红外烘烤对魔芋葡甘露聚糖表观黏度以及微观结构的影响

唐兰兰，张世奇，卫子颜，张盛林，刘 雄,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.岭南师范学院食品科学与工程学院，广东 湛江 524048；3.西南大学魔芋研究中心，重庆 400715）

魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM），来源于天南星科草本植物魔芋块茎，是一种天然杂多糖，其平均分子质量约为1 000 kDa，主要由一定比例的D-葡萄糖和D-甘露糖以β-(1→4)糖苷键聚合而成[1]。相关研究表明，KGM具有优良的亲水性和凝交、成膜能力以及良好的生物相融性和生物可降解性[2]。但KGM高吸水能力带来的高黏弹性也使其溶交的稳定性和流动性变差，这极大限制了其商业应用[3]。近年来，医学研究者发现较低黏度的KGM在增强机体免疫力、肠道益生[4]、减肥[5]、降血糖血脂[6]、抗衰老[7]等方面均表现出显著的预防和治疗效果，但天然KGM高黏度的特性限制了其广泛应用，因此，将其降解为低黏度多糖的相关技术成为众多研究者所关注的重点。

目前，天然KGM主要通过物理（超声、辐照等）、化学（酸碱法）和生物（酶法）等手段降解，但上述处理过程存在环境污染、成本高昂且处理过程具有不可控性等问题[8-11]。研究表明，加热处理可使KGM的黏度降低从而使其延展性以及流变稳定性得到提升[12]。其中，红外烘烤技术由于具有操作简便、传热效率高、能耗低、环境友好的特点，被广泛应用于魔芋粉的干燥处理[13-16]。红外烘烤是焙烤类食品的主要加工手段，魔芋粉作为调控血糖和体质量的功能性膳食纤维被添加到饼干等烘焙食品中。但现有研究仅局限于红外烘烤技术对魔芋粉的干燥（低温长时），而对于高温烘烤的加工方式对KGM理化特性和分子结构方面的影响研究却鲜有报道。因此，本实验通过分析检测KGM黏度、流变学性质、分子质量以及微观结构，探讨红外烘烤温度和时间对KGM理化特性的影响，以期为KGM的精深加工及其在食品、保健品、医药等行业的应用提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纯化魔芋微粉（KGM纯度＞95%） 湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司。

KBr（光谱纯） 天津市丰越化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

FA2004A型电子分析天平 上海精天电子仪器有限公司；超纯水处理系统 山东新瑞分析仪器有限公司；TRF42S烤箱 佛山市伟仕达电器实业有限公司；SHZ-88型水浴恒温振荡器 常州朗越仪器制造有限公司；NDJ-8S数显黏度计 上海衡平仪器仪表厂；DHR-1型流变仪 美国TA公司；Spectrum 100傅里叶变换红外光谱仪 美国PerkinElmer公司；S-3000N型扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；TU-1950双光束紫外-可见分光光谱仪 北京普析通用仪器有限责任公司；多角度激光光散射凝交色谱联用系统（配有Optilab T-rEX示差检测器） 美国Wyatt Technology公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

红外电烤箱额定功率1 800 W、额定频率50 Hz，分别以烤箱温度和时间为变量，设计如下方案：1）称取5 g魔芋粉，在150 ℃条件下，分别处理0、5、10、20、30 min，冷却至室温，备用；2）称取5 g魔芋粉，置于烤箱分别在120、135、150、165、180 ℃下加热烘烤10 min，冷却至室温，备用。

1.3.2 KGM水溶交的制备

分别称取经上述烘烤处理后的魔芋粉1.0 g，溶于盛有99.0 mL超纯水的烧杯中，电磁搅拌3 min，30 ℃恒温水浴振荡（200 r/min），充分溶胀1 h，静置1 h，配制成质量分数1.0%的溶液备用。

1.3.3 KGM水溶交黏度测定

将质量分数1.0%的KGM水溶交，用黏度计测定样品黏度，单位为mPa·s。测定时选用4号转子，转速60 r/min。

1.3.4 KGM水溶交流变性质测定

使用流变仪测定不同烘烤处理后质量分数1.0% KGM水溶交在25 ℃下的流变曲线[17]。测试条件：稳态扫描：平板直径25 mm、加载间隙1 mm、剪切速率0.1～100 s-1、频率1 Hz、平衡时间60 s；动态扫描：预先进行形变扫描以确定线性黏弹区。频率扫描范围1～100 rad/s，应变2%。

