综述：车前草（Plantago ovata）籽壳纤维的结构与功能特性：现有认知及拓展其在食品及其他领域应用的策略

《COMPREHENSIVE REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND FOOD SAFETY》：Structural and Functional Properties of Fiber From Psyllium (Plantago ovata) Husk: Current Knowledge and Strategies to Expand Its Application in Food and Beyond

高粘性蒲公英种子壳纤维具有饱腹感、血糖调控、心血管健康及肠道功能改善等显著营养价值，但其应用常受制于吸水率调节困难、凝胶粘性过强和颜色变化等问题。研究表明，纤维的流变学特性（如物理凝胶与化学凝胶的差异）与分子结构（如阿拉伯木糖uronan-I和异木糖的组成及交联密度）密切相关。通过分馏、化学修饰（如磺化、羟丙基化）或基因工程策略可优化其功能特性，例如降低凝胶强度或增强水分结合能力，从而拓展在无麸质烘焙、功能性食品及医药包埋剂等领域的应用。

　　### 解读：关于Psyllium（车前草籽壳）及其在食品工业中的应用与挑战

Psyllium，源自植物 *Plantago ovata* 的种子外层纤维，因其高粘度和凝胶化能力而被广泛应用于健康补充剂和食品配料。其特性使得它在增强饱腹感、控制血糖、改善消化系统健康以及心血管健康方面表现出色。此外，它还被用作食品中的增稠剂、乳化稳定剂、结构化成分，以及替代麸质的成分。然而，尽管其应用广泛，但其在实际应用中仍面临诸多挑战，如水分控制、粘性过高导致的口感问题，以及颜色变化等。这些挑战源于其独特的凝胶特性以及高吸水性。因此，有必要深入研究其结构和流变行为，并探索改进其性能的方法，以适应更广泛的食品应用。

#### 一、Psyllium的营养价值与健康益处

Psyllium在健康领域的应用历史悠久，其主要功效包括增强饱腹感、促进体重管理、改善消化系统功能、控制血糖和胆固醇水平。这些益处主要源于其作为可溶性纤维的特性，能够形成凝胶，从而影响食物在消化道中的行为。

**1. 增强饱腹感与体重管理**
Psyllium的高粘性特性是其促进饱腹感的关键因素。在胃部消化过程中，它能够增加食物的粘稠度，从而减缓营养物质的吸收速度。这有助于减少热量摄入，进而控制体重。一些研究表明，每天摄入6.8-7.6克的Psyllium可以显著降低饥饿感。此外，一项荟萃分析指出，摄入10.8克Psyllium/天（持续4.8个月）能够减少肥胖个体的体重、体重指数和腰围。这些研究强调了Psyllium在体重管理方面的潜力，但也提醒我们，其效果可能与摄入剂量、时间以及个体差异有关。

**2. 心血管健康**
Psyllium已被证明能够降低低密度脂蛋白（LDL）胆固醇，即所谓的“坏胆固醇”，从而有助于心血管健康。这种作用机制主要与降低脂质消化率和增加胆汁酸合成有关。研究发现，当Psyllium摄入量达到7克/天时，可以有效降低LDL和总胆固醇水平。此外，临床研究还表明，Psyllium的摄入可以减少与动脉粥样硬化相关的风险。值得注意的是，Psyllium是FDA批准的两种能够降低血清胆固醇的纤维之一，这使其在健康食品和补充剂市场具有重要地位。

**3. 血糖控制与淀粉行为**
Psyllium对血糖控制的积极作用也受到广泛关注。它能够延缓葡萄糖的吸收，从而降低餐后血糖峰值。这使得它成为代谢综合征和2型糖尿病（DMT2）管理的重要工具。在一些研究中，Psyllium的摄入被证明能够降低空腹和餐后血糖水平。此外，Psyllium还能影响淀粉的消化过程，通过形成凝胶来限制淀粉颗粒的膨胀和消化。例如，在一项研究中，7克Psyllium/天的摄入显著降低了儿童和青少年的总胆固醇和LDL水平。然而，这些研究也指出，Psyllium对胰岛素水平的影响尚不明确，需要进一步的探索。

