魔芋葡甘聚糖微粒的力學穩定機制研究探索

龐 杰，劉 微，孫遠明，莫新元，王 林，蔣學寬，李 晶，張 輝

（1. 福建農林大學 食品科學學院，福建 福州 350007；2. 華南農業大學 食品學院，廣東 廣州 510642；3. 清華大學 航天航空學院，北京 100084；4. 中國園藝學會魔芋協會，重慶 400716；5. 華中農業大學 食品科學技術學院，湖北 武漢 430070；6. 浙江大學 生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州 310020）

我國是世界上最大的重要特種蔬菜魔芋生產國和出口國[1]，它是唯一大量含有魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，簡稱“KGM”）的特產資源植物（圖1），KGM已有2000多年的食用和醫用歷史，其總產量占全球 80%以上[2]。KGM是從魔芋球莖異細胞中提取的一種天然高分子多糖，是獨特的營養健康的重要食品輔料，營養健康的食品及其輔料是實現我國國民健康戰略的最佳載體；尤其在2020年突發的新冠疫情使消費者健康意識提升，對優質營養健康的食品及其原輔料需求量大幅增加。隨著消費者健康意識的提升，對優質營養健康食品及其原輔料的需求量大幅增加。研發低碳、節能、綠色加工處理技術使食品結構與功能穩定，是國際食品原輔料工業研究的熱點。

圖1 魔芋葡甘聚糖（KGM）Fig.1 Konjac glucomannan (KGM)

KGM具有分子量大（高達20～2 000 kDa）和特征基團乙酰基親水性強等特點，被廣泛應用于食品加工、水凝膠器件等領域。然而，KGM自身特性及加工設備與技術的限制，導致魔芋難以粉碎、魔芋精粉純度不足、顆粒大、溶脹時間長等缺點，嚴重制約了 KGM 的應用。因此，深入研究 KGM 微粒的結構特點與力學穩定性機制，是提高KGM微粒機械破碎效率和降低KGM分子鏈斷裂程度的關鍵。一般認為，KGM分子鏈通過氫鍵、范德華力等作用形式發生聚集，進而形成KGM微粒。當前，關于KGM力學性能的研究主要圍繞 KGM 分子鏈結構和其力學性能，例如KGM與其他多糖復合，從而在流變性能與成膜性等方面改善其功能特性等。關于KGM分子鏈-KGM微粒結構-KGM 微粒力學性能之間的影響機制在近年來得到關注，例如KGM微粒大小和結構對其力學性能的影響[3-7]。本文針對 KGM 微粒的力學穩定機制這一關鍵問題，圍繞KGM分子鏈結構特點、微粒結構及其微粒力學穩定性進行文獻綜述。

1 KGM微粒與現有提純方法

KGM以黏液狀粒子狀態存在于異細胞中。與其他細胞相比，異細胞結構較大，且干燥后韌性極強，很難粉碎。經超細粉碎處理后，魔芋微粒的許多應用性能得到改善，如微粒色度的改善、溶脹速度的提高等，從而使得 KGM獲得更廣泛的應用和更佳的使用效果；特別是微粒溶脹速度的顯著提高，為其在工業化應用中的連續化生產提供了良好加工性能。不同的超細粉碎方式所產生的機械力化學效應，即通過對物質施加機械力而引起物質發生結構及物理化學性質變化的過程，存在著一定的差異，比如 KGM 微粒的提取分為干法和濕法。干法提取是把魔芋切片，烘干。烘干的過程收縮，再通過精練粉碎；后期通過研磨機把細胞表面的細胞膜、細胞壁進一步分離，從而得到質量較高的KGM微粒粉末[8-10]。但是干法提取加工過程中存在一些不可忽視的問題：首先，粉碎過程會破壞 KGM 分子鏈結構，導致微粒不完整，進而影響后期 KGM 基材料的力學性能；其次，強行快速粉碎，有機物 KGM在太高溫度下特別容易糊化，微粒結構遭到破壞；再者，研磨過程容易產生自由基等。而濕法提取 KGM微粒無需經過烘烤，乙醇包裹狀態下的研磨使KGM微粒相對完整[11]。但濕法涉及的工藝技術和配套設備的經濟成本較高，不符合經濟性原則。鑒于此，高效的干法提取 KGM 微粒將是未來研究的一項重大挑戰。如何提高 KGM微粒的純度來改善其在應用上的限制，最需要攻破的瓶頸問題是深入研究 KGM 微粒的結構特點與力學穩定性機制，從而提出 KGM微粒的高效破碎策略，并降低它在加工過程中的破壞度。

