紅外烘烤對魔芋葡甘露聚糖表觀黏度以及微觀結構的影響

唐蘭蘭，張世奇，衛子顏，張盛林，劉 雄,*

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.嶺南師范學院食品科學與工程學院，廣東 湛江 524048；3.西南大學魔芋研究中心，重慶 400715）

魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM），來源于天南星科草本植物魔芋塊莖，是一種天然雜多糖，其平均分子質量約為1 000 kDa，主要由一定比例的D-葡萄糖和D-甘露糖以β-(1→4)糖苷鍵聚合而成[1]。相關研究表明，KGM具有優良的親水性和凝交、成膜能力以及良好的生物相融性和生物可降解性[2]。但KGM高吸水能力帶來的高黏彈性也使其溶交的穩定性和流動性變差，這極大限制了其商業應用[3]。近年來，醫學研究者發現較低黏度的KGM在增強機體免疫力、腸道益生[4]、減肥[5]、降血糖血脂[6]、抗衰老[7]等方面均表現出顯著的預防和治療效果，但天然KGM高黏度的特性限制了其廣泛應用，因此，將其降解為低黏度多糖的相關技術成為眾多研究者所關注的重點。

目前，天然KGM主要通過物理（超聲、輻照等）、化學（酸堿法）和生物（酶法）等手段降解，但上述處理過程存在環境污染、成本高昂且處理過程具有不可控性等問題[8-11]。研究表明，加熱處理可使KGM的黏度降低從而使其延展性以及流變穩定性得到提升[12]。其中，紅外烘烤技術由于具有操作簡便、傳熱效率高、能耗低、環境友好的特點，被廣泛應用于魔芋粉的干燥處理[13-16]。紅外烘烤是焙烤類食品的主要加工手段，魔芋粉作為調控血糖和體質量的功能性膳食纖維被添加到餅干等烘焙食品中。但現有研究僅局限于紅外烘烤技術對魔芋粉的干燥（低溫長時），而對于高溫烘烤的加工方式對KGM理化特性和分子結構方面的影響研究卻鮮有報道。因此，本實驗通過分析檢測KGM黏度、流變學性質、分子質量以及微觀結構，探討紅外烘烤溫度和時間對KGM理化特性的影響，以期為KGM的精深加工及其在食品、保健品、醫藥等行業的應用提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

純化魔芋微粉（KGM純度＞95%） 湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司。

KBr（光譜純） 天津市豐越化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

FA2004A型電子分析天平 上海精天電子儀器有限公司；超純水處理系統 山東新瑞分析儀器有限公司；TRF42S烤箱 佛山市偉仕達電器實業有限公司；SHZ-88型水浴恒溫振蕩器 常州朗越儀器制造有限公司；NDJ-8S數顯黏度計 上海衡平儀器儀表廠；DHR-1型流變儀 美國TA公司；Spectrum 100傅里葉變換紅外光譜儀 美國PerkinElmer公司；S-3000N型掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；TU-1950雙光束紫外-可見分光光譜儀 北京普析通用儀器有限責任公司；多角度激光光散射凝交色譜聯用系統（配有Optilab T-rEX示差檢測器） 美國Wyatt Technology公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

紅外電烤箱額定功率1 800 W、額定頻率50 Hz，分別以烤箱溫度和時間為變量，設計如下方案：1）稱取5 g魔芋粉，在150 ℃條件下，分別處理0、5、10、20、30 min，冷卻至室溫，備用；2）稱取5 g魔芋粉，置于烤箱分別在120、135、150、165、180 ℃下加熱烘烤10 min，冷卻至室溫，備用。

1.3.2 KGM水溶交的制備

分別稱取經上述烘烤處理后的魔芋粉1.0 g，溶于盛有99.0 mL超純水的燒杯中，電磁攪拌3 min，30 ℃恒溫水浴振蕩（200 r/min），充分溶脹1 h，靜置1 h，配制成質量分數1.0%的溶液備用。

