奇亞籽凝膠的提取、功能及應(yīng)用研究進(jìn)展

彭彬倩，羅文濤，王姿頤，沈曉芳

江南大學(xué)食品學(xué)院（無(wú)錫 214122）

奇亞（Salvia hispanica L.）是一年生草本植物，屬于唇形科，其種子——奇亞籽自古以來(lái)就被印第安人和墨西哥人用作食物和草藥[1]。奇亞籽中含有豐富的膳食纖維、蛋白質(zhì)[2]、多不飽和脂肪酸，特別是α-亞麻酸[3-4]，天然抗氧化劑[5]，如酚類(lèi)化合物等。自2014年國(guó)家衛(wèi)計(jì)委批準(zhǔn)奇亞籽作為新食品原料，國(guó)內(nèi)對(duì)奇亞籽的健康益處的認(rèn)識(shí)日益增加，市場(chǎng)需求隨之?dāng)U大，并在食品工業(yè)中使用奇亞籽作為功能性成分[6]。

奇亞籽凝膠（Chia seed gum）是將奇亞籽浸泡在水中時(shí)，種子周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)黏液，這種黏液是陰離子水溶性雜凝膠，是國(guó)外研究較多一種新型多用途的食用膠，在工藝和功能方面均有一定研究?jī)r(jià)值，了解其功能特性將大大拓寬其工業(yè)應(yīng)用的潛力[7]。但鮮有研究者對(duì)奇亞籽凝膠的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，因此對(duì)奇亞籽凝膠研究進(jìn)展包括其應(yīng)用潛力進(jìn)行概括。

1 奇亞籽凝膠的提取與純化

1.1 奇亞籽凝膠含量

種子浸泡在水中時(shí)，表皮細(xì)胞的外壁釋放出黏液，形成高黏性的體系，并牢牢附著在種子硬殼外，使其提取困難。研究發(fā)現(xiàn)不同工藝條件影響?zhàn)ひ旱奶崛÷?，其產(chǎn)量在5%～15%之間[8-12]。在Segura-Campos等[9-10]研究中，采用索氏萃取法和超臨界流體萃取法對(duì)奇亞籽進(jìn)行脫脂，凝膠收率達(dá)到12.6%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)顆粒整體或粉碎型影響收率，在不同顆粒狀態(tài)下，奇亞籽的產(chǎn)膠率為5.81%～12.60%。

1.2 奇亞籽凝膠的提取與純化

奇亞籽一旦被放入水中，外果皮膨脹，表皮因失去彈性而斷裂，細(xì)胞成分以黏液的形式溢出，包裹在整個(gè)果實(shí)表面，但附著時(shí)韌性較強(qiáng)，且從種子中擴(kuò)散出來(lái)的凝膠，包含在種皮或相鄰層，滲出物要么部分交聯(lián)，要么與種子表面結(jié)合，因此奇亞籽凝膠不容易與種子分離[11]。奇亞籽凝膠提取流程：

奇亞籽整型或粉碎→機(jī)械攪拌→離心→上清液→凍干、磨粉過(guò)篩→奇亞籽凝膠→乙醇或其他有機(jī)溶劑洗滌純化或用于其他試驗(yàn)

水提法是提取奇亞籽凝膠最為常用的方法。Xing等[12]通過(guò)料液比1∶40（g/mL），80 ℃下連續(xù)攪拌2 h，通過(guò)40目篩網(wǎng)進(jìn)行壓榨，在液氮中快速凍結(jié)，冷凍干燥得到凝膠固體，并采用優(yōu)化的固相萃取法，從奇亞籽種子的水浸黏液中分離出純度高、回收率高的低聚糖——車(chē)前糖，約占黏液干重的8%，該化合物分子量為504 Da，由半乳糖、葡萄糖和果糖組成。Tavares等[8]比較熱水浸提和冷水浸提對(duì)奇亞籽凝膠得率的工藝并進(jìn)行優(yōu)化研究，得到最佳工藝條件：27℃下提取黏液，采用料液比1∶20（g/mL），此條件下，最佳提取率為8.46%。Orific等[13]采用響應(yīng)面法確定在85 ℃下，料液比1∶31（g/mL），提取時(shí)間2 h為最佳組合，此時(shí)凝膠產(chǎn)量最大，為12.4%。Ramos等[14]考慮到高溫可以使蛋白質(zhì)分子的展開(kāi)程度增大，多糖形成有序的結(jié)構(gòu)或組裝區(qū)，導(dǎo)致更多的疏水性基團(tuán)暴露使得凝膠的黏附性增加[15]，因此確定90 ℃下提取30 min為最佳凝膠化工藝條件，并可用于未來(lái)食品開(kāi)發(fā)的凝膠結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

