魔芋葡甘聚糖的功能化改性及應(yīng)用

廖晴雨，張洪斌

(上海交通大學(xué) 流變學(xué)研究所，高分子科學(xué)與工程系，變革性分子前沿研究中心，上海 200240)

魔芋(Amorphophalluskonjac)屬天南星科多年生草本塊莖植物，其塊莖主要成分為魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)以及一定量的淀粉、纖維素和粗脂肪等(表1)[1]。魔芋是中國、日本和東南亞國家許多地區(qū)的食物原料，在我國還被認為有重要藥用價值；而KGM是一種具有重要工業(yè)應(yīng)用價值的食品親水膠體，也被稱為魔芋膠，我國將其批準為食品原料，美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)及歐盟將其批準用作食品添加劑。

表1 魔芋塊莖組分及含量Tab.1 Composition and content of konjac tuber

KGM是由D-葡萄糖殘基(G)和D-甘露糖殘基(M)以β-1，4糖苷鍵連接的一種中性雜多糖(圖1)，其主鏈上葡萄糖殘基和甘露糖殘基的比例為1∶1.6，約每19個糖殘基中含有1個乙?；?，每32個糖殘基中含有3個支鏈[2]。KGM的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于二元無規(guī)共聚物或二嵌段共聚物，分子量可高達百萬，易于水合，其水溶液或水分散液具有高黏度和典型的假塑性流變學(xué)性質(zhì)，堿性加熱條件下能形成熱不可逆彈性凝膠[3]。

圖1 魔芋葡甘聚糖主鏈結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of KGM backbone

增稠性和凝膠性是KGM的兩個重要特性。KGM能吸收約自身體積100倍的水，通過與水分子之間的氫鍵、偶極等相互作用聚集形成超分子，因而具有良好的增稠性能。質(zhì)量分數(shù)1%的KGM水溶液黏度可達30 Pa·s，是已知黏度最高的多糖溶液之一，且黏度隨KGM濃度的增加顯著升高[4]。KGM與淀粉、黃原膠、海藻酸鈉等親水膠體混合具有協(xié)同增稠作用，添加KGM的溶液黏度比單獨使用黃原膠、淀粉的溶液黏度高數(shù)倍[5]。KGM水溶液還具有剪切變稀性質(zhì)，其濃度越高剪切變稀越顯著，當(dāng)質(zhì)量分數(shù)高于7%時，KGM可形成液晶相，此時體系黏度對剪切速率的依賴性降低[6]。KGM是少數(shù)能形成高彈性熱不可逆物理水凝膠的多糖大分子，其分子鏈上含有5%～10%的乙?；摶鶊F是影響KGM凝膠動力學(xué)的重要因素[7-8]。利用堿性條件下的脫乙?；磻?yīng)，KGM很容易形成水凝膠[9]，這在本質(zhì)上也是對天然KGM的改性。

KGM具有多種健康功效，是一種優(yōu)良的膳食纖維。KGM的β-1，4糖苷鍵不能被胃腸道消化酶水解[10]，進入人體后會吸收大量液體、發(fā)生體積膨脹成為黏液，繼而在消化過程中與食物團塊融合，形成難消化層。KGM在體內(nèi)可作為糖和營養(yǎng)素的吸收屏障，具有降低血液膽固醇和血糖水平、調(diào)節(jié)腸道菌群、減輕體重、改善免疫功能等生理活性[11]，可以有效預(yù)防高血壓、冠心病、糖尿病等病癥[12]。此外，KGM以其良好的增稠性、膠凝性、成膜性、持水性以及生物相容性在食品、包裝、涂料、生物醫(yī)藥及化妝品等領(lǐng)域被廣泛用作食品原料、增稠劑、凝膠劑、被膜劑、崩解劑、懸浮劑和保水劑[13-15]。近年來，KGM的應(yīng)用還拓展到了能源領(lǐng)域，被用作鋰離子電池負極黏結(jié)劑[16]。

然而，KGM在水中溶解度低、加工性差，工業(yè)應(yīng)用受到限制，增加水溶性、發(fā)掘新功能是充分利用KGM的重要途徑。KGM分子鏈上含有大量羥基，可作為反應(yīng)位點發(fā)生酯化、醚化、?；?、烷基化等衍生化反應(yīng)，獲得不同性能的衍生物，從而提高其在有機溶劑、極性溶劑尤其是水中的溶解性。隨著物理、化學(xué)改性技術(shù)的發(fā)展，KGM及其衍生物的應(yīng)用研究已經(jīng)從食品和食品添加劑擴展到醫(yī)藥、生物技術(shù)和精細化工等各個領(lǐng)域[17]?；诖?，本文重點綜述KGM的化學(xué)、物理改性及其衍生物的應(yīng)用研究。

1 KGM化學(xué)改性

衍生化改性是改變天然高分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并將這種可再生資源作為增值原材料使用的重要途徑。利用KGM分子鏈上豐富的羥基作為活性位點，進行酯化、酰基化、羧甲基化、磺化、氧化、接枝共聚、交聯(lián)等各類化學(xué)改性，對開發(fā)KGM新功能、提高其應(yīng)用價值具有重要意義。

1.1 酯化及酰基化改性

KGM酯化反應(yīng)利用糖單元環(huán)上的C2、C3、C6位羥基在適宜條件下與酸、酸酐反應(yīng)生成相應(yīng)的酯，其酯化產(chǎn)物可應(yīng)用于制藥、食品、化妝品、化工等行業(yè)[18]。采用乙酸和三氟乙酸酐混合物處理KGM，可得到具有一定取代分布的葡甘聚糖乙酸酯(KGMAc)，其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性隨取代度的不同而不同[19]。與高取代度產(chǎn)物相比，低取代度KGMAc具有較高的拉伸強度和斷裂伸長率，但熱穩(wěn)定性降低，且有高于其他無定形聚合物(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。琥珀酸鹽、聚乳酸與KGM反應(yīng)得到的生物聚酯材料也具有良好的力學(xué)性能[20]。在堿性條件下，KGM和辛烯基琥珀酸酐(OSA)反應(yīng)可得到葡甘聚糖辛烯基琥珀酸酯(KGOS)[21]，其乳液臨界膠束濃度(CMC)隨反應(yīng)程度的增加而降低，乳化能力和穩(wěn)定性隨反應(yīng)程度的增加而增加[22]。KGOS具有良好的親水性和親油性，可作為新型聚合物表面活性劑，擁有比OSA改性淀粉更佳的乳化性和增稠性[23]。此外，KGOS產(chǎn)物不能被胃或上腸消化，但可在下腸和結(jié)腸中被消化，表明其具有結(jié)腸靶向轉(zhuǎn)運潛能，可作為乳化劑和穩(wěn)定劑用于生物活性營養(yǎng)素包封[24]。利用氨基酸對KGM進行酯化改性，可制備水溶性葡甘聚糖L-精氨酸酯和葡甘聚糖L-組氨酸酯，改性后的KGM酯在酸性條件下對金屬溶解具有抑制效應(yīng)，可作為鹽酸溶液中低碳鋼的綠色緩蝕劑[25]。采用苯甲酰氯對硫酸水解的KGM納米晶進行酯化改性，并將其作為增強填料與聚氨酯復(fù)合，發(fā)現(xiàn)酯化改性KGM納米晶的添加可使復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性提高[26]。溫和條件下利用脂肪酶催化異辛烷中的油酸和KGM酯化，可制備兩親性KGM脂肪酸酯，用于表面涂層材料、食品調(diào)味劑和藥物載體[27]。

