奇亚籽胶的功能性质及其在食品中的应用研究进展

陆家慧，刘树萍

（哈尔滨商业大学旅游烹饪学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

奇亚籽（Chia seed）是薄荷类植物芡欧鼠尾草的种子，具有很高的营养价值，已逐渐成为最受消费者欢迎的食品之一[1]。奇亚籽蛋白质含量相对较高（16%～26%），且富含多不饱和脂肪酸尤其是亚麻酸[2]，达总油脂（30%～34%）含量的68%[3]。相比其他水果和种子，它具有更高的膳食纤维含量（34%～42%）[4]。同时，奇亚籽也含有多种多酚和抗氧化成分，例如：咖啡酸、迷迭香酸、杨梅素和槲皮素等[5]。奇亚籽及其衍生产物在食品、医疗、制药、营养保健以及动物饲料等领域具有广阔的应用前景，其中，奇亚籽胶尤其受到研究者的关注。它良好的生物活性功能和物理性质，不仅可以降低人体胆固醇水平并有助于改善肠道功能，而且可以作为增稠剂、胶凝剂和螯合剂等应用于食品、制药和化妆品领域[6]，是一种富有前景的新兴生物材料。

奇亚籽胶的主要成分是一种阴离子杂多糖，由α-D-吡喃木糖、β-D-吡喃葡萄糖和4-O-甲基-D-吡喃葡萄糖醛酸组成[7]（图1）。当奇亚籽浸没于水溶液时，其表皮细胞外细胞壁会释放出高粘度的奇亚籽胶溶液。在完全水合后，会呈现附着在种粒上的透明溶胶状物[8]。这些黏液牢固地附着在种子上（主要存在于种皮和相邻层中，部分交联或结合在种子表面[9]），提高了提取的困难程度。研究者们通过多种手段提取出奇亚籽胶，得率为5%～15.5%[10]。奇亚籽胶具有良好的吸水、保水和乳化等能力，因此，在肉制品、烘焙产品、乳制品等领域有着出色的应用潜能[11]。本文将就奇亚籽胶的提取工艺、奇亚籽胶所具有的营养成分和功能性质以及目前在食品中的应用进行综述。

图1 奇亚籽多糖结构Fig.1 Structure of chia seed polysaccharide

1 奇亚籽胶的制备工艺

提取奇亚籽胶的方法主要是水提法[12]，分为三个步骤，首先是奇亚籽的水合阶段，该过程中不同的水提参数不仅会明显改变得率，而且对粗多糖纯度和相对粘度也有重要影响。常规的选择是冷水浸提，但该方法耗时长，得率较低。因此，研究者开发了多种优化方案，例如：调整溶液酸碱度或改变水提温度等；第二步是通过物理方法将附着在奇亚籽表面的胶体剥离下来，并根据应用目的采用旋蒸或索式抽提的方式进行纯化；第三步是通过不同的干燥技术，例如：热风空气循环或冷冻干燥，将提取的液态产品进行脱水以便存储。

1.1 奇亚籽胶的渗出提取

优化水提方案的首要目的是促进奇亚籽粘液在水性介质中渗出。通过改变料液比和温度，调节pH等方法可以有效提高提取率[13]。MUNOZ等[14]研究了料液比、温度、pH等参数对奇亚籽胶提取率的影响，发现在料液比为1:40（w/v），温度80 ℃，pH9时提取率最大（7%）。并且随着三者的增大，提取率都呈上升趋势，其中，温度和料液比对提取率的影响比pH更显著。ORIFICI等[15]使用响应面方法对奇亚籽胶的提取参数进行建模和优化，并用二阶多项式模型预测提取率的变化。预期最佳提取条件为温度85 ℃，料液比为1:31（w/v），该条件下的提取率为11.6%。GUSTAVO等[16]发现在水合过程中采用超声技术也可以促使种子周围的粘液层渗出，并且随着超声功率的增加和时间的延长，提取率始终保持增加的趋势，在最高施加能量密度（10080 J/mL）下，粘液从种子上完全剥离。同时超声技术对纯化胶体去除杂质也有显著增益的效果。

