侯嘉慧 吕硕 马卓云
摘 要：目的：探究紫外辐照、超声处理及酶处理联用提取魔芋精粉中魔芋葡甘低聚糖的工艺。方法：先进行紫外、超声、酶处理单因素实验，再研究紫外、酶法、超声联用对制备魔芋葡甘低聚糖的影响。结果：制备魔芋葡甘低聚糖最优的处理方法为紫外处理60 min、超声处理90 min、固液比为1.00 g·L-1、酶处理的最佳条件pH值5.0、反应温度45 ℃、纤维素酶的添加量1 000 U·g-1，将魔芋精粉先进行紫外辐照和超声提取，最后用纤维素酶进行处理，可以使魔芋葡甘低聚糖的提取率达到90%。结论：紫外、超声及酶处理联用可以使魔芋精粉中葡甘低聚糖的提取效果大幅提高。
关键词：魔芋低聚糖;酶法降解;紫外辐照;超声处理
Abstract：Objective： To investigate the effect of ultraviolet， ultrasound and enzyme treatment on the extraction of Amorophophallus glucomannan oligosaccharide from Amorophophallus konjac flour. Method： the single factor experiments of UV， ultrasound and enzyme treatment were carried out， and then the effects of UV， enzyme and ultrasound on the preparation of Amorophophallus konjac glucomannan oligosaccharide were studied. Result： the optimum treatment method of Amorophophallus glucomannan oligosaccharide was ultraviolet treatment for 60 min， ultrasonic treatment for 90 min， solid-liquid ratio of 1.00 g·L-1. The optimum conditions of enzyme treatment were as follows： pH 5.0， reaction temperature was 45 ℃， cellulase addition was 1 000 U·g-1， Amorophophallus flour was first extracted by ultraviolet irradiation and ultrasonic extraction. Finally， the extraction rate of Amorophophallus glucomannan oligosaccharide can reach 90% by cellulase treatment. Conclusion： UV， ultrasound and enzyme treatment can greatly improve the extraction effect of glucomannan from Amorophophallus flour.
Key words：Amorophophallus oligosaccharide; Enzymatic degradation; Ultraviolet irradiation; Ultrasonic extraction
中图分类号：Q946.3
魔芋俗称蒟蒻、鬼芋，为多年生单子叶草本植物，天南星科魔芋属，营养价值十分豐富[1]，被联合国卫生组织定为十大保健品之一。魔芋中含有16种氨基酸、10种矿物质微量元素和丰富的膳食纤维，不仅可以用来防治高血压和糖尿病[2]，还可以用来预防和治疗结肠癌和肠胃消化系统有关的疾病[3]。将魔芋块茎经去皮、切片、粉碎和过筛等工序处理后可以得到魔芋精粉。