KGM?；男岳闷浞肿渔溕系牧u基在一定條件下與酰基碳鏈(碳原子數(shù)為2～12)反應(yīng)生成新的?；a(chǎn)物，其亦可看作是一種酯化改性。酰基化改性KGM具有熱塑性，其熱性能和力學(xué)性能可通過?；Y(jié)構(gòu)進行調(diào)控。例如，利用氯乙酰、乙酸酐等在適宜取代度下通過溶液澆鑄法可制備熱塑性、可降解的乙酰基化KGM透明薄膜[28]，乙酰化程度對薄膜的斷裂伸長率和拉伸強度具有重要影響[29]。KGM在混合酸或酸酐體系中發(fā)生酰基化反應(yīng)可制備高熱穩(wěn)定性的?；疜GM混合酯，還可通過溶劑澆鑄法和熱壓法制備無色透明薄膜，所制備混合酯薄膜的拉伸強度和楊氏模量隨酰基碳鏈的增加而降低，斷裂伸長率增加，力學(xué)性能可與常用聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯)相當(dāng)[19]。此外， KGM的高溶脹性使其在用作藥物時在胃腸道中容易吸收水分，引起腹瀉[30]，而KGM乙?；男钥稍谝欢ǔ潭壬蠝p弱其吸水性，拓展KGM在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

早期的塑料和化學(xué)纖維由改性纖維素制成，相較于纖維素酯和淀粉酯，KGM酯從種類到應(yīng)用都處于初始階段，酯化產(chǎn)物的功能還在探索中，但作為生物基塑料和新型乳化劑等，KGM酯已顯示出積極的應(yīng)用前景。酯化改性的反應(yīng)條件較為苛刻，KGM多糖分子鏈在反應(yīng)過程中可能發(fā)生降解，其終產(chǎn)物需要分級分離，KGM特定位點的羥基修飾也存在挑戰(zhàn)。目前僅有少量文獻報道酶催化KGM的特異性酯化，未來需進一步探索有效催化劑在溫和條件下的KGM特異性酯化修飾。KGM酯化產(chǎn)物的性質(zhì)和功能高度依賴酯化度和取代分布，其中，酯化度對產(chǎn)物性質(zhì)影響的研究較多，而不同取代分布對產(chǎn)物性能影響的研究很少，需深入探索。

1.2 羧甲基化改性

羧甲基化改性屬于醚化改性，也是常用的多糖改性方法，在纖維素、淀粉等多糖改性中有成功應(yīng)用。KGM的羧甲基化也利用鏈上含有的大量羥基作為反應(yīng)位點，反應(yīng)中所引入的羧甲基基團主要位于糖環(huán)的C6位[31]。引入羧甲基后可減弱KGM分子間的相互作用，特別是氫鍵作用，大大增加KGM水溶性[32]。羧甲基化所用醚化試劑一般為NaOH，但在強堿作用下，KGM會同時脫乙?；纬赡z。為在羧甲基化的同時保留部分乙酰基，有研究采用乙酸鈉和氯乙酸作為醚化試劑進行KGM羧甲基化改性，得到保留有一半乙?；聂燃谆细示厶?CMKGM)[33]。Kobayashi等通過對KGM羧甲基化得到一系列不同取代度的CMKGM產(chǎn)物，并發(fā)現(xiàn)羧甲基化程度隨醚化劑濃度的增加而增加，產(chǎn)物具有更高的水溶性[34]。KGM的羧甲基化改性通常在水溶液或有機溶液中進行，具有耗時長、產(chǎn)量低、成本較高、污染較大的缺點。相比而言，微波法制備CMKGM有一定優(yōu)勢，該方法先將一定量的KGM與適量的氯乙酸及氫氧化鈉混合，后噴入少量體積分數(shù)為80%的乙醇溶液，充分混勻后(反應(yīng)體系仍為固相)送入微波反應(yīng)器進行反應(yīng)[35]。

作為一種陰離子多糖，CMKGM在溶液中表現(xiàn)出典型的聚電解質(zhì)行為。Li等基于聚合物溶液理論研究了CMKGM的構(gòu)象及其溶液性質(zhì)，系統(tǒng)描述了荷電和靜電屏蔽等情況下溶液的流變行為，并建立了CMKGM鹽溶液和無鹽溶液的流變參數(shù)與多糖濃度、分子量的標(biāo)度關(guān)系以及溶液黏彈性本構(gòu)方程[36]。CMKGM能與多種金屬陽離子(如La3+、Ce4+、Fe3+、Al3+、Ca2+、Zr4+)交聯(lián)，發(fā)生凝膠化，在水中形成穩(wěn)定且不溶的凝膠微球[37]。將正電荷稀土陽離子(如La3+、Ce4+、Zr4+)固定在CMKGM材料上可用于吸附磷酸鹽[38]，具有無毒、環(huán)保的優(yōu)點[39]。采用靜電噴涂和溶膠-凝膠法制備的鑭負載CMKGM微球可用作除磷吸附劑，該吸附劑穩(wěn)定、耐用，在328.15 K、pH值為4的條件下具有優(yōu)異的磷吸附能力(16.06 mg/g)，可用于控制水環(huán)境富營養(yǎng)化[40]。氟離子粒徑小、電負性高，對帶正電荷的多價金屬離子(如La3+、Zr4+、Ca2+、Ce4+、Fe2+、Al3+)具有強親和力[41]，將正電荷陽離子(如La3+、Al3+)固化到CMKGM材料上有助于產(chǎn)生表面荷正電活性位點并吸附氟離子；利用該特性，可借助 CMKGM負載La3+、Al3+制備除氟化物的新型吸附劑[42]。將CMKGM和聚多巴胺復(fù)合還可制備Pb2+吸附劑(CMKGM-PDA)，室溫下CMKGM-PDA對Pb2+的平衡吸附容量和最大吸附容量分別達到42.68和95.24 mg/g[43]。以表氯醇為交聯(lián)劑交聯(lián)CMKGM能夠吸附水溶液中的Cu2+、Pb2+、Cd2+離子[44]。研究發(fā)現(xiàn)，任何金屬離子吸附都能夠在20 min內(nèi)達到平衡并遵循二階動力學(xué)方程，CMKGM可以重復(fù)使用且不會顯著改變其吸附能力和解吸率。

