3种魔芋葡甘聚糖理化特性的比较研究

郭  晟  李  磊  周  浩  林元山  吴永尧

（湖南农业大学生物科学技术学院  湖南长沙  410128）

摘  要：试验研究了白魔芋、花魔芋、珠芽魔芋中葡甘聚糖的含量、溶液稳定性、精粉黏度、溶胀度及单糖组成成分比例的差异。结果表明，葡甘聚糖黏度的大小顺序是：花魔芋>珠芽魔芋>白魔芋；葡甘聚糖含量的大小顺序是：花魔芋>白魔芋>珠芽魔芋；葡甘聚糖水解单糖比大小顺序是：花魔芋>珠芽魔芋>白魔芋。

关键词：魔芋；葡甘聚糖；含量；黏度；溶胀度；单糖

中图分类号：TQ317    文献标识码：A    文章编号：1006-060X（2012）09-0095-04

魔芋以其高产出、高利润的优势成为我国中西部山区的重要经济作物，而且在我国南方各省已逐渐发展为一项相对独立的新兴产业，发挥了很好的扶贫致富和富民强省的作用。

魔芋加工得到的精粉主要成分为葡甘聚糖（KGM）。魔芋葡甘聚糖是一种天然高分子化合物，具有高吸水性、高膨胀性。它溶于冷水后，会形成一种黏稠的溶胶，可起增稠、乳化和悬浮的作用；若加碱使其pH值小于12.2，则可形成可逆性的凝胶，具有成膜、成型和保鲜的作用；若加碱使其pH值大于12.2并进行加热，则形成一种弹性凝胶，可用于魔芋食品加工。这种特性在其它多糖中是罕见的^[l]。而目前魔芋精粉主要用于简单的食品加工，其深加工还处于研究阶段。越来越多的研究表明，精粉的深加工具有很大的开发潜力和良好的应用前景，其主要成分葡甘聚糖在农业、绿色食品、医疗保健、石油化工、日用化工、环保及建筑材料、生化分离等领域都具有良好的应用和开发的前景^[2-3]。

魔芋的化学成分、对环境条件的适应性、抗（耐）病性等是评价魔芋资源的几个重要指标。由于我国地理环境的特点，主要种植资源以花魔芋偏多，其研究开发也是以花魔芋为主，而白魔芋和珠芽魔芋研究开发较少。不同品种魔芋的葡甘聚糖的含量及品质决定了魔芋的加工价值和商业价值，有研究表明白魔芋和珠芽魔芋的利用和开发价值颇高^[4-6]，因此笔者用白魔芋、花魔芋、珠芽魔芋作为研究对象，对其葡甘聚糖的含量、溶液稳定性、精粉黏度、流体性、溶胀度及分子结构式的差异进行区分比较并拟定一套评价标准，以给工业生产提供参数，方便生产研究，为魔芋资源的综合利用提供科学依据和理论基础。

1  材料和方法

1.1  材料与试剂

1.1.1 供试材料

白魔芋（Amorphophallus albus）、花魔芋（Amorphophallus rivieri）、珠芽魔芋（Anorphophallus bulbirer）采自项目组承担的“双百”工程建设基地栽培大田，随机取样。

1.1.2试剂和仪器

（1）试剂：60％乙醇溶液，1.0％NaHSO₃，溶液，Sevag试剂，乙醚，3,5-二硝基水杨酸，3mol／L H₂SO₄，6mol／L NaOH，0.1mol／L甲酸-氢氧化钠缓冲液，葡萄糖标准溶液，l-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮（PMP），磷酸二氢钾，氢氧化钠，浓硫酸，对照品单糖：D-葡萄糖、D-甘露糖，ZORBAXExtend-C18，乙腈，磷酸盐缓冲液。（2）仪器：离心机；搅拌器；NDJ-8S旋转黏度计；旋转蒸发仪；振荡器；分光光度计；真空冷冻仪；高效液相色谱仪。

1.2  方法

1.2.1  3种不同魔芋葡甘聚糖的溶胀度测定^[7]

分别准确称取魔芋纯化粉样品0.500、0.500g（MO）放入2支离心管中，各自加入水和60％乙醇溶液，25℃下静置10min，然后置于离心机中，于5000r／min速度离心5min，过滤去除溶剂，再称溶胀后的魔芋质量（Mt），求溶胀度（SD）。

