魔芋葡甘聚糖的结构_食品学性质及保健功能_孙远明

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1、魔芋葡甘聚糖的结构 食品学性质及保健功能 孙远明 吴 青 谌国莲 黄晓钰 华南农业大学食品科学系 广州 510642 摘 要 综述了国内外关于魔芋葡甘聚糖的化学结构 食品学性质 保健功能及在食品与医 药中的应用 关键词 魔芋 葡甘聚糖 化学结构 性质 保健功能 魔芋 konjac elephant foot yam 属天南 星科魔芋属 A morphop hallus Blume 植物 国际上 特别是日本 近 30 年来 我国近 10 余年来对魔芋研究非常活跃 涉及魔芋生物 学 栽培 育种 魔芋萄萄甘露聚糖 gluco mannan 简称葡甘聚糖 的化学结构 理化性 质 生物学功能 提取加工方

2、法与设备 葡甘 聚糖利用等诸方面 研究发现魔芋是一种能 大量合成葡甘聚糖的植物 其含量占干基的 50 左右 1 魔芋葡甘聚糖具有多种独特的 理化性质 在食品 医药 化工 纺织 石油钻 探等工业中均有很好的应用价值 正因为如 此 1986 年农业部把魔芋认定为我国重要的 特种经济作物之一 1 本文就国内外关于魔 芋葡甘聚糖的结构 食品学性质及其保健功 能等作一综述 1 魔芋葡甘聚糖的结构 魔芋葡甘聚糖是上世纪末在日本发现 的 Roibu 等人用 3 硫酸水解魔芋粉 在水 解液中检测出大量的甘露糖 认为魔芋中的 粘稠物质是由甘露糖组成的甘露聚糖 实为 葡甘聚糖 并于 1895 年用英文发表了 甘露

3、 聚糖为人类食品的一种物料 一文 1920 年 Mayeda 发现魔芋粘稠物质中除甘露糖外 还含有葡萄糖 32 60 年代以来 日本学者对 魔 芋 葡 甘 聚 糖 结 构 进 行 了 详 细 的 研 究 2 9 12 14 24 26 31 35 37 46 结果概括如下 魔芋 葡甘聚糖是由分子比 1 1 5 或 1 1 6 花 魔芋 A konjac 或 1 1 69 白魔芋 A al bus 的葡萄糖和甘露糖残基通过 1 4 糖苷 键聚合而成 在某些糖残基 C 3 位上存在由 1 3 糖苷键组成的支链 其支链多少的报 道结果差异很大 Smith 研究认为主链上每 32 个糖残基有 3 条支

4、链 而 Kato 等人却认 为主链上每 80 个糖残基只有 1 条支链 后者 可能接近实际些 每条支链由几个至几十个 葡萄糖和甘露糖残基构成 主链上大约每 19 个糖残基上有 1 个以酯键结合的乙酰基 魔 芋葡甘聚糖分子量因魔芋种类 品种 加工方 法及原料的贮藏时间不同而变化 一般为 200 000 2 000 000 我国白魔芋葡甘聚糖的 分子量大于花魔芋 2 魔芋葡甘聚糖食品学性质 2 1 流变性 魔芋葡甘聚糖易溶于水 不溶于甲醇 乙 醇 丙酮 乙醚等有机溶剂 其水溶液为假塑 性液体 即有剪切变稀的性质 2 9 28 kD n 为剪切应力 k 稠度系数 n 为流动指 数 D 为剪切速率 魔

5、芋葡甘聚糖水溶液 胶 的表观粘度随 剪切速率的增加而降低 k 值和 n 值是评价 魔芋葡甘聚糖的质量的 2 个重要指标 k 值 越大 n 值越小 其质量越优 许时婴和钱 47 第 25 卷 第 5 期 孙远明等 魔芋葡甘聚糖的结构 食品学性质及保健功能 第一作者 博士 教授 广东省自然科学基金资助 收稿时间 1998 09 08 和 3 研究得到白魔芋和花魔芋精粉的 k 值分 别为 5 895 7 385 和 1 858 3 311 n 值为 0 33 0 36 和 0 59 0 66 表明白魔芋精粉 优于花魔芋精粉 据实验 魔芋葡甘聚糖的粘度随着温度 的上升逐渐下降 冷却后又上升 但是 其粘

6、 度不能回升到加热前的水平 魔芋葡甘聚糖 不耐80 以上的高温 如魔芋葡甘聚糖溶胶 在 121 下保温 0 5h 粘度约下降 50 Kohyama 等 29 观察了 pH 对魔芋葡甘 聚糖粘度等指标的影响 结果表明 在 pH 3 以下和在pH 11 5 以上粘度迅速上升 在 pH 3 9 之间粘度较稳定 2 2 增稠性 魔芋葡甘聚糖分子量大 水合能力强和 不带电荷等特性决定了它优良的增稠性质 1 的魔芋精粉的粘度达到数十帕斯卡秒 Pa s 高的达到 200Pa s 与黄原胶 瓜 尔胶 刺槐豆胶等增稠剂相比 它属于非离子 型 受体系中盐的影响很小 39 魔芋葡甘聚糖与黄原胶 淀粉等增稠剂 有协同

