综述：关于魔芋葡聚糖凝胶中分子链稳定性调控机制的研究进展

《Food Bioscience》：Progress on the regulation mechanism of molecular chain stability in konjac glucan gels

Konjak葡聚甘露糖（KGM）分子链完整性是影响其凝胶性能的关键因素。研究提出冷冻浓缩增强氢键网络密度、适度脱乙酰基形成有序微晶区、多重复合协同连接区、电场/剪切场拓扑纠缠构建缓释支架等四类稳定策略，并构建结构-性能量化模型（链有序度χ与凝胶强度G'、溶胀率Q、热稳定性温度Tgel相关）。未来重点在精准酶切修饰和多尺度模拟技术应用。

　　

高文旭|王月光|李美宁|戴鸥军|于凌鑫|庞杰|叶秋萍

福建农林大学食品科学学院，福州350002，中国

摘要：

作为重要的天然多糖食品成分，魔芋葡甘露聚糖（KGM）的分子链结构是其凝胶特性的关键因素。然而，现有的加工或制备方法容易导致KGM分子链断裂，从而影响其结构稳定性并降低其凝胶性能，这成为限制其应用的主要挑战。本文系统总结了调节魔芋葡甘露聚糖（KGM）凝胶分子链稳定性的最新进展。首先明确指出，分子链的完整性是决定外部处理方法与最终凝胶性能之间关系的核心变量。本文详细阐述了四种主要的稳定策略及其结构效应：（i）冷冻浓缩可以形成更密集的氢键网络，显著提高机械模量；（ii）适度脱乙酰化可将半柔性链转化为自有序的微晶区域，形成热不可逆的凝胶；（iii）多重复合作用产生协同连接区，其粘弹性能和耐水性优于单一系统；（iv）在电场或剪切场下的拓扑缠结构建缓释支架，实现链运动的锁定。此外，本文构建了一个统一的“结构-性能”模型，定量关联了链的有序性（χ）与凝胶强度（G'）、膨胀率（Q）和热稳定性温度（Tgel）。最后指出，精确的酶切修饰和多尺度模拟是未来设计链稳定性的两条最有前景的途径。本综述为制备高质量KGM和调节类似生物聚合物链提供了理论基础。

引言

多糖链结构的变化对食品的理化性质具有重要影响（Pontrelli等人，2022年），加工过程中多糖组分的结构变化会直接影响食品的质量特性（Cheung等人，2018年）。经典理论认为，多糖只有在特定的分子结构范围内才能表现出最佳性能（例如，特定的相对分子质量、特定的空间结构等）（Ganguly等人，2017年；X. Li等人，2022年；Pifferi等人，2021年）。已经证明，在基本的物理场环境中，多糖分子结构不稳定且容易降解，导致其凝胶化、成膜、增稠等功能性降低，严重影响其应用（Questell-Santiago等人，2018年）。如何利用链结构变化规律从分子层面研究物理场作用对多糖分子链稳态结构的影响，并在加工或制备过程中实现多糖性能的稳定，是中国食品加工领域亟需解决的重要科学问题（Gong等人，2019年）。

魔芋葡甘露聚糖（KGM）是从魔芋块茎中提取的高分子多糖，是一种具有良好膳食纤维功能的高质量天然食品原料（Behera & Ray，2016年）。随着对KGM分子链稳定性机制研究的深入，科学家发现通过调节其分子链的结构稳定性可以有效改善其凝胶性能。其中，温度变化过程有利于促进氢键的形成，并引导现有氢键形成更强的构型（Duan等人，2024年），这种双重作用形成了新的、更强的分子内和分子间相互作用力，增强了KGM分子链结构的稳定性，从而达到调节KGM分子链结构和改善凝胶性能的目的（Sun, Xu, Zhang等人，2023年）。冷冻增强了分子链间的缠结和分子间相互作用，提高了凝胶结构的刚性（M. Li等人，2024年）。此外，研究表明，碱诱导脱乙酰化、拓扑修饰和KGM复合体系等因素都在不同程度上影响多糖分子链的结构（T. Huang等人，2022年；Z. Liu等人，2021年）。

