奇亞籽膠提取工藝優化及其理化性質

劉樹萍，陸家慧，張佳美，彭秀文，蘇曉文，石長波

（哈爾濱商業大學 旅游烹飪學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

植物種子是重要的食物來源，富含膳食纖維和人體所必需的脂肪酸。奇亞籽為西班牙鼠尾草的種子，屬于唇形科，常產于南美和澳大利亞等熱帶地區[1]，具有較高的營養價值和食用價值，已有大量研究報道其在食品、藥品領域的應用[2]。奇亞籽膠（chia mucilage，CM）是一種陰離子雜多糖，當奇亞籽浸沒于水溶液時，其表皮細胞外的細胞壁會釋放出高黏度的奇亞籽膠溶液，與水充分接觸后，種粒上會附著透明溶膠狀物[3]。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），增加了提取的困難程度[4]。研究表明，不同的提取手段與參數會影響奇亞籽膠的化學組成，從而影響其功能特性[5]。本研究以奇亞籽為原料，通過水提法提取奇亞籽膠，確定其最優提取工藝，并對其理化性質進行表征，為奇亞籽膠的提取及潛在應用開發研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

奇亞籽：廣州雙誠食品有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、石油醚、乙醇、乙酸乙酯：天津市天力化學試劑有限公司；亞甲基藍指示劑、甲基紅指示劑：天津市光復精細化工研究所；蒽酮：上海源葉生物科技有限公司。以上試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

電熱恒溫水浴鍋（DK-98-Ⅱ）：天津市泰斯特儀器有限公司；電動攪拌器（JJ-1）：國華（常州）儀器制造有限公司；冷凍干燥機（FD-1A-80）：北京博醫康實驗儀器有限公司；均質機（T25）：上海珂淮儀器有限公司；pH 計（FE28）、高速離心機（L535-1）、水分測定儀（he/8302）：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；全自動凱式定氮儀（K9860）：濟南海能儀器股份有限公司；數字式黏度計（NDJ-5S）：上海精天電子儀器有限公司；索式提取器（SZF-06A）：浙江托普儀器有限公司；石墨消解儀（SH220N）：山東海能科學儀器有限公司；紫外分光光度計（MAPADA）：上海元析儀器有限公司；傅里葉紅外光譜儀（Nicolet iS 20）：賽默飛世爾科技（中國）有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 奇亞籽膠提取工藝流程

參考Timilsena 等[6]的方法并稍作修改，稱取10 g奇亞籽溶于對應料液比的蒸餾水中，使用0.1 mol/L 的NaOH（或HCl）溶液調節pH 值，密封并在恒溫水浴鍋中于對應的溫度和時間下充分浸潤奇亞籽。使用電動攪拌器在不同時間下勻速（40×g）攪拌奇亞籽水溶液，然后室溫條件下將水溶液400×g 離心30 min，通過18 目篩分離黏液。將分離出的上清液再400×g 離心10 min，取出上清液，置于干燥盤，-24 ℃冷凍48 h。冷凍干燥機凍干24 h，使用研磨缽充分研磨直至碾成均勻的粉末，于4 ℃密封存儲。

1.2.2 奇亞籽膠提取工藝單因素試驗

選取試驗固定的單因素：料液比1∶30（g/mL）、浸提溫度80 ℃、攪拌時間120 min、pH7.0，以奇亞籽膠得率為指標，探究料液比[1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50（g/mL）]、浸提溫度（60、70、80、90、100 ℃）、攪拌時間（80、100、120、140、160 min）、pH 值（5.0、6.0、7.0、8.0、9.0）對奇亞籽膠提取率的影響。

1.2.3 奇亞籽膠提取工藝的響應面優化試驗

根據單因素試驗結果，選取對奇亞籽膠得率影響較大的3 個因素（料液比、提取溫度、pH 值）進行響應面優化試驗，采用Design-Expert 8.0.6 軟件，設計三因素三水平試驗，中心點重復5 次，響應面試驗因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Variables and levels of response surface methodology

1.2.4 奇亞籽膠得率的計算

奇亞籽膠得率（W，%）計算公式如下。

式中：m1為奇亞籽質量，g；m2為奇亞籽膠凍干粉質量，g。

1.2.5 水分含量的測定

精確稱取0.5 g 奇亞籽膠樣品均勻鋪在樣品盤中，利用水分測定儀測定奇亞籽膠的水分含量。

1.2.6 蛋白質、脂肪以及灰分含量的測定

參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中的方法檢測奇亞籽膠蛋白質含量；參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》中的方法檢測奇亞籽膠脂肪含量；依據GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》中的方法檢測奇亞籽膠灰分含量。