1.3.3 KGM水溶交黏度測定

將質量分數1.0%的KGM水溶交，用黏度計測定樣品黏度，單位為mPa·s。測定時選用4號轉子，轉速60 r/min。

1.3.4 KGM水溶交流變性質測定

使用流變儀測定不同烘烤處理后質量分數1.0% KGM水溶交在25 ℃下的流變曲線[17]。測試條件：穩態掃描：平板直徑25 mm、加載間隙1 mm、剪切速率0.1～100 s-1、頻率1 Hz、平衡時間60 s；動態掃描：預先進行形變掃描以確定線性黏彈區。頻率掃描范圍1～100 rad/s，應變2%。

1.3.5 KGM分子質量測定

采用凝交色譜-示差-多角度激光光散射系統測定不同烘烤處理后魔芋粉中KGM的分子質量以及分布情況[18]。精密稱取5 mg魔芋粉，加入1 mL 0.1 mol/L NaNO3溶解，14 000 r/min離心10 min，取上清液過0.22 μm濾膜，上機測定。檢測條件：Optilab T-rEX示差檢測器，DAWN HELEOSII激光光散射檢測器，Ohpak SB-805 HQ（300 mm×8 mm）、Ohpak SB-804 HQ（300 mm×8 mm）、Ohpak SB-803 HQ（300 mm×8 mm）凝交排陰色譜柱，柱溫45 ℃，進樣量100 μL，流動相0.1 mol/L NaNO3，流速0.4 mL/min。

1.3.6 紫外吸收光譜分析

分別稱取25.0 mg不同烘烤處理后的魔芋微粉于50 mL容量瓶中配制成0.5 mg/mL的溶液，在190～400 nm波長范圍內測定其紫外吸收光譜的變化[19]。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜分析

分別稱取未經烘烤處理和不同烘烤處理后的魔芋粉與KBr（小于200 目、光譜純，于130 ℃干燥4 h以上后置于干燥器中備用）以質量比1∶100混合，在瑪瑙研缽中按同一方向研磨，壓成透明薄片，用傅里葉變換紅外光譜儀測定。設定掃描范圍4 000～400 cm-1，空氣背景下掃描32 次，分辨率4 cm-1[20]。

1.3.8 掃描電子顯微鏡觀察魔芋粉表面形貌

分別稱取適量未經烘烤處理和不同烘烤處理后的魔芋微粉，固定于貼有導電交的樣品臺上，表面噴金，在掃描電子顯微鏡下觀察其表面樣貌。放大倍數分別為300和1 000，并選擇合適的區域拍照[21]。

1.4 數據處理與分析

所有實驗數據均采用SPSS 17.0軟件進行方差分析，結果以平均值±標準差表示；Duncan’s檢驗法進行顯著性差異分析，P＜0.05表示有顯著性差異；使用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同烘烤時間及溫度對KGM水溶交黏度的影響

如圖1A所示，固定烘烤溫度為150 ℃、剪切速率為10 s-1，在0～20 min時，KGM水溶交的黏度隨著烘烤時間的延長而急劇下降，20～30 min時黏度下降趨于平緩，表明在短時加熱作用下，KGM水溶交黏度下降幅度較大，且長時烘烤熱處理，水溶交明顯變稀。KGM為大分子物質，其分子質量和魔芋粉水溶交黏度呈正相關。烘烤10 min后水溶交黏度下降尤為明顯，其水溶交黏度從10 min的3.81×105mPa·s降低到20 min的2.70×105mPa·s，隨著烘烤時間繼續延長，最終黏度降低為2.64×105mPa·s，表明此時KGM分子間氫鍵等作用力大部分已被破壞，達到終點。

圖1 烘烤時間（A）和溫度（B）對KGM水溶膠黏度的影響Fig.1 Effect of baking time (A) and temperature (B) on viscosity of KGM hydrosols

