奇亞籽凝膠的提取、功能及應用研究進展

彭彬倩，羅文濤，王姿頤，沈曉芳

江南大學食品學院（無錫 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[2]、多不飽和脂肪酸，特別是α-亞麻酸[3-4]，天然抗氧化劑[5]，如酚類化合物等。自2014年國家衛計委批準奇亞籽作為新食品原料，國內對奇亞籽的健康益處的認識日益增加，市場需求隨之擴大，并在食品工業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，種子周圍會出現黏液，這種黏液是陰離子水溶性雜凝膠，是國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價值，了解其功能特性將大大拓寬其工業應用的潛力[7]。但鮮有研究者對奇亞籽凝膠的研究進展進行總結，因此對奇亞籽凝膠研究進展包括其應用潛力進行概括。

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，表皮細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。研究發現不同工藝條件影響黏液的提取率，其產量在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奇亞籽進行脫脂，凝膠收率達到12.6%，同時發現顆粒整體或粉碎型影響收率，在不同顆粒狀態下，奇亞籽的產膠率為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，細胞成分以黏液的形式溢出，包裹在整個果實表面，但附著時韌性較強，且從種子中擴散出來的凝膠，包含在種皮或相鄰層，滲出物要么部分交聯，要么與種子表面結合，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→機械攪拌→離心→上清液→凍干、磨粉過篩→奇亞籽凝膠→乙醇或其他有機溶劑洗滌純化或用于其他試驗

水提法是提取奇亞籽凝膠最為常用的方法。Xing等[12]通過料液比1∶40（g/mL），80 ℃下連續攪拌2 h，通過40目篩網進行壓榨，在液氮中快速凍結，冷凍干燥得到凝膠固體，并采用優化的固相萃取法，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奇亞籽凝膠得率的工藝并進行優化研究，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]采用響應面法確定在85 ℃下，料液比1∶31（g/mL），提取時間2 h為最佳組合，此時凝膠產量最大，為12.4%。Ramos等[14]考慮到高溫可以使蛋白質分子的展開程度增大，多糖形成有序的結構或組裝區，導致更多的疏水性基團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，并可用于未來食品開發的凝膠結構類型。

脫脂工藝參與奇亞籽凝膠的提取過程中也是研究的熱點。Segura-Campos等[10]為研究不同脫脂工藝對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奇亞籽顆粒進行脫脂，在25～30 ℃下攪拌2 h，懸濁液經過真空過濾和蒸發干燥得到脫脂奇亞籽凝膠。Timilsena等[16]將水提后的黏液經索氏法脫脂，醇洗去除不溶性纖維素、半纖維素、木質素和蛋白質，最后利用乙醇沉淀凝膠，凍干保存，純化后的奇亞籽凝膠產率為種子干重的3.8%。

2 奇亞籽凝膠的理化性質

2.1 凝膠組成

從宏觀纖維結構觀察來看，奇亞籽凝膠是大分子網狀結構[8]，光學顯微鏡下能清楚地顯示出種子被膜在與水接觸時，纖維束從種子被膜中發出，掃描電鏡和透射電鏡研究證實了纖維生長時三維網絡的形成，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從0.87 nm增加到6.44 nm的現象，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，在結構上由線性四糖基本單元組成：D-吡喃葡萄糖基的兩端側支各有1個D-木糖殘基，并與1個4-O-甲基-D-吡喃葡萄糖基醛酸側支相連[20]。

Timilsena等[16]采用高效液相色譜法測定純化后的奇亞籽凝膠中單糖和醛酸的組成。結果表明，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

奇亞籽是一種優良的天然植物膠源，具有良好的理化性能和功能性，在食品工業中具有廣闊的應用前景。Segura-Campos等[9]認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，說明其作為食品穩定劑的潛力之大。