2 KGM分子鏈結構特點

KGM 主鏈是由 D-甘露糖和 D-葡萄糖通過β-1,4吡喃糖苷鍵連接而成。在主鏈甘露糖的 C-3位上存在著以β-1,3鍵結合的支鏈結構，其中D-葡萄糖和D-甘露糖的構成摩爾比通常為1∶1.6。KGM的結構中每32個糖殘基上大約有3個支鏈，且支鏈僅含幾個殘基；KGM 分子鏈側鏈短支鏈C-6位上存在以酯鍵結合的乙酰基[12-13]（圖2所示），而乙酰化的KGM完全水化的時間更短，并可形成均勻的水分散體，與乙酰化程度成正比。KGM即使在較低濃度也能保持較高的粘度，并顯示出較強的氫鍵作用[14-15]。氫鍵的存在對KGM結構的穩定性起著重要作用。溶液中的KGM分子鏈和水分子通過氫鍵形成三維氫鍵網狀結構，且在不同溶液環境，因氫鍵等分子間弱相互作用的不同，表現出不同性能[16-17]。KGM 鏈結構伸展后形成具有一定剛性或半柔順直鏈分子，支化度極低。GPC色譜法測定KGM的分子量（MW）近似正態分布，多分散性（MW/Mn）為1.21，說明KGM是一種較為均勻的單分子鏈。KGM作為一種水溶性高分子，溶解度可通過 pH值、溫度和添加表面活性劑或其他溶劑來調節。KGM因其無毒、易成膜、易生物降解等特性，在食品和生物醫學等領域有著廣泛的應用[18-19]。

圖2 KGM的化學結構Fig.2 Structure of KGM

課題組研究提出了以六維Brown運動作為數學模型來模擬具有短程相互作用的 KGM分子鏈構象，討論了它的分布、簡約分布，找到了與泛函積分的關系，并且說明泛函積分表示即為蠕蟲狀 KGM 分子鏈構象的數學模型。另外，利用數學模型的Markov性和Feller性以及半群理論，推導出了六維Brown運動所模擬的KGM分子鏈構象與 Fokker-Planr方程之間的聯系。進而對更接近實際的KGM分子鏈構象用n維Brown運動加以模擬，強調在θ條件下，KGM分子鏈剛柔性不僅取決于KGM分子鏈的長度，而且取決于KGM分子鏈內相互作用范圍的大小，同時在狀態矢量模為定值的情況下，將 KGM分子鏈長度作為一個隨機變量而定義，得到了鏈長分布，推導出KGM 分子鏈從柔性向剛性連續過渡的概率表達式和相關性比。

課題組提出猜想，或許可以從 KGM 微粒粉末的加工過程中不同的處理方式形成的分子鏈結構從而影響微粒類型。有鑒于此，系統性地探索KGM 分子鏈的網絡結構以及微粒力學行為的規律和機制具有重要的理論和實踐意義，也可為KGM 材料網絡的動態調控及后續的加工過程奠定理論基礎，對后期研究 KGM 微粒的功能特性開發及其應用具有重要的指導意義。