1.2.7 總糖含量的測定

采用蒽酮比色法測定奇亞籽膠的總糖含量，參考Tian 等[7]的方法稍作修改。將奇亞籽膠溶于水，然后以體積比為1∶13 與乙醇混合，4 ℃過夜保存。混合物在室溫下4 000×g 離心10 min。然后濾去上清液，將沉淀溶解、凍干后得到奇亞籽粗多糖。

標準曲線的制備：配制0.2、0.4、0.5、0.6、0.7 μg/mL葡萄糖標準溶液分別放入試管中，用蒸餾水稀釋至10 mL。然后向每管中分別注入1 mL 葡萄糖稀溶液和4 mL 0.2%蒽酮-硫酸溶液。然后將各溶液于80 ℃恒溫水浴10 min，取出冷卻后在620 nm 波長處測定吸光度。以葡萄糖濃度（μg/mL）為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線（y=0.003 3x+0.167 4，R2=0.998 3）。

1.2.8 乳化活性和乳化穩定性的測定

參考徐潔茹等[8]的方法略作修改，將0.15 g 奇亞籽膠粉末充分溶于15 mL 磷酸鹽緩沖溶液（0.1 mol/L，pH7.0）中，分別加入5.0、7.5、10.0 mL 大豆油作為分散相，在16 000 r/min 下均質5 min，取100 μL 靜置0、10 min的乳液底層樣品加入到10 mL 的0.1% 十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）溶液中，振蕩直至混勻，利用紫外分光光度計在500 nm 波長處測定稀釋后的乳液的吸光度。乳化活性（E，m2/g）計算公式如下。

式中：E 為單位質量多糖的乳化表面積，m2/g；2 為平均散射系數；2.303 為比例系數，A500為稀釋乳液在500 nm 處的吸光度；D 為乳液在0.1%SDS 溶液中的稀釋倍數；ρ 為樣品溶液中多糖的質量濃度，10 000 g/m3；φ 為油相在乳液中所占比例，0.25；L 為比色皿的光徑，0.01 m。

乳化穩定性（B，%）計算公式如下。

式中：B 為乳液靜置10 min 后的乳化穩定性，%；E1為0 min 時的乳化活性，m2/g；E2為10 min 時的乳化活性，m2/g。

1.2.9 持水力和持油力的測定

參考周士琪[9]的方法稍作修改，稱取0.1 g 樣品，置于20 mL 蒸餾水或玉米油（玉米油密度為0.92 g/mL）中，使用磁力攪拌器攪拌1 h，隨后在室溫條件下放置過夜以確保其充分溶解，然后將懸浮液以3 000×g 離心30 min，測量上清液的體積。持水力（C，%）和持油力（O，%）的計算公式如下。

式中：C 為持水力，%；O 為持油力，%；m1為蒸餾水中溶脹樣品的質量，g；m2為玉米油中溶脹樣品的質量，g；m0為干燥樣品的質量，g。

1.2.10 溶解度的測定

參考Mirhosseini 等[10]的方法稍作修改，將20 mL不同濃度（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）的奇亞籽膠懸浮液分別置于25、40、60、80 ℃水浴鍋中攪拌30 min。然后在室溫下于2 000×g 離心15 min，將上清液烘干過夜后稱量。溶解度（S，%）的計算公式如下。

式中：S 為溶解度，%；m1為初始質量，g；m0為最終質量，g。

1.2.11 起泡性和起泡穩定性的測定

起泡性的測定參照Mu?oz Hernández[11]的方法稍作修改。以酪蛋白酸鈉（sodium caseinate，SC）為參考，配制不同濃度的奇亞籽膠懸浮液在室溫下10 000 r/min均質10 min，記錄靜置0、30 min 的泡沫體積，起泡性（F，%）和起泡穩定性（T，%）計算公式如下。

式中：F 為起泡性，%；T 為起泡穩定性，%；Vs為溶液初始體積，mL；V0為0 min 時泡沫的體積，mL ；V30為30 min 時泡沫的體積，mL。

1.2.12 傅里葉紅外光譜測定

參考Goh 等[12]的方法稍作修改，將奇亞籽膠凍干粉在去離子水中水合2 h，然后在培養皿中于60 ℃干燥48 h，獲得薄膜。然后用透射模式對干燥膜的特定官能團進行分析表征。測定波長為4 000～500 cm-1，掃描次數為3，分辨率為4 cm-1。