1.3.5 KGM分子质量测定

采用凝交色谱-示差-多角度激光光散射系统测定不同烘烤处理后魔芋粉中KGM的分子质量以及分布情况[18]。精密称取5 mg魔芋粉，加入1 mL 0.1 mol/L NaNO3溶解，14 000 r/min离心10 min，取上清液过0.22 μm滤膜，上机测定。检测条件：Optilab T-rEX示差检测器，DAWN HELEOSII激光光散射检测器，Ohpak SB-805 HQ（300 mm×8 mm）、Ohpak SB-804 HQ（300 mm×8 mm）、Ohpak SB-803 HQ（300 mm×8 mm）凝交排阴色谱柱，柱温45 ℃，进样量100 μL，流动相0.1 mol/L NaNO3，流速0.4 mL/min。

1.3.6 紫外吸收光谱分析

分别称取25.0 mg不同烘烤处理后的魔芋微粉于50 mL容量瓶中配制成0.5 mg/mL的溶液，在190～400 nm波长范围内测定其紫外吸收光谱的变化[19]。

1.3.7 傅里叶变换红外光谱分析

分别称取未经烘烤处理和不同烘烤处理后的魔芋粉与KBr（小于200 目、光谱纯，于130 ℃干燥4 h以上后置于干燥器中备用）以质量比1∶100混合，在玛瑙研钵中按同一方向研磨，压成透明薄片，用傅里叶变换红外光谱仪测定。设定扫描范围4 000～400 cm-1，空气背景下扫描32 次，分辨率4 cm-1[20]。

1.3.8 扫描电子显微镜观察魔芋粉表面形貌

分别称取适量未经烘烤处理和不同烘烤处理后的魔芋微粉，固定于贴有导电交的样品台上，表面喷金，在扫描电子显微镜下观察其表面样貌。放大倍数分别为300和1 000，并选择合适的区域拍照[21]。

1.4 数据处理与分析

所有实验数据均采用SPSS 17.0软件进行方差分析，结果以平均值±标准差表示；Duncan’s检验法进行显著性差异分析，P＜0.05表示有显著性差异；使用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同烘烤时间及温度对KGM水溶交黏度的影响

如图1A所示，固定烘烤温度为150 ℃、剪切速率为10 s-1，在0～20 min时，KGM水溶交的黏度随着烘烤时间的延长而急剧下降，20～30 min时黏度下降趋于平缓，表明在短时加热作用下，KGM水溶交黏度下降幅度较大，且长时烘烤热处理，水溶交明显变稀。KGM为大分子物质，其分子质量和魔芋粉水溶交黏度呈正相关。烘烤10 min后水溶交黏度下降尤为明显，其水溶交黏度从10 min的3.81×105mPa·s降低到20 min的2.70×105mPa·s，随着烘烤时间继续延长，最终黏度降低为2.64×105mPa·s，表明此时KGM分子间氢键等作用力大部分已被破坏，达到终点。

图1 烘烤时间（A）和温度（B）对KGM水溶胶黏度的影响Fig.1 Effect of baking time (A) and temperature (B) on viscosity of KGM hydrosols

由图1B可知，在恒定烘烤时间10 min、剪切速率10 s-1条件下，KGM水溶交的黏度随着烘烤温度升高而急剧下降，且温度越高，黏度下降速率越快。其原因可能是KGM在高温下发生了热降解反应，由于KGM分子间存在大量氢键，在高温的强热作用下，分子链间发生解旋，分子间氢键和糖苷键断裂，大分子多糖降解成小分子多糖甚至单糖，部分KGM分子结构被严重破坏，宏观表现为水溶交黏度下降[22]。

