奇亞籽膠的功能性質及其在食品中的應用研究進展

陸家慧，劉樹萍

（哈爾濱商業大學旅游烹飪學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

奇亞籽（Chia seed）是薄荷類植物芡歐鼠尾草的種子，具有很高的營養價值，已逐漸成為最受消費者歡迎的食品之一[1]。奇亞籽蛋白質含量相對較高（16%～26%），且富含多不飽和脂肪酸尤其是亞麻酸[2]，達總油脂（30%～34%）含量的68%[3]。相比其他水果和種子，它具有更高的膳食纖維含量（34%～42%）[4]。同時，奇亞籽也含有多種多酚和抗氧化成分，例如：咖啡酸、迷迭香酸、楊梅素和槲皮素等[5]。奇亞籽及其衍生產物在食品、醫療、制藥、營養保健以及動物飼料等領域具有廣闊的應用前景，其中，奇亞籽膠尤其受到研究者的關注。它良好的生物活性功能和物理性質，不僅可以降低人體膽固醇水平并有助于改善腸道功能，而且可以作為增稠劑、膠凝劑和螯合劑等應用于食品、制藥和化妝品領域[6]，是一種富有前景的新興生物材料。

奇亞籽膠的主要成分是一種陰離子雜多糖，由α-D-吡喃木糖、β-D-吡喃葡萄糖和4-O-甲基-D-吡喃葡萄糖醛酸組成[7]（圖1）。當奇亞籽浸沒于水溶液時，其表皮細胞外細胞壁會釋放出高粘度的奇亞籽膠溶液。在完全水合后，會呈現附著在種粒上的透明溶膠狀物[8]。這些黏液牢固地附著在種子上（主要存在于種皮和相鄰層中，部分交聯或結合在種子表面[9]），提高了提取的困難程度。研究者們通過多種手段提取出奇亞籽膠，得率為5%～15.5%[10]。奇亞籽膠具有良好的吸水、保水和乳化等能力，因此，在肉制品、烘焙產品、乳制品等領域有著出色的應用潛能[11]。本文將就奇亞籽膠的提取工藝、奇亞籽膠所具有的營養成分和功能性質以及目前在食品中的應用進行綜述。

圖1 奇亞籽多糖結構Fig.1 Structure of chia seed polysaccharide

1 奇亞籽膠的制備工藝

提取奇亞籽膠的方法主要是水提法[12]，分為三個步驟，首先是奇亞籽的水合階段，該過程中不同的水提參數不僅會明顯改變得率，而且對粗多糖純度和相對粘度也有重要影響。常規的選擇是冷水浸提，但該方法耗時長，得率較低。因此，研究者開發了多種優化方案，例如：調整溶液酸堿度或改變水提溫度等；第二步是通過物理方法將附著在奇亞籽表面的膠體剝離下來，并根據應用目的采用旋蒸或索式抽提的方式進行純化；第三步是通過不同的干燥技術，例如：熱風空氣循環或冷凍干燥，將提取的液態產品進行脫水以便存儲。

1.1 奇亞籽膠的滲出提取

優化水提方案的首要目的是促進奇亞籽粘液在水性介質中滲出。通過改變料液比和溫度，調節pH等方法可以有效提高提取率[13]。MUNOZ等[14]研究了料液比、溫度、pH等參數對奇亞籽膠提取率的影響，發現在料液比為1:40（w/v），溫度80 ℃，pH9時提取率最大（7%）。并且隨著三者的增大，提取率都呈上升趨勢，其中，溫度和料液比對提取率的影響比pH更顯著。ORIFICI等[15]使用響應面方法對奇亞籽膠的提取參數進行建模和優化，并用二階多項式模型預測提取率的變化。預期最佳提取條件為溫度85 ℃，料液比為1:31（w/v），該條件下的提取率為11.6%。GUSTAVO等[16]發現在水合過程中采用超聲技術也可以促使種子周圍的粘液層滲出，并且隨著超聲功率的增加和時間的延長，提取率始終保持增加的趨勢，在最高施加能量密度（10080 J/mL）下，粘液從種子上完全剝離。同時超聲技術對純化膠體去除雜質也有顯著增益的效果。

