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Application of Konjac Glucomannan and Its Derivatives in Food Industry

魔芋葡甘露聚糖及其衍生物在食品工业中的应用


魔芋葡甘露聚糖作为一种传统的食品原料和食品添加剂,近年来在食品领域的应用研究日益引人注目。魔芋葡甘露聚糖是一种中性多糖,是魔芋的主要功能活性成分。魔芋葡甘露聚糖及其衍生物具有较好的凝胶性、增稠性、成膜性等功能特性,在食品工业中具有很高的研究开发和实际应用价值。本文综述了魔芋葡甘露聚糖及其衍生物的主要功能特性及其在食品工业中的应用,将为充分利用我国魔芋资源、提高其产品附加值开辟广阔的发展空间。


全 文 :  核 农 学 报  2015,29(1):0101 ~ 0105
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2014⁃04⁃28  接受日期:2014⁃10⁃21
基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(31301437),浙江省自然科学基金青年基金项目(LQ13C200003)
作者简介:赵培城,男,副教授,主要从事食品生物技术研究。 Email:zhpch@ zjut. edu. cn
通讯作者:刘建华,男,副教授,主要从事功能性食品研究和水产品加工研究。 Email:jhliu@ zjut. edu. cn
文章编号:1000⁃8551(2015)01⁃0101⁃05
魔芋葡甘露聚糖及其衍生物在食品工业中的应用
赵培城  张晶晶  周绪霞  丁玉庭  刘建华
(浙江工业大学海洋学院,浙江 杭州  310014)
摘  要:魔芋葡甘露聚糖作为一种传统的食品原料和食品添加剂,近年来在食品领域的应用研究日益引
人注目。 魔芋葡甘露聚糖是一种中性多糖,是魔芋的主要功能活性成分。 魔芋葡甘露聚糖及其衍生物
具有较好的凝胶性、增稠性、成膜性等功能特性,在食品工业中具有很高的研究开发和实际应用价值。
本文综述了魔芋葡甘露聚糖及其衍生物的主要功能特性及其在食品工业中的应用,将为充分利用我国
魔芋资源、提高其产品附加值开辟广阔的发展空间。
关键词:魔芋葡甘露聚糖;功能特性;衍生物;食品工业;应用
DOI:10􀆰 11869 / j. issn. 100⁃8551􀆰 2015􀆰 01. 0101
    魔芋(konjac),又名蒟蒻,鬼芋等,天南星科魔芋
属多年生草本植物。 在我国魔芋有着悠久的种植和应
用历史,并且种类多,适种区域广,产量高,质量好。 目
前,我国已经成为世界上主要的魔芋生产国和出口国。
魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是魔芋
精粉的主要成分,其分子式为(C6H10O5) n,它是由 D⁃
葡萄糖和 D⁃甘露糖按 1􀆰 6 - 2􀆰 0∶ 1,通过 β⁃1,4 糖苷键
结合而成的高粘度纯天然高分子多糖[1 - 2]。 KGM 是
一种从魔芋块茎中提取的中性杂多糖,含量高达 40%
~65% ,具有多种性能及生理功能[3]。 KGM的分子量
一般为 8􀆰 1 × 105 ~ 2􀆰 6 × 106,具有多种优良的功能特
性,例如疏水性、凝胶性、增稠性、黏结性、可逆性、成膜
性和可生物降解性等,在食品、医药、化工、造纸、石油
等生产领域有着广泛的用途,特别是在食品行业,可作
为食品原料、添加剂、保鲜剂等被工厂、企业大量使用。
同时,KGM具有保健功能,能够预防心血管疾病,降低
血糖水平,还有减肥等功效。 近年来,关于魔芋和魔芋
葡甘露聚糖在食品领域的应用研究日益引人注目。
KGM在某些糖残基 C3 位上存在 β⁃1,3 糖苷键组