KGM分子链结构的变化会影响其食品凝胶性能（Giubertoni等人，2020年）。这些诱导因素在改善KGM凝胶性能方面取得了显著效果，但对其作用机制的研究还不够深入。特别是，对于诱导因素作用下KGM分子链的动态演变过程以及分子内和分子间相互作用力的变化仍缺乏深入了解。因此，进一步揭示KGM分子链的稳定性机制及其凝胶性能与分子结构之间的关系具有重要意义，以指导KGM的加工和制备，拓宽其应用领域。目前，对于KGM这种特殊杂多糖在加工或制备过程中分子链结构变化规律的认识仍然不清楚，研究还存在局限性。鉴于此，本综述旨在综合国内外关于魔芋葡甘露聚糖凝胶分子链稳定性调节机制的最新研究进展，详细阐述KGM分子链内外各种诱导因素的相互作用力及其稳定性机制。

部分摘录

魔芋葡甘露聚糖凝胶机制

魔芋葡甘露聚糖的凝胶化机制在研究基于KGM的凝胶分子链稳定性方面起着重要作用。图1展示了碱诱导热固化魔芋葡甘露聚糖凝胶的一般制备过程。在溶胶-凝胶转变之前，KGM通过氢键和疏水相互作用发生物理交联，形成连接区域（Gao & Nishinari，2004年）。具体来说，加入碱后，纠缠的KGM链在

核心分子力与凝胶化机制

氢键和疏水相互作用是驱动魔芋葡甘露聚糖（KGM）凝胶化的核心分子力。它们的动态平衡和协同效应决定了分子链的聚集状态和凝胶网络的稳定性。不同诱导条件下的凝胶化过程都围绕着这两种力的调节展开。

调节魔芋葡甘露聚糖分子链稳定性的方法

KGM分子链的主链由β-1,4糖苷键连接的甘露糖和葡萄糖组成，构成了其主骨架。在主链的某些位置（例如甘露糖的C-3位），存在β-1,3键连接的分支结构，这些分支结构通常包含少量的糖残基，数量从几个到几十个不等（Z. Chen等人，2020年；Y. Yuan等人，2018年）。图3展示了KGM的结构式。

NMR光谱

NMR光谱，特别是¹H-NMR，是一种强大且多功能的技术，在KGM分析中具有巨大潜力，因为它能够在不需要复杂样品制备的情况下提供详细的分子信息（Hatzakis，2019年）。高分辨率核磁共振（NMR）对分子间相互作用、堆积结构和聚合物构象非常敏感。它可以实时追踪链缠结和交联的破坏过程（S. Wang

食品行业

在食品加工领域，Yan等人（W. Yan等人，2021年）将不同脱乙酰化程度的KGM添加到银鱼糜中，发现当脱乙酰化程度为50.72%时，KGM分子链与鱼糜蛋白网络形成的微晶区域协同作用，使凝胶强度增加到25390.72 g?mm，是非脱乙酰化组的2.26倍。其本质在于适度脱乙酰化降低了KGM的粘度，减少了

精准修饰技术

研究表明，KGM具有酶敏感性（Albrecht等人，2011年）。需要β-甘露糖苷酶、β-甘露糖基酶和β-葡萄糖苷酶的作用才能将KGM的多糖骨架完全水解为单糖。我们可以利用这一特性实现对分子链的靶向修饰。此外，现有的酶制剂可以通过基因编辑技术（如CRISPR-Cas9（F. Jiang & Doudna，2017年）进行改造，以提高其

结论

总结来说，魔芋葡甘露聚糖凝胶分子链稳定性的调节机制包括碱诱导脱乙酰化、多糖复合、冷冻调节、拓扑调节以及分子模拟和多尺度分析。目前关于魔芋葡甘露聚糖（KGM）凝胶分子链稳定性的研究仍存在一些局限性：现有调节方法存在缺陷，例如冷冻处理容易损坏凝胶网络，需要

作者贡献声明

高文旭：撰写——原始草稿，可视化，实验研究，概念化。王月光：撰写——原始草稿，实验研究。叶秋萍：撰写——审稿与编辑，监督，方法学。李美宁：可视化。戴鸥军：可视化。于凌鑫：可视化。庞杰：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取，方法学

未引用参考文献

Chen等人，2020年；Cheng等人，2021年；Huber和McCammon，2019年；Iijima等人，2012年；Li等人，2022年；Lin等人，2019年；Lin等人，2024年；Liu等人，2022年；Liu等人，2016年；Liu等人，2025年；Qiao等人，2022年；Sun等人，2023年；Wang等人，2016年；Wang等人，2025年；Zhu等人，2012年；Zhang等人，2024年；Zou等人，2021年；Zou等人，2021年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：高文旭报告称获得了福建省自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们也声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国福建省自然科学基金（2022J02021）的支持。