KGM不能被上胃腸道中的消化酶水解，但可以被結(jié)腸微生物菌落產(chǎn)生的β-甘露聚糖酶降解，該性能使KGM成為結(jié)腸靶向給藥的潛在載體。與KGM相比，CMKGM帶負電荷，水溶性和溶脹速率更高，且CMKGM具有取代度依賴性負電荷、與蛋白水解酶相似的抗性及天然KGM的β-甘露聚糖酶敏感性，借助層層組裝、復(fù)合凝聚等技術(shù)制備的CMKGM功能材料在結(jié)腸靶向給藥方面潛力巨大[45]。結(jié)合改性性質(zhì)及生物活性， CMKGM能作為聚陰離子被用于藥物遞送體系構(gòu)建[46]。例如，膽固醇修飾的CMKGM兩親性納米膠束對藥物的最大包封率達39.4%，可穩(wěn)定釋放藥物23 h[47]。此外，可利用改性KGM制備5-氨基水楊酸片劑的包衣材料[48]。將CMKGM與殼聚糖(CS)交聯(lián)并冷凍干燥，能制備出具有較高溶脹率、適當(dāng)水蒸氣透過率、良好生物相容性且能促進組織再生的CMKGM/CS復(fù)合海綿；該復(fù)合海綿能夠有效促進小鼠皮膚傷口愈合，加速成纖維細胞增殖，可作為潛在傷口敷料用于組織再生[49]。將CMKGM和2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖(HACC)復(fù)合能制備出對卵清蛋白具有良好緩釋作用的納米球[50]，其卵清蛋白包封率為71.8%，體外釋放可維持24 h以上。CMKGM與殼聚糖通過靜電作用和氫鍵結(jié)合會形成凝膠珠，其在模擬胃腸液中能夠維持結(jié)構(gòu)，但可以被模擬結(jié)腸液中的β-甘露聚糖酶降解，用于益生菌緩釋[51]。此外，采用凍融法還可制備由多重氫鍵交聯(lián)、具有良好熱穩(wěn)定性的酸性和中性CMKGM水凝膠[52]。

天然多糖在不使用水或其他增塑劑的情況下，通常不能通過常規(guī)熱塑性方法加工成膜。對其進行親水改性，如羧甲基化，可以大幅度提升多糖的水溶性和成膜能力。CMKGM與海藻酸鈉(SA)在鈣離子輔助交聯(lián)的情況下復(fù)合，可形成半互穿網(wǎng)絡(luò)，制得力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性較高的共混膜[53]。將CMKGM與水性聚氨酯混合也可制得力學(xué)性能和熱性能優(yōu)良的膜材料，其拉伸強度和楊氏模量隨CMKGM含量的增加而顯著增加[54]。CMKGM和大豆分離蛋白(SPI)混合制得的薄膜強度和韌性均高于純CMKGM和SPI膜[55]。另有研究表明，質(zhì)量分數(shù)0.9%的CMKGM可使紙張密度、爆裂指數(shù)、拉伸指數(shù)和耐折性顯著提高，改善紙張質(zhì)量[56]。

羧甲基化修飾是目前KGM改性應(yīng)用最廣泛的方法之一，與未修飾的天然KGM相比，CMKGM的水溶性及生物活性得到改善，但羧甲基化修飾影響多糖生物活性的機理尚不清晰，成為今后CMKGM結(jié)構(gòu)與性能的研究方向。此外，醚化過程的傳質(zhì)傳熱、醚化劑利用率等問題也有待深入探索。

1.3 磺化改性

磺化改性是在一定條件下將磺酸基引入分子中的反應(yīng)，多糖磺化通常利用濃硫酸、三氧化硫-吡啶、氯磺酸-甲酰胺等試劑在分子鏈上引入磺酸基。早期的磺化改性多采用濃硫酸法，但該方法反應(yīng)條件嚴苛，反應(yīng)過程大量放熱，需要冰浴環(huán)境。三氧化硫-吡啶法反應(yīng)條件溫和，但試劑毒性大且具有腐蝕性，現(xiàn)已較少采用。目前應(yīng)用較為廣泛的磺化方法為氯磺酸-甲酰胺法，其以甲酰胺為溶劑、氯磺酸為磺化試劑，常溫反應(yīng)3～4 h即可得到磺化產(chǎn)物[57]。

天然KGM磺化改性后生成磺酸酯，并表現(xiàn)出更強的或新的生物活性[58]。研究表明，磺化KGM與蛋白質(zhì)中的氨基存在靜電作用，可以穩(wěn)定結(jié)合氨基酸；當(dāng)其有效質(zhì)量分數(shù)達到50%時具有強抗人類免疫缺陷病毒(HIV)活性，并具有一定的抗凝血性[59]。磺化改性KGM與血漿中的低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白之間存在靜電作用和分子篩效應(yīng)，可以進行選擇性吸附，有望成為新型血液凈化劑[60]。引入聚氨酯鏈段的磺酸化KGM仿肝素聚氨酯水凝膠表現(xiàn)出良好的血液相容性和載藥釋放性能[61]。

天然KGM磺化改性后的水溶性、抗病毒活性、抗凝血活性明顯提高，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用價值，但常用的磺化試劑如氯磺酸等毒性較強，且存在反應(yīng)條件不易控制、工藝要求高等缺點，限制了磺化改性KGM的推廣應(yīng)用。未來隨著修飾方法的完善和新技術(shù)的應(yīng)用，磺化KGM將得到更深入的研究和發(fā)展，其生物活性的潛在作用機制也將被進一步揭示。

1.4 氧化改性

氧化葡甘聚糖(OKGM)通過在KGM中引入羧基和羰基實現(xiàn)[62]。氧化過程中 KGM降解形成低黏度的OKGM分散體，進而提高KGM的穩(wěn)定性、成膜性和透明度。KGM可被IO4-或ClO2-氧化成二羧基KGM，產(chǎn)物具有良好的溶解性和酶解性[63]。氧化后的KGM還可作為免疫刺激劑，提高免疫球蛋白活性[64]。Chen等利用Schiff堿反應(yīng)設(shè)計了含有殼聚糖和氧化葡甘聚糖的可注射自愈合水凝膠，該水凝膠還具有黏合性、抗菌性以及生物相容性，能夠促進傷口愈合，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率分別為96%和98%[65]。在沒有外源刺激時，全厚度皮膚缺損模型在該可注射水凝膠敷料的作用下，4 h內(nèi)可實現(xiàn)愈合，顯著縮短了傷口恢復(fù)時間。

