魔芋葡甘聚糖的结构_食品学性质及保健功能_孙远明

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(ko njac,elephant-foo t ya m)属天南星科魔芋属(Amorphophallus Blum e)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-ma nna n,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β-1,4糖苷键聚合而成,在某些糖残基C-3位上存在由β-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200000～2000000。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]。

e=kD n

e为剪切应力,k稠度系数,n为流动指数,D为剪切速率。

魔芋葡甘聚糖水溶液(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

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5895～7385和1858～3311,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%。

Kohyam a等[29]观察了p H对魔芋葡甘聚糖粘度等指标的影响。结果表明,在pH3以下和在p H11.5以上粘度迅速上升,在p H 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[3,33,39～41,45]、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p H5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κ-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。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2000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p H和温度的影响。通常p H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

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,p H为8.1,也能形成较强的凝胶,而用氢氧化钠处理,p H 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

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前致癌物的浓度,并加速它们排出体外;同时影响肠道菌相变化,肠厌氧菌增加,肠厌氧菌中的双歧杆菌,有抗肿瘤作用,即加速可疑致癌物胆汁酸的代谢产物的排泄。

4　魔芋葡甘聚糖在食品及医疗保健方面的应用

由于魔芋葡甘聚糖有良好食品学性质和保健作用,因此它在食品与医药工业中有重要的应用价值。

4.1　作为凝胶类食品和保健食品的主料

利用魔芋葡甘聚糖的胶凝性,可制作各类凝胶食品,如魔芋糕、魔芋粉丝、魔芋条、仿生食品、雪魔芋、无脂肪糖果、果冻、布丁、果酱、魔芋珍珠饮料等。这些食品因魔芋葡甘聚糖含量高,对人体有上述重要的保健作用。

4.2　作为食品添加剂

利用魔芋葡甘聚糖的增稠性、悬浮性、乳化性、稳定性、粘接性、保水性等,可单独或复配其他辅料制作具有相应食品功能的添加剂,应用于果汁、蔬菜汁、酸奶、雪糕、冰淇淋、冰霜、固体饮料、调味粉、汤料粉、面条、米线、燕皮、饺子皮、肉丸、火腿肠、面包、蛋糕等。

4.3　作为食用膜和包装材料

利用魔芋葡甘聚糖的成膜性,可制作水溶性食品膜、水不溶性食用膜、胶囊、微胶囊等。

4.4　制作药物

利用其医疗保健作用,可制作降血脂、降血糖、减肥、通便等药物。

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Chemical Structure,Properties,Healthy

Function of Konjac Glucomannan

Sun Yuanming Wu Qing　Ch en Guolian　Huang Xiaoyu (Depar tment of Foo d Science,So uth China Ag ricultura l U niv er sity,Guang Zho u,510642)

ABSTRACT　The chemical structure,properties,healthy functio n of konjac gluco mannan and its applica tio n in the food and m edicine industry a re review ed in the paper.

Key words　ko njac,g lucoma nnan,chemical structure,property,healthy functio n