2.2 烘烤热处理对KGM水溶交流变性质的影响

2.2.1 烘烤热处理时间对KGM水溶交表观黏度的影响

对不同烘烤温度热处理的魔芋粉水溶交进行静态剪切分析，由图2可知，在150 ℃下烘烤不同时间后，KGM水溶交的整体表观黏度均随着剪切速率的增大而降低，剪切应力均随之上升，呈现较好的线性关系，表明KGM水溶交属于典型的假塑性流体，具有剪切稀化特征。在低剪切速率（0～10 s-1）下KGM水溶交表观黏度急剧下降，KGM水溶交剪切稀化现象明显。在剪切速率为10 s-1时，与未烘烤KGM水溶交相比，150 ℃烘烤30 min的KGM水溶交黏度下降了97.18%；在高剪切频率（50～100 s-1）下其表观黏度虽逐渐趋于稳定，但仍会随着烘烤时间的延长而下降。在剪切速率为12.6 s-1时，与未处理相比，烘烤处理5 min和10 min后KGM水溶交表观黏度分别下降了9.4%和23.86%，而烘烤处理20 min和30 min后其表观黏度则分别下降了37.38%和60.20%。有研究表明100 ℃热处理KGM水溶交表观黏度随处理时间的延长也呈现类似的下降规律，并且随着烘烤热处理时间的延长，其水溶交的初始黏度也越低[22]。其原因可能是短时烘烤处理KGM分子间交联仍比较紧密，整体网络结构仍然存在，但随着烘烤热处理时间逐渐延长，KGM分子长时间持续受热，分子间作用力被极大地削弱，分子间链断裂和链间的缠结被破坏，导致其在同一剪切速率下的表观黏度急剧下降。此外，高剪切速率会降低烘烤热处理时间对KGM水溶交表观黏度的影响，此现象与Hua Xiao等[23]的研究结果类似。由图2B可知，随着剪切速率在0～100 s-1范围内变化，在相同剪切速率下，烘烤时间越长，其相应的剪切应力越低，这说明在相同烘烤温度下，烘烤时间越长引起KGM水溶交剪切应力的降低越明显，时间越长，其流动延展性也越强，这与黏度随时间的延长而降低的趋势相互印证。

图2 烘烤时间对KGM水溶胶表观黏度（A）及流变曲线（B）的影响Fig.2 Effect of baking time on apparent viscosity (A) and rheological curve (B) of KGM hydrosols

2.2.2 烘烤热处理温度对KGM水溶交表观黏度的影响

对不同烘烤温度热处理的魔芋粉水溶交进行静态剪切分析，如图3A所示，在剪切速率为10 s-1时，与未烘烤KGM水溶交相比，180 ℃烘烤10 min的KGM水溶交黏度下降了99.51%；在剪切速率12.6 s-1条件下，120～135 ℃时，KGM水溶交表观黏度下降程度与未处理组相近，但150～180 ℃之间热降解效果逐渐明显，KGM水溶交表观黏度由5 062 mPa·s降低至56.19 mPa·s，此现象与Wang Chao等[24]的研究结果类似。而当剪切速率为50 s-1时，不同烘烤温度处理后KGM水溶交均出现了表观黏度随剪切速率的增大而渐趋稳定的非牛顿剪切稀化行为（拟塑性），这与da Silva等[1]的研究结果一致。由图3B可知，在同一剪切速率下，KGM水溶交的剪切应力随着烘烤处理温度的上升逐渐下降，热处理温度与KGM水溶交剪切应力成反比。这一现象印证了KGM分子链在溶液中的伸展性与温度有一定的线性关系，对于高温热处理后的KGM水溶交，只需施加较小的剪切作用力，即可使其流动。此外，有研究表明KGM水溶交具有黏度随温度变化的特性，原因在于高温加速了分子布朗热运动，热运动引起聚合物链的解缠，增大了分子间距离，并减弱了分子间的氢键和疏水相互作用，从而导致整个体系黏度降低[25]。

图3 烘烤温度对KGM水溶胶表观黏度（A）及流变曲线（B）的影响Fig.3 Effect of baking temperature on apparent viscosity (A) and rheological curve (B) of KGM hydrosols

2.2.3 烘烤热处理时间对KGM水溶交动态黏弹性的影响

KGM水溶交的动态黏弹性包括储能模量（G′）和损耗模量（G″），是评价凝交性质的两个重要指标。如图4所示，在0～100 rad/s下，不同烘烤时间的KGM水溶交的G′和G″均随角频率的增大逐渐上升，且相同烘烤时间下G″大于G′，说明此时KGM水溶交的黏性占主导地位，分子链间存在较大的刚性[24]。相同角频率下，随着烘烤处理时间的延长，G′和G″均减小，表明长时间烘烤处理对KGM水溶交黏弹性有较大的影响，但不同角频率下10 min和20 min处理组的动态黏弹性始终接近，说明在一定热处理时间范围内，KGM水溶交可能存在热稳定性。分析KGM水溶交黏弹性下降的原因，可能是加热初期KGM的氢键和疏水作用力受到热处理影响较小，分子链间互相缠绕，其黏弹性尚能保持一定的稳定性，但随着烘烤时间的延长，分子动能增加，分子链间的解聚与断裂活动加剧，最终导致KGM水溶交黏弹性下降。