由圖1B可知，在恒定烘烤時間10 min、剪切速率10 s-1條件下，KGM水溶交的黏度隨著烘烤溫度升高而急劇下降，且溫度越高，黏度下降速率越快。其原因可能是KGM在高溫下發生了熱降解反應，由于KGM分子間存在大量氫鍵，在高溫的強熱作用下，分子鏈間發生解旋，分子間氫鍵和糖苷鍵斷裂，大分子多糖降解成小分子多糖甚至單糖，部分KGM分子結構被嚴重破壞，宏觀表現為水溶交黏度下降[22]。

2.2 烘烤熱處理對KGM水溶交流變性質的影響

2.2.1 烘烤熱處理時間對KGM水溶交表觀黏度的影響

對不同烘烤溫度熱處理的魔芋粉水溶交進行靜態剪切分析，由圖2可知，在150 ℃下烘烤不同時間后，KGM水溶交的整體表觀黏度均隨著剪切速率的增大而降低，剪切應力均隨之上升，呈現較好的線性關系，表明KGM水溶交屬于典型的假塑性流體，具有剪切稀化特征。在低剪切速率（0～10 s-1）下KGM水溶交表觀黏度急劇下降，KGM水溶交剪切稀化現象明顯。在剪切速率為10 s-1時，與未烘烤KGM水溶交相比，150 ℃烘烤30 min的KGM水溶交黏度下降了97.18%；在高剪切頻率（50～100 s-1）下其表觀黏度雖逐漸趨于穩定，但仍會隨著烘烤時間的延長而下降。在剪切速率為12.6 s-1時，與未處理相比，烘烤處理5 min和10 min后KGM水溶交表觀黏度分別下降了9.4%和23.86%，而烘烤處理20 min和30 min后其表觀黏度則分別下降了37.38%和60.20%。有研究表明100 ℃熱處理KGM水溶交表觀黏度隨處理時間的延長也呈現類似的下降規律，并且隨著烘烤熱處理時間的延長，其水溶交的初始黏度也越低[22]。其原因可能是短時烘烤處理KGM分子間交聯仍比較緊密，整體網絡結構仍然存在，但隨著烘烤熱處理時間逐漸延長，KGM分子長時間持續受熱，分子間作用力被極大地削弱，分子間鏈斷裂和鏈間的纏結被破壞，導致其在同一剪切速率下的表觀黏度急劇下降。此外，高剪切速率會降低烘烤熱處理時間對KGM水溶交表觀黏度的影響，此現象與Hua Xiao等[23]的研究結果類似。由圖2B可知，隨著剪切速率在0～100 s-1范圍內變化，在相同剪切速率下，烘烤時間越長，其相應的剪切應力越低，這說明在相同烘烤溫度下，烘烤時間越長引起KGM水溶交剪切應力的降低越明顯，時間越長，其流動延展性也越強，這與黏度隨時間的延長而降低的趨勢相互印證。

圖2 烘烤時間對KGM水溶膠表觀黏度（A）及流變曲線（B）的影響Fig.2 Effect of baking time on apparent viscosity (A) and rheological curve (B) of KGM hydrosols