成的支链,主链上每 32 个糖残基有 3 个支链,每个支
链仅有 3 ~ 4 个糖残基,大约每 19 个糖残基上有 1 个
以酯键结合的乙酰基,对 KGM 的分子结构影响较
大[4 - 6],可进行脱乙酰反应。 而且 KGM含有活泼的羟
基,能通过酯化、硝化、醚化、接枝等化学改性法制备新
型的 KGM 衍生物,而经过改性的魔芋葡甘露聚糖稳
定性和溶解度都得到了提高,凝胶性和成膜性都有了
改善,能够更好地在食品加工当中发挥作用。 因此,对
KGM的衍生物的研究应用具有十分重要的意义。
虽然我国是重要的魔芋生产和出口国,但是由于
对 KGM的研究起步晚,开发应用的魔芋产品较少,在
食品方面的应用也比较单一和落后。 而国外对 KGM
的研究则较为深入,在各个领域的应用都形成了较完
整的体系。
本文综述了魔芋葡甘露聚糖及其衍生物的各种性
质和功能特性,根据其性质的分类和衍生物的种类对
其在食品工业中的应用进行了归纳和总结,并对其发
展前景进行了展望。
1  KGM的功能特性及其在食品工业中
的应用
1􀆰 1  凝胶性
将 KGM与水混合后,会发生膨胀而产生粘性,温
度升高,再加以凝固剂则会形成凝胶,这就是 KGM 凝
胶性的常规应用。 Williams 等[7]认为 KGM 凝胶性是
脱乙酰所致的。 脱乙酰后由吡喃型 Glu 和吡喃型 Man
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核  农  学  报 29 卷
以 β⁃D糖苷键连接而成的链未发生变化,部分分子间
形成氢键而产生明显的结晶区,导致其失去水溶性,而
KGM脱乙酰后双螺旋开环交叉并发生相互缠绕,以结
晶为结点形成网状结构,最终形成不可逆凝胶[8]。
KGM的凝胶性较为特殊,因此可以制造一系列的
魔芋凝胶食品,如魔芋面条、魔芋粉丝、魔芋豆腐等一
些以 KGM 为主料的食品,还可以制作以 KGM 为辅料
的食品,如魔芋果脯、魔芋软糖和魔芋饮料等。 另外,
KGM还可以作为食品添加剂,添加到冰淇淋、面包、蛋
糕或啤酒和肉制品中。 Zhou 等[9]在面制品生产中发
现,加入 KGM能与面粉中的淀粉和蛋白质相互作用,
使面筋的筋力增强,富有弹性,进而提高面食制品的质
量。 Jiménez⁃Colmenero等[10]在 KGM 代替脂肪添加到
肉制品的研究中表明,KGM的添加不仅降低了肉制品
的脂肪含量,而且提高了肉制品的持水性和嫩度,增强
了肉糜在加工过程中的热稳定性,说明 KGM 在肉制
品中不仅发挥了凝胶作用,而且改善了其品质。 在水
产品加工方面,KGM对提升低值鱼蛋白的凝胶性有很
好的效果[11]。 Iglesias⁃Otero等[12]研究 KGM对低值鱿
鱼凝胶粘弹性的影响,结果发现,KGM 的添加能改善
低值鱿鱼蛋白的不良特性,使其凝胶的粘弹性更好,而
低值鱼类蛋白在水产品加工和凝胶食品生产上都有广
泛的应用。
1􀆰 2  增稠性
食品增稠剂是用来提高食品的粘度或形成凝胶的
一类重要添加剂。 KGM是一种水溶性高分子多糖,基
本上不带电荷,含有丰富的羟基,易溶于水,吸水膨胀,
粘度很高,是优良的食品增稠剂。 根据报道,KGM 形
成的凝胶与黄原胶等常用增稠剂有着很好的协同增稠
作用,将其共同用于食品加工中,可显著减少增稠剂的
用量,降低生产成本。
贺学林等[13]对 KGM 溶液粘度进行了研究,发现
KGM形成的魔芋胶有很高的粘性,是一种很好的食品
增稠剂,其应用前景广阔。 在饮料生产中,吴月蛟
等[14]发现,KGM可作为悬浮剂和稳定剂,使果肉不沉
淀,提高汁液的粘度,调节风味和外观质量。 在果冻生
产中,KGM的膨胀系数特别大,形成的凝胶透明度较
高,可作为食品添加剂,使果冻能更好地成型,口感顺
滑细腻。 Akesowan[15]研究了 KGM增稠性的协同增效
作用。 KGM形成魔芋胶后,和卡拉胶一起添加到冰淇
淋中,结果表明,与使用单一的食用胶相比,这种复合