SD=Mt／Mo

1.2.2  3种不同魔芋葡甘聚糖的黏度测定

参照国家标准NY／T 494-2010《魔芋粉》中的葡甘聚糖含量的测定方法，称取5.00g待测样品溶于500mL蒸馏水中，在150r／min的直流调速翼型搅拌器中恒温连续搅拌1h后，用NDJ-8S旋转黏度计、4号转子以转速12r／min进行黏度测定。测定完后继续恒温搅拌，每间隔0.5h重复测定一次，直到黏度计读数达到最大值后明显开始下降为止。每次测定时应连续读取3个测定值，并计算平均值，以最大平均值为黏度。

1.2.3  3种不同魔芋葡甘聚糖的纯化比较

取5g魔芋粉置入2000mL去离子水中溶胀24h，过滤，用蒸馏水溶胀，然后用旋转蒸发仪脱水浓缩至原体积的1／2，加入Sevag试剂，振荡数分钟后，用分液漏斗收集上层乳浊液，静置数分钟，得到KGM水溶胶。KGM水溶胶在70％、80％、95％、100％的乙醇中梯度洗脱，搅拌，静置分层后，用布氏漏斗分离沉淀，再用无水乙醚洗涤沉淀3次后置于45℃烘箱干燥，得到魔芋精粉。

参照国家标准NY／T 494-2010《魔芋粉》中的葡甘聚糖含量的测定方法，用浓硫酸将魔芋精粉中的葡甘聚糖完全水解成葡萄糖和甘露糖，与3,5-二硝基水杨酸试剂进行显色反应，在550nm波长下测定，根据葡萄糖标准曲线，按照公式测定3种不同魔芋精粉葡甘聚糖的含量，并计算其产率及纯化率。

1.2.4  3种不同魔芋葡甘聚糖的组成成分比例^[8]

流动相：溶液A，15％（V／V）乙腈＋50mmol／L磷酸盐缓冲液（KH₂PO₄-NaOH，pH=6.9），溶液B，45％（V／V）乙腈＋50mmo1]L磷酸盐缓冲液（KH₂PO₄-NaOH，pH=6.9）；梯度模式：时间梯度为0min→9min→25min，相应浓度梯度为0％B→10％B→25％B；流速：1.0mL／min；检测波长为250nm；进样体积10∶1。

衍生化方法^[9]：将3种不同魔芋精粉水解液进行真空冷冻干燥，配制成浓度为7％的水解溶液，葡萄糖和甘露糖各约0.018g，溶于0.3mol／L氢氧化钠溶液1.0mL中，配制每种单糖的标准溶液（约为0.1mol／L），分别取每种单糖的标准溶液500µL混合，配制混和标准品溶液，取标准品溶液3种不同魔芋精粉水解溶液50µL于EP管中，依次加入PMP溶液（0.5mol／L甲醇溶液）50µL和0.3mol／L氢氧化钠溶液50µL，混匀后置于70℃水浴中加热反应30min。取出室温放置10min，再加入0.3 mol／L盐酸溶液60µL中和至酸性，混匀后用0.5mL三氯甲烷萃取，涡旋3min，5000g离心15min，小心弃去有机层（下层），萃取3次，5000g离心l5min，上清液加水至500混匀，用于HPLC分析。

采用式（1）、式（2）计算标准混合液中两种单糖间的校正因子f_Ma／Glu和3种不同魔芋精粉水解溶液样品中两种单糖的比例。

2  结果与分析

2.1  3种不同魔芋葡甘聚糖在不同溶剂中的溶胀度

高分子溶胀和溶解是一个动态平衡过程^[10]。图l的结果说明，KGM在水中30min之内；溶胀是主要的过程，即SD增加；花魔芋在水中前10min的溶胀度急剧增加，以后随着时间的增加，溶胀度逐渐增加；白魔芋和珠芽魔芋在水中的溶胀度一直都处于平缓增加的状态。

图2的结果说明，白魔芋、花魔芋和珠芽魔芋在乙醇溶液中的溶胀度在5min内均达到最大值，之后随着时间的增加逐渐下降。

在乙醇溶液中，3种魔芋葡甘聚糖有较小程度溶胀，可能是KGM与乙醇溶液形成局部的不稳定性凝胶体，但很快转化为溶解过程（凝胶体中水分子向乙醇溶液传递）。

2.2  3种不同魔芋葡甘聚糖的黏度

从图3中可以得知，3种魔芋精粉在水中1h后的粘度均不同：白魔芋精粉水溶胶起始黏度为5.91 Pa·S，花魔芋水溶胶起始黏度为6.46Pa·S，珠芽魔芋水溶胶起始黏度为6.39Pa·s。