1.3 數據處理與分析

使用SPSS 軟件對所得數據進行分析，采用Origin 2019 作圖，試驗結果均以平均值±標準差表示，所有試驗均做3 次平行。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 料液比對奇亞籽膠得率的影響

圖1 為料液比對奇亞籽膠得率的影響。

圖1 料液比對奇亞籽膠得率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate of chia mucilage

從圖1 中可以看出，料液比對奇亞籽膠得率的影響較大。在相同的工藝條件下，當水溶液較少時，奇亞籽未能充分與水交互從而導致奇亞籽膠無法析出[13]，因此在料液比為1∶10（g/mL）時，奇亞籽膠得率最低，為2.95%。此后，隨著溶劑體積的增加，奇亞籽膠得率也隨之增長，當料液比達到1∶40（g/mL）后，奇亞籽膠得率增長趨于平緩，說明在該條件下奇亞籽膠的析出達到飽和，這是由于增大了料液比會對奇亞籽產生更大的細胞外滲透壓[14]，影響了其細胞破裂程度，從而使奇亞籽膠得率提升。當料液比為1∶50（g/mL）時，奇亞籽膠得率最高，為6.35%，但該條件下耗水量較多，干燥時間過長，提取效率低，且奇亞籽膠得率較料液比1∶40（g/mL）無顯著差異（P＞0.05），因此選擇料液比1∶40（g/mL）為最佳提取參數。

2.1.2 浸提溫度對奇亞籽膠得率的影響

圖2 為浸提溫度對奇亞籽膠得率的影響。

圖2 浸提溫度對奇亞籽膠得率的影響Fig.2 Effect of leaching temperature on extraction rate of chia mucilage

從圖2 中可以看出，當浸提溫度從60 ℃升高至90 ℃時，奇亞籽膠得率保持明顯增加趨勢，浸提溫度90 ℃時，奇亞籽膠得率達到最高（5.01%）。說明在較高的溫度下奇亞籽種子中充分釋放奇亞籽膠，這是因為隨著溫度升高，與種子相連的黏液黏度降低，同時奇亞籽膠的溶解度和其中的水溶性多糖在細胞壁中的傳質速率也隨之增長[15]，因此在較高的溫度下奇亞籽膠可以有效地溢出。當浸提溫度超過90 ℃時，奇亞籽膠得率降低，可能是溫度過高加劇了奇亞籽膠分子中糖苷鍵的斷裂[16]，使后續處理過程中奇亞籽膠得率降低。因此選擇最佳浸提溫度為90 ℃。

2.1.3 攪拌時間對奇亞籽膠得率的影響

圖3 為攪拌時間對奇亞籽膠得率的影響。

圖3 攪拌時間對奇亞籽膠得率的影響Fig.3 Effect of stirring time on extraction rate of chia mucilage

從圖3 中可以觀察到，隨著攪拌時間延長，奇亞籽膠得率整體呈增長趨勢，當攪拌時間為80～120 min時，奇亞籽膠得率顯著增加（P＜0.05），當攪拌時間超過120 min 后，奇亞籽膠得率略有下降但趨于平穩，說明在該條件下，奇亞籽膠已被全部剝離。奇亞籽膠得率下降的原因可能是隨著攪拌時間的延長，產生的雜質與奇亞籽膠相互吸附或者競爭溶劑。因此選擇最佳攪拌時間為120 min。

2.1.4 pH 值對奇亞籽膠得率的影響

圖4 為pH 值對奇亞籽膠得率的影響。

圖4 pH 值對奇亞籽膠得率的影響Fig.4 The effect of pH value on extraction rate of chia mucilage

從圖4 中可以觀察到，隨著溶液pH 值的增加，奇亞籽膠得率呈現先上升后下降的趨勢，說明堿性環境較酸性環境更能促進奇亞籽膠的析出，對于這種現象尚未有直接的解釋。但奇亞籽膠在堿性較高的條件下可能會發生降解[17]，因此當pH 值大于8.0 時，奇亞籽膠得率降低。最終選擇的最佳pH 值為8.0。

2.2 奇亞籽膠提取的響應面優化試驗結果與分析

2.2.1 回歸方程的建立

響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Response surface experimental design and results