課題組研究發現，在物理降解處理條件下，KGM的結構受到部分破壞，但未對KGM的顆粒形貌造成顯著破壞。同時還發現，采用溶劑處理KGM后其結晶度增加約18%，KGM分子發生不均一性的斷裂。在物理機械力處理方面，發現當采用球磨粉碎法處理 KGM 時，其結晶度顯著降低，在分子水平確證了來源于球莖異細胞的KGM天然微粒的分子鏈解聚對 KGM 凝膠力學網絡形成起到了至關重要的作用。相對于基本結構因素，KGM 的構象穩定性或構象柔順性與其性質之間的相關性更為緊密，因為在加熱過程中，或在機械粉碎過程中，它會直接影響多糖分子鏈之間相互作用力模式，進而影響相應的結晶性質[20-21]。課題組前期發現的 KGM微粒分子鏈可與離子形成穩定性的“纏結”網絡結構，有利于形成具有熱穩定性高的KGM微粒，推測通過動態調控KGM分子鏈剛柔性，能夠提高 KGM 微粒分子鏈剛柔性繼而增強KGM微粒的力學性能，為KGM網絡的動態調控及后續的加工過程奠定理論基礎，對后期研究 KGM微粒的良好功能特性及其應用具有重要的意義。

近幾年，對于 KGM 分子鏈結構和其微粒力學性能方面的研究雖已有一定基礎，但更多集中在與其他物質，如多糖、酚類復合，從而改善其功能特性，比如：傅麗群等從介觀聚集態層面上發現，KGM與卡拉膠的氫鍵、范德華力等相互作用會形成微粒狀態中的耦合纏結，并呈現纏結緊密的趨勢，網絡結構更加牢固，熱可逆凝膠的機械強度大幅提高[22]。倪永升等研究表明，KGM分子主鏈在電場力作用下穿孔聚合，形成環狀結構，鏈表面的羥基能與茶多酚通過氫鍵結合，提高了KGM微粒結構的熱穩定性[23]。Mu等發現，雙醛化 KGM可以激活與明膠、海藻酸鈉等大分子的席夫堿交聯反應，形成的微粒網絡結構更致密、力學性能更強，受酸液、低溫等外界環境影響較小，有效提高了負載物的貯藏穩定性[24]。但以上研究都無法進行系統性的動態調控。因此，系統性地探索KGM分子鏈的網絡結構以及微粒力學行為的規律和機制具有重要的理論和實踐意義。

目前，在分子鏈結構機理的研究上，KGM分子鏈能與水分子通過氫鍵、分子偶極等作用力在水中形成高度纏結、連續的網絡進而凝膠化[25]，需要沿著水分子與 KGM 分子鏈作用的角度，進一步調研和闡述。基于此，提出科學假設：是否能夠通過水分子調控KGM分子鏈，從而調控KGM微粒的結構與穩定性。進而提出使用蒸煮和冷凍干燥的方法，使得水分子進入和抽離魔芋組織的過程實現對魔芋組織結構進行松散化，進而降低后續干法破碎的難度，提高干法破碎制備 KGM的純度和完整性，以及調控KGM結構和應用。Elena Ghibaudi等從分子化學中結構、形狀和糾纏概念出發，給出了判別分子形狀和結構的依據[25]。Celine Lafarge等[25]通過對堿性加熱條件下KGM結晶過程與結晶機制進行了探索，給出了KGM分子結構的大致描述如圖3所示。球磨、振動磨、攪拌磨和冷凍粉碎等方式影響KGM微粒大小的研究進展如圖4所示[26,27-31]，這些研究揭示了 KGM 的網絡結構可以提高 KGM微粒結構的穩定性，但是通過動態調控KGM的網絡結構，是否會對KGM分子鏈其他性能的穩定性產生影響還有待探索。

圖3 KGM分子鏈形成纏結示意圖[32]Fig.3 Schematic diagram of KGM molecular chain forming entanglement

圖4 KGM微粒結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the microparticulate structure of KGM

3 KGM微粒力學穩定性

結晶物質在粉碎過程中，在所施加機械能的作用下，微粒結構經歷了從量變（微粒尺寸變小，比表面積增大）到質變（微粒表面或內部產生缺陷、非晶化等）的過程。具體來說，機械變形力使物質的微粒結構發生的變化有以下幾種：