2, 2, 6, 6-四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)是選擇性氧化伯醇和仲醇的催化劑，KGM單元中葡萄糖和甘露糖的C6羥基可被TEMPO選擇性氧化，進而實現(xiàn)對KGM氧化程度的有效控制。TEMPO氧化可增強KGM分子間的電荷斥力，破壞分子間相互作用，降低KGM結(jié)晶度，提高KGM薄膜的溶解性、透明度，并在一定程度上降低薄膜黏度。TEMPO-OKGM能夠用于膠囊殼中，氧化度為80%的OKGM被認為是膠囊制劑的最佳候選物[66]。OKGM與殼聚糖的交聯(lián)聚合物可用來控制釋放雙氯芬酸鈉[67]。OKGM醛基與羧甲基殼聚糖硫酸鹽(CMSS)[68]或接枝了膠原肽(COP)的水溶性殼聚糖膠原肽(CS-COP)衍生物[69]的氨基通過Schiff反應(yīng)也可形成復(fù)合水凝膠。這些水凝膠都具有凝膠時間短、溶脹能力強、水蒸發(fā)速率適宜、血液相容性和生物相容性良好等特點，能夠用作皮膚傷口敷料。

在KGM化學(xué)改性方法中，氧化法是較為簡單和常用的方法之一。采用高碘酸鹽、次氯酸鹽、過氧化氫等試劑可以將KGM分子鏈中的大量羥基氧化為醛基或羧基，改善其分散性、黏合性、透明度和成膜性等性能。然而，氧化法也存在氧化試劑毒性大、利用效率低、成本高等問題，開發(fā)新型低成本、高效綠色的KGM氧化技術(shù)將是未來KGM氧化改性的研究方向。

1.5 接枝共聚改性

接枝共聚是在高分子主鏈的某些原子上連接與其化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的高分子鏈段或功能性側(cè)基，形成性能特殊或具有新功能的接枝共聚物的改性方法。Li等通過在羧甲基化改性的KGM分子鏈上接枝聚乙二醇(CMCK-g-PEG)，將接枝共聚物與α-環(huán)糊精共混自組裝，并將葡萄糖氧化酶(GOX)包埋在溶液中，形成了340～1 200 nm的空心球[70]?？招那虻暮?殼結(jié)構(gòu)大大提升了體系的熱穩(wěn)定性、生物相容性和貯存穩(wěn)定性。Shahbuddin等在KGM半互穿網(wǎng)絡(luò)或接枝網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用UV或UV結(jié)合鈰引發(fā)N-乙烯基吡咯烷酮和聚(乙二醇)二丙烯酸酯聚合，合成了2種用于傷口愈合的KGM水凝膠，2種水凝膠表現(xiàn)出不同的溶脹性質(zhì)，并具有細胞相容性和刺激細胞生長的能力[71]。

Chen等采用溶液聚合法制備出一種新型KGM-丙烯酸高吸水性樹脂，其以過硫酸鉀為自由基引發(fā)劑、以三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TPTA)為交聯(lián)劑，將部分中和的丙烯酸接枝到KGM上，所形成共聚物的溶脹性能在體系pH值為7.4時達到最佳[72]。KGM的多孔結(jié)構(gòu)及含有的大量羥基有助于提高KGM基共聚物的吸水性，為天然多糖超級吸水劑的制備提供了新思路。Luan等通過簡單的兩步合成制備出兩親性脂肪族胺接枝的KGM膠束(KGM-g-AH8、KGM-g-AH12、KGM-g-AH18)，并利用Schiff堿作為“開關(guān)”實現(xiàn)了細胞內(nèi)酸觸發(fā)的姜黃素釋放[73]。上述KGM-g-AH8在水性介質(zhì)中可組裝成球形納米膠束(118.6±0.6 nm)，其在28 d內(nèi)擁有較高的姜黃素負載能力和良好的物理穩(wěn)定性，且表現(xiàn)出釋放可控、溶酶體pH敏感和生物相容性[73]。Tian等采用N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)KGM/丙烯酸單體，制備出一種基于KGM的咖啡因分子印跡聚合物；與非印跡聚合物相比，該分子印跡聚合物對咖啡因的吸附率高達91.3%～99.2%，可用于可樂和茶葉中咖啡因的提取[74]。

Gou等通過自由基共聚合將KGM、丙烯酰胺、丙烯酸、烯丙基氧乙烯醚聚合成新的水溶性接枝共聚物[75]。該共聚物在28 d生物降解實驗后的降解率超過60%，表現(xiàn)出良好的生物降解性，與相同條件下的部分水解聚丙烯酰胺相比，接枝共聚物具有更優(yōu)異的抗剪切性、剪切可逆性、耐溫性、黏彈性和耐鹽性。此外，該接枝共聚物具有有效的流動控制能力和優(yōu)良的驅(qū)油效果，在65 ℃、 6 700 mg/L鹽溶液存在的條件下，可將油回收率提高13.76%。

接枝共聚已成為擴大高分子應(yīng)用領(lǐng)域、改善高分子材料性能的一種行之有效的方法。有關(guān)KGM的接枝共聚改性已有不少報道，但由于接枝共聚物的性能取決于主鏈和支鏈的組成、結(jié)構(gòu)、鏈長度以及支鏈數(shù)，相關(guān)方面的研究尚需加強。此外，通過自由基進行的改性也面臨熱效應(yīng)顯著、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)難以控制等問題，光自由基聚合和活性自由基聚合是較好的解決方法，但受工藝條件、成本等因素限制，此類改性仍處于實驗階段，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待探索和研究。

1.6 交聯(lián)改性

KGM分子鏈中的羥基可以與含磷酸、醛基等官能團的交聯(lián)劑發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，生成交聯(lián)KGM。交聯(lián)改性簡單易行，可高效制備具有優(yōu)良力學(xué)性能和耐水性的制品。KGM在水溶液中與硼砂離解的硼酸根離子交聯(lián)能夠形成熱可逆凝膠[76]。堿性條件下以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑可制得KGM納米球，該納米球具有比KGM更高的水分吸附和解吸能力[77]。在堿性條件下，采用三偏磷酸鈉交聯(lián)KGM、人發(fā)蛋白、燕麥醇提取物，制備的水凝膠支架具有良好的膨脹性、生物相容性、抗氧化性和抗菌性，能夠為傷口部位提供水分，促進細胞生長，修復(fù)受損組織，加速傷口愈合[78]。另有研究表明，先將具有相鄰二羥基的KGM用高碘酸鹽部分氧化得到二醛多糖，再將其電紡納米纖維與己二酸二酰肼交聯(lián)，可得到耐水性和力學(xué)性能優(yōu)異的交聯(lián)KGM納米纖維，且由于己二酸二酰肼毒性低，交聯(lián)的中性多糖納米纖維顯示出良好的生物相容性[79]。

