魔芋葡甘露聚糖的凝胶形成机理研究及其响应性水凝胶的构建

Konjac gluco-mannan (KMG) is a kind of water-soluble dietary fiber made from the tube of Amorphophallus Konjac, while comparing with water-insoluble dietary fiber, it has a relatively better mouth-feel and functionality. Many research results suggested that KGM could decrease the risk of obesity, diabetes, hyperglycemia and hyper-cholesterol diseases. Gelation is a unique property of KGM, after alkali treatment together with heat, KGM can form heat irreversible gel. However, up to now, the mechanism of the gelation of KGM has not been clearly elucidated, which affects the quality improvement of traditional KGM food as well as the development of novel KGM gels. Based on the previous research results of the applicants, the main research contents of the project are determined as followings: the elucidation of the mechanism of heat-set KGM gelation by the atomic force microscopy (AFM) and microrheology at the molecular level, the modification of KGM and the optimization of traditional KGM gelation products basing on the gelation mechanism, the development of intelligent KGM hydrogels and the mechanism of its slow release effects with physical and chemical modification approaches. The results of the projects will help to enrich the gelation mechanism theories of plant polysaccharides, enlarge the application areas of KGM, improve the quality of KGM gel and its products and guide the development of novel functional gels.

魔芋葡甘露聚糖（KGM）是来自魔芋块茎的一种优质水溶性膳食纤维，相较于不溶性膳食纤维有更好的口感和功效。国内外大量研究表明，KGM具有良好保健功能，能够显著患降低肥胖、糖尿病、高脂血症、高胆固醇血症的风险。凝胶性是KGM的独特性质，经碱处理后加热可形成热不可逆弹性凝胶。但是,目前为止,KGM凝胶机理尚不清楚,这影响了传统KGM凝胶食品的品质改善，也阻碍了基于KGM的新型凝胶的开发。立足于申请人的前期研究基础，本课题拟以魔芋葡甘露聚糖为研究对象，采用原子力显微镜观测技术耦合微流变测定等手段在分子水平上研究KGM的热致凝胶机理，基于凝胶机理，对魔芋葡甘露聚糖分子进行定向改性，优化传统魔芋凝胶制品生产工艺；采用物理和化学改性结合的方法，探究刺激响应性魔芋水凝胶的制备及其控释机理。研究结果将可以进一步丰富植物多糖凝胶机理理论，开拓魔芋葡甘露聚糖应用范围，改善其凝胶品质，指导新型功能性凝胶开发。

魔芋葡甘露聚糖（KGM）是来自魔芋块茎的优质水溶性膳食纤维，具有更好的口感和降血脂、调节肠道菌群等功效。本项目拟以魔芋葡甘露聚糖为研究对象，采用原子力显微镜观测技术耦合微流变测定等手段在分子水平上研究KGM的热致凝胶机理，基于凝胶机理，对魔芋葡甘露聚糖分子进行定向改性，优化传统魔芋凝胶制品生产工艺；采用物理和化学改性结合的方法，探究刺激响应性魔芋水凝胶的制备等。针对项目目标，重点进行了KGM凝胶机理的探索和pH响应性凝胶的构建。结果表明，KGM的脱乙酰反应在碱性条件下可以迅速发生，消除乙酰基后的KGM在碱溶液中能够稳定分散，在一定的平衡时间后自发聚集成势能较低的球状胶团，具有所谓的“弱凝胶”特征。KGM的热致碱诱导凝胶反应过程包含上述诱导期和两步胶凝过程：第一步是能量驱使的胶团的不完全解聚集；第二步则是在构型变化的过程中发生，该过程中KGM分子的自组装形成微胶粒，相邻KGM分子的非乙酰化链部分聚集成凝胶胶核区。而流变学意义上真正的KGM碱凝胶只在高温时形成，存在一定的延迟期，因为只有高温下纳米纤维的凝聚过程才能发生，结果是形成大量空间上更为庞大的复合纤维束超分子结构。导致复合纤维束交联的相互作用力主要是疏水相互作用，该水凝胶体系的强度与凝胶转变过程有关，对温度敏感，且高温下迅速响应。经过酶解的KGM，以可作为食品添加剂的三偏磷酸钠（STMP）为交联剂交联魔芋葡甘露聚糖（KGM）作为骨架结构，并引入聚谷氨酸（γ-PGA）构建半互穿聚合物网络结构（semi-IPN）制备pH敏感型水凝胶。项目执行期间共发表文章10篇（均有标注），其中SCI 8篇，EI 1篇，申请发明专利2项，培养博士3名，硕士2名。研究成果已经和企业进行了良好的交流，有望应用到产业中。研究结果将可以进一步丰富植物多糖凝胶机理理论，开拓魔芋葡甘露聚糖应用范围，改善其凝胶品质，指导新型功能性凝胶开发。