晶格畸變。晶格畸變指的是晶格點陣粒子的排列部分失去周期性而形成的缺陷，包括點缺陷、線缺陷、面缺陷以及晶格整體的變形等。

圖5 影響KGM微粒大小的研究進展圖Fig.5 Progress of research on affecting KGM particles size

晶型轉變。具有多晶型的物質，在常溫下由于機械力的作用，常常會發生晶型的轉變。粉碎過程中的晶型轉變，是由于粉碎微細化過程中出現無定形化、中間結晶相等狀態，使體系自由能增大，形成不穩定相的結果。同時在壓縮、剪切、彎曲、延展等力的不斷作用下，當其能量超過相轉變的結晶作用活化能時，則完成晶型的轉變。

結晶構造整體變化。在機械力化學作用下，結晶構造的整體變化發生在具有層狀結構的物質中。層狀結構，在粉碎過程中，由于層間質點結合力較弱，于是在擠壓、剪切力的作用下，沿層面平行地劈裂開，造成物質整體結晶構造的變化。

微粒的非晶化。在機械力作用下，有序的晶格結構被破壞。KGM微粒結構無序化是機械力作用下，位錯形成、流動及互相作用共同產生的結果，而且當機械負荷撤消后也不能恢復。由于機械力的作用，顆粒表面的構造受到強烈破壞而形成非晶態層。隨著粉碎繼續進行，非晶態層變厚，最后導致整個顆粒無定形化。KGM在粉磨至無定形化的過程中，內部儲存的能量遠遠大于單純位錯儲存的能量。

4 不同加工方式對KGM微粒聚集態結構的調控

4.1 壓力蒸煮對KGM微粒聚集態結構的調控

壓力蒸煮可有效調控 KGM 微粒的結構。課題組研究發現，通過壓力蒸煮后的 KGM更容易溶解并且粘度更高。利用X射線衍射分析、AFM、SEM等方法可以對壓力蒸煮的KGM進行結構的細觀表征。通過調控壓力蒸煮的實驗參數（如壓力、溫度、水蒸氣含量等）可對 KGM 的結構和力學性能實現調控。壓力蒸煮對 KGM 結構和力學性能的調控機制主要是壓力蒸煮過程中，壓力、溫度和水分等條件對氫鍵作用、KGM分子鏈間作用進行了調控，從而實現對其結構的調控。利用LAMMPS分子動力學模擬軟件可以建立KGM分子鏈結構，模擬水分子與 KGM 分子鏈間作用形式、KGM分子鏈的舒展行為，進而明確水分子在不同溫度和壓力下對 KGM 分子鏈晶態結構的調控。同時，分子動力學方法也可以系統研究KGM分子結構特征（分子量、支鏈數量和長度、乙酰基分布、電荷密度和分布等）對 KGM 結構的影響。從分子角度來看，有序結構是強烈的分子相互作用和低空間位阻的結果。多糖鏈的重復單元的含羥基官能團與相鄰多糖鏈或甚至同一鏈上的氧之間可能會形成強氫鍵相互作用，從而導致鏈折疊和不定性多糖聚合體的結構；而在壓力蒸煮過程中，水分子進入 KGM高分子鏈間重新調控了氫鍵的相互作用，在水分子參與的稠密相中，低空間位阻的線性多糖分子間的相互作用會導致更多有序結構的形成。