1.2 奇亚籽胶的分离纯化和干燥

1.2.1 奇亚籽胶的分离纯化方法 粘液从种子中渗出后，通常采用机械搅拌或真空过滤[17]的方式将其分离。ORIFICI等[15]控制其他变量固定，研究机械搅拌时间对奇亚籽胶提取效果的影响，结果表明当机械搅拌时间从1 h增加到2 h时，产率显著增加了26.3%（P<0.05），在2 h时达到最高（9.7%），而在3 h时产率明显下降。

纯化方式同样也是奇亚籽胶提取过程中的一个研究焦点。GOH等[18]采用室温水合加机械搅拌的方式进行提取，并使用旋转蒸发仪对奇亚籽胶溶液进一步浓缩提纯，提高了奇亚籽胶的纯度，提取率仅为1.2%，但是浓缩后再水化的样品粘度值更高。这可能是因为纯化后凝胶的致密网状结构限制了分子间运动。SEGURA等[19]在水提前分别用索氏提取法和超临界流体萃取法对奇亚籽颗粒进行脱脂，在25～30 ℃下搅拌2 h，悬浊液经过真空过滤可得到12.6%的奇亚籽胶，并且脱脂后的奇亚籽胶粘度值显著增加。综上所述，高温水提与机械搅拌更适用于工业领域进行大规模提取。而目前纯化手段的研究仅仅停留在实验室小批量提纯阶段，条件较为苛刻，还需要进行广泛深入的研究以谋求工业适用性更强的方法。

1.2.2 奇亚籽胶的干燥方法 在室温条件下，奇亚籽胶的保质期仅有数小时。因此，合适的干燥技术能够尽可能地保存其大部分活性成分，从而延长其储存寿命。目前研究中应用最多的是热风干燥和真空冷冻干燥。TAVARES等[20]对上述两种干燥方式进行了比较，发现使用真空冷冻干燥的奇亚籽凝胶的提取率（8.31%）较热风干燥（6.42%）提高了1.89%，并且该凝胶溶液具有更高的触变性。YEDIDA等[21]研究了喷雾干燥法对奇亚籽胶回收率的影响，结果表明回收率随进风温度的升高而降低，随进料流量和空气流量的增加而增加。当喷雾干燥的参数为150 ℃，475 mL/h和54 m3/h时回收率最高。研究表明以喷雾干燥法生产的奇亚籽胶提取率显著升高，其自动化和省时高效的特性非常符合标准化工业生产的要求。

2 奇亚籽胶的主要营养成分与功能性质

2.1 奇亚籽胶的主要营养成分

奇亚籽胶是一种高分子量复合碳水化合物，它的主要成分是膳食纤维（29%～38%），其中，可溶性膳食纤维比重约占种子整体纤维含量的6%[22]。它的高膳食纤维含量使其易于形成凝胶从而具有良好的包封特性。YEH等[23]认为奇亚籽胶含有的大量膳食纤维使其具有良好的保水性和吸水性。奇亚籽胶的蛋白质含量约为10%且脂肪含量较低[24]，同时也含有一定量的抗氧化成分（包括酚类化合物）和不饱和脂肪酸，尤其是亚麻酸（56.16%）和亚油酸（20.64%）[25]。

2.2 奇亚籽胶的功能性质

2.2.1 奇亚籽胶的生理功能 奇亚籽胶作为一种高膳食纤维含量的水凝胶，具有改善人体健康的良好生理特性。VERA等[26]研究表明奇亚籽胶可以在胃肠道中保持一定的粘度从而附着在胃壁上达到减缓肠道运输、提供更多饱腹感的目的。ALFONSO等[27]认为奇亚籽胶可以缓解胃排空并改善肠胃松弛，还能够抑制营养物质吸收以及胆汁酸的结合，从而降低人的餐后血糖反应和胆固醇，并减少患冠心病，高血压，糖尿病等疾病的风险。TAMARGO等[28]认为奇亚籽胶不会影响肠道的物理特性（肠内腔的粘度），但可能会影响肠道菌群的细菌生长和代谢活性，这和RUBIO[29]的研究结果相似。