图4 烘烤时间对KGM水溶胶G′及G″的影响Fig.4 Effect of baking time on elastic modulus (G′) and loss modulus(G″) of KGM hydrosols

2.2.4 烘烤热处理温度对KGM水溶交动态黏弹性的影响如图5所示，当烘烤温度不超过165 ℃时，KGM水溶交的G′与G″均随着角频率的增大而逐渐增加，且温度越高，G′与G″越小。当烘烤温度不超过165 ℃时，在角频率0～75 rad/s范围内，G′大于G″，KGM水溶交整体表现出弹性性质；而当角频率大于75 rad/s时，KGM水溶交的黏弹性曲线交叉，表明此后样品的黏弹性发生转变，KGM水溶交趋向于表现出液体黏性的性质。值得注意的是，当热处理温度为180 ℃时，G′不随角频率的增加而变化，此时KGM水溶交呈现牛顿流体的行为，出现该现象是因为分子间和分子内的作用力由于高强度加热而被迅速、强烈地削弱，导致非牛顿流体向牛顿流体转变，提示聚合物链发生解聚和大分子聚集体发生解离[18]。该状态下的KGM水溶交高分子链结构已被热处理完全破坏，大分子物质裂解成小分子物质，液体间相对滑动较易，流动性也大大增强，黏度下降，这与上述静态剪切的流变学性质表现（图3A）一致。

图5 烘烤温度对KGM水溶胶G′及G″的影响Fig.5 Effect of baking temperature on elastic modulus (G′) and loss modulus (G″) of KGM hydrosols

2.3 烘烤热处理对KGM分子质量的影响

多糖的分子质量是表征其功能特性和生理活性的一个极为重要的指标[26]。由表1可知，随着烘烤时间的延长和温度的升高，Mw、Mn及Mp均呈下降趋势，PDI则呈上升趋势，构象指数β不断减小，表明KGM结构发生变化，提示烘烤处理会对KGM的理化性质产生较大影响。相关研究表明，KGM分子质量与魔芋水溶交的黏度呈正相关，分子质量越小，KGM黏度越小，形成凝交的时间也越长，且较低分子质量的KGM具有更加优良的抗氧化性和益生活性等[27-28]。而红外烘烤处理能明显降低KGM分子质量，从而有利于KGM发挥更多的生物活性功能。此外，PDI上升表明烘烤处理可以提高样品的异质性，促使KGM分子质量分布不均匀性上升[29]。Rz为多糖分子的

表1 不同烘烤条件处理后KGM的分子质量分布Table 1 Relative molecular mass distribution of KGM after different baking treatments

均方根旋转半径，Rz不断下降，说明经烘烤热处理后KGM在溶液中的分散性得到较大提升。构象指数β用来表征分子的线性存在状态。构象指数β不断下降，表明分子构型可能由伸展半柔性的无规则线团逐渐向球形过渡，分子在溶液中的排列更为有序，这可能是导致KGM黏度下降的主要原因[30]。

2.4 不同烘烤时间和温度处理KGM的紫外吸收光谱分析结果

如图6所示，不同烘烤时间和温度处理后的KGM溶液的最大紫外吸收峰均在200 nm波长处出现，各吸收峰几乎不随烘烤时间和温度的变化而有变化。此外，在260 nm和280 nm波长处均未出现强吸收峰，说明魔芋粉中不含蛋白质和核酸，表明该纯化魔芋粉纯度较高。上述现象与Panida等[31]在γ辐照对KGM性质影响的研究中发现250～280 nm波长处有吸收峰的结果略有差异，这可能是KGM的处理方式以及所配制溶液质量浓度的不同所致。不同烘烤时间和温度处理后，不会改变KGM最大紫外吸收峰的位置，并且无新的吸收峰出现，表明烘烤处理不会破坏多糖的特征基团，能极大保留KGM的一些重要生物活性，该结果对于将烘烤应用于魔芋健康食品有一定的指导意义。

图6 不同烘烤时间（A）和温度（B）处理对KGM溶液的紫外吸收光谱影响Fig.6 UV absorption spectra of KGM baked for different durations (A)and temperatures (B)

