植物聚多糖葡甘聚糖的性质与应用

1植物聚多糖魔芋葡甘聚糖的性质与应用1摘要：本文全面介绍了魔芋的主要成分——葡甘聚糖（KonjacGlucomannan简称KGM）的结构、提纯方法、物理化学性质和其在医药卫生领域的保健功能及药用价值；综述了近年国内外的研究开发现状和其在食品、化工、纺织、医药、石油钻探等领域的应用，从而展示了KGM这一丰富的可再生资源的学术研究价值以及在医药、化工、纺织等领域中的广阔的应用前景。关键词：魔芋；葡甘聚糖；聚多糖1.葡甘聚糖的来源和化学结构魔芋的主要成份是葡萄糖甘露聚糖，简称葡甘聚糖，在干魔芋块茎中含量高达55～80％[1,2]。它是由D-葡萄糖(G)和D–甘露糖(M)按11.6或11.69的摩尔比通过-1，4-吡喃糖苷键结合而成的复合多糖。在其主链上甘露糖的C3位置上往往存在着通过β-1，3糖苷键结合的支链结构，除葡萄糖和甘露糖残基外，还有少量乙酰基存在[3,4]。KGM的结构如图1所示。图1KGM的大分子结构Figure1TheMacromolecularStructureofKGM由于KGM的性质受其提取工艺和纯度的影响较大，因此KGM的分离和提纯方法的研究一直备受关注，文献中多有报道[5-7]。其中常用的是乙醇沉淀法、铜盐法和真空冷冻干燥法。铜盐法以及早期的乙醇沉淀法在提纯KGM的过程中由于进行了高温处理，使KGM失去水溶性而只能溶解在20%NaOH溶液中。真空冷冻干燥法由于保持了物质的结构与形态，未受到高温的影响而保持了良好的水溶性。目前，真空冷冻干燥法是一种比较好的采用较多的方法。近年来，生物催化剂酶亦被用于KGM的提纯[8,9]。这种方法利用淀粉酶和蛋白酶将魔芋精粉中所含的淀粉和蛋白质分解除去，然后再用乙醇将KGM从反应体系中提取出来，从而得到高纯度的、水溶性良好的葡甘聚糖。相对于一般的化学方法，利用酶提纯的方法得到的葡甘聚糖的纯度要高的多。2魔芋葡甘聚糖的物理性质及其应用2.1魔芋葡甘聚糖的亲水性及其应用葡甘聚糖是一种高分子量的水溶性非离子天然聚合物，其平均分子量因产地、品种、加HOOOHOHOCH2OHOOHOHOCH2OHMMMMGGGMGOOHOHOCH2OHH3CH2CH2OHOOHOHOOOHOHOCH2OHOOHOHOCH2OHOOHOCH2OHOOHOHO-O-C-COOOHOHOCH2OH2工方法以及原料储存时间的不同而不同[10]，一般可达到106数量级。KGM溶于水，不溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂。因此，常常利用它的这一性质来将其从魔芋块茎中分离并进一步提纯。KGM分子量高、水合能力强和不带电荷等特性决定了其水溶液通常具有较高的粘度。1%的KGM水溶液的粘度可达到数十～200Pa·s。在相同浓度下，KGM水溶液的粘度高于其它聚多糖，如黄原胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶等。有时，KGM溶液的高粘度会给其加工带来不便，常常需要加入一些阻溶剂来抑制其在水中的溶胀。在工业生产中，常用乙醇或其它有机溶剂作为阻溶剂。这类阻溶剂抑制溶胀的效果好，但成本较高。国内有用价格低廉的硼酸盐作为KGM阻溶剂的研究报导[11,12]。硼酸盐能够和KGM形成某种络合物，从而达到抑制KGM吸水溶胀的目的。这种络合物加酸活化后可以分解，使KGM和硼酸根离子分离开来，从而降低了阻溶的成本。由于KGM具有良好的亲水性，遇水能够快速吸水膨胀并最终形成具有粘度高、稳定性好的溶液的特点，KGM作为增稠剂和添加剂在食品工业中得到广泛的应用。KGM用作冰淇淋的稳定剂，可使冰淇淋的口感平滑细腻；作为饼干、面包、蛋糕等烘烤食品的添加剂，可使产品外观平滑，质地疏松；作为啤酒泡沫稳定剂，使啤酒倒杯后气泡细小均匀，挂杯时间长；此外，可增强米纸的拉伸强度，增加面条韧性等[4]。KGM与常用的增稠剂黄原胶、瓜尔豆胶及海藻酸钠均可形成协同增稠效应，其中黄原胶与KGM之间的协同增稠作用最为显著。