1.2 奇亞籽膠的分離純化和干燥

1.2.1 奇亞籽膠的分離純化方法 粘液從種子中滲出后，通常采用機械攪拌或真空過濾[17]的方式將其分離。ORIFICI等[15]控制其他變量固定，研究機械攪拌時間對奇亞籽膠提取效果的影響，結果表明當機械攪拌時間從1 h增加到2 h時，產率顯著增加了26.3%（P<0.05），在2 h時達到最高（9.7%），而在3 h時產率明顯下降。

純化方式同樣也是奇亞籽膠提取過程中的一個研究焦點。GOH等[18]采用室溫水合加機械攪拌的方式進行提取，并使用旋轉蒸發儀對奇亞籽膠溶液進一步濃縮提純，提高了奇亞籽膠的純度，提取率僅為1.2%，但是濃縮后再水化的樣品粘度值更高。這可能是因為純化后凝膠的致密網狀結構限制了分子間運動。SEGURA等[19]在水提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可得到12.6%的奇亞籽膠，并且脫脂后的奇亞籽膠粘度值顯著增加。綜上所述，高溫水提與機械攪拌更適用于工業領域進行大規模提取。而目前純化手段的研究僅僅停留在實驗室小批量提純階段，條件較為苛刻，還需要進行廣泛深入的研究以謀求工業適用性更強的方法。

1.2.2 奇亞籽膠的干燥方法 在室溫條件下，奇亞籽膠的保質期僅有數小時。因此，合適的干燥技術能夠盡可能地保存其大部分活性成分，從而延長其儲存壽命。目前研究中應用最多的是熱風干燥和真空冷凍干燥。TAVARES等[20]對上述兩種干燥方式進行了比較，發現使用真空冷凍干燥的奇亞籽凝膠的提取率（8.31%）較熱風干燥（6.42%）提高了1.89%，并且該凝膠溶液具有更高的觸變性。YEDIDA等[21]研究了噴霧干燥法對奇亞籽膠回收率的影響，結果表明回收率隨進風溫度的升高而降低，隨進料流量和空氣流量的增加而增加。當噴霧干燥的參數為150 ℃，475 mL/h和54 m3/h時回收率最高。研究表明以噴霧干燥法生產的奇亞籽膠提取率顯著升高，其自動化和省時高效的特性非常符合標準化工業生產的要求。

2 奇亞籽膠的主要營養成分與功能性質

2.1 奇亞籽膠的主要營養成分

奇亞籽膠是一種高分子量復合碳水化合物，它的主要成分是膳食纖維（29%～38%），其中，可溶性膳食纖維比重約占種子整體纖維含量的6%[22]。它的高膳食纖維含量使其易于形成凝膠從而具有良好的包封特性。YEH等[23]認為奇亞籽膠含有的大量膳食纖維使其具有良好的保水性和吸水性。奇亞籽膠的蛋白質含量約為10%且脂肪含量較低[24]，同時也含有一定量的抗氧化成分（包括酚類化合物）和不飽和脂肪酸，尤其是亞麻酸（56.16%）和亞油酸（20.64%）[25]。

2.2 奇亞籽膠的功能性質

2.2.1 奇亞籽膠的生理功能 奇亞籽膠作為一種高膳食纖維含量的水凝膠，具有改善人體健康的良好生理特性。VERA等[26]研究表明奇亞籽膠可以在胃腸道中保持一定的粘度從而附著在胃壁上達到減緩腸道運輸、提供更多飽腹感的目的。ALFONSO等[27]認為奇亞籽膠可以緩解胃排空并改善腸胃松弛，還能夠抑制營養物質吸收以及膽汁酸的結合，從而降低人的餐后血糖反應和膽固醇，并減少患冠心病，高血壓，糖尿病等疾病的風險。TAMARGO等[28]認為奇亞籽膠不會影響腸道的物理特性（腸內腔的粘度），但可能會影響腸道菌群的細菌生長和代謝活性，這和RUBIO[29]的研究結果相似。

