最佳絮凝效果。用魔芋微粉作為絮凝劑處理蛋白廢水pH對絮凝有顯著的影響，初始COD值對絮凝有明顯影響，在3.5～5.0g/L范圍內絮凝劑對絮凝無明顯影響。在本實驗條件的最佳處理條件pH=4.5、COD初始值6892mg/L和微粉用量3.5g/L時COD去除率高達75.84%。

KGM具有很強的親水性和凝膠性，KGM經過化學改性，提高KGM的吸水性，可制成一種新型絮凝劑，絮凝劑的微粒能夠在水中相互碰撞，從而以絮狀沉淀聚合，并相互結合，形成吸附網，具有極強吸附能力，而且成本低，不會造成二次污染。

2.4 化工方面的應用

KGM分子中存在多種可反應的官能團，可以通過化學修飾進行改性擴展應用范圍。KGM化學改性的方式有氧化、酯化、接枝共聚、交聯、醚化等。

符艷[13]等人用Na5P3O10對魔芋中KGM進行化學改性，改性后的KGM比未改性前的KGM有了明顯的改善，如透明度、黏度、穩定性等。并具有一定的耐酸、耐堿、耐高溫能力，且有相當的抑茵效果。以KGM為主要原料，用Na5P3O10對KGM進行化學改性，制得了磷酸酯化KGM液凝膠，具有較好的可降解性。

2.5 日化用品方面的應用

魔芋中KGM是由單糖通過糖苷鍵結合而成。利用KGM的吸水性、增稠性、穩定性、成膜性等功能。從結構上可知含有大量羥基、羰基等親水性基團，所以具有較強的持水能力，可與水分子形成氫鍵大量結合，再經過強酸如硫酸酸化處理后甚至可以與透明質酸媲美。目前市場上主要涉及魔芋面膜、吸水劑、防曬霜等各種化妝用品。

3 國內研究現狀

我國作為魔芋種植大國，對魔芋中KGM的提純和應用研究已開展三十多年。方法上多種多樣各有所長，主要研究KGM結構、物理性質和簡單的化學改性，提純技術和應用研究有待進一步提高。應用上我們也是涉及各領域。由于技術原因，導致很多技術都有一定的缺陷，從而導致應用方面有限制。目前以魔芋精粉出口帶來的經濟效益為主，對于魔芋中KGM的開發利用重視程度不足，導致魔芋中各成分產品得不到真正的“高效利用”。