KGM与黄原胶可在1:10至10:1范围内以任意比例混合，均有显著的协同增稠效应，且当比例为1:1时复合胶的稠度最大，协同增稠作用最强烈。这可能与KGM与黄原胶的分子间的相互作用有关[13]。KGM良好的吸水性使其还可用于制作可生物降解的高吸水剂，如日常生活中的尿布、餐巾等以及与园艺、农业有关的高吸水材料。相对于其它高吸水材料，其优点是安全，于人体无害，并且是可生物降解的环境友好材料。更有意思的是KGM还可用来制作胶体炸药，这种炸药在空气中非常稳定且对碰撞不敏感，即使在水下其成份的溶出也很慢，较长时间存放也不失效，不仅可用于一般爆破也能用于水下爆破等多种场合，用途比较广泛[14]。另外，KGM的吸水性和膨润性可改善化妆品与皮肤的接触，具有柔软化的效果，是一种良好的化妆品基质，用于护发化妆品可使头发有光泽。现已有魔芋美容霜、魔芋护发素、魔芋洗发精等问世[15]。2.2魔芋葡甘聚糖的凝胶特性及其应用KGM的高分子量赋予其独特的凝胶特性。有研究[2]表明，KGM溶液的浓度在2%～4%时，在强烈搅拌下剪切变稀，具有一定的流动性；将该溶液静置一段时间后，流动性又会变小，并形成凝胶。此过程是可逆的。然而，如果有胶凝剂如KOH、NaOH、K2CO3、Na2CO3或Na3PO4存在时，则会使KGM发生化学反应，脱去乙酰基而形成凝胶，这种凝胶在水中不再溶解，也是热不可逆的，其弹性随温度的升高而增大，随温度的降低而减小[16]。KGM与四价硼离子能形成一种呈凝胶状的络合物，可用于制造人工水晶体。所制得的人工水晶体含水分95～99.5％，具有良好的透光性、弹性、强度和生物相容性，因而可用于制作隐形眼镜和医疗光学制品[17]。3葡甘聚糖的化学性质及其应用KGM具有聚多糖高分子化合物的普遍性质。除了通常的降解反应外，其分子链上大量羟基的存在使其易于发生化学反应，如酯化、接枝、交联、甲基化、羧甲基化、氧化等。33.1葡甘聚糖的降解对KGM降解反应的研究始于二十世纪六、七十年代。研究者们以酸[18,19]或β-甘露糖酶[20,21]作为催化剂，通过对KGM进行不同程度的降解，结合其它分析方法来确定其结构和组成。最终所得到的KGM的结构式如图1所示。聚多糖类物质的降解都是由连接糖单元的糖苷键的断裂造成的。研究发现，无论是在酸降解还是酶促降解过程中，连接不同糖单元的糖苷键的断裂速率是不同的，这造成了KGM降解过程中的某些特殊的现象。国内对酶催化KGM的降解也多有研究[22]。本文作者曾对KGM的酶催化可控降解进行详尽的研究[23-25]，使通过改变反应条件来得到不同分子量的可溶性KGM成为可能，并在此基础上提出了KGM水溶液体系的表观粘度与重均分子量之间的关系，为相关的进一步研究奠定了良好的基础。3.2葡甘聚糖的酯化KGM分子链上大量存在的羟基使之可被视为一种多元醇而能与各种无机酸或脂肪酸发生酯化反应。关于KGM的酯化改性的相关报导较多。改性的目的在于改善和扩展以KGM为基质的材料的性能,从而拓宽KGM的应用范围。如用马来酸酐[26,27]、没食子酸[28,29]、磷酸氢二钠-磷酸二氢钠[29,30]和三聚磷酸钠[27,29,30]为酰基供体时，所得KGM衍生物水溶液的粘度、稳定性、成膜性以及抗菌性较未改性的KGM都有了很大的改善。其中马来酸酐和磷酸氢二钠-磷酸二氢钠作为酰基供体效果更好，应用更为广泛。KGM的磷酸酯还具有絮凝作用，国内有其对高岭土悬浊液絮凝作用的相关报导[31,32]。用长链脂肪酸如棕榈酸、月桂酸、辛酸和油酸作为酰基供体，可得到相应的KGM脂肪酸酯衍生物。这类衍生物可望用做可生物降解的高分子表面活性剂。已有实验证明，在水包油乳液体系中，取代度在一定范围内的葡甘聚糖长链脂肪酸酯显示出较好的乳化能力，即使在高盐浓度和酸性情况下，仍然具有好的乳化效果[33,34]。国内有学者对酯酰葡甘聚糖醛酸钠的制备进行了探讨，并申请了相关的专利[35,36]。本文作者对利用生物催化剂酶来实现KGM的酯化进行了研究[37]，初步的结果表明这一环境友好的合成方法是可行的，并初步筛选出了适用于催化这一反应的酶。