2.2.2 奇亞籽膠的抗氧化能力 研究表明奇亞籽膠中含有豐富的天然抗氧化劑，例如生育酚、植物甾醇、類胡蘿卜素和酚類化合物[30?31]，目前，已有研究表明，奇亞籽膠具有一定的抗氧化性。COELHO等[32]提取出了奇亞籽膠中的酚類化合物，發現其具有淬滅DPPH自由基的能力以及可以抑制愈創木酚的酶促氧化。REYES等[33]在奇亞籽膠中鑒定出的主要生物活性化合物是槲皮素和山奈酚，同時還含有濃度較低的咖啡酸和綠原酸，研究者也分析了奇亞籽膠對β-胡蘿卜素-亞油酸模型（β-CLAMS）和體外脂質氧化的影響，結果表明奇亞籽膠具有與市售抗氧化劑相當的功能效果，是良好的天然抗氧化劑。

2.2.3 溶解性 溶解度表示在受控溫度下一段時間內已溶解的分子數量[34]。HERNáNDEZ等[35]的研究表明在不同溫度（30、60、70和90 ℃）、濃度（0.15%、0.25%和0.5%）和離心條件（800和2000 r/min）下奇亞籽膠的溶解度都接近100%，顯著高于刺梧桐膠、阿拉伯膠以及落葉松膠[36?37]。TIMILSENA等[38]的研究表明奇亞籽膠的溶解度會隨pH和溫度的增加而提高，在堿性條件（pH9.0）和室溫下的溶解度（97%）比在中性和酸性高，但在60 ℃后溶解度變化不顯著。TIMILSENA等[39]發現解聚后奇亞籽膠餾分在水中的溶解能力更強，推測是由于相鄰鏈之間的分子間相互作用減弱所致。

2.2.4 乳化活性及乳化穩定性 乳化活性是指分子促進兩種不相溶液體的增溶或分散，乳化穩定性是維持乳狀液穩定及抗破裂的能力[40]，這是蛋白質和多糖在基于乳液的食品系統中重要的功能特性。大多數親水膠體可以充當油水乳液的穩定劑，但只有少數可以充當乳化劑[41]。MARIANELA等[42]的研究表明，奇亞籽膠的乳化活性及穩定性顯著大于明膠和瓜爾豆膠，這為食品行業乳化穩定劑的選擇提供了新的思路。研究者們對奇亞籽膠高乳化活性的原因也展開了探究，GARTI等[43]認為奇亞籽膠之所以具備穩定乳液的能力，是其含有的少量蛋白質使它能夠吸附到固體或液體界面上，并且在沒有任何化學或酶促改性的情況下能夠穩定水乳液中的油相。AVILADE等[44]的研究結果則表明，奇亞籽膠溶液的黏彈特性與其界面距離密切相關，他們認為該凝膠乳化性能的形成是由油相周圍空間結構所決定的，因此，奇亞籽膠在低濃度或室溫條件下均可呈現出高乳化活性（>45%）和乳化穩定性[45]。濃度的改變也會增強奇亞籽膠的乳化能力，劉婷婷等[46]進一步提純出奇亞籽膠中的多糖，對其進行功能和流變特性分析，結果表明隨著質量濃度的增加，奇亞籽膠多糖對乳狀液的穩定性顯著增強，因為多糖質量濃度的升高減緩了乳狀液液滴的擴散運動，使液滴間具有強作用力從而形成穩定結構。不同干燥方式對奇亞籽膠乳化活性也有影響，ANTIGO等[47]研究了冷凍干燥和熱風干燥對奇亞籽膠功能特性的影響，結果顯示兩種膠體溶液均顯示出假塑性特征，并且冷凍干燥后的樣品在乳化活性、乳液穩定性和溶解度等方面性能更佳。以上結果表明，奇亞籽膠顆粒可在連續的可溶性聚合物溶液中組成獨特穩定的體系，有利于在食品基質中提供不同程度的穩定作用，并且在食品工業中尤其是加工條件較為苛刻的領域，有潛力取代人工合成的穩定劑和乳化劑。