4.2 冷凍干燥對KGM微粒聚集態結構的調控

冷凍干燥是將KGM精粉或壓力蒸煮后的KGM進行低溫下冷凍干燥，在此過程中水分子從KGM體系中抽離。通常冷凍干燥后的材料結構會出現疏松多孔的結構，從而對 KGM 的聚集態結構實現調控。通過SEM、TEM等方法可以對冷凍干燥后的 KGM形貌和類型進行表征。同樣，凍干過程中水分子的抽離對 KGM結構調控的分子機制可以通過分子動力學方法進行模擬揭示。包括模擬水分子從KGM分子鏈周圍抽離過程中，KGM分子鏈的松弛行為以及分子鏈之間的作用力變化。通過對 KGM 表層高分子鏈動態行為以及KGM高分子鏈之間的結合和解離可以揭示KGM的生長和結構演化規律。從分子動力學和結晶機理分析，一方面水分子從 KGM 聚集體中抽離，使得 KGM 與水分子之間的氫鍵比例降低，而KGM之間的氫鍵比例提高，因此有利于KGM結構更加穩定；另一方面，在冷凍干燥過程中產生包含冰晶孔和蒸發孔在內的多孔疏松結構，有利于大的KGM聚集體結構更容易破碎以及KMG的細化提純。同時發現，冷凍耦合超微粉碎能有效緩減KGM分子鏈斷裂程度，提高KGM粉均一性[33]。

4.3 球磨剪切對KGM微粒聚集態結構的調控

球磨剪切破碎 KGM 微粒聚集態結構是當前加工 KGM精粉的主要方法之一。在此過程中，KGM 微粒聚集態結構受到壓力和剪切力的共同作用，并發生破碎。球磨剪切可以將壓力蒸煮和冷凍干燥后的 KGM 微粒聚集態結構進行破碎。由于壓力蒸煮和冷凍干燥環節對 KGM分子鏈的調控作用使得 KGM 微粒聚集態結構變得更為松散。在相同的實驗條件下，球磨剪切更容易將KGM微粒聚集態結構破壞從而實現KGM分子的細化和提純。利用球磨儀對蒸煮和凍干后的KGM聚集結構進行破碎后，可利用SEM、TEM、AFM、NMR、FTIR等實驗方法測定 KGM尺寸、KMG純度、KGM的完整度、KGM官能團差異。通過選用具有不同機械力作用方式的設備如高壓輥磨（擠壓力為主）、振動磨（沖擊力為主）、攪拌磨（剪切、沖擊力為主）對 KGM進行細化，并且分析在不同機械力作用下 KGM的結構狀態，可以確定適合于高純度加工的設備和工藝，如圖6所示。壓剪作用對KGM微粒聚集體作用的機理可以通過分子動力學方法和離散元方法進行模擬分析，將 KGM聚集體受力、變形和破碎的力學行為可視化并明確以 KGM為主要原料制備高純度的加工原理、結構與功能特性，如圖7所示。分子動力學和力學性能分析結果顯示，在受到壓縮剪切作用時，由于非晶態和結晶相的模量和強度差異，KGM聚集體中的非晶態和結晶相的界面處更容易發生破壞。同時，加壓和剪切的載荷作用下，KGM分子排列的取向也受到調控。

圖6 KGM加工制備圖Fig.6 KGM processing and preparation diagram

圖7 KGM微粒細化加工原理圖Fig.7 The principle diagram of KGM particles refinement processing

5 KGM微粒的力學研究探索討論

5.1 評估KGM微粒狀態穩定性的創新方法

基于時間序列的回歸分析方法與人工智能中的神經網絡結合應用到KGM結晶態勢的推理中。首先采用回歸分析方法，通過對歷史數據的統計分析得到統計規律，利用ARIMA模型將非平穩時間序列轉化為平穩時間序列。在此基礎上，再采用人工智能方法，通過對歷史數據的自學習機制，挖掘數據的潛在規律，以推理、認知當前或預測下一階段的網絡態勢。構建環狀缺陷的可視決策支持機制，將可視分析領域的專家知識和推理過程以先驗知識的方式存入決策庫，結合系統仿真技術，在認知或推理該環狀缺陷是否對穩定性影響時，通過分析歷史數據和模擬驗證等過程自動選擇或推薦合適的可視化的方法輔助決策、推理。

根據分子缺陷的結構分布理論、歷史數據、先驗知識等，設計針對環狀分子缺陷對穩定性影響的自動推理機制。該機制具有文檔記錄、視圖保存、KGM微粒備份、歷史數據比較等功能。同時針對 KGM微粒狀態可視化中的數據導航和超空間迷失等問題，設計新型的視圖縮放和聚焦、選擇和回放、數據過濾、關聯數據顯示等技術。