脫脂工藝參與奇亞籽凝膠的提取過(guò)程中也是研究的熱點(diǎn)。Segura-Campos等[10]為研究不同脫脂工藝對(duì)奇亞籽凝膠提取率的影響，在水提之前分別用索氏提取法和超臨界流體萃取法對(duì)奇亞籽顆粒進(jìn)行脫脂，在25～30 ℃下攪拌2 h，懸濁液經(jīng)過(guò)真空過(guò)濾和蒸發(fā)干燥得到脫脂奇亞籽凝膠。Timilsena等[16]將水提后的黏液經(jīng)索氏法脫脂，醇洗去除不溶性纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)，最后利用乙醇沉淀凝膠，凍干保存，純化后的奇亞籽凝膠產(chǎn)率為種子干重的3.8%。

2 奇亞籽凝膠的理化性質(zhì)

2.1 凝膠組成

從宏觀纖維結(jié)構(gòu)觀察來(lái)看，奇亞籽凝膠是大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]，光學(xué)顯微鏡下能清楚地顯示出種子被膜在與水接觸時(shí)，纖維束從種子被膜中發(fā)出，掃描電鏡和透射電鏡研究證實(shí)了纖維生長(zhǎng)時(shí)三維網(wǎng)絡(luò)的形成，直徑在18～50 nm之間[17-18]。隨著含水率增加和溫度升高，奇亞籽凝膠的孔隙半徑呈現(xiàn)從0.87 nm增加到6.44 nm的現(xiàn)象，均為微孔和中孔[19]。

從奇亞籽凝膠的分子式看，其分子量在0.8×106～2.0×106Da之間，水解可得到比例為2∶1∶1的β-D-木糖、α-D-葡萄糖、4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸，在結(jié)構(gòu)上由線(xiàn)性四糖基本單元組成：D-吡喃葡萄糖基的兩端側(cè)支各有1個(gè)D-木糖殘基，并與1個(gè)4-O-甲基-D-吡喃葡萄糖基醛酸側(cè)支相連[20]。

Timilsena等[16]采用高效液相色譜法測(cè)定純化后的奇亞籽凝膠中單糖和醛酸的組成。結(jié)果表明，以木糖和葡萄糖為主要單糖組成的親水性雜多糖，比例約為2∶1，并檢測(cè)到含有大量糖醛酸（葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸）和另外2種中性糖，即阿拉伯糖和半乳糖。Goh等[21]測(cè)得凍干后的奇亞籽凝膠由95%的非淀粉多糖組成，分別是35%的中性可溶性成分，65%的負(fù)電荷不溶性成分，其中，可溶性組分包括葡萄糖（82.0%）、木糖（11.0%）和少量的半乳糖（4.0%）、甘露糖（3.0%）和阿拉伯糖（1.0%）；不溶性組分由葡萄糖（42.0%）、木糖（28.0%）、阿拉伯糖（23.0%）、半乳糖（3.0%）組成。

2.2 理化性質(zhì)

奇亞籽是一種優(yōu)良的天然植物膠源，具有良好的理化性能和功能性，在食品工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。Segura-Campos等[9]認(rèn)為奇亞籽凝膠是非牛頓流體，屬于假塑性型，在極低濃度下也具有黏稠的特性，且由于存在的蛋白質(zhì)和纖維使其具有形成凝膠和較高的持水能力。部分脫脂的凝膠具有良好的保水性（110.5 g/g），但其持油能力（11.67 g/g）和吸水能力（36.26 g/g）均低于未脫脂的奇亞籽凝膠，后者持油能力（25.79 g/g）和吸水能力（44.08 g/g）較佳。Goh等[21]在極低濃度（0.05%）下，也能觀察到奇亞籽凝膠較弱的凝膠特性和較高的假塑性，說(shuō)明其作為食品穩(wěn)定劑的潛力之大。