**4. 消化系统健康**
Psyllium在改善便秘和腹泻方面具有重要作用。其高吸水性能够增加粪便的水分含量，从而促进排便。此外，Psyllium还能够改善肠道微生物群的结构，促进有益菌群如 *Faecalibacterium*、*Lachnospira* 和 *Roseburia* 的生长，同时抑制与硬便和慢传输相关的菌群。这一特性使得Psyllium成为肠易激综合征（IBS）患者的推荐疗法之一。然而，也有研究指出，Psyllium的发酵特性可能因提取方法、剂量和摄入时间的不同而有所变化。例如，某些研究显示，Psyllium的某些成分可能在肠道中被发酵，从而产生短链脂肪酸（SCFAs），这可能影响肠道健康。不过，也有研究指出，Psyllium的某些成分（如高分子量的凝胶）可能不会被显著发酵，从而减少气体生成和不适感。

#### 二、Psyllium的提取与化学及流变特性

Psyllium的提取方法对其最终的化学结构和流变行为有显著影响。常见的提取方法包括冷水提取、热水提取和碱性提取。不同提取条件会导致不同的化学成分和物理特性，从而影响其在食品中的应用效果。

**1. 化学结构与流变特性**
Psyllium的主要化学成分包括D-木糖、L-阿拉伯糖和D-半乳糖酸。其结构主要由β-(1→4)-连接的木糖主链组成，侧链则由L-阿拉伯糖、D-半乳糖酸和D-葡萄糖酸等构成。不同的提取方法会导致不同的侧链分布和分子量，从而影响其凝胶化能力。例如，碱性提取的Psyllium分子量较高，且具有更强的粘弹性和凝胶特性，而冷水提取的Psyllium则表现出较低的凝胶能力，但更高的水吸收能力。这些特性使得Psyllium在不同的食品应用中表现出不同的性能。

**2. 流变行为**
Psyllium的流变特性是其在食品工业中应用的重要基础。研究表明，Psyllium的流变行为主要由氢键网络和分子链的纠缠决定。在某些研究中，Psyllium的凝胶化行为表现出“弱凝胶”和“强凝胶”两种不同的特性。例如，碱性提取的Psyllium表现出更高的存储模量（G'），而热水提取的Psyllium则表现出较低的存储模量。这些差异使得Psyllium在不同的食品应用中表现出不同的性能。例如，在面包制作中，Psyllium的高粘度可能会导致面包体积减少，但通过调整水分含量，可以改善其质地和接受度。

#### 三、Psyllium在食品中的应用与挑战

尽管Psyllium在食品工业中具有广泛应用，但其在实际应用中仍面临诸多挑战，如水分控制、粘性过高导致的口感问题、颜色变化等。

**1. 面包制作中的应用**
Psyllium是麸质替代品中的重要成分，尤其在无麸质面包（GF bread）中，其高粘度和凝胶化能力有助于改善面包的质地和稳定性。然而，过量添加Psyllium可能导致面包体积减少，口感变硬，甚至影响其外观。例如，一项研究指出，当Psyllium添加量达到17.14%时，虽然能够有效降低血糖指数（GI），但面包的接受度下降。因此，Psyllium的添加量和水分含量的平衡是其在面包制作中的关键。

**2. 其他食品应用**
Psyllium不仅在无麸质食品中有应用，在含麸质食品中也具有一定的营养价值。例如，某些研究显示，Psyllium的添加可以改善面包的营养成分，如增加纤维含量和降低脂肪含量。然而，在某些情况下，Psyllium的高粘度可能会导致烘焙过程中出现“塌陷”或“失水”现象，从而影响最终产品的质量和接受度。

**3. 食品包装与功能性食品**
Psyllium的高吸水性和凝胶特性使其成为食品包装和功能性食品的重要成分。它可以用于制作可降解的食品包装材料，同时还能作为乳化剂和稳定剂使用。例如，某些研究显示，Psyllium的添加可以提高乳制品的乳化稳定性和泡沫稳定性。此外，Psyllium的某些成分（如阿拉伯木聚糖）还具有抗氧化和抗炎特性，这使得它在功能性食品中的应用潜力巨大。