交聯(lián)改性是多糖基材料改善力學(xué)性能、提高穩(wěn)定性、延長壽命和拓展功能的常用方法。相比于透明質(zhì)酸、殼聚糖、海藻酸鈉等多糖，KGM的交聯(lián)改性研究尚不充分，這可能是由于KGM能夠通過脫乙酰基形成物理交聯(lián)水凝膠，進而減弱了對KGM交聯(lián)改性的需求。此外，KGM交聯(lián)改性還存在缺乏無毒交聯(lián)劑的多糖交聯(lián)共性問題，有待進一步解決。

1.7 其他化學(xué)改性

KGM降解產(chǎn)物具有高溶解性和低黏度，且在細胞修復(fù)、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)等方面展現(xiàn)出獨特的生理活性[80]。KGM是制備低聚葡甘糖(KOG)的重要來源，但KGM的高分子量和高黏度不利于KOG的高效制備，利用過氧化氫激光輔助降解KGM可簡便、快速地解決上述問題[81]。另外，采用γ-輻射和酶水解組合法可以獲得聚合度低至2～9的KOG，該方法產(chǎn)量高，對氧化損傷具有顯著保護作用，且KGM酶水解產(chǎn)物已被證實可以促進乳酸桿菌和雙歧桿菌生長[82]。經(jīng)超聲降解的KGM水溶性得以改善，采用三氟乙酸進一步水解還可得到更低分子量的KGM混合物[83]。研究表明，降解得到的KGM低聚物組分更有利于雙歧桿菌存活。

陽離子化改性通過陽離子醚化劑處理多糖產(chǎn)生季銨鹽基團而獲得聚陽離子多糖[84]。Ren等以酸性硝酸鈰銨為引發(fā)劑，在水溶液中合成了葡甘聚糖接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基)三甲基氯化銨陽離子絮凝劑，KGM的陽離子取代度范圍為0.09～0.3，在pH值1～9、無機鹽存在條件下表現(xiàn)出良好的絮凝能力[85]。Wang等采用3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨對KGM進行陽離子化改性，改性后的KGM可作為紙張增強劑，使纖維結(jié)合更緊密，提高紙張拉伸指數(shù)和耐折性[86]。

綜上所述，多糖改性產(chǎn)物應(yīng)用面廣、功能多樣，其中最重要、應(yīng)用量最大的屬酯化和醚化衍生物，因此，KGM的酯化和醚化改性研究值得加強。另外，改性產(chǎn)物中的改性基團在鏈上和糖單元環(huán)上的分布情況并不明晰，也少見采用區(qū)域選擇性取代技術(shù)對KGM進行精準結(jié)構(gòu)改性的報道。有別于通常的非區(qū)域選擇性取代反應(yīng)，區(qū)域選擇性取代技術(shù)可獲得單一精準結(jié)構(gòu)的衍生物，調(diào)控產(chǎn)物的取代分布和取代度，是闡明KGM衍生物構(gòu)效關(guān)系的紐帶，相關(guān)研究值得深入開展。

2 KGM物理改性

相對于化學(xué)改性，物理改性是更簡單、綠色的提高和改善材料性能的方法。物理改性未改變原料的天然結(jié)構(gòu)和屬性，基于消費者對天然、健康產(chǎn)品的推崇，對物理改性產(chǎn)品的需求不斷增加[87]。目前，KGM物理改性主要包括共混填充[88]、物理交聯(lián)[89]、微流控紡絲[90]、γ射線輻照[91-92]等方法。

2.1 共混填充

KGM具有獨特的膠凝性和成膜性，可以與明膠、羧甲基纖維素、海藻酸鈉和殼聚糖等多糖共混，制備出熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能良好的復(fù)合凝膠。例如，將CMKGM和大豆分離蛋白共混成膜，受二者強分子間氫鍵的作用，共混膜的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和水蒸氣阻隔性能均得到提高[93]。KGM和黃蓍膠共混可制得熱敏性水凝膠[94]，在生物醫(yī)藥、疾病診療和力學(xué)化工等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。KGM和黃原膠共混可制備高強度、可食性膜凝膠材料，共混材料的力學(xué)性能和耐水性有較大提高，有望作為食品包裝材料[95]。

KGM作為可再生天然高分子，主鏈和支鏈中含有的大量羥基可與納米顆粒相互作用，制備出高強度、高韌性、高生物相容性的水溶性納米復(fù)合材料，用于解決日益嚴重的環(huán)境問題以及提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能?；赥EMPO氧化的納米纖維素填充的KGM納米復(fù)合薄膜展示出良好的力學(xué)性能、高透明性和高熱穩(wěn)定性[96]。另有研究將殼聚糖/沒食子酸納米顆粒加入到KGM水溶液中制備新型活性生物納米復(fù)合膜[97]、將KGM與低鹽肌原纖維蛋白共混制備增強型熱穩(wěn)定凝膠[98]、將聚多巴胺官能化微晶纖維素摻入KGM基質(zhì)中制備薄膜[99]，這些KGM基薄膜都可應(yīng)用于食品包裝材料。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，共混填充改性得到的KGM復(fù)合材料也具有潛在應(yīng)用價值。例如，在水體系中將銀納米顆粒通過原位還原法結(jié)合到羅非魚鱗片明膠和KGM復(fù)合膜層狀結(jié)構(gòu)中，能夠制備出強度高、環(huán)境友好的抗菌復(fù)合膜[100]。

2.2 物理交聯(lián)