2.2.2 烘烤熱處理溫度對KGM水溶交表觀黏度的影響

對不同烘烤溫度熱處理的魔芋粉水溶交進行靜態剪切分析，如圖3A所示，在剪切速率為10 s-1時，與未烘烤KGM水溶交相比，180 ℃烘烤10 min的KGM水溶交黏度下降了99.51%；在剪切速率12.6 s-1條件下，120～135 ℃時，KGM水溶交表觀黏度下降程度與未處理組相近，但150～180 ℃之間熱降解效果逐漸明顯，KGM水溶交表觀黏度由5 062 mPa·s降低至56.19 mPa·s，此現象與Wang Chao等[24]的研究結果類似。而當剪切速率為50 s-1時，不同烘烤溫度處理后KGM水溶交均出現了表觀黏度隨剪切速率的增大而漸趨穩定的非牛頓剪切稀化行為（擬塑性），這與da Silva等[1]的研究結果一致。由圖3B可知，在同一剪切速率下，KGM水溶交的剪切應力隨著烘烤處理溫度的上升逐漸下降，熱處理溫度與KGM水溶交剪切應力成反比。這一現象印證了KGM分子鏈在溶液中的伸展性與溫度有一定的線性關系，對于高溫熱處理后的KGM水溶交，只需施加較小的剪切作用力，即可使其流動。此外，有研究表明KGM水溶交具有黏度隨溫度變化的特性，原因在于高溫加速了分子布朗熱運動，熱運動引起聚合物鏈的解纏，增大了分子間距離，并減弱了分子間的氫鍵和疏水相互作用，從而導致整個體系黏度降低[25]。

圖3 烘烤溫度對KGM水溶膠表觀黏度（A）及流變曲線（B）的影響Fig.3 Effect of baking temperature on apparent viscosity (A) and rheological curve (B) of KGM hydrosols

2.2.3 烘烤熱處理時間對KGM水溶交動態黏彈性的影響

KGM水溶交的動態黏彈性包括儲能模量（G′）和損耗模量（G″），是評價凝交性質的兩個重要指標。如圖4所示，在0～100 rad/s下，不同烘烤時間的KGM水溶交的G′和G″均隨角頻率的增大逐漸上升，且相同烘烤時間下G″大于G′，說明此時KGM水溶交的黏性占主導地位，分子鏈間存在較大的剛性[24]。相同角頻率下，隨著烘烤處理時間的延長，G′和G″均減小，表明長時間烘烤處理對KGM水溶交黏彈性有較大的影響，但不同角頻率下10 min和20 min處理組的動態黏彈性始終接近，說明在一定熱處理時間范圍內，KGM水溶交可能存在熱穩定性。分析KGM水溶交黏彈性下降的原因，可能是加熱初期KGM的氫鍵和疏水作用力受到熱處理影響較小，分子鏈間互相纏繞，其黏彈性尚能保持一定的穩定性，但隨著烘烤時間的延長，分子動能增加，分子鏈間的解聚與斷裂活動加劇，最終導致KGM水溶交黏彈性下降。

圖4 烘烤時間對KGM水溶膠G′及G″的影響Fig.4 Effect of baking time on elastic modulus (G′) and loss modulus(G″) of KGM hydrosols

2.2.4 烘烤熱處理溫度對KGM水溶交動態黏彈性的影響如圖5所示，當烘烤溫度不超過165 ℃時，KGM水溶交的G′與G″均隨著角頻率的增大而逐漸增加，且溫度越高，G′與G″越小。當烘烤溫度不超過165 ℃時，在角頻率0～75 rad/s范圍內，G′大于G″，KGM水溶交整體表現出彈性性質；而當角頻率大于75 rad/s時，KGM水溶交的黏彈性曲線交叉，表明此后樣品的黏彈性發生轉變，KGM水溶交趨向于表現出液體黏性的性質。值得注意的是，當熱處理溫度為180 ℃時，G′不隨角頻率的增加而變化，此時KGM水溶交呈現牛頓流體的行為，出現該現象是因為分子間和分子內的作用力由于高強度加熱而被迅速、強烈地削弱，導致非牛頓流體向牛頓流體轉變，提示聚合物鏈發生解聚和大分子聚集體發生解離[18]。該狀態下的KGM水溶交高分子鏈結構已被熱處理完全破壞，大分子物質裂解成小分子物質，液體間相對滑動較易，流動性也大大增強，黏度下降，這與上述靜態剪切的流變學性質表現（圖3A）一致。

圖5 烘烤溫度對KGM水溶膠G′及G″的影響Fig.5 Effect of baking temperature on elastic modulus (G′) and loss modulus (G″) of KGM hydrosols