2.2.2 奇亚籽胶的抗氧化能力 研究表明奇亚籽胶中含有丰富的天然抗氧化剂，例如生育酚、植物甾醇、类胡萝卜素和酚类化合物[30−31]，目前，已有研究表明，奇亚籽胶具有一定的抗氧化性。COELHO等[32]提取出了奇亚籽胶中的酚类化合物，发现其具有淬灭DPPH自由基的能力以及可以抑制愈创木酚的酶促氧化。REYES等[33]在奇亚籽胶中鉴定出的主要生物活性化合物是槲皮素和山奈酚，同时还含有浓度较低的咖啡酸和绿原酸，研究者也分析了奇亚籽胶对β-胡萝卜素-亚油酸模型（β-CLAMS）和体外脂质氧化的影响，结果表明奇亚籽胶具有与市售抗氧化剂相当的功能效果，是良好的天然抗氧化剂。

2.2.3 溶解性 溶解度表示在受控温度下一段时间内已溶解的分子数量[34]。HERNÁNDEZ等[35]的研究表明在不同温度（30、60、70和90 ℃）、浓度（0.15%、0.25%和0.5%）和离心条件（800和2000 r/min）下奇亚籽胶的溶解度都接近100%，显著高于刺梧桐胶、阿拉伯胶以及落叶松胶[36−37]。TIMILSENA等[38]的研究表明奇亚籽胶的溶解度会随pH和温度的增加而提高，在碱性条件（pH9.0）和室温下的溶解度（97%）比在中性和酸性高，但在60 ℃后溶解度变化不显著。TIMILSENA等[39]发现解聚后奇亚籽胶馏分在水中的溶解能力更强，推测是由于相邻链之间的分子间相互作用减弱所致。

2.2.4 乳化活性及乳化稳定性 乳化活性是指分子促进两种不相溶液体的增溶或分散，乳化稳定性是维持乳状液稳定及抗破裂的能力[40]，这是蛋白质和多糖在基于乳液的食品系统中重要的功能特性。大多数亲水胶体可以充当油水乳液的稳定剂，但只有少数可以充当乳化剂[41]。MARIANELA等[42]的研究表明，奇亚籽胶的乳化活性及稳定性显著大于明胶和瓜尔豆胶，这为食品行业乳化稳定剂的选择提供了新的思路。研究者们对奇亚籽胶高乳化活性的原因也展开了探究，GARTI等[43]认为奇亚籽胶之所以具备稳定乳液的能力，是其含有的少量蛋白质使它能够吸附到固体或液体界面上，并且在没有任何化学或酶促改性的情况下能够稳定水乳液中的油相。AVILADE等[44]的研究结果则表明，奇亚籽胶溶液的黏弹特性与其界面距离密切相关，他们认为该凝胶乳化性能的形成是由油相周围空间结构所决定的，因此，奇亚籽胶在低浓度或室温条件下均可呈现出高乳化活性（>45%）和乳化稳定性[45]。浓度的改变也会增强奇亚籽胶的乳化能力，刘婷婷等[46]进一步提纯出奇亚籽胶中的多糖，对其进行功能和流变特性分析，结果表明随着质量浓度的增加，奇亚籽胶多糖对乳状液的稳定性显著增强，因为多糖质量浓度的升高减缓了乳状液液滴的扩散运动，使液滴间具有强作用力从而形成稳定结构。不同干燥方式对奇亚籽胶乳化活性也有影响，ANTIGO等[47]研究了冷冻干燥和热风干燥对奇亚籽胶功能特性的影响，结果显示两种胶体溶液均显示出假塑性特征，并且冷冻干燥后的样品在乳化活性、乳液稳定性和溶解度等方面性能更佳。以上结果表明，奇亚籽胶颗粒可在连续的可溶性聚合物溶液中组成独特稳定的体系，有利于在食品基质中提供不同程度的稳定作用，并且在食品工业中尤其是加工条件较为苛刻的领域，有潜力取代人工合成的稳定剂和乳化剂。