2.2.5 持水力和持油力 持水力（WHC）是在施加外力后被水化樣品吸收和持有水分的能力，持油力（OHC）則表現為通過蛋白質分子內的非極性側向位點吸收油的能力[48]。持水力的大小取決于許多因素，例如：物料成分和水的相互作用，水合位置數和蛋白質構型等[49]。研究表明奇亞籽膠具有良好的持水力和持油力。OLIVOS等[50]將奇亞籽膠與其他商用膠體進行了比較，發現奇亞籽膠的WHC和OHC顯著高于常見市售商業膠體。GALLA等[51]認為奇亞籽膠之所以具有良好的持水力是因為它的蛋白質和纖維含量高，二者可以充分地與水結合從而鎖住水分。SALGADO等[52]使用掃描電鏡和拉曼光譜對奇亞籽膠的微觀結構進行分析，發現構成奇亞籽膠的黏液絲是一種納米團聚體，彼此相互交織構成了海綿狀的空間網格結構。COOREY等[45]認為這種海綿狀結構具有更好的捕獲和吸收油滴的能力。此外，SEGURA等[53]發現提取原材料的不同會影響奇亞籽膠的功能性質，研究者從整粒和研碎的奇亞籽中提取了奇亞籽膠，發現前者的吸水能力顯著高于后者，二者的持水力（100～149.28 g/g）和持油力（19.5～40.4 g/g）也不盡相同。奇亞籽膠的高WHC可以確保烘焙產品的新鮮度和柔軟度，而它優越的脂肪吸收能力則與油炸食品的脫脂效果以及風味屬性息息相關，因而可在食品加工設計中發揮重要作用。

3 奇亞籽膠在食品中的應用

奇亞籽膠因其營養價值及持水/油性、乳化性、穩定性等特性，可在食品工業中充當綠色改良劑或抗氧化劑，因此，對其在食品領域的應用開展研究很有學術意義和實用價值。

3.1 在肉類產品中的應用

奇亞籽良好的乳化穩定性和抗氧化性在肉類產品中有著廣闊的應用前景，它可以提高烹飪產量，降低配方和生產成本，改善肉制品的質構和營養屬性，延長肉制品的貨架期。目前，在肉類產品中主要的添加方式是直接添加或制作成多糖/蛋白質或復合基質的乳液凝膠（EG）。CAMARA等[54]嘗試用凍干的粉末狀奇亞籽膠與均質冷凝的奇亞籽凝膠替代博洛尼亞香腸中的磷酸鹽以充當乳化劑和粘合劑，結果表明添加了奇亞籽凝膠的香腸比添加凍干粉的香腸具有更好的乳液穩定性，且當添加量為2%時感官接受性最佳。在此基礎上，CAMARA等[55]使用響應面法探究不同種類膠凝劑（羧甲基纖維素鈉、轉谷氨酰胺酶、角叉菜膠、乳清蛋白、膠原蛋白、復合藻酸鹽）與奇亞籽膠復配制作成的EG，并研究其對豬肉腸品質的影響，發現奇亞籽膠與乳清蛋白、藻酸鹽、膠原蛋白相容性最佳，復配添加可提高EG和豬肉腸的穩定性。同時該研究還表明奇亞籽膠與轉谷氨酰胺酶和角叉菜膠結合效果不理想，可能是由于各種成分的混合增加了乳液系統的復雜性，從而阻礙空間網絡的交互作用。ANA等[56]進一步使用藻酸鹽-奇亞籽膠復配的乳液凝膠替代博洛尼亞香腸中的豬背脂，并研究了模擬體外消化過程中產品微觀結構的變化，結果表明，奇亞籽膠對蛋白質網絡中分散脂肪滴的大小和密致程度有很大的影響。以上研究表明，奇亞籽膠與藻酸鹽及蛋白質之間有著良好的化學親和性，可以形成穩定的凝膠網絡。使用其所制成的乳液凝膠既具有與動物脂肪相似的功能性，又不會對感官特性造成很大的影響，說明其作為一種肉類產品的乳化劑和粘合劑是具有市場前景的。