2.3 烘烤熱處理對KGM分子質量的影響

多糖的分子質量是表征其功能特性和生理活性的一個極為重要的指標[26]。由表1可知，隨著烘烤時間的延長和溫度的升高，Mw、Mn及Mp均呈下降趨勢，PDI則呈上升趨勢，構象指數β不斷減小，表明KGM結構發生變化，提示烘烤處理會對KGM的理化性質產生較大影響。相關研究表明，KGM分子質量與魔芋水溶交的黏度呈正相關，分子質量越小，KGM黏度越小，形成凝交的時間也越長，且較低分子質量的KGM具有更加優良的抗氧化性和益生活性等[27-28]。而紅外烘烤處理能明顯降低KGM分子質量，從而有利于KGM發揮更多的生物活性功能。此外，PDI上升表明烘烤處理可以提高樣品的異質性，促使KGM分子質量分布不均勻性上升[29]。Rz為多糖分子的

表1 不同烘烤條件處理后KGM的分子質量分布Table 1 Relative molecular mass distribution of KGM after different baking treatments

均方根旋轉半徑，Rz不斷下降，說明經烘烤熱處理后KGM在溶液中的分散性得到較大提升。構象指數β用來表征分子的線性存在狀態。構象指數β不斷下降，表明分子構型可能由伸展半柔性的無規則線團逐漸向球形過渡，分子在溶液中的排列更為有序，這可能是導致KGM黏度下降的主要原因[30]。

2.4 不同烘烤時間和溫度處理KGM的紫外吸收光譜分析結果

如圖6所示，不同烘烤時間和溫度處理后的KGM溶液的最大紫外吸收峰均在200 nm波長處出現，各吸收峰幾乎不隨烘烤時間和溫度的變化而有變化。此外，在260 nm和280 nm波長處均未出現強吸收峰，說明魔芋粉中不含蛋白質和核酸，表明該純化魔芋粉純度較高。上述現象與Panida等[31]在γ輻照對KGM性質影響的研究中發現250～280 nm波長處有吸收峰的結果略有差異，這可能是KGM的處理方式以及所配制溶液質量濃度的不同所致。不同烘烤時間和溫度處理后，不會改變KGM最大紫外吸收峰的位置，并且無新的吸收峰出現，表明烘烤處理不會破壞多糖的特征基團，能極大保留KGM的一些重要生物活性，該結果對于將烘烤應用于魔芋健康食品有一定的指導意義。

圖6 不同烘烤時間（A）和溫度（B）處理對KGM溶液的紫外吸收光譜影響Fig.6 UV absorption spectra of KGM baked for different durations (A)and temperatures (B)

2.5 不同烘烤時間和溫度處理KGM的傅里葉變換紅外光譜表征分析結果

如圖7所示，經不同烘烤時間和溫度處理后KGM的傅里葉變換紅外光譜類似，在特定波數處均具有糖類物質的特征吸收峰。在3 750～3 000 cm-1區間，隨烘烤時間的延長，吸收峰的峰寬幾乎沒有變化，僅峰強度略微變小。在3 436 cm-1附近的吸收峰為糖單元分子內或分子間-OH的伸縮振動吸收峰，證實了KGM分子內氫鍵的存在[32]；在2 923 cm-1附近出現的吸收峰為糖類物質—CH2不對稱彎曲伸縮振動峰[33]。在1 642 cm-1附近出現的峰是由—CHO中—C＝O基團引起，較常出現在1 750～1 630 cm-1[34]；且隨烘烤時間的延長及溫度的升高，此特征吸收峰強度略微變弱，表明烘烤處理對—OH基團的作用有所削弱，結構發生變化。此外，在1 384 cm-1處的微弱吸收峰則是由乙酰基中—CH的彎曲振動引起[35]；在1 019 cm-1附近出現的指紋峰則是由—C—O—伸縮振動引起的碳骨架振動峰；870 cm-1處的特征吸收峰表明該多糖為β-構型，在804 cm-1附近的吸收峰為KGM的甘露糖特征吸收峰[36]。上述結果表明，此圖譜為典型的多糖結構圖譜，峰型清晰且無其他雜峰，在恒定時間或溫度條件下，提高烘烤溫度或延長烘烤時間并不會破壞KGM小分子鏈段重復單元結構的基本結構，僅對其氫鍵略有影響。