胶的添加使得冰淇淋的硬度得到了提高,并且不容易
融化,口感更加细腻。 Li等[16]研究了魔芋葡甘露聚糖
替代脂肪类似物添加到蛋黄酱中,结果显示,KGM 的
添加延长了蛋黄酱在储藏期间的稳定性,另外,蛋黄酱
的感官和质构特性都得到了一定程度的提高。
1􀆰 3  成膜性
KGM众多特性中,其优良的成膜性引起了国内外
的重视。 KGM 溶液脱水后,形成有粘着力的薄膜,该
膜在冷、热及酸、碱中均稳定,能有效地阻隔空气,阻止
O2 进人果实内部,减缓由果蔬呼吸作用产生的 CO2 向
外扩散,有效地减少果蔬之间的由摩擦产生的机械损
伤,减少外源微生物的侵染;同时也能减少贮藏期间果
蔬内部的水分蒸发,从而保持果蔬的硬度和色泽。 另
外,可食性魔芋葡甘聚糖薄膜具有良好的耐热性、耐水
性、可分解性,也具有较好的拉伸强度、耐折度和透明
度,因此有望成为一种新的食品包装用膜[17]。
KGM 成膜性应用于果蔬和菌菇保鲜中的前景十
分广阔。 国内外许多学者研究过 KGM 在柑橘[18]、荔
枝[19]、猕猴桃[20]等的保鲜效果,并且做了详尽的报
道。 邹少强等[21]研究了魔芋葡甘聚糖膜对采后龙眼
的保鲜效果和生理变化,结果表明,用魔芋葡甘露聚糖
膜具有很多优点,如效果好,无毒无臭无味,成本低,易
操作等,具有广阔的开发前景。 姚闽娜等[22]研究了魔
芋葡甘聚糖涂膜对草莓的保鲜,结果表明此方法对草
莓的保鲜效果非常显著,KGM 与卡拉胶成膜的互补
性,可以在草莓表面形成较好的半透膜气调环境,降低
呼吸作用,抑制蒸腾作用,减少致病菌侵染,防止其软
化和腐烂变质,从而减少有机成分的损耗,延长草莓货
架期,且对人体无害,是未来果蔬保鲜技术的发展方
向。
2  KGM的衍生物及其在食品工业中的
应用
2􀆰 1  脱乙酰改性
KGM在温和的碱性条件下,能脱掉乙酰基团,脱
乙酰作用会对 KGM 的结构和性质产生很大的影响。
脱乙酰基后的 KGM 分子间相互作用增加,有利于分
子间羟基的氢键相互交联,KGM 分子链也从半柔性直
链分子转化成为弹性微球状,特征黏度大大降低,非对
称性增加,形成有序结构。 改性使其溶胀吸水性得到
一定改善。 除此之外,脱乙酰作用还提高了 KGM 的
结晶性、水汽渗透率[23]。
张升晖等[24]研究发现,魔芋葡甘露聚糖脱乙酰改
性后的成膜性与未改性相比,改性膜的强度、抗水性及
耐洗刷性都显著提高,果蔬的保鲜效果更好。 Gao
等[25]研究了脱乙酰作用对 KGM 凝胶强度的影响,结
201
  1 期 魔芋葡甘露聚糖及其衍生物在食品工业中的应用
果表明,经过脱乙酰作用,凝胶临界时间变短,凝胶强
度增加,弹性变好,这一结果对于 KGM 的凝胶性在食
品领域的应用具有非常重要的意义,使得生产更加方
便快捷,产品质量更优。 Koroskenyi 等[26]研究了乙酰
化程度对魔芋葡甘聚露糖吸水性的影响,结果表明,随
着取代度的升高,吸水性显著降低,从侧面反映出,
KGM脱乙酰化后,吸水性得到提高,使添加 KGM的食
品具有更好的口感和质地。
2􀆰 2  交联改性
KGM分子中存在多个可反应羟基,可与多种交联
剂发生交联反应,使分子羟基间联结在一起。 交联的
形式有酰化交联、酯化交联和醚化交联等。 化学反应
式如下:
KGM - OH + HO - KGM
交联剂 X
→ KGM - O - X - O - KGM
    Gao等[27]以有机硼砂为交联剂对 KGM 的凝胶特
性进行了研究,加入硼砂后,KGM 分子间距离减少,分
子间作用力增加,从而形成稳定的凝胶。 而随着 KGM
和有机硼酸浓度的增加,交联程度增加,凝胶弹性更
好,作为胶凝剂的效果更加突出。 但是在食品工业上,
硼砂具有一定毒性,因此寻找硼砂的取代物是当前问
题的关键。 Pang 等[28]用六偏磷酸钠对 KGM 进行改
性,研究改性 KGM 对樱桃保鲜效果的影响,结果表