同一般的化学反应相比，酶催化酯化反应具有转化率高、副反应少、产物易提纯、对环境污染小等优点，是聚合物合成和改性的主要发展趋势。3.3葡甘聚糖的接枝和交联以硝酸铈铵为引发剂，KGM能够在50％乙醇中与丙烯酸丁酯发生接枝共聚反应，所得产物的粘度和对柑桔的涂膜保鲜效果较未改性前有显著的提高[38,39]。对KGM进行交联改性，同样可以改善其成膜性能。如在50～60℃水溶液中，边搅拌边滴加三氯氧磷（POCl3），所得交联产物的粘度、稳定性、成膜性都较改性前有所提高，制成的膜均匀、光泽好、强度高，并具有一定的抗菌能力[40]。此外，应用适当的交联剂和反应条件，可以制得高交联度的KGM凝胶，这种凝胶具有明显的分子筛作用，可以把小分子物质和大分子物质分离开，其衍生物DEAE-KGM作为离子交换层析介质，对多种蛋白质有较高的吸附容量，对不同的蛋白质有一定的分离能力，且具有耐酸、碱和有机溶剂性能以及优良的通透性[41]。3.4葡甘聚糖的甲基和羧甲基化通过化学改性可以提高KGM水溶液的粘度、稳定性和抗菌性，但其衍生物水溶液的透明性都较差。欲得到水溶液透明度较好的衍生物，可对KGM进行适当的甲基或羧甲基化。用硫酸二甲酯处理，取代度在0.3~1.4之间时，所得到的甲基化KGM溶于水，溶液均匀、粘度高并且是透明的。当取代度为0.45时，甲基化KGM的溶剂化作用最强，溶液的稳定性最4好，其粘度在30℃下可保持4天而不改变[42]，这一改进对于进一步拓展KGM应用是非常重要的，例如用其制备的透明保鲜膜将更受消费者欢迎。能够达到同样效果的还有其它一些方法，例如在乙醇溶液中，KGM与氯乙酸和氢氧化钠反应所得到的羧甲基葡甘聚糖水溶液同样具有高透明度。当KGM:氯乙酸:氢氧化钠＝1:1.2:1.5时效果最好[43]。另外，先将KGM悬浮在二甲基甲酰胺中24小时，再悬浮于60％氢氧化钠溶液中30分钟后，将沉淀物过滤、压榨，随后置于氯乙酸－异丙醇中于50℃下搅拌反应3小时后也可以得到羧甲基化葡甘聚糖。将羧甲基葡甘聚糖用于果蔬涂膜保鲜已取得了良好的效果[44]。相对来说，甲基化KGM的成本比较低，因而更具有市场前景。3.5葡甘聚糖的氧化选择适当的氧化反应体系，将KGM进行两步氧化，可以制得KGM的双羧基衍生物DC-GM。对DC-GM的结构和性能的研究表明，它具有很好的水溶性，能在纤维素酶和葡萄糖苷酶的生物催化作用下发生降解，并且降解速率是羧基含量的函数。更令研究者感兴趣的是，DC-GM的体外试验已证实它比其它的聚多糖衍生物具有更强的免疫激励作用[45]。4.葡甘聚糖的药物学特性4.1抗肿瘤作用葡甘聚糖有明显的抗肿瘤作用。日本、美国、英国和法国的预防医学科学工作者在这一方面进行了卓有成效的研究工作。研究发现，KGM有抑制小鼠自发性肝肿瘤[46]和大鼠二甲肼诱发结肠癌[47]的作用。国内相关的研究也表明，KGM可以预防甲基硝基亚硝基胍（MNNG）诱发的肺癌[48,49]以及抑制大鼠二甲肼诱发的肠癌[50]。4.2减肥作用葡甘聚糖不为人体的消化酶所分解，只能在大肠内被某种细菌分解为葡萄糖和甘露糖，但这时已基本上不为人体所利用，因此是一种不含热量的食品。此外，KGM具有良好的吸水膨胀性，服用之后人有饱胀感而不再思食，降低胃排空速度；可减缓、阻止胆固醇、糖分等营养物质的吸收；具有润肠通便的作用，使人的排泄量增加，有利于减肥，故KGM是一种很有应用前景的、安全的减肥药物[51]。4.3降脂作用作为一种可溶性膳食纤维，KGM能够与肠内胆汁酸结合，增加胆汁酸排泄，使体内胆汁酸合成增加，不仅降低血液中胆固醇水平，也降低甘油三酯水平。而且在血脂达到正常水平时，继续服用KGM不会使血脂水平持续下降。因此，KGM具有调节脂质代谢，预防高血脂的作用。动物试验表明，在同样喂以高胆固醇含量食品的小鼠中，同时喂以KGM的一组小鼠的血脂含量明显低于没有摄入KGM的小鼠[52-54]。4.4降血糖作用及其它作用KGM还有降血糖的作用。尽管迄今为止，人们还没有