如表2 所示，以料液比（A）、浸提溫度（B）、pH 值（C）為自變量，奇亞籽膠得率為響應值（Y），進行響應面優化試驗。利用Design-Expert 軟件對表2 數據進行多元回歸擬合，得到二次多項回歸模型：Y=7.31+0.45A+0.22B+0.021C+0.092AB+0.14BC-0.16A2-0.34B2-0.4C2。

2.2.2 回歸模型的方差分析

回歸模型方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

由表3 可知，整體模型達到極顯著水平（P＜0.01），失擬項P=0.006 0＜0.01，極顯著，R2=0.911 5，說明該方程的擬合較好，模型具有統計學意義。方差分析結果顯示：B、B2為顯著項（P＜0.05），A、C2為極顯著項（P＜0.01）。由方差分析結果可知，各因素的影響順序依次為料液比（A）＞浸提溫度（B）＞pH 值（C）。

2.2.3 響應面交互作用分析

各因素交互作用見圖5～圖7。

圖5 料液比與pH 值交互作用對得率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio and pH interaction on extraction rate

圖6 料液比與浸提溫度交互作用對得率的影響Fig.6 Effect of solid-liquid ratio and temperature interaction on extraction rate

圖7 浸提溫度與pH 值交互作用對得率的影響Fig.7 Effect of temperature and pH interaction on extraction rate

由圖5～圖7 可知，AC（料液比與pH 值）、AB（料液比與浸提溫度）、BC（浸提溫度與pH 值）交互作用對奇亞籽膠得率的影響不顯著，與回歸模型方差分析結果一致。

2.3 試驗結果驗證

通過單因素結合響應面試驗法優化奇亞籽膠提取工藝，通過軟件得出最佳提取條件為料液比1∶45（g/mL）、浸提溫度90.27 ℃、pH8.24，奇亞籽膠得率預測值為7.68%。根據實際條件調整得到的最佳提取條件為料液比1∶45（g/mL）、浸提溫度90 ℃、pH8.2，驗證試驗結果顯示，奇亞籽膠平均得率為（7.59±0.12）%，說明模型可靠，且該條件下，奇亞籽膠得率高于Mu?oz 等[18]（7%）和Ayerza 等[19]（6%）的研究結果。

2.4 奇亞籽膠的基本組分

奇亞籽膠的基本組分結果見表4。

表4 奇亞籽膠的基本組分Table 4 The composition of chia mucilage %

由表4 可知，該方法提取的奇亞籽膠水分含量低于Avila-De 等[20]的結果（10.60±0.22）%，粗蛋白和脂肪含量較Camara 等[21]報道的結果[（11.95±0.55）%、（26.46±1.30）%]低，這是因為利用篩子手工刮離奇亞籽凍干混合物的方法使種子在摩擦過程中破裂，隨黏液通過篩網，進而降低雜質的比重，蛋白質和脂肪的含量得到提高。而利用攪拌器進行分離的方法可以減少種子破碎的幾率，降低粗蛋白和脂肪的含量從而提高純度。研究表明，奇亞籽膠的蛋白質含量越低，其本身的增厚和膠凝能力就越強[22]。由表4 可知，總糖含量占化學組分總量的比重最高，Bosquez-Molina 等[23]的研究表明碳水化合物可以延伸到大量的水相中，通過空間排斥力避免油滴在水溶液中的絮凝和聚結，從而穩定乳液，這是奇亞籽膠能夠穩定液態或固態分散體的主要原因。而灰分含量明顯高于Capitani 等[24]所報道的結果（4.8%）。

2.5 奇亞籽膠的物理性質

2.5.1 奇亞籽膠的乳化活性及乳化穩定性

乳化活性是指分子促進2 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[25]，這兩項指標是蛋白質和多糖在基于乳液的食品系統中重要的功能性質。奇亞籽膠的乳化活性及乳化穩定性結果如圖8 所示。

圖8 奇亞籽膠的乳化活性及乳化穩定性Fig.8 Emulsifying activity and emulsifying stability of chia mucilage

由圖8 可知，乳化活性為29.3～53.1 m2/g，乳化穩定性為19.2%～46.7%。乳化活性和乳化穩定性均隨著水油比的增加而顯著增加（P＜0.05），即隨著奇亞籽膠濃度的增大而增加，說明奇亞籽膠能在沒有任何化學或酶改性的情況下穩定乳狀液中的油滴。奇亞籽膠穩定乳液的主要機制是通過增加體相的黏度來降低油滴的動力學流動性，從而減少顆粒聚結，其中的親水成分會延伸到水相中，通過空間排斥力穩定油滴[26]。