从图3中还可看出，白魔芋精粉水溶胶在2h后，黏度到达最大值6.86Pa·S，之后随着时间的增加缓慢下降；花魔芋精粉水溶胶在3.5h后，黏度到达最大值8.44Pa·S，之后随着时间增加迅速下降；珠芽魔芋精粉水溶胶在2.5h后，黏度到达最大值7.39Pa·S，之后随着时间增加缓慢下降。

2.3  3种不同魔芋葡甘聚糖的纯化比较

以葡萄糖浓度为横坐标（X），吸光度为纵坐标（Y）作回归处理，得到回归方程y=0.503-0.0137，R²=0.9928。见图4。

参照国家标准NY／T 494-2010《魔芋粉》中的葡甘聚糖含量的测定方法及计算公式，测得的纯化后3种不同魔芋精粉中的葡甘聚糖含量分别为：白魔芋葡甘聚糖含量为73.3％，花魔芋葡甘聚糖含量为81.5％，珠芽魔芋葡甘聚糖含量为57.2％。

决定魔芋加工利用价值的主要成分葡甘聚糖的含量存在种间差异。从图5中可以看出，经过分离纯化后的3种魔芋葡甘聚糖均有显著的提高，其中花魔芋最高（81.5％），白魔芋次之，珠芽魔芋最低，说明花魔芋和白魔芋提取液中的纤维素、游离的低聚糖和单糖等杂质较容易除去，从而得到纯度高的魔芋葡甘聚糖。研究结果表明，葡甘聚糖的高低与种性有关，存在种间差异。花魔芋和白魔芋之间的葡甘聚糖含量具有显著性差异（P<0.05），珠芽魔芋和花魔芋、白魔芋之间的葡甘聚糖含量具有极显著性差异（P<0.01）。

2.4  3种不同魔芋葡甘聚糖的组成成分比例

混合标准单糖的KGM衍生物的色谱图见图6。白魔芋、花魔芋、珠芽魔芋KGM水解液衍生物的色谱图见图7、图8、图9。从图6中可见，葡甘聚糖的单糖组成包括甘露糖和葡萄糖。表1、表2、表3分别为白魔芋、花魔芋、珠芽魔芋的葡甘聚糖中单糖的组分及比例，表中数据以色谱图中葡萄糖的峰面积为1进行比例计算，所得葡甘聚糖的单糖组分及比例的平均值分别为1.60、1.88、1.71。

3  结论与讨论

综合3种不同魔芋葡甘聚糖的溶胀度、黏度曲线的指标来看，花魔芋在水或乙醇溶液中的吸胀系数比较大，白魔芋和珠芽魔芋的吸胀系数偏小；在水溶液中花魔芋的溶胀时间最长并且黏度最高，其水溶液的稳定性最佳；而白魔芋和珠芽魔芋分别在溶胀2h和2.5h后即达到最大黏度且马上溶解，水溶液稳定性稍差。其原因可能是在白魔芋和珠芽魔芋制备水凝胶的过程中吸水溶胀已经完成，而且水分子的存在使水凝胶体系的流动性相对于凝胶较大，暴露的葡甘聚糖残基数较多，由于葡甘聚糖的溶胀度和黏度很大程度取决于葡甘聚糖的分子量及相关基团，所以导致体系不稳定。

KGM的增稠、稳定、凝胶等性能及其保健功效可在含乙醇的饮料及其它流体中开发应用。实验结果显示，KGM在乙醇水溶液体系中的流变性能与乙醇浓度存在明显的依赖关系。

经过分离纯化后的3种魔芋中，花魔芋的葡甘聚糖含量和纯度最高，白魔芋次之，珠芽魔芋最低；精粉测定结果，花魔芋和白魔芋的产率较高，珠芽魔芋的产率略低。由此可见，通过一定的分离纯化过程可以把纤维素、盐类、游离的蛋白、低聚糖和还原糖等杂质除去，从而得到高品质的魔芋葡甘聚糖，为工业生产及加工利用带来便捷和高效的产率。从通过酸水解后的单糖比例来看，花魔芋中的单糖比（1.88）最优，珠芽魔芋中的单糖比（1.71）次之，白魔芋中的单糖比（1.60）最低。所以，花魔芋的加工价值和商业用途最佳，在农业、绿色食品、医疗保健、石油化工、日用化工、环保及建筑材料、生化分离等领域都具有良好的应用和开发前景。

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摘自：湖南农业科学2012.09