明,改性后的 KGM 透明度、粘度、冻融稳定性均比对
照组明显提高,其水溶胶具有一定的耐酸、耐高温能
力,且具有一定的抑菌效果,其成膜性在樱桃保鲜上能
发挥更好的作用。
2􀆰 3  酯化改性
将魔芋葡苷露聚糖与酸或酸酐等在一定的条件下
反应,即可生成相应的酯化产物,主要有磷酸盐、水杨
酸钠、苯甲酸、马来酸酐、没食子酸、醋酸、黄原酸等的
酯化改性。
2􀆰 3􀆰 1  磷酸酯化改性  Xie 等[29]研究发现磷酸酯化
改性后磷的含量越高,絮凝效率越高,改性后的产物生
物降解能力也比未改性的高,改性产物透明度、粘度、
冻融稳定性均比未改性前明显改善,并具有一定的耐
酸、耐高温能力,抑菌效果也得到改善,表明改性后的
KGM成膜性更好,膜的质量更优,在食品保鲜上能够
发挥更好的作用。
2􀆰 3􀆰 2  没食子酸改性  王文晟等[30]报道,没食子酸
酯化改性后,产物的水溶胶粘度比未改性的 KGM 高 1
倍 ~ 2 倍,稳定性提高 79% 以上,抑菌能力也得到了
提高。 改性后的 KGM水溶胶脱水成膜,薄膜均匀、透
明、弹性大、强度高,抗氧化能力优于未改性的 KGM,
在各类果蔬特别是苹果的保鲜上得到更广泛的应用。
王华林等[31]研究了改性 KGM膜对樱桃保鲜效果的影
响,结果发现,经过改性膜保鲜的樱桃,在储藏过程中
感官及各项理化指标都比未经过处理的样品要好,其
中没食子酸改性膜的保鲜效果最好,且操作成本低,无
毒,易操作,效益好,适合在生产中推广应用。
2􀆰 3􀆰 3   酰化改性   Lin 等[32] 通过研究表明,随着
KGM乙酰化程度的提高,热稳定性、热塑性和熔体流
变特性都受到显著影响,取代度增加,提高了热稳定
性,改善了融化流动性,使其在高温食品加工过程中更
加稳定,便于实际生产中的应用和推广。 Huang 等[33]
对 KGM乙酰化和未乙酰化产物的凝胶特性进行了比
较试验,结果发现乙酰化程度越高,KGM 凝胶时间越
长,胶粘弹性变差,从侧面反映了脱乙酰作用对 KGM
凝胶特性有正面的改变,在肉制品加工中,可以提高其
弹韧性。
2􀆰 4  氧化改性
氧化魔芋葡甘露聚糖(OKGM)与 KGM 相比,颜色
洁白,糊液粘度低且稳定性、透明性和成膜性好,其原
理为 KGM 经氧化作用而引起解聚,结果产生低粘度
分散体并引进羰基和羧基,使其糊液粘度稳定性增加。
Yu等[34]研究了 OKGM 的促凝胶作用,结果显示
OKGM水溶胶非牛顿行为显著降低,溶胶粘度稳定性
及酸碱稳定性大幅度提高,其凝胶特性得到改善。 董
红兵等[35]对 OKGM制备杂化膜进行研究,结果表明,
经过氧化的 KGM 杂化膜耐洗刷性更好,水溶胶的稳
定性和膜的断裂伸长率也更强,在果蔬保鲜上,改性膜
能发挥更稳定持久的作用。
2􀆰 5  接枝共聚改性
每个 KGM残基上含有 3 个醇羟基,能够在一定条
件下与丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯等
单体进行接枝共聚反应,向分子结构中引入亲水性基
团,形成水溶性的 KGM衍生物[36]。
Yu等[37]利用 KGM与 3⁃氯⁃2⁃羟丙基⁃三甲基氯化
铵的反应来制备 KGM 季铵盐衍生物,通过调整 KGM
与 3⁃氯⁃2⁃羟丙基 -三甲基氯化铵的比重来调节季铵
化作用。 改性后的衍生物具有更好的抑制细菌和真菌
的作用,KGM 膜的功能特性得到了改善。 Xu 等[38]、
耿胜荣等[39]用 γ射线对 KGM和丙烯酰胺进行接枝共
聚改性,随着吸收剂量和单体浓度的增加,接枝率也上
升,共聚反应产物表现出更好的热力学稳定性和水分
吸收性,产物吸胀后有效水含量为 99􀆰 617% ,其凝胶
被大小不等的球状物连接,折叠缠绕,形成螺旋状立体
结构,具有优良的吸水性能。 陈思力[40]研究了 KGM
丙烯酰胺改性膜在芦柑保鲜的应用,结果发现改性膜