2.2.5 持水力和持油力 持水力（WHC）是在施加外力后被水化样品吸收和持有水分的能力，持油力（OHC）则表现为通过蛋白质分子内的非极性侧向位点吸收油的能力[48]。持水力的大小取决于许多因素，例如：物料成分和水的相互作用，水合位置数和蛋白质构型等[49]。研究表明奇亚籽胶具有良好的持水力和持油力。OLIVOS等[50]将奇亚籽胶与其他商用胶体进行了比较，发现奇亚籽胶的WHC和OHC显著高于常见市售商业胶体。GALLA等[51]认为奇亚籽胶之所以具有良好的持水力是因为它的蛋白质和纤维含量高，二者可以充分地与水结合从而锁住水分。SALGADO等[52]使用扫描电镜和拉曼光谱对奇亚籽胶的微观结构进行分析，发现构成奇亚籽胶的黏液丝是一种纳米团聚体，彼此相互交织构成了海绵状的空间网格结构。COOREY等[45]认为这种海绵状结构具有更好的捕获和吸收油滴的能力。此外，SEGURA等[53]发现提取原材料的不同会影响奇亚籽胶的功能性质，研究者从整粒和研碎的奇亚籽中提取了奇亚籽胶，发现前者的吸水能力显著高于后者，二者的持水力（100～149.28 g/g）和持油力（19.5～40.4 g/g）也不尽相同。奇亚籽胶的高WHC可以确保烘焙产品的新鲜度和柔软度，而它优越的脂肪吸收能力则与油炸食品的脱脂效果以及风味属性息息相关，因而可在食品加工设计中发挥重要作用。

3 奇亚籽胶在食品中的应用

奇亚籽胶因其营养价值及持水/油性、乳化性、稳定性等特性，可在食品工业中充当绿色改良剂或抗氧化剂，因此，对其在食品领域的应用开展研究很有学术意义和实用价值。

3.1 在肉类产品中的应用

奇亚籽良好的乳化稳定性和抗氧化性在肉类产品中有着广阔的应用前景，它可以提高烹饪产量，降低配方和生产成本，改善肉制品的质构和营养属性，延长肉制品的货架期。目前，在肉类产品中主要的添加方式是直接添加或制作成多糖/蛋白质或复合基质的乳液凝胶（EG）。CAMARA等[54]尝试用冻干的粉末状奇亚籽胶与均质冷凝的奇亚籽凝胶替代博洛尼亚香肠中的磷酸盐以充当乳化剂和粘合剂，结果表明添加了奇亚籽凝胶的香肠比添加冻干粉的香肠具有更好的乳液稳定性，且当添加量为2%时感官接受性最佳。在此基础上，CAMARA等[55]使用响应面法探究不同种类胶凝剂（羧甲基纤维素钠、转谷氨酰胺酶、角叉菜胶、乳清蛋白、胶原蛋白、复合藻酸盐）与奇亚籽胶复配制作成的EG，并研究其对猪肉肠品质的影响，发现奇亚籽胶与乳清蛋白、藻酸盐、胶原蛋白相容性最佳，复配添加可提高EG和猪肉肠的稳定性。同时该研究还表明奇亚籽胶与转谷氨酰胺酶和角叉菜胶结合效果不理想，可能是由于各种成分的混合增加了乳液系统的复杂性，从而阻碍空间网络的交互作用。ANA等[56]进一步使用藻酸盐-奇亚籽胶复配的乳液凝胶替代博洛尼亚香肠中的猪背脂，并研究了模拟体外消化过程中产品微观结构的变化，结果表明，奇亚籽胶对蛋白质网络中分散脂肪滴的大小和密致程度有很大的影响。以上研究表明，奇亚籽胶与藻酸盐及蛋白质之间有着良好的化学亲和性，可以形成稳定的凝胶网络。使用其所制成的乳液凝胶既具有与动物脂肪相似的功能性，又不会对感官特性造成很大的影响，说明其作为一种肉类产品的乳化剂和粘合剂是具有市场前景的。