Timilsena等[22]對奇亞籽凝膠在水溶液中的流變學和微觀結構特性進行研究，發現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，流變學測量結果表明，黏彈性特性與界面距離有關，生物材料傾向于在界面附近形成結構構型，意味著該凝膠乳化性能的形成是由油相周圍空間結構所決定的，同時發現剪切應力的作用導致奇亞籽黏液分子彈性的重構，而非耗散特性的重構，這些都反映奇亞籽凝膠的穩定性較好。Campos等[24]優選工藝參數后，提取率為4.95%，表觀黏度為80.11 mPa·s，乳液穩定性為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 ℃下達到最大溶解度，為870 g/kg。Timilsena等[16]通過差示掃描量熱法和熱重量分析測試，結果表明奇亞籽凝膠具有良好的熱穩定性，在涉及高溫過程的應用中頗具潛力，同時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]通過比較整粒和粉碎的奇亞籽，發現粉碎型（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]測得凍干奇亞籽凝膠的吸附等溫線呈S形，符合在水蒸汽系統上玻璃態生物聚合物等溫線的特征，奇亞籽凝膠的玻璃化轉變溫度在42.93～57.93 ℃之間，說明即使水分活度值達0.7時，生物聚合物也處于非晶態玻璃態。

3 奇亞籽凝膠的生物活性

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

3.1 調節腸道菌群

腸道微生物群在人類健康中發揮重要作用，我們的胃腸道中有密集的微生物群落，它們可以通過食用膳食纖維來調節[26]。奇亞籽凝膠中的主要成分可溶性纖維，影響營養物質或非營養物質的吸收，以及小腸中因腔內黏液含量的增加而發生的轉運行為[27-28]，奇亞籽凝膠是可溶性膳食纖維的良好來源，能夠在低濃度下產生高黏度的親水分散體[29]。Tamargo等[30]利用體外胃腸消化模型，研究奇亞籽黏液對人體具有代表性的腸道菌群表觀黏度、生長和代謝活性的影響，發現黏液可被微生物群利用。

3.2 控制體重

研究發現，不同健康狀態的肥胖者腸道菌群的差異較大，肥胖個體腸道細菌多樣性降低，肥胖引發的并發癥可能與腸道菌群相關[31]。奇亞籽凝膠中的可溶性膳食纖維可調節腸道菌群，這可能會給肥胖患者帶來福音。同時奇亞籽泡水膨脹后產生10倍于自身體積的凝膠，攝入后對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 奇亞籽凝膠的應用潛力

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

4.1 食用級薄膜

多糖具有良好的成膜性能，具有較高的摩爾質量，可作為制備食用級薄膜的基質。Vieira等[33]提取奇亞籽凝膠作為一種新型膜基，發現奇亞籽所提取的水膠體具有較高的熱穩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，可以延長食品的保質期。結合紅外光譜結果圖，Timilsena等[16]發現奇亞籽凝膠在pH 1.8～12.0范圍內呈現陰離子特征（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的潛力[34]。

4.2 乳化劑和穩定劑

脂質含量在穩定油水乳劑中發揮重要作用[35]，碳水化合物可以避免油滴在水溶液中的絮凝和聚結[36]，同時，蛋白質含量是乳化性質的重要影響因素之一。Segura-Campos等[9]測得奇亞籽凝膠或部分脫脂凝膠的蛋白質含量均高于玉米膠（5.1%）和牧豆樹膠（5.8%），且含有脂質、多糖等物質。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存在弱彈性凝膠行為。Campos等[24]以奇亞籽凝膠為乳化劑和穩定劑，在最佳提取條件下制備冰淇淋，保持了產品的質量。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中可作為良好的乳化劑和穩定劑。

4.3 其他食品應用

在較高的水分活度條件下，奇亞籽凝膠在研究溫度范圍內（25 ℃）是穩定的，表明可用于微膠囊化多種生物活性材料，可以保護其不受有害環境因素的影響，延長貨架期[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，以期取代傳統的薄膜包衣，在人體內緩釋，減少胃出血等副作用的產生。結果表明，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14種羊奶凍甜點配方進行研究，2種膠的加入增加基質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，在中國奇亞籽作為一款新食品原料，因其豐富的營養成分和保健功效逐漸受到國人青睞。目前，對奇亞籽凝膠的研究局限于流變性質、分子質量、單糖組成和應用潛力等，缺乏微觀結構系統性的研究，奇亞籽凝膠內多糖分子構象的研究，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，可能因其結構復雜，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，關于奇亞籽凝膠的生物活性的作用機制也逐步被挖掘。多糖含量在凝膠中居主要位置，且國內外學者認為多糖的結構影響生物活性[40-41]，因此在后續研究中關于其內含的多糖的研究會是熱點和難點，成為奇亞籽凝膠應用開展的重要理論基礎。