3.2 在焙烤類制品中的應用

由于奇亞籽膠具有強大的保水和保油能力，因此，可作為一種天然添加劑，應用在烘焙產品中。FERNANDES等[57]使用奇亞籽膠替代面包中的油脂，所制得的面包與對照組相比脂類含量降低了36.7%，消費者的感官接受性更高且購買意向更強烈。GALLO等[58]研究了在同等儲存條件下使用奇亞籽膠作為巧克力蛋糕中的雞蛋替代品，感官結果分析表明奇亞籽膠的添加對巧克力蛋糕的風味沒有造成明顯影響，并且相較對照組，添加奇亞籽膠還可以抑制蛋糕的脂質氧化，提高產品的儲存安全性。奇亞籽膠不僅可以單獨添加到產品中，還能與其他功能成分復配使用。GUIOTTO等[59]將經全脂、半脫脂和脫脂的奇亞籽粉復合奇亞籽膠添加到面包中以替代小麥面粉，改良后的面團吸水率更高、穩定性更強、面包感官接受性良好。LUNA等[60]使用水、菊粉、奇亞籽膠和亞麻籽油組合制作成的功能成分作為松餅中的黃油替代品，改良后的松餅營養品質得到了提升，脂肪含量降低且TBARS值較對照組顯著降低。研究者認為這與奇亞籽膠中存在的抗氧化化合物有關。在焙烤類產品中使用奇亞籽膠不僅可以用作脂肪替代品以實現降脂的目的，還可以改善產品的感官特性，為食品企業改良烘焙產品提供了思路。

3.3 在乳制品及衍生品中的應用

鑒于消費者對食品健康和營養的需求不斷提升，研究者和食品制造商設計出纖維含量高、脂肪含量低、不含化學添加劑的新型乳制品。將奇亞籽膠添加在乳制品及衍生產品中，充當脂肪或者商用乳化劑/增稠劑來改善食品的口感和質量。CAMPOS等[61]基于對冰淇淋質構、超限和融溶測試的結果，認為奇亞籽膠可以代替配方中的乳化劑和穩定劑。劉婷婷等[62]研究發現，奇亞籽膠所具有的保水性和保油性會使得冰淇淋漿料黏度增加，進而阻礙溶質分子的遷移，減少物質間的相互作用從而增強冰淇淋的穩定性；但感官分析顯示，用粘液配制的冰淇淋樣品和對照組之間存在顯著性差異，主要是由于奇亞籽膠的添加會加重產品的顏色。DARWISH等[63]發現隨著酸奶中奇亞膠濃度的增加（最高2%）膳食纖維含量也隨之增加，彈性值及感官評分也相應升高，但是添加量為3%時會讓酸奶的口味變得過淡。RIBES等[64]進一步研究了奇亞籽膠對脫脂酸奶營養、質構和感官特性的影響，在酸奶配方中添加7.5%的奇亞籽膠可以降低儲存過程中的脫水收縮程度，并且在酸奶內部形成了高度集中的網絡結構，具有更好的抗應力性，因此，它的稠度、硬度和粘度值更高。CHAVES等[65]探究了奇亞籽膠復配刺槐豆膠添加到甜品羊奶凍中的影響，結果表明：二者的添加增加了羊奶凍的水分含量和表觀粘度，而表觀粘度的增加也降低了膨脹率，阻礙了氣泡摻入從而加強了產品的穩定性，同時羊奶凍的總脂質含量較對照樣品降低了50%。奇亞籽膠可以單獨或與其他親水膠體協同作用，使得乳制品的質地和熱穩定性增強，營養成分得以改善，其獨特的物理和化學特性使之在乳類制品中有著廣闊的應用前景，也為乳品行業研發新型產品開辟了新的道路。