7、增稠作用 若在 1 黄原胶溶液中加 入 0 02 0 03 的魔芋精粉 粘度可增加 2 3 倍 39 在增稠剂总量为 5 时 4 5 变 性玉米淀粉 0 5 魔芋精粉糊化后的粘度 比 5 变性玉米淀粉的粘度高出 4 6 8 6 倍 40 2 3 胶凝性 在食品工业中 许多食品需依赖于亲水 胶体物的胶凝性质 形成一定的形状和一定 的质构 并保证所期望的融化温度和 或 增 强风味的释放 明胶 卡拉胶 果胶和海藻酸 钠就是这类典型的亲水胶体物 魔芋葡甘聚 糖具有独特的胶凝性能 在一定条件下可以 形成热可逆 热不稳定 凝胶和热不可逆 热 稳定 凝胶 2 3 1 热可逆凝胶 魔芋葡甘聚糖能与黄原胶 3

8、33 39 41 45 卡拉胶 21 30 34 38 40 44 等存在强烈的协同作用 而形成热可逆凝胶 单独魔芋葡甘聚糖 非碱性条件 或黄原 胶均不能形成凝胶 但两者混合后 几乎可在 任意pH 下形成凝胶 在总浓度保持 1 的情 况下 随着黄原胶的加入 表观粘度逐渐增 加 当魔芋精粉与黄原胶的配比为 3 2 时 达到最大值 然后又下降 当两者加热溶解冷 却后 则形成凝胶 其凝胶强度在两者比例为 3 2 时为最大 当 pH5 左右时 其凝胶强度 达最大 随着两者混合浓度的增高 其凝胶强 度相应增大 两者混合形成的凝胶为热可逆 凝胶 在室温至 40 呈固态 而在 50 以上 呈半固态或液态 冷

9、却至室温后又呈固态 关 于其凝胶机理可能是 魔芋葡甘聚糖分子上 平滑 没有支链的部分与黄原胶分子的双螺 旋结构以次级键形式相互结合形成三维网状 结构 卡拉胶为硫酸化的线性半乳聚糖 主要 有 3 种类型 魔芋葡甘聚糖与其中的 卡拉 胶存在协同作用 两者在一起加热再冷却后 可以形成脆性 弹性不同的凝胶 随着两者比 例的变化 其质构与融点性质随之改变 魔芋 葡甘聚糖所占比例越大 凝胶的韧性越强 反 之 凝胶的脆性越强 当两者为 4 6 时 其凝 胶强度达最大 钾离子对其凝胶形成有一定 的影响 在一定总胶浓度下 随体系中钾离子 的提高 其凝胶强度增大 但过量钾离子形成 的凝胶质地硬而脆 析水率也增大

10、通常情况 下 以 0 03 0 1 为宜 2 3 2 热稳定凝胶 15 18 22 23 39 我国传统的魔芋豆腐 即魔芋凝胶 已有 2 000 多年的历史 但对其胶凝过程与机理 的研究是近几十年的事 研究发现 魔芋葡甘 聚糖分子链上的乙酰基团阻止葡甘聚糖长链 相互靠近而形成凝胶 但弱碱 碳酸氢钾加到 2 的魔芋葡甘聚糖溶液中 条件下加热 则 形成凝胶 该凝胶形成受体系中 pH 和温度 的影响 通常 pH 要达到 9 10 以上 在加热 的条件下 才能形成凝胶 该凝胶对热稳定 即使在 100 下 重复加热 其凝胶强度变化 不大 另据实验 该凝胶即使加热到 200 以 48 食品与发酵工业 Fo

11、od and Fermentation Industries Vol 25 No 5 上 也仍然保持稳定 因此 也把这种凝胶称 为热不可逆凝胶 碱的种类对魔芋凝胶的凝胶强度影响不 完全相同 魔芋葡甘聚糖凝胶的形成需在碱 性条件下 但其凝胶强度与体系中 pH 相关 规律性不强 如用磷酸钾处理 pH 为 8 1 也 能形成较强的凝胶 而用氢氧化钠处理 pH 达到 12 5 其凝胶强度不及磷酸钾处理的一 半 不过磷酸钾处理形成凝胶需要更高的加 热温度 前尾健治用淀粉粘焙仪通过测定粘度变 化研究了魔芋葡甘聚糖胶凝过程 首先把魔 芋葡甘聚糖添加到水中 经搅拌而溶解 粘度 逐渐上升 经过一段时间 溶解达到