3.2 在焙烤类制品中的应用

由于奇亚籽胶具有强大的保水和保油能力，因此，可作为一种天然添加剂，应用在烘焙产品中。FERNANDES等[57]使用奇亚籽胶替代面包中的油脂，所制得的面包与对照组相比脂类含量降低了36.7%，消费者的感官接受性更高且购买意向更强烈。GALLO等[58]研究了在同等储存条件下使用奇亚籽胶作为巧克力蛋糕中的鸡蛋替代品，感官结果分析表明奇亚籽胶的添加对巧克力蛋糕的风味没有造成明显影响，并且相较对照组，添加奇亚籽胶还可以抑制蛋糕的脂质氧化，提高产品的储存安全性。奇亚籽胶不仅可以单独添加到产品中，还能与其他功能成分复配使用。GUIOTTO等[59]将经全脂、半脱脂和脱脂的奇亚籽粉复合奇亚籽胶添加到面包中以替代小麦面粉，改良后的面团吸水率更高、稳定性更强、面包感官接受性良好。LUNA等[60]使用水、菊粉、奇亚籽胶和亚麻籽油组合制作成的功能成分作为松饼中的黄油替代品，改良后的松饼营养品质得到了提升，脂肪含量降低且TBARS值较对照组显著降低。研究者认为这与奇亚籽胶中存在的抗氧化化合物有关。在焙烤类产品中使用奇亚籽胶不仅可以用作脂肪替代品以实现降脂的目的，还可以改善产品的感官特性，为食品企业改良烘焙产品提供了思路。

3.3 在乳制品及衍生品中的应用

鉴于消费者对食品健康和营养的需求不断提升，研究者和食品制造商设计出纤维含量高、脂肪含量低、不含化学添加剂的新型乳制品。将奇亚籽胶添加在乳制品及衍生产品中，充当脂肪或者商用乳化剂/增稠剂来改善食品的口感和质量。CAMPOS等[61]基于对冰淇淋质构、超限和融溶测试的结果，认为奇亚籽胶可以代替配方中的乳化剂和稳定剂。刘婷婷等[62]研究发现，奇亚籽胶所具有的保水性和保油性会使得冰淇淋浆料黏度增加，进而阻碍溶质分子的迁移，减少物质间的相互作用从而增强冰淇淋的稳定性；但感官分析显示，用粘液配制的冰淇淋样品和对照组之间存在显著性差异，主要是由于奇亚籽胶的添加会加重产品的颜色。DARWISH等[63]发现随着酸奶中奇亚胶浓度的增加（最高2%）膳食纤维含量也随之增加，弹性值及感官评分也相应升高，但是添加量为3%时会让酸奶的口味变得过淡。RIBES等[64]进一步研究了奇亚籽胶对脱脂酸奶营养、质构和感官特性的影响，在酸奶配方中添加7.5%的奇亚籽胶可以降低储存过程中的脱水收缩程度，并且在酸奶内部形成了高度集中的网络结构，具有更好的抗应力性，因此，它的稠度、硬度和粘度值更高。CHAVES等[65]探究了奇亚籽胶复配刺槐豆胶添加到甜品羊奶冻中的影响，结果表明：二者的添加增加了羊奶冻的水分含量和表观粘度，而表观粘度的增加也降低了膨胀率，阻碍了气泡掺入从而加强了产品的稳定性，同时羊奶冻的总脂质含量较对照样品降低了50%。奇亚籽胶可以单独或与其他亲水胶体协同作用，使得乳制品的质地和热稳定性增强，营养成分得以改善，其独特的物理和化学特性使之在乳类制品中有着广阔的应用前景，也为乳品行业研发新型产品开辟了新的道路。