2.5.2 奇亞籽膠的持水力和持油力

持水力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[27]。試驗結果表明，奇亞籽膠的持水力為（14.78±0.53）%，持油力為（21.80±1.31）%。研究表明，奇亞籽膠的持水力與其蛋白質和纖維有關，因為纖維由多個游離羥基組成，可以與水分子建立化學鍵，而蛋白質上的親水位點會與水相互作用，與水充分結合從而鎖住水分。奇亞籽膠的高持水力可以確保烘焙產品的新鮮度和柔軟度，奇亞籽膠的持油力為（21.80±1.31）%，這與Punia 等[28]研究中的22.3%符合，表明奇亞籽膠有著較高的持油力。

2.5.3 奇亞籽膠的溶解度

溶解度表示在受控溫度下在一段時間內已溶解的分子數量，是評估粉末在水溶液中性質的最可靠標準。圖9 為奇亞籽膠的溶解度與溫度的關系。

圖9 奇亞籽膠的溶解度Fig.9 Solubility of chia mucilage

由圖9 可知，當奇亞籽膠濃度小于等于0.6%時，溶解度隨著溫度升高而明顯增加，80 ℃時，奇亞籽膠的溶解度最高，這是因為多糖鏈之間的氫鍵在高溫下斷裂，O—H 基團暴露于水中從而提高了溶解度。當奇亞籽膠濃度大于0.6%，溫度高于60 ℃時，溶解度降低。這可能是因為在高溫下，過量的奇亞籽膠發生了膠凝作用[29]。同時，隨奇亞籽膠濃度的增加，各溫度下的溶解度整體上呈增加趨勢。這可能是因為奇亞籽膠濃度的增加提高了溶液的pH 值，從而提升了溶解度。

2.5.4 奇亞籽膠的起泡性與起泡穩定性

起泡性是食品工業中衡量食物蛋白質功能性質的一個重要因素，然而有些單一蛋白質無論是在起泡能力還是起泡穩定性方面均存在一定的局限性，不能滿足食品行業日益嚴格的需求[30]。而蛋白質和多糖可以在不同的pH 值和混合比例下形成不同狀態的復合物。這些包括單個可溶性聚合物、分子內可溶性復合物、分子間可溶性復合物和分子間不溶性復合物，它們可能會不同程度地影響蛋白質的發泡性能。奇亞籽膠的起泡性與起泡穩定性結果見表5。

表5 奇亞籽膠的起泡性與起泡穩定性Table 5 Foaming properties of chia mucilage

由表5 可知，奇亞籽膠的添加顯著提高了混合溶液的起泡性（P＜0.05）及起泡穩定性（P＜0.05）。這是因為多糖與蛋白質二者的相互作用，構成了蛋白質-多糖基質從而形成小氣泡，賦予溶液穩定的充氣結構[11]。奇亞籽膠良好的起泡性和起泡穩定性使其在冰淇淋及其他乳制品中有著廣闊的應用前景。

2.5.5 傅里葉紅外光譜分析

圖10 為奇亞籽膠的傅里葉紅外光譜結果。

圖10 傅里葉紅外光譜分析Fig.10 FTIR analysis of chia mucilage

由圖10 可知，在約3 399、2 925、1 049 cm-1處為多糖中常見的峰，分別代表羥基的延展（—OH）、甲烯基的延展（—CH 和—CH2）以及與糖類的芳香基團結合的C O。1 420 cm-1處的特征峰代表糖醛酸羧基的羧基（—COO—）的對稱延展，1 610 cm-1處的特征峰表示的是甘露糖的環延展。以上特征峰在多糖類化合物中較為常見，并且與多個植物膠體所顯示的特征峰相似[31]。

3 結論

本文采取單因素結合響應面的試驗方法，在單因素試驗的基礎上利用響應面進一步優化奇亞籽膠的提取工藝。最佳提取參數為料液比1∶45（g/mL）、溫度90 ℃、pH8.2，此條件下奇亞籽膠的得率為（7.59±0.12）%。對最佳工藝提取出的奇亞籽膠進行理化性質分析，結果表明，最優工藝提取的奇亞籽膠純度較高，脂肪及蛋白質含量較低，同時具有良好的乳化性、乳化活性、持水力、持油力、溶解度、起泡性及起泡穩定性，在加工食品中具有較大潛力。