KGM不僅能夠在堿性加熱條件下發(fā)生脫乙酰基形成物理交聯(lián)水凝膠，還可以與多糖經(jīng)物理交聯(lián)作用復(fù)合形成凝膠。例如，純瓊脂糖(AG)水凝膠因剛性和脆性強，應(yīng)用受到限制，而KGM與AG協(xié)同作用會誘導(dǎo)形成更緊湊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合凝膠，有效減少AG分子鏈中螺旋結(jié)構(gòu)的聚集，形成多孔結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)物在藥物緩釋等領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景[101]。Li等以聚乙烯醇(PVA)為交聯(lián)劑交聯(lián)KGM形成第一重網(wǎng)絡(luò)，繼而通過自由基聚合引入第二重聚丙烯酰胺(PAAm) 網(wǎng)絡(luò)，所制備的雙網(wǎng)絡(luò)PVA-KGM/PAAm 復(fù)合水凝膠具有良好的力學(xué)性能和細胞黏附特性[102]。氧化石墨烯(GO)與KGM之間存在較強的分子間相互作用[103]，Wu等將基于GO和KGM之間物理交聯(lián)作用制備的水凝膠，在800 ℃、N2氣氛中煅燒60 min，獲得了具有高彈性、低密度的三維GO-KGM多孔材料，可用于制備高靈敏度柔性應(yīng)變傳感器[104]。將KGM/海藻酸鈉(SA)/GO溶液在高壓靜電輔助下注入CaCl2溶液中可制備微球，該微球在藥物及營養(yǎng)因子結(jié)腸靶向遞送中顯示出應(yīng)用潛力[105]。

溶膠-凝膠法和冷凍干燥法可聯(lián)合用于KGM基環(huán)保型復(fù)合氣凝膠的制備。例如，采用麥草增強KGM制備氣凝膠，麥草的加入能顯著提高氣凝膠的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和過濾性能[106]。農(nóng)業(yè)廢棄物小麥秸稈粉末和淀粉也被用于增強和改善KGM氣凝膠物理性質(zhì)的研究，如力學(xué)強度、孔徑分布等，該類物理改性后的KGM氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)良的隔熱性能[107]。將KGM與柔性SiO2納米纖維結(jié)合，能夠制備具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的超彈性、壓敏碳質(zhì)納米纖維氣凝膠，該氣凝膠能夠動態(tài)實時監(jiān)測真實壓力信號，靈敏度高，在電氣、環(huán)境、能源等領(lǐng)域具有積極應(yīng)用前景[108]。

2.3 微流控紡絲

KGM具有良好的生物相容性和成膜性，被作為活性化合物載體組分普遍應(yīng)用于抗菌食品包裝材料[109]。在諸多制備活性食品包裝材料的方法中，微流控紡絲法因不需要高壓電場及其他輔助措施、可以在常溫環(huán)境下構(gòu)建纖維薄膜而具有優(yōu)勢[110]。Ni等采用該方法，將KGM、聚乙烯吡咯烷酮、表沒食子兒茶素沒食子酸酯結(jié)合，制備出抗菌效果良好、能夠促進傷口愈合的復(fù)合薄膜，為KGM基醫(yī)用生物材料薄膜的構(gòu)建提供了簡便、綠色途徑[111]。Gomes等基于殼聚糖和KGM之間的強相互作用制備了雙層復(fù)合膜，該復(fù)合膜界面保留了殼聚糖和KGM的物理化學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出高生物相容性、低細胞毒性、良好的力學(xué)和阻隔性能，可用作傷口敷料[112]。Lin等利用KGM、綠原酸、甲基丙烯酸甲酯之間的親水/疏水相互作用，借助微流控紡絲技術(shù)制備出熱穩(wěn)定性、防潮性能和力學(xué)性能良好的超細纖維薄膜，為KGM在高性能抗菌材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路[113]。

2.4 γ射線輻照

γ射線輻照為無熱過程，由于電離能迅速穿透多糖顆粒而具有快速、方便、高效的特點，在食品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[114]。γ射線輻照能夠使KGM糖苷鍵斷裂，分子鏈降解，也可能導(dǎo)致羰基或雙鍵形成及KGM褐變，輻照后KGM的分子量和表觀黏度顯著降低，穩(wěn)定性得到改善，高劑量輻照會使KGM的熱穩(wěn)定性略有下降，但對其顆粒結(jié)構(gòu)沒有顯著影響[115]。因此，γ射線輻照改性可以獲得分散性和熱穩(wěn)定性較好的低分子量KGM[116]。Pan等將60Co γ射線和H2O2同時作用于KGM，結(jié)果表明γ射線輻照和H2O2處理具有協(xié)同降解效應(yīng)，能顯著改變KGM的物理性質(zhì)[117]。

圖2和表2總結(jié)了KGM的理化性質(zhì)、化學(xué)和物理改性方法及改性產(chǎn)物的應(yīng)用。相較于化學(xué)改性，KGM物理改性在不改變多糖基本結(jié)構(gòu)的情況下，借助物理手段使多糖鏈發(fā)生降解或形成復(fù)合物，從而提高改性產(chǎn)物的水溶性、力學(xué)性能、抗氧化活性及生物活性等，其修飾更為綠色、安全和便捷，但如何提高改性產(chǎn)物的綜合性能仍需進一步探究。需要指出的是，多糖的各類化學(xué)和物理改性并不是絕對獨立的，改性既可以是不同化學(xué)或物理改性方法的聯(lián)用，也可以是化學(xué)和物理改性方法的有機結(jié)合，這為KGM的改性提供了更多選擇和途徑。

圖2 魔芋葡甘聚糖的改性及應(yīng)用Fig.2 Schematic illustration of modification and application of konjac glucomannan注：網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

表2 KGM的理化性質(zhì)、功能化改性及應(yīng)用Tab.2 Physicochemical properties, functional modification and application of konjac glucomannan

續(xù)表2

3 KGM在食品和營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

KGM作為兼具高成本效益、低消化率、低熱值的天然大分子增稠劑、凝膠劑和膳食纖維，已成為世界食品市場最具研究價值的親水膠體之一[118]。KGM具有良好的生物相容性和生物可降解性，易于制成各種衍生物，也可以和海藻酸鹽、黃原膠、明膠等親水膠體形成復(fù)配凝膠。KGM在食品工業(yè)中作為成膜劑、穩(wěn)定劑和增稠劑被廣泛使用，對吞咽困難、高血糖、高膽固醇、腸道菌群失調(diào)及免疫系統(tǒng)失調(diào)等疾病的改善有積極作用。KGM及其衍生物在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前述內(nèi)容已進行介紹，本節(jié)著重綜述其在食品和營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