3.4 在食品保鲜和包装中的应用

奇亚籽胶作为一种新型的复杂多糖可以和蛋白质、脂质等结合，具有建立聚合物相互作用的能力，因此有良好的成膜特性，可用于包装涂料和可食用涂膜。不同干燥方式得到的奇亚籽胶成膜性能有所差异。VIEIRA等[66]发现奇亚籽胶作为一种新型膜基具有较高的热稳定性和潜在的天然抗氧化能力，作为包装材料可以延长食品的保质期。为了达到更好的储藏效果，奇亚籽胶可以单独或与其他材料复配应用于食品保鲜和包装中。OBAN等[67]使用奇亚籽胶与枸杞提取物复配制作了可食用包衣，将其涂在虹鳟鱼片的表面，涂膜在鱼片的表面形成了活性涂层；与对照组相比，鱼片的保质期延长了5倍，使用2%枸杞提取物的奇亚籽胶包衣抑制脂质氧化最为显著，并且有效阻碍了各类嗜温需氧菌的生长。COBAN等[68]将奇亚籽胶复配蜂胶提取物制作的涂膜包裹在鲈鱼鱼片上，研究了其在2 ℃储存期间的储藏特性，经测定，未涂膜的鱼片有效保质期为8 d而奇亚籽胶和0.3%蜂胶提取物的组合可延长保质期至20 d。除了制作涂膜，奇亚籽胶因其在室温下优异的稳定性还可以作为食品包装，微囊化多种活性成分。LDA等[69]使用奇亚籽胶作为天然甜菜染料的包封剂，结果表明，与对照组相比，用奇亚籽胶和麦芽糊精制备的样品在喷雾干燥后花青素负载量更高，并且将其分散在不同pH和温度的水溶液中，微胶囊显示出良好的染料保留能力。开发奇亚籽胶作为可食用涂膜可以延缓食品脱水、抑制脂质氧化和微生物生长，并且可以延长食品的货架期，因此，其在高水分产品（如肉类和乳制品）中的应用前景广阔。由于奇亚籽胶有着优秀的包封特性，可在部分稳定性较差的食品基质中作为封装过程中的防腐剂，其绿色天然的特点也为生产可生物降解的食品包装提供了新的可能（表1）。

表1 奇亚籽胶在食品中的应用及效果Table 1 Application and effect of chia gum in food

4 结论与展望

作为一种新型天然绿色凝胶，奇亚籽胶拥有广阔的市场前景。目前，奇亚籽胶的水提工艺研究已较为成熟，但其最佳的干燥方式和纯化手段尚未有一致的结论，因此，接下来的研究应着眼于通过可靠的科学数据支持，实现提取方法和剂量的标准化以支持大规模的食品应用，在改善提取参数的同时，挖掘更具有工业潜力的纯化与干燥方法。

奇亚籽胶在食品工业中有着巨大的应用潜力，在肉类产品中可以作为天然乳化剂替代磷酸盐来改善肉制品的质量；在烘焙食品中不仅可以提高产品营养价值，还可以作为稳定剂代替蛋白、脂肪或面筋；而增稠和乳化的效果同样可以作为绿色增稠剂开发新型乳制品。此外，奇亚籽胶也因其优异的成膜特性和抗氧化性为食品保鲜领域增添了新的选项。在未来的研究中，除了优化相应配方和技术手段以确保质量之外，还应该对现有或新型食品基质中掺入奇亚籽胶的感官特性进行验证和分析，探究奇亚籽多糖和食品内其他生物活性物质的相互作用以及对食品本身的影响，在明确奇亚籽胶对人体消化性能影响的基础上，进行相应的研究以消除或抑制其对肠道菌群的负面作用。