魔芋精粉的主要活性成分是魔芋葡甘聚糖（简称葡甘聚糖，KGM）是一种高分子多糖[4]，既可以活血化瘀[5]、抗癌消肿，又可以润肠通便、充饥减肥，具有丰富的营养价值[6]，但KGM相对分子质量过大，在溶液中形成的粘度较大，不利于广泛应用[7]。将KGM降解可以得到魔芋低聚糖[8]，它是一种功能性低聚糖，具有很多生理功效。
魔芋葡甘低聚糖的制备方法主要有物理法[9]、化学法[10]、酶解法[11]。超声波穿透性强、方向性好、对一些天然产物的提纯具有很大优势[12]，广泛的应用于工程、生物和医药诊断等方面;紫外线不仅具有消毒杀菌的作用[13]，还可以使一些物质产生分解现象，是一种有效的前处理方法[14];纤维素酶是一种水解常用复合酶，具有高效的催化性和专一性[15]，可以催化葡甘聚糖的降解[16]，但提取时间长、效率低，不利于魔芋低聚糖的规模生产。本实验采用紫外辐照、超声提取和酶降解联用水解魔芋精粉，研究制备魔芋葡甘低聚糖的提取优化工艺。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
（1）材料。魔芋精粉（用于提取魔芋葡甘低聚糖）;纤维素酶10万U·g-1（用于酶解魔芋精粉）;乙酸、乙酸钠（分析纯，无锡市亚泰联合化工有限公司，用于酸解魔芋精粉并提供适宜的pH）;乙醇分析纯（用于纯化魔芋精粉）。
（2）仪器。乌氏粘度计（上海垒固仪器有限公司）;电热恒温水浴锅（北京科伟永兴仪器有限公司）;超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司，用于超声降解魔芋精粉）;电子分析天平（上海方瑞仪器有限公司）;超净台。
1.2 魔芋精粉纯化
称取10.00 g魔芋精粉，用50%的乙醇溶液洗脱3次，然后将处理后的样品放到恒温干燥箱中烘干，得到纯度较高的魔芋精粉，备用。
1.3 魔芋葡甘聚糖降解
1.3.1 紫外辐照处理
紫外辐照可以破坏魔芋精粉的内部结构，以不同辐照时间（30、60、90、120 min和150 min）为变量[17]，处理10 g魔芋精粉，进行3次平行试验，研究不同辐照时间对魔芋葡甘聚糖相对黏度的影响。
1.3.2 超声处理
超声波具有强大的穿透性，良好的机械振动性能和热化性能[18]，有利于产品的纯化和提取。固定超声波功率为100 W，以不同时间（30、60、90、120 min和150 min）、固液比（0.50、0.75、1.00、1.25 g·L-1和1.50 g·L-1）为单因素变进行三次平行实验，研究处理时间对降解效果影响时保持固液比为1.00 g·L-1。
1.3.3 纤维素酶处理
纤维素酶具有高效的催化性，固定固液比为1.00 g·L-1，以温度（30、35、40、45 ℃和50 ℃）、pH为（4.5、5.0、5.5、6.0和6.5）酶量（500、1 000、1 500、2 000 U·g-1和2 500 U·g-1）为单因素变量，三次平行[19]，研究不同处理对魔芋葡甘聚糖相对粘度的影响。
1.3.4 联用降解
在确定紫外辐照、超声提取和酶法处理适宜条件的基础上分别研究紫外超声酶法、紫外酶法超声、超声酶法紫外、超声紫外酶法、酶法超声紫外、酶法紫外超声等不同处理方法对魔芋葡甘聚糖降解效果的影响。
1.4 相对黏度的测定
相对黏度是指溶液黏度与纯溶剂黏度的比值[21]，溶液的黏度是指溶剂分子间的内摩擦、高聚合物分子与溶剂分子间的内摩擦和高聚物分子之间的内摩擦总和，因此相对黏度的值也可以用溶液流过乌氏粘度计的时间与纯溶剂流过乌氏粘度计的时间的比值来表征[20]。溶液和溶剂流过的时间的比值越大，相对黏度就越大，魔芋低聚糖的降解效果就越差[22]。
1.5 联用降解率
用ln（ηsp/c）对c作图，外推得到特性黏度[η]，其中ηsp为增比黏度，c为魔芋葡甘低聚糖溶液的质量浓度，增比黏度ηsp=ηr-1，ηr为相对黏度，根据得到的特性黏度计算联用降解率。