3.4 在食品保鮮和包裝中的應用

奇亞籽膠作為一種新型的復雜多糖可以和蛋白質、脂質等結合，具有建立聚合物相互作用的能力，因此有良好的成膜特性，可用于包裝涂料和可食用涂膜。不同干燥方式得到的奇亞籽膠成膜性能有所差異。VIEIRA等[66]發現奇亞籽膠作為一種新型膜基具有較高的熱穩定性和潛在的天然抗氧化能力，作為包裝材料可以延長食品的保質期。為了達到更好的儲藏效果，奇亞籽膠可以單獨或與其他材料復配應用于食品保鮮和包裝中。OBAN等[67]使用奇亞籽膠與枸杞提取物復配制作了可食用包衣，將其涂在虹鱒魚片的表面，涂膜在魚片的表面形成了活性涂層；與對照組相比，魚片的保質期延長了5倍，使用2%枸杞提取物的奇亞籽膠包衣抑制脂質氧化最為顯著，并且有效阻礙了各類嗜溫需氧菌的生長。COBAN等[68]將奇亞籽膠復配蜂膠提取物制作的涂膜包裹在鱸魚魚片上，研究了其在2 ℃儲存期間的儲藏特性，經測定，未涂膜的魚片有效保質期為8 d而奇亞籽膠和0.3%蜂膠提取物的組合可延長保質期至20 d。除了制作涂膜，奇亞籽膠因其在室溫下優異的穩定性還可以作為食品包裝，微囊化多種活性成分。LDA等[69]使用奇亞籽膠作為天然甜菜染料的包封劑，結果表明，與對照組相比，用奇亞籽膠和麥芽糊精制備的樣品在噴霧干燥后花青素負載量更高，并且將其分散在不同pH和溫度的水溶液中，微膠囊顯示出良好的染料保留能力。開發奇亞籽膠作為可食用涂膜可以延緩食品脫水、抑制脂質氧化和微生物生長，并且可以延長食品的貨架期，因此，其在高水分產品（如肉類和乳制品）中的應用前景廣闊。由于奇亞籽膠有著優秀的包封特性，可在部分穩定性較差的食品基質中作為封裝過程中的防腐劑，其綠色天然的特點也為生產可生物降解的食品包裝提供了新的可能（表1）。

表1 奇亞籽膠在食品中的應用及效果Table 1 Application and effect of chia gum in food

4 結論與展望

作為一種新型天然綠色凝膠，奇亞籽膠擁有廣闊的市場前景。目前，奇亞籽膠的水提工藝研究已較為成熟，但其最佳的干燥方式和純化手段尚未有一致的結論，因此，接下來的研究應著眼于通過可靠的科學數據支持，實現提取方法和劑量的標準化以支持大規模的食品應用，在改善提取參數的同時，挖掘更具有工業潛力的純化與干燥方法。

奇亞籽膠在食品工業中有著巨大的應用潛力，在肉類產品中可以作為天然乳化劑替代磷酸鹽來改善肉制品的質量；在烘焙食品中不僅可以提高產品營養價值，還可以作為穩定劑代替蛋白、脂肪或面筋；而增稠和乳化的效果同樣可以作為綠色增稠劑開發新型乳制品。此外，奇亞籽膠也因其優異的成膜特性和抗氧化性為食品保鮮領域增添了新的選項。在未來的研究中，除了優化相應配方和技術手段以確保質量之外，還應該對現有或新型食品基質中摻入奇亞籽膠的感官特性進行驗證和分析，探究奇亞籽多糖和食品內其他生物活性物質的相互作用以及對食品本身的影響，在明確奇亞籽膠對人體消化性能影響的基礎上，進行相應的研究以消除或抑制其對腸道菌群的負面作用。