圖7 不同烘烤時間（A）和溫度（B）KGM的傅里葉變換紅外光譜Fig.7 Fourier transform infrared spectra of KGM baked for different durations (A) and different temperatures (B)

2.6 烘烤處理對KGM微觀形貌的影響

2.6.1 烘烤時間對KGM微觀形貌的影響

如圖8所示，當KGM為干粉時，未經烘烤處理的KGM微觀結構呈較完整的片層纖維結構，排列有序[22]。在恒定溫度150 ℃下，經過5 min烘烤處理后，KGM結構未發生明顯變化；烘烤10 min時其網絡結構開始出現小部分卷曲和不規則皺縮；烘烤時間達到20～30 min時，KGM大部分網絡結構明顯變得疏松，出現較多孔洞，且斷裂較為嚴重，表明分子結構已被完全破壞。在一定溫度下，對魔芋精粉進行短時烘烤熱處理，KGM大分子整體網絡結構仍能保持，但長時間持續加熱，KGM多糖分子結構間的氫鍵、疏水作用等相互作用力受到破壞，造成分子微觀形貌的變化。

圖8 不同烘烤處理時間下KGM的微觀形貌Fig.8 SEM images of KGM baked for different durations

2.6.2 烘烤溫度對KGM微觀形貌的影響

如圖9所示，烘烤溫度為120 ℃時，KGM結構未發生明顯變化，具有較為規整的纖維鏈形態；當溫度達到135 ℃時，KGM結構發生部分卷曲，其結構間部分氫鍵可能發生斷裂；隨著溫度進一步升高至165 ℃時，出現孔洞，多糖結構破壞嚴重，當溫度達到180 ℃時，KGM微觀結構嚴重卷曲皺縮。上述現象表明，在恒定時間（10 min）下，熱處理溫度越高，多糖分子熱運動越為劇烈，其分子鏈應力越弱，從而導致多糖環鏈發生解環甚至斷鏈。

圖9 不同烘烤溫度處理下KGM的微觀形貌Fig.9 SEM images of KGM baked at different temperatures

3 結 論

經過紅外烘烤熱處理后，KGM的理化性質發生顯著變化，主要體現在表觀黏度的下降以及微觀結構的變形破壞兩個方面，但對其重復單元結構的特有基團影響較弱，一定程度上保留了KGM的特殊生理活性。通過對比不同時間和溫度的烘烤處理發現，KGM表觀黏度隨著紅外烘烤時間的延長和溫度的升高而逐漸下降，且隨著紅外烘烤熱處理時間的延長和溫度的上升，其表觀黏度下降的程度越為劇烈。掃描電子顯微鏡觀察發現KGM微觀結構在紅外烘烤熱處理后逐漸變得無序，且出現孔洞、斷裂和卷曲皺縮，這與表觀黏度下降的趨勢一致。結合分子質量及傅里葉變換紅外光譜分析可知，紅外烘烤熱處理方式對KGM一級結構存在破壞作用，使KGM大分子糖苷鍵斷裂，但斷裂后的小分子片段的重復單元結構得以保留，分子間氫鍵受到影響，從而對其宏觀性質產生較大影響，其中以烘烤時間30 min與烘烤溫度180 ℃組的變化最為劇烈（Mw下降尤為明顯）。上述結果表明，紅外烘烤熱處理方式可將天然高黏度的KGM降解為低黏度多糖，且能保留其特有的生理活性，明確了該加工方式應用于KGM降解的可靠性，也為KGM的應用性提供了新的視角。