3.1 用于吞咽困難特醫(yī)食品

吞咽困難是一種吞咽障礙癥狀，通常由神經(jīng)或結(jié)構(gòu)性疾病如中風(fēng)、帕金森、癡呆、頭頸癌、多發(fā)性硬化及脊髓損傷等引起，可導(dǎo)致患者體重減輕、營養(yǎng)不良、脫水甚至吸入性肺炎及窒息等問題[119-120]。飲食治療在改善吞咽困難及營養(yǎng)補充方面具有重要作用，其通過質(zhì)地改良的食物減緩液體流動，保護氣道，并根據(jù)個體耐受性促進飲食依從性，優(yōu)化熱量攝入[121]。吞咽困難患者的飲食應(yīng)該具有較低的硬度和足夠的黏結(jié)性以促進咀嚼、吞咽，增稠劑的使用可以改變食物的流變性質(zhì)，降低食物通過口腔和咽部的速度，給肌肉更長的反射反應(yīng)時間以避免誤吸[122-123]。市售針對吞咽困難的食物通常采用淀粉基和膠體基增稠劑，但淀粉基增稠劑會產(chǎn)生吞咽后殘留物，增加患者吞咽后誤吸的風(fēng)險，且淀粉顆粒在液體中膨脹產(chǎn)生的氣味影響患者接受度[124]。在部分流體食品中，可采用親水膠體作為增稠劑，其不易被唾液淀粉酶消化，易于獲得具有適當(dāng)黏度、保水性、硬度和平滑度的特醫(yī)食品。添加KGM增稠劑改性的食品質(zhì)地柔軟均勻，口感好，在較寬的溫度和pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定，有助于咀嚼能力的恢復(fù)，且能夠降低血液膽固醇和血糖水平，促進腸道活動，改善免疫功能。最近，Wei等研究了羧甲基化可得然膠和KGM及其混合物在營養(yǎng)乳劑中的功效和適用性，以便設(shè)計新的吞咽安全營養(yǎng)制劑[125]。KGM的增稠性、膳食纖維特性及健康功效為吞咽困難患者的食物配方設(shè)計提供了新思路，KGM的高分子量和酸穩(wěn)定性使其成為有價值的食品結(jié)構(gòu)組分，可與黃原膠、淀粉等多糖復(fù)合制成吞咽困難專用營養(yǎng)食品[126]。綜上，KGM及其衍生物在吞咽困難特醫(yī)食品領(lǐng)域的應(yīng)用值得關(guān)注。

3.2 調(diào)節(jié)血糖和膽固醇

糖尿病和心血管疾病一直是世界高患病率慢性病，其誘因與血糖和膽固醇含量直接相關(guān)，其中低密度脂蛋白含量過高會顯著增加患冠心病的風(fēng)險，極易引起身體器官病變。據(jù)報道，食用富含KGM的食物可降低糖尿病患者的血糖和血漿膽固醇水平，減少胰島素分泌，保護胰腺細胞[127]。KGM對血糖和膽固醇的調(diào)節(jié)主要與細胞表面電荷的改變及抗氧自由基酶類活性的提高有關(guān)[128]。另有研究認為，短鏈KGM也具有降低血清膽固醇和脂蛋白膽固醇的效用[129]，通過射線輻照、氧化降解等方法制備的短鏈KGM可以在一定程度上改善KGM溶液的黏度和熱穩(wěn)定性，顯著消耗血糖和膽固醇[130]。一方面，KGM在大腸中發(fā)酵產(chǎn)生丙酸鹽，減少膽固醇合成；另一方面，KGM通過促進膽固醇酯和膽汁酸排出，降低血清膽固醇濃度。KGM為一種零卡路里的水溶性多糖，以它為原料生產(chǎn)的食品已在多個國家受到關(guān)注，營養(yǎng)學(xué)家認為在飲食中引入KGM纖維可以改善代謝，在減輕體重、降低膽固醇等方面具有積極效用[131]。需要指出的是，盡管KGM的各類功效有大量報道，但據(jù)最近的報道，服用葡甘聚糖等減肥補充劑能減重尚缺乏臨床數(shù)據(jù)支撐，該方法并非有效減肥策略。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，此類減肥補充劑可能會觸發(fā)服用者的情緒變化，甚至?xí)黾咏箲]的風(fēng)險[132]。因此，考慮到實際情況的復(fù)雜性，KGM是否具有長期減重效果仍有待進一步驗證。

3.3 調(diào)節(jié)腸道菌群

食物中的非碳水化合物殘留物進入結(jié)腸后，部分成分不能被消化，KGM優(yōu)異的吸水性和飽腹感使其具有膳食纖維特性，能夠刺激腸道運輸，減少便秘。健康成年人攝入含KGM的低纖維飲食可以增加排便頻率，減輕直腸壓力，預(yù)防腸胃疾病[133]。

益生元是一種選擇性發(fā)酵成分，可以使人體胃腸道有益微生物增殖，益于宿主健康。有益菌能積極作用于人的生理、代謝、營養(yǎng)和免疫，防止病原體入侵和增殖[134]。研究表明，KGM及其水解低聚糖可以選擇性調(diào)節(jié)有益腸道微生物群(乳酸菌、雙歧桿菌、盲腸厭氧菌等)的數(shù)量和分布，降低結(jié)腸癌發(fā)生率，具有優(yōu)異的益生元效應(yīng)[135]。另外，KGM在腸道厭氧菌的發(fā)酵下會產(chǎn)生甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等物質(zhì)，類似于其他非益生元的可發(fā)酵纖維[136]。然而，通過不同方法和處理條件獲得的降解KGM的營養(yǎng)效果尚未進行系統(tǒng)評估和比較。綜合來看，KGM及其水解產(chǎn)物在脂肪替代產(chǎn)品及乳制品發(fā)酵等研究領(lǐng)域具有積極發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.4 調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)

KGM的膳食纖維特性使其進入胃腸道后難以被消化和吸收，在大腸能夠被腸道菌群利用，有助于腸道疾病改善。研究表明，KGM可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)特性，如調(diào)節(jié)腸道相關(guān)淋巴組織特性、激活免疫細胞等，增強機體免疫力[137]。在一定濃度范圍內(nèi)，KGM可以調(diào)節(jié)大鼠血清IgA、IgG的水平以及淋巴細胞產(chǎn)生的免疫球蛋白[138]。小顆粒低黏度KGM還具有一定的抗炎效用，可以調(diào)節(jié)細胞因子，預(yù)防皮膚濕疹，口服短鏈KGM可以抑制小鼠局部肥大細胞增多和皮膚炎癥免疫反應(yīng)[139]。KGM也被證實能夠刺激魚和狗的免疫系統(tǒng)并提高其抗感染能力[140]。KGM調(diào)節(jié)免疫的機理可能是：一方面，其能夠促進機體免疫細胞增殖，調(diào)節(jié)抗體分泌，清除病毒，保證免疫功能正常發(fā)揮；另一方面，KGM能夠調(diào)節(jié)腸道菌群環(huán)境，促進益生菌增殖，抑制易誘發(fā)腸道疾病的細菌(如大腸桿菌等)黏附腸道上皮細胞，降低炎癥發(fā)生率。