Timilsena等[22]對(duì)奇亞籽凝膠在水溶液中的流變學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的黏彈性行為。Avila-De等[23]研究奇亞籽凝膠在油水界面附近的黏彈性響應(yīng)，流變學(xué)測(cè)量結(jié)果表明，黏彈性特性與界面距離有關(guān)，生物材料傾向于在界面附近形成結(jié)構(gòu)構(gòu)型，意味著該凝膠乳化性能的形成是由油相周?chē)臻g結(jié)構(gòu)所決定的，同時(shí)發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力的作用導(dǎo)致奇亞籽黏液分子彈性的重構(gòu)，而非耗散特性的重構(gòu)，這些都反映奇亞籽凝膠的穩(wěn)定性較好。Campos等[24]優(yōu)選工藝參數(shù)后，提取率為4.95%，表觀黏度為80.11 mPa·s，乳液穩(wěn)定性為67.85%，色相角為80.56°。

Capitani等[25]研究表明凍干奇亞籽凝膠（10.0 g/L）在水中的溶解度隨溫度升高而增大，在60 ℃下達(dá)到最大溶解度，為870 g/kg。Timilsena等[16]通過(guò)差示掃描量熱法和熱重量分析測(cè)試，結(jié)果表明奇亞籽凝膠具有良好的熱穩(wěn)定性，在涉及高溫過(guò)程的應(yīng)用中頗具潛力，同時(shí)具有高溶解度和高保水能力，其表面活性和乳化能力可以與瓜爾膠、黃原膠等常用食品膠體相媲美。Segura-Campos等[10]通過(guò)比較整粒和粉碎的奇亞籽，發(fā)現(xiàn)粉碎型（62.64 g/g）比整體型（143.66 g/g）吸水能力弱，二者的持水能力在100～149.28 g/g之間，持油能力在19.5～40.4 g/g之間。

Velazquez-Gutierrez等[19]測(cè)得凍干奇亞籽凝膠的吸附等溫線(xiàn)呈S形，符合在水蒸汽系統(tǒng)上玻璃態(tài)生物聚合物等溫線(xiàn)的特征，奇亞籽凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在42.93～57.93 ℃之間，說(shuō)明即使水分活度值達(dá)0.7時(shí)，生物聚合物也處于非晶態(tài)玻璃態(tài)。

3 奇亞籽凝膠的生物活性

奇亞籽具有形成水凝膠的內(nèi)在能力，同時(shí)奇亞籽凝膠具有保水、緩釋功能，并具有延緩消化過(guò)程、平衡腸道菌群和治療肥胖等保健功效。

3.1 調(diào)節(jié)腸道菌群

腸道微生物群在人類(lèi)健康中發(fā)揮重要作用，我們的胃腸道中有密集的微生物群落，它們可以通過(guò)食用膳食纖維來(lái)調(diào)節(jié)[26]。奇亞籽凝膠中的主要成分可溶性纖維，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或非營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，以及小腸中因腔內(nèi)黏液含量的增加而發(fā)生的轉(zhuǎn)運(yùn)行為[27-28]，奇亞籽凝膠是可溶性膳食纖維的良好來(lái)源，能夠在低濃度下產(chǎn)生高黏度的親水分散體[29]。Tamargo等[30]利用體外胃腸消化模型，研究奇亞籽黏液對(duì)人體具有代表性的腸道菌群表觀黏度、生長(zhǎng)和代謝活性的影響，發(fā)現(xiàn)黏液可被微生物群利用。

3.2 控制體重

研究發(fā)現(xiàn)，不同健康狀態(tài)的肥胖者腸道菌群的差異較大，肥胖個(gè)體腸道細(xì)菌多樣性降低，肥胖引發(fā)的并發(fā)癥可能與腸道菌群相關(guān)[31]。奇亞籽凝膠中的可溶性膳食纖維可調(diào)節(jié)腸道菌群，這可能會(huì)給肥胖患者帶來(lái)福音。同時(shí)奇亞籽泡水膨脹后產(chǎn)生10倍于自身體積的凝膠，攝入后對(duì)飽腹感有積極的影響，從而可用于控制體重，平衡飲食搭配中去[32]。