#### 四、改进Psyllium性能的策略

为了克服Psyllium在食品应用中的挑战，研究者提出了多种改进策略，包括化学修饰、物理处理、酶解以及基因改良等。

**1. 化学修饰**
化学修饰是改进Psyllium性能的一种有效手段。例如，磺化、羟丙基化和琥珀酰化等处理可以改变其分子结构，从而影响其水吸收能力和凝胶特性。磺化处理可以降低Psyllium的粘弹性，但提高其水吸收能力，使其更适合用于需要高水分含量的产品。羟丙基化则可以改善其在乳制品中的稳定性，同时减少其粘性。琥珀酰化处理可以提高其水吸收能力，但降低其凝胶强度。这些化学修饰使得Psyllium能够适应不同的食品需求，如提高口感、减少粘性或增强功能性。

**2. 物理处理**
物理处理，如伽马射线辐照，可以改变Psyllium的分子结构，从而影响其流变特性。例如，辐照处理的Psyllium在无麸质面包中的应用显示出更高的接受度，同时降低其GI。此外，高压均质化、微波辐射和超声波处理等方法也被用于改进Psyllium的结构和功能，使其在食品中的应用更加灵活。

**3. 酶解处理**
酶解处理可以改变Psyllium的分子结构，从而影响其水吸收能力和凝胶特性。例如，部分水解Psyllium可以提高其在肠道中的发酵能力，从而增加短链脂肪酸（SCFAs）的生成。此外，酶解处理还能改善Psyllium在乳制品中的稳定性，使其成为一种有效的乳化剂。

**4. 基因改良**
基因改良是提高Psyllium性能的另一种策略。通过对 *Plantago ovata* 的基因组进行研究，科学家发现，某些基因（如GT43、GT47和GT61）在Psyllium纤维的合成过程中起着关键作用。通过调控这些基因的表达，可以改变Psyllium纤维的结构，从而影响其凝胶化能力和水吸收能力。此外，基因改良还可以用于提高Psyllium的产量，降低其成本，从而扩大其在食品工业中的应用。

#### 五、未来研究方向与应用前景

Psyllium作为一种高粘性纤维，在食品工业中的应用前景广阔。然而，其应用仍面临诸多挑战，如水分控制、粘性过高导致的口感问题、颜色变化等。因此，未来的研究应重点关注以下几个方面：

**1. 结构与功能的关联性研究**
研究者应进一步探讨Psyllium的化学结构与其功能之间的关系。例如，不同提取方法对Psyllium的分子量、侧链分布和氢键网络的影响，以及这些特性如何影响其在食品中的表现。这有助于开发更具针对性的食品配方。

**2. 新型提取与应用技术**
开发更高效的提取方法，如多步提取、低温提取和高温提取，可以提高Psyllium的纯度和功能性。此外，结合物理、化学和酶解处理，可以进一步优化其性能，使其更适应不同食品的需求。

**3. 食品配方的优化**
在食品配方中，Psyllium的添加量和水分含量的平衡是关键。研究者应探索如何通过调整配方来改善其口感和质地，同时保持其健康益处。例如，在无麸质面包中，可以通过调整水分含量和Psyllium添加量来改善其口感和体积。

**4. 基因改良与生物技术**
随着基因组学的发展，Psyllium的基因改良成为可能。通过调控其纤维合成相关基因，可以改变其结构和功能，从而提高其在食品工业中的应用潜力。此外，利用基因工程技术开发新的Psyllium品种，可能有助于提高其产量和功能性。

**5. 与其他纤维的结合应用**
研究者可以探索将Psyllium与其他纤维（如竹纤维、苹果纤维或小麦纤维）结合使用，以改善其性能。例如，某些研究显示，将Psyllium与竹纤维结合使用可以提高其在食品中的稳定性，同时改善其口感和质地。

#### 六、结论

Psyllium作为一种高粘性纤维，在健康和食品工业中具有广泛的应用前景。然而，其应用仍面临诸多挑战，如水分控制、粘性过高导致的口感问题以及颜色变化等。为了克服这些挑战，研究者提出了多种改进策略，包括化学修饰、物理处理、酶解以及基因改良等。未来的研究应进一步探索这些策略的可行性，并结合实际应用需求，开发更具针对性的食品配方和加工技术。此外，研究者还应关注Psyllium的长期健康效应，以及其在不同食品中的表现。通过多学科合作，Psyllium的应用将更加广泛，为食品工业和健康领域带来更多可能性。