2 结果与分析
2.1 紫外辐照降解
由图1可知，相对黏度值随辐照时间的增加呈先下降后上升的趋势，辐照可以破坏魔芋精粉的内部结构，使魔芋葡甘聚糖降解。辐照时间为60 min时相对黏度的值最小，降解效果最好，当辐照时间超过60 min后，相对黏度的值呈缓慢增大的趋势，降解效果无太大变化，可能是因为辐照时间为60 min时魔芋葡甘聚糖已被降解完全[23]，再增加辐照时间反而不利于魔芋葡甘聚糖的降解，故辐照的最适时间为60 min。
2.2 超声降解
2.2.1 超声时间的影响
由图2可知，整体上看，相对黏度随超声提取时间的增加而逐渐减小，在降解开始阶段相对黏度随超声时间的延长而急剧下降，当处理时间为90 min时，相对黏度的变化趋于缓慢，当处理时间为120 min时，相对黏度基本不变。这可能是因为降解魔芋精粉中的葡甘聚糖含量较大，因此降解效果明显，当到达一定程度后，魔芋葡甘聚糖含量减小，可降解的糖苷键含量减小，因此相对黏度变化开始趋于缓慢。从节省时间和减小生产成本的角度考虑，超声提取的最适时间为90 min。
2.2.2 固液比的影响
由图3可知，随着固液比浓度的增大，相对黏度的值先变小后增大，在固液比为1.00 g·L-1时达到最小。溶液浓度过低，会使分子间的碰撞减少[24]，不利于降解，溶液浓度过高，分子排列紧密，断裂机会少[25]，降解效果差，因此适宜的固液比为1.00 g·L-1。
2.3 纤维素酶降解
2.3.1 酶解温度的影响
由图4可以看出相对黏度随着温度升高呈先下降后上升的趋势，当温度为45 ℃时相对黏度的值最低，因此纖维素酶酶解的最适温度为45 ℃。过高或过低温度均不利于酶解反应的进行，也不利于魔芋精粉的降解，温度过低会使酶的活性降低，温度过高会使酶活性丧失，故酶解的适宜温度为45 ℃。
2.3.2 酶解pH的影响
由图5可以看出pH在4.5时，相对黏度随pH的增大而减小，当pH>5.0时，相对黏度随pH的增大呈缓慢上升的趋势，降解效果不明显，这表明pH过高或过低都会使纤维素酶活性受到不同程度的破坏，酶解能力降低，不利于魔芋精粉的降解[26]。当pH=5.0时，相对黏度的值最小，降解效果最好，故酶解的适宜pH为5.0。
2.3.3 酶量的影响
由图6可知相对黏度的值随着酶量的增加而逐渐减小，在1 000 U·g-1后下降趋势趋于缓慢，表明魔芋精粉的水解逐渐到达到平衡状态，可能是由于魔芋精粉中的葡甘露聚糖基本转化为魔芋葡甘低聚糖[27]，再增加酶量并不会对魔芋精粉的水解产生太大影响[28]，故酶添加适宜量为1 000 U·g-1。
2.4 紫外、超声和酶联用降解
在单种方法制备魔芋低聚糖最佳条件的基础上，研究3种方法的不同处理顺序对降解魔芋精粉的影响，结果见表1。3法联用可以使魔芋低聚糖的黏度下降，比较3法联用相对黏度的大小，得到采用紫外、超声、酶法的处理顺序可以使相对黏度最小，其他的处理顺序都使相对黏度呈现不同程度的下降，说明3法联用的最优顺序依次是紫外、超声和酶解，可以使降解效果更彻底、降解率更高。
3 讨论与结论
研究表明，制备魔芋葡甘低聚糖的最佳方法是先紫外再超声最后酶解，紫外辐照可以降低魔芋葡甘低聚糖的黏度，超声处理可以打破凝胶颗粒网络[29]。通过实验确定了三法联用的最佳条件：10.00 g魔芋精粉用乙醇纯化烘干后紫外辐照60 min，超声提取90 min，再加入1 000 U·g-1的纤维素酶，调节pH为5.0，45 ℃下进行酶解，降解后的相对黏度可达1.08，降解率可达90%。魔芋低聚糖具有广泛的应用前景[30]，可应用于医疗卫生和功能性食品的生产等许多方面，运用现代技术研究和开发魔芋产品对其发展具有重大意义，但对于降解后魔芋低聚糖分子量的测定和反应后的生理功能还需做进一步的深入探究。
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