4 結(jié)論與展望

KGM是一種安全無毒的天然高分子原材料，在諸多領(lǐng)域具有積極而廣闊的應(yīng)用前景。作為從植物中分離獲取的凝膠多糖和膳食纖維，KGM在食品中已被廣泛用作食品原料、食品添加劑和膳食補充劑；依托良好的水合性、成膜性、膠凝性、生物降解性和生物相容性，近年來 KGM在功能材料上的應(yīng)用也得到廣泛研究和開發(fā)。然而，KGM較差的溶解性及材料力學(xué)性能限制了其使用范圍，需要對KGM進行化學(xué)、物理改性，改善和提高其既有性能，開拓其新功能和新應(yīng)用。目前，改性KGM材料已被應(yīng)用于制備水凝膠、氣凝膠、膜材料、藥物載體、納米顆粒和膠囊等。未來隨著KGM改性研究的深入，各類改性KGM會得到更廣泛、更重要的應(yīng)用，其相關(guān)研究可關(guān)注以下幾個方面。

(1)相比于纖維素和淀粉改性，KGM改性應(yīng)用還十分有限，特別是改性KGM的工業(yè)化應(yīng)用極少，更大程度地發(fā)揮KGM的工業(yè)價值仍是將來最重要的研究方向。

(2)深層次融合各類化學(xué)和物理改性技術(shù)，進一步創(chuàng)新改性方法，是KGM改性研究的重點。當(dāng)前報道僅對許多KGM改性產(chǎn)物提出了潛在應(yīng)用領(lǐng)域，如作為生物塑料、乳化劑等，其實際應(yīng)用功效還有待進一步驗證。在產(chǎn)品開發(fā)中分子鏈糖苷鍵的固有不穩(wěn)定性、分子量分布較寬、糖單元序列結(jié)構(gòu)不規(guī)則等因素需要考慮，KGM衍生物的結(jié)構(gòu)-功能-應(yīng)用系統(tǒng)研究需要加強。此外，KGM新衍生物的應(yīng)用還需滿足相關(guān)法規(guī)，獲得批準。盡管魔芋精粉被美國FDA批準為食品添加劑，許多改性方法也被認為是安全的，但迄今為止，還沒有魔芋膠衍生物被FDA類似機構(gòu)批準使用。

(3)天然KGM的化學(xué)結(jié)構(gòu)是含乙酰基的葡甘聚糖，而在堿性條件下脫乙酰化后形成的脫乙?；疜GM嚴格說并不是純天然產(chǎn)物，而是半天然或天然KGM的改性產(chǎn)物。研究和應(yīng)用中更多使用的是失去天然化學(xué)結(jié)構(gòu)的脫乙?；疜GM，而對未脫乙?；?、具有天然化學(xué)結(jié)構(gòu)KGM的研究被弱化，其性質(zhì)和功能仍未被深刻認識，其研究難度與下述提及的天然KGM的低水溶性有很大關(guān)系。KGM及其衍生物溶液性質(zhì)的基礎(chǔ)研究仍不充分，如何維持溶液或分散液黏度穩(wěn)定性也是實際應(yīng)用中的難題。

(4)KGM雖然是一種水溶性天然高分子，但在常溫和一般條件下，其溶解度很低，難以得到真正的水溶液。盡管一些化學(xué)改性能大大提高其水溶性，但堿性條件下的改性過程會不可避免地在不同程度上降低KGM分子量，在分子量降低的同時還會發(fā)生脫乙酰化，使KGM失去化學(xué)結(jié)構(gòu)的天然性。如何在改性的同時保持KGM高分子量的特點和天然化學(xué)結(jié)構(gòu)，是KGM化學(xué)改性中頗具挑戰(zhàn)性的問題。

(5)對不同來源、不同產(chǎn)地、不同品種KGM的化學(xué)結(jié)構(gòu)表征和分子構(gòu)象研究尚不充分。KGM精細化學(xué)結(jié)構(gòu)仍未被全面了解，特別是甘露糖和葡萄糖的序列結(jié)構(gòu)、可能存在的支化結(jié)構(gòu)以及不同品種之間化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異性，闡明精細結(jié)構(gòu)對獲得性能均一的低聚或寡聚KGM及其改性產(chǎn)物尤為重要。與纖維素和淀粉不同，低分子量或超低分子量的雜多糖KGM化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能可能存在巨大差異，如何低成本、綠色、高效地獲得低分子量KGM也是尚未有效解決的問題。

(6)區(qū)域選擇性取代反應(yīng)對了解多糖分子構(gòu)象、水溶性和構(gòu)效關(guān)系非常重要，糖環(huán)上不同羥基的反應(yīng)選擇性不同。化學(xué)改性中對KGM采用區(qū)域選擇性取代法的研究甚少，對取代發(fā)生在糖單元和整個高分子鏈上的位點和分布了解甚少，取代度和取代分布對衍生物性能的影響也認識不足。

(7)脫乙?；疜GM形成凝膠的熱不可逆性與氫鍵作用的溫度響應(yīng)性不一致，KGM分子也不存在明顯的疏水性基團，KGM物理凝膠形成的驅(qū)動力仍不明晰，包括分子間氫鍵的作用方式、甘露糖和葡萄糖殘基片段的不同作用、是否存在疏水作用及其對凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的貢獻大小和方式。

(8)對KGM用于藥物封裝和控釋材料的健康功效缺乏系統(tǒng)、直接、令人信服的科學(xué)依據(jù)，特別是缺乏長期的體內(nèi)和臨床研究。KGM的藥用價值和保健作用亦無系統(tǒng)性報道，也未形成共識，許多功能僅基于實驗室研究。相比于纖維素和淀粉衍生物及其在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，KGM衍生物的生物相容性、食用安全性、毒性尚未得到全面評估，在食品和藥品中的實際應(yīng)用鮮有報道。

(9)KGM結(jié)晶性能和高濃度下形成液晶的研究和應(yīng)用不足，改性對結(jié)晶行為的影響少有報道。

(10)材料類的應(yīng)用研究大多未充分考慮KGM和改性KGM作為天然高分子的易降解性以及化學(xué)結(jié)構(gòu)差異性可能帶來的性質(zhì)和功能的差異性。

KGM的開發(fā)對我國多糖研究和產(chǎn)業(yè)化具有特殊意義，在眾多工業(yè)多糖特別是大宗工業(yè)植物多糖中，KGM是我國唯一的特產(chǎn)，深層次魔芋資源的高附加值綜合利用及KGM改性和功能化研究在我國仍亟待加強。對KGM新功能、新材料的開發(fā)，特別是健康功效和生物新材料的開發(fā)，需要加強基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)化應(yīng)用研究。與此同時，還需多學(xué)科協(xié)同，突破固化學(xué)科邊界，加強高分子科學(xué)與食品科學(xué)、營養(yǎng)學(xué)和生命科學(xué)的交叉融合。