5.2 數理方法探究KGM微粒結構

植物體廣泛存在含晶細胞，魔芋便是其中一種，其異細胞內含葡甘聚糖顆粒，但關于葡甘聚糖微粒具體形成過程，目前還不很清楚。從數學角度探索并構建 KGM微粒結構的穩定模型，綜合利用物理、數學、計算機的研究方法聚焦解決KGM力學行為機制調控問題，形成一套有理論保證的 KGM 網絡結構動態調控機制，運用可視分析方法實時動態顯示分子網絡狀態，用以洞察KGM微粒內部機理，形成基于“圖論、拓撲、數值優化、計算機圖形學、生物科學、食品科學”多學科交叉的KGM微粒結構穩定性的研究體系，從海量、高維、不確定的微粒中揭示抽象的分子拓撲結構中隱藏的模式、規律，為進行有效推理提供決策支持，從而增強對微粒特性本質的洞察和理解。可視化的方法動態挖掘微觀分子網絡狀態，運用圖形學方法揭示 KGM 微粒穩定性形成機理，進行 KGM微粒生長微觀機理的研究，涉及到魔芋農藝學、加工學、食品學等，橫跨理、工、農學科領域，這一研究思路與新方法打破了學科界限，實現了多學科的真正交叉。

5.3 KGM微粒的力學穩定機制研究探索

課題組以 KGM 分子鏈為對象，深入解析KGM 分子鏈網絡結構和其微粒力學性能穩定性的機制，揭示 KGM 分子鏈網絡結構形成的內在機制，闡明分子動力學模擬可視分析研究條件下KGM 分子鏈網絡結構和其力學性能穩定性之間的關系，能否探索通過計算機模擬動態調控KGM分子鏈網絡結構來增強 KGM微粒力學性能行為的新方法。而n維Brown運動相當好地描繪了葡甘聚糖分子鏈由無規線團到完全伸展的棒狀結構的整個過渡，即由聚合物到單體的過渡。KGM分子鏈網絡結構的強弱與其微粒穩定性呈正相關性，這可能意味著通過調節網絡結構也適用于增強其微粒力學性能。通過深入揭示KGM分子鏈、網絡結構和微粒力學性能之間的內在聯系，挖掘這些分子間作用現象的本質，將有助于探索切合實際、行之有效的技術手段來提高 KGM分子鏈的穩定性及其微粒結構的力學穩定性能，從而擴大其應用范圍。

6 研究展望

KGM 作為來源于我國特產資源——魔芋球莖中的水溶性天然植物多糖，具有良好的吸水性、增稠性等，常被用作食品添加劑。KGM結構穩定是 KGM 加工與利用的基礎與關鍵，其質量直接關系到KGM的應用范圍及效果。但關于KGM微粒具體形成過程，目前還不很清楚，易受理化因素影響。

因此，可探索建立 KGM 分子鏈穩定性研究模型，主要包括：

（1）闡明 KGM 結構狀態中的分子缺陷結構及分布，明確KGM結構的力學穩定性機制。

（2）提出并掌握可視分析方法動態顯示分子結構，揭示乙酰基在 KGM 分子剛柔性的動態調控機制。

（3）從數值模型上給出 KGM結構狀態及力學行為分析，解決魔芋結構純度的加工方法問題，解析基于分子剛柔性的 KGM結構的力學穩定性機制，從理論和實驗上驗證揭示 KGM結構的力學機理。

未來需要進一步開展更前沿的研究，例如運用概率統計知識計算 KGM結構中具有不同順序的缺陷位置，研究對剪切彈性模量的影響、研究不同理化處理（壓力、溫度、溶劑、酶等）對KGM微粒性質及螺旋構象穩定性的影響等。本文的探索設想有利于從本質上認識 KGM微觀機理，為今后實現其多功能化以及食品領域應用提供一些重要理論依據。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網（http:// lyspkj.ijournal.cn）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。