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核  农  学  报 29 卷
能有效地降低芦柑在贮藏期间的生理活性,烂果率低,
显著提高芦柑的外观品质,具有很好的保鲜效果。
3  总结与展望
魔芋葡甘露聚糖是一种常见的、性质优良的物质,
具有凝胶性、增稠性、黏结性、可逆性、成膜性和可生物
降解性等特性,被广泛用于食品工业中,有作为加工原
料的,也有作为添加剂的。 本文综述了魔芋葡甘露聚
糖各种功能特性及其衍生物在食品工业中的应用,表
明魔芋葡甘露聚糖的应用具有很高的研究开发和实际
应用价值。
当前社会越来越关注健康问题,魔芋制品作为一
种保健食品,越来越受到人们的关注和重视,欧美国家
对魔芋产品的兴趣较大,而国际市场需求大部分靠中
国来满足,因此我国魔芋产业有着极好的发展前景。
但目前我国相关魔芋高附加值产品较少,基础和应用
研究工作等诸多方面有待加强。 我国魔芋资源丰富,
将魔芋资源进行充分的研究和利用,提高其产品附加
值,我国的魔芋产业将具有更广阔的开发前景。
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Application of Konjac Glucomannan and Its Derivatives in Food Industry
ZHAO Peicheng  ZHANG Jingjing  ZHOU Xuxia  DING Yuting  LIU Jianhua
(Ocean College, Zhejiang University of Technology, Hangzhou, Zhejiang  310014)
Abstract:In recent years, the application of konjac glucomannan as a sort of traditional food material and food additive
in food industry is attracting more and more attention. Konjac glucomannan is a kind of neutral polysaccharide. It is the
main functional active component of konjac. Konjac glucomannan and its derivatives exhibit better functional properties
such as gel property, thickening property and film⁃forming property. They have high value of research and development
and practical application in food industry. This paper discusses the main functional properties of konjac glucomannan
and its derivatives and their application in food industry, which will expand a broad developmental space for making full
use of konjac resources and improving the added value of its products.
Keywords:konjac glucomannan, functional properties, derivatives, food industry, application
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