12、平衡状 态 粘度不再变化 这时添加胶凝剂 碱 则 溶液结构杂乱 因而出现瞬间的粘度大幅度 下降 如果立即用汤匙等工具激烈搅拌溶液 则溶液重新变成均匀而又连续的组织 粘度 也大致恢复到原来的值 其后在一定时间 粘 度保持不变 此时 溶液的外表状态与添加胶 凝剂前比较 几乎未出现差异 当过了这段时 间 就可以观察到溶液的透明度逐渐降低及 胶凝作用的发生 粘度随之上升 随转子继续 转动 凝胶结构被破坏 又使粘度下降 通过 此实验 前尾氏指出 魔芋葡甘聚糖的胶凝过 程分为 2个时期 诱导期和凝胶形成期 即凝 胶形成并不是一加碱后就开始的 而是经过 一段时间才开始 这段时间称为诱导期 诱 导期一过 进入

13、胶凝形成期 其凝胶机理现已清楚 在碱性加热条件 下 魔芋葡甘聚糖链上由乙酸与糖残基上羟 基形成的酯键发生水解 即脱去乙酰基 这 样 葡甘聚糖变为裸状 分子间则形成氢键而 产生部分结构结晶作用 以这种结晶为结节 点形成了网状结构体 即凝胶 2 4 成膜性 40 当魔芋葡甘聚糖溶胶脱水后在一定条件 下可以形成有粘着力的膜 该膜在冷热水及 酸碱中均稳定 甚至煮几小时也不溶 添加保 湿剂 如甘油 可以改变膜的机械性能 随着 甘油添加量的增大 膜的强度则降低 透性增 加 膜的基本制法为 将 1 魔芋精粉溶胶倾 倒在光滑的表面上 经空气干燥 就可得到柔 软的膜 还可以用魔芋溶胶制成透明或不透 明的膜 通过

14、增加保湿剂的用量 可降低膜强 度值 使膜破裂所施加的力 提高柔软性 膜 的透水性受添加亲水或疏水物质的影响 随 添加亲水性物质而增加 随添加疏水性物质 而下降 3 魔芋葡甘聚糖的保健作用 经国内外研究证实 魔芋葡甘聚糖是一 种优良的水溶性膳食纤维 对营养不平衡有 重要的调节作用 如防治便秘 降血脂 降血 糖 减肥 抗癌等 3 1 预防和治疗便秘 慢性功能性便秘很常见 发达国家尤为 如此 如英国总人群中 10 受此症困扰 发 生率随年龄的增长而增加 由年轻人群 3 至老年人群 20 我国随饮食精化和年龄老 化 便秘患者急剧增加 现已研究证实 7 魔 芋葡甘聚糖及其制品对预防和治疗便秘有良 好的作

15、用 它可吸收水分 增加粪便体积 改 善肠道菌相 刺激肠蠕动 这些都有利于排 便 3 2 调节脂质代谢 8 10 19 27 42 43 大量流行病学调查及实验研究证实 血 浆胆固醇水平与动脉粥样硬化和冠心病密切 相关 美国调查显示 超过半数中老年人群血 胆固醇增加 构成冠心病高危因素 如胆固醇 水平降低 1 冠心病危险性则降低 2 可 溶性膳食纤维通过与肠内胆酸结合 增加胆 酸排泄 使体内胆酸合成增加 从而降低血胆 固醇水平 还可减少其胆道排泄时积聚形成 胆石和胆酸代谢产物的可能致癌作用 不同 种类的膳食纤维 降血脂各有差异 国内外均 已报道 魔芋葡甘聚糖有显著的降血脂效果 既可降低血胆固醇水

16、平 也可降低甘油三酯 水平 且已证实 当血脂达正常水平时不持续 下降 起到调节脂质代谢 预防高脂血症的作 49 第 25 卷 第 5 期 孙远明等 魔芋葡甘聚糖的结构 食品学性质及保健功能 用 其可能机理是 除增加胆酸排泄外 还有 减少脂肪和能量摄入 减少脂肪和胆固醇吸 收等原因 3 3 防治糖尿病 13 控制饮食是糖尿病治疗的重要措施 魔 芋葡甘聚糖不被人体内消化酶所消化 不含 热量 又有饱腹感 且能减少和延缓葡萄糖的 吸收 从而降低血糖水平 3 4 减肥作用 4 5 20 美国用双盲法肯定了魔芋葡甘聚糖的减 肥作用 国内研究结果对这一作用进一步证 实 魔芋葡甘聚糖膨胀系数大 在胃内有充盈 作用 增加饱腹感 同时可以减少产热营养素 的吸收 从而达到预防肥胖和轻松减肥的目 的 3 5 其他作用 6 11 据华西医科大学初步研究表明 魔芋葡 甘聚糖能提高正常小鼠和免疫抑制状态小鼠 的特异性和非特异性免疫功能 具有免疫调 节活性 抗大肠癌 肺癌 流行病学调查和部 分实验研究表明 魔芋葡甘聚糖对预防结肠 癌 乳腺癌等有一定的作用 其抗癌的原因可 能是 魔芋葡甘聚糖大量吸水稀释了肠道致 癌物和