4 奇亞籽凝膠的應(yīng)用潛力

因其吸水性、持水性、黏度等理化性質(zhì)的特征，奇亞籽凝膠可作為泡沫穩(wěn)定劑、懸浮劑、乳化劑或黏合劑等應(yīng)用于食品工業(yè)。

4.1 食用級(jí)薄膜

多糖具有良好的成膜性能，具有較高的摩爾質(zhì)量，可作為制備食用級(jí)薄膜的基質(zhì)。Vieira等[33]提取奇亞籽凝膠作為一種新型膜基，發(fā)現(xiàn)奇亞籽所提取的水膠體具有較高的熱穩(wěn)定性和潛在的天然抗氧化能力，即包裝材料中抗氧化劑的釋放，可以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。結(jié)合紅外光譜結(jié)果圖，Timilsena等[16]發(fā)現(xiàn)奇亞籽凝膠在pH 1.8～12.0范圍內(nèi)呈現(xiàn)陰離子特征（存在大量的醛酸），表明其具有作為一種陰離子聚電解質(zhì)用于功能性食品材料或各種生物活性成分的包裹凝聚技術(shù)的潛力[34]。

4.2 乳化劑和穩(wěn)定劑

脂質(zhì)含量在穩(wěn)定油水乳劑中發(fā)揮重要作用[35]，碳水化合物可以避免油滴在水溶液中的絮凝和聚結(jié)[36]，同時(shí)，蛋白質(zhì)含量是乳化性質(zhì)的重要影響因素之一。Segura-Campos等[9]測(cè)得奇亞籽凝膠或部分脫脂凝膠的蛋白質(zhì)含量均高于玉米膠（5.1%）和牧豆樹(shù)膠（5.8%），且含有脂質(zhì)、多糖等物質(zhì)。Capitani等[29]研究表明在所有鹽分散體系中，奇亞籽凝膠具有明顯的彈性行為，與車(chē)前草膠相似，隨著黏液濃度的增加，彈性模量和黏性模量均增大，且在1%濃度分散頻率范圍內(nèi)存在弱彈性凝膠行為。Campos等[24]以奇亞籽凝膠為乳化劑和穩(wěn)定劑，在最佳提取條件下制備冰淇淋，保持了產(chǎn)品的質(zhì)量。然而，黏液的深色影響冰淇淋的感官特性。研究表明，奇亞籽凝膠在食品工業(yè)中可作為良好的乳化劑和穩(wěn)定劑。

4.3 其他食品應(yīng)用

在較高的水分活度條件下，奇亞籽凝膠在研究溫度范圍內(nèi)（25 ℃）是穩(wěn)定的，表明可用于微膠囊化多種生物活性材料，可以保護(hù)其不受有害環(huán)境因素的影響，延長(zhǎng)貨架期[19]。Gangurde等[37]利用奇亞籽凝膠作為壁材包埋一種藥物——氯吡格雷，以期取代傳統(tǒng)的薄膜包衣，在人體內(nèi)緩釋?zhuān)瑴p少胃出血等副作用的產(chǎn)生。結(jié)果表明，奇亞籽膠具有較好的緩釋作用，掃描電鏡顯示，制備的微球具有球形和多孔性。Chaves等[38]以刺槐豆膠和奇亞籽凝膠為主要原料，對(duì)14種羊奶凍甜點(diǎn)配方進(jìn)行研究，2種膠的加入增加基質(zhì)的含水量和表觀黏度，并觀察到奶凍溶化的延遲，即使在脂肪含量較低的羊奶凍中也是如此。

5 展望

近年來(lái)，在中國(guó)奇亞籽作為一款新食品原料，因其豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和保健功效逐漸受到國(guó)人青睞。目前，對(duì)奇亞籽凝膠的研究局限于流變性質(zhì)、分子質(zhì)量、單糖組成和應(yīng)用潛力等，缺乏微觀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性的研究，奇亞籽凝膠內(nèi)多糖分子構(gòu)象的研究，尤其是多糖分離純化方面研究較少且停留在初步分析階段，可能因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提取難度大，提取方法和工藝尚未成熟，使奇亞籽凝膠中多糖提取具有一定的難度[39]；奇亞籽凝膠的生物活性及保健功效的研究正成為一大研究熱點(diǎn)，關(guān)于奇亞籽凝膠的生物活性的作用機(jī)制也逐步被挖掘。多糖含量在凝膠中居主要位置，且國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為多糖的結(jié)構(gòu)影響生物活性[40-41]，因此在后續(xù)研究中關(guān)于其內(nèi)含的多糖的研究會(huì)是熱點(diǎn)和難點(diǎn)，成為奇亞籽凝膠應(yīng)用開(kāi)展的重要理論基礎(chǔ)。