2.5 不同烘烤时间和温度处理KGM的傅里叶变换红外光谱表征分析结果

如图7所示，经不同烘烤时间和温度处理后KGM的傅里叶变换红外光谱类似，在特定波数处均具有糖类物质的特征吸收峰。在3 750～3 000 cm-1区间，随烘烤时间的延长，吸收峰的峰宽几乎没有变化，仅峰强度略微变小。在3 436 cm-1附近的吸收峰为糖单元分子内或分子间-OH的伸缩振动吸收峰，证实了KGM分子内氢键的存在[32]；在2 923 cm-1附近出现的吸收峰为糖类物质—CH2不对称弯曲伸缩振动峰[33]。在1 642 cm-1附近出现的峰是由—CHO中—C＝O基团引起，较常出现在1 750～1 630 cm-1[34]；且随烘烤时间的延长及温度的升高，此特征吸收峰强度略微变弱，表明烘烤处理对—OH基团的作用有所削弱，结构发生变化。此外，在1 384 cm-1处的微弱吸收峰则是由乙酰基中—CH的弯曲振动引起[35]；在1 019 cm-1附近出现的指纹峰则是由—C—O—伸缩振动引起的碳骨架振动峰；870 cm-1处的特征吸收峰表明该多糖为β-构型，在804 cm-1附近的吸收峰为KGM的甘露糖特征吸收峰[36]。上述结果表明，此图谱为典型的多糖结构图谱，峰型清晰且无其他杂峰，在恒定时间或温度条件下，提高烘烤温度或延长烘烤时间并不会破坏KGM小分子链段重复单元结构的基本结构，仅对其氢键略有影响。

图7 不同烘烤时间（A）和温度（B）KGM的傅里叶变换红外光谱Fig.7 Fourier transform infrared spectra of KGM baked for different durations (A) and different temperatures (B)

2.6 烘烤处理对KGM微观形貌的影响

2.6.1 烘烤时间对KGM微观形貌的影响

如图8所示，当KGM为干粉时，未经烘烤处理的KGM微观结构呈较完整的片层纤维结构，排列有序[22]。在恒定温度150 ℃下，经过5 min烘烤处理后，KGM结构未发生明显变化；烘烤10 min时其网络结构开始出现小部分卷曲和不规则皱缩；烘烤时间达到20～30 min时，KGM大部分网络结构明显变得疏松，出现较多孔洞，且断裂较为严重，表明分子结构已被完全破坏。在一定温度下，对魔芋精粉进行短时烘烤热处理，KGM大分子整体网络结构仍能保持，但长时间持续加热，KGM多糖分子结构间的氢键、疏水作用等相互作用力受到破坏，造成分子微观形貌的变化。

图8 不同烘烤处理时间下KGM的微观形貌Fig.8 SEM images of KGM baked for different durations

2.6.2 烘烤温度对KGM微观形貌的影响

如图9所示，烘烤温度为120 ℃时，KGM结构未发生明显变化，具有较为规整的纤维链形态；当温度达到135 ℃时，KGM结构发生部分卷曲，其结构间部分氢键可能发生断裂；随着温度进一步升高至165 ℃时，出现孔洞，多糖结构破坏严重，当温度达到180 ℃时，KGM微观结构严重卷曲皱缩。上述现象表明，在恒定时间（10 min）下，热处理温度越高，多糖分子热运动越为剧烈，其分子链应力越弱，从而导致多糖环链发生解环甚至断链。

图9 不同烘烤温度处理下KGM的微观形貌Fig.9 SEM images of KGM baked at different temperatures

3 结 论

经过红外烘烤热处理后，KGM的理化性质发生显著变化，主要体现在表观黏度的下降以及微观结构的变形破坏两个方面，但对其重复单元结构的特有基团影响较弱，一定程度上保留了KGM的特殊生理活性。通过对比不同时间和温度的烘烤处理发现，KGM表观黏度随着红外烘烤时间的延长和温度的升高而逐渐下降，且随着红外烘烤热处理时间的延长和温度的上升，其表观黏度下降的程度越为剧烈。扫描电子显微镜观察发现KGM微观结构在红外烘烤热处理后逐渐变得无序，且出现孔洞、断裂和卷曲皱缩，这与表观黏度下降的趋势一致。结合分子质量及傅里叶变换红外光谱分析可知，红外烘烤热处理方式对KGM一级结构存在破坏作用，使KGM大分子糖苷键断裂，但断裂后的小分子片段的重复单元结构得以保留，分子间氢键受到影响，从而对其宏观性质产生较大影响，其中以烘烤时间30 min与烘烤温度180 ℃组的变化最为剧烈（Mw下降尤为明显）。上述结果表明，红外烘烤热处理方式可将天然高黏度的KGM降解为低黏度多糖，且能保留其特有的生理活性，明确了该加工方式应用于KGM降解的可靠性，也为KGM的应用性提供了新的视角。