壳聚糖在食品工业中的应用研究
丁振中 高小燕 陈磊
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丁振中 高小燕 陈磊,. 壳聚糖在食品工业中的应用研究[J]. 中国食品与营养,20244. DOI:10.12721/ccn.2024.157040.
摘要: 壳聚糖因其出色的生物相容性、生物可降解性和非毒性特性,被广泛研究并用作食品添加剂。本文首先概述壳聚糖的基本生物化学性质,并讨论其在食品安全与生物可降解性方面的优势以及壳聚糖的功能性,如其作为增稠剂、乳化剂的应用,并分析它如何提高食品质量和营养价值,其次,重点讨论壳聚糖在食品保鲜和加工中的应用,以及其如何促进食品工业的可持续发展,通过对壳聚糖应用的深入分析,旨在提供对壳聚糖作为食品工业革新成分的全面认识,并探讨其未来应用的潜力。
关键词: 壳聚糖;食品工业;食品添加剂;可持续性
DOI:10.12721/ccn.2024.157040
基金资助:

引言:壳聚糖,作为天然多糖中的第二丰富多糖,来源于海洋甲壳类生物,由于其特有的生物化学性质而在食品工业中受到重视。其独特的分子结构赋予了它良好的生物相容性、生物可降解性,以及多种功能性质,使其在食品加工、包装和保鲜等多个环节发挥着重要作用。作为一种天然食品添加剂,壳聚糖的应用还符合当前食品工业面向绿色、健康和可持续发展的趋势。

1壳聚糖的特性及其在食品工业中的重要性

1.1 生物化学性质

壳聚糖作为一种多功能性生物高分子,其生物化学性质不仅令其在食品工业中备受瞩目,还赋予其广泛的应用潜力。源自壳类动物的外骨骼,壳聚糖经过脱乙酰作用从几丁质中提炼得到,具有独特的分子结构,这一结构由随机分布的β-(1-4)-连接的D-葡萄糖胺和N-乙酰-D-葡萄糖胺组成。这种结构不仅赋予壳聚糖良好的螯合性能,还因其多羟基和氨基的存在而具有高度的活性,使其成为一种理想的天然聚电解质。这些羟基和氨基的存在为其提供丰富的化学修饰可能性,进而增强其溶解性和生物活性,正是由于这些特点,壳聚糖在食品工业中作为增稠剂、乳化剂及抗菌剂等多种添加剂被广泛利用。而且,壳聚糖的这些性质不断开拓其在食品质量改良、食品保鲜以及提高食品营养价值方面的新应用,如在果汁中作为澄清剂,在肉制品中作为保湿剂。通过对壳聚糖化学结构的深入理解,科研人员和食品工程师得以充分利用其性质,进一步推动食品科技的创新与发展。

1.2 食品安全性和生物可降解性

壳聚糖的食品安全性和生物可降解性特性对其在食品工业中的应用至关重要。由于其天然来源和生物活性,壳聚糖被视为一种安全的食品添加剂,符合当前消费者对健康和天然食品成分的需求,该物质的非毒性和抗菌特性使其成为食品保鲜和包装的理想选择,能够有效延长食品的保质期同时防止微生物生长。生物可降解性意味着壳聚糖能够在自然环境中由微生物分解,减少对环境的长期影响,与可持续发展的目标相契合。这种可降解性质还使得壳聚糖基食品包装材料成为传统塑料的环保替代品,能够在减少废弃物的同时,提供相同甚至更好的食品保护效果。随着环保意识的提升和资源可持续利用的要求,壳聚糖在食品工业中的这些特性不仅可以优化产品的生命周期,也可以符合现代食品加工业对环境友好型材料的追求,为食品工业的绿色转型提供了有效途径。通过这些生态友好的特性,壳聚糖的应用展现出食品科技与环境保护并行不悖的发展理念[1]。

1.3 壳聚糖的功能性

壳聚糖之所以在食品工业中备受推崇,与其独特的功能性密不可分。作为一种天然多糖,壳聚糖具备极佳的膜形成能力,可在食品表面形成一层保护膜,有效隔绝氧气和微生物,延长食品的新鲜度。此外,其出色的吸水性和黏稠性使其在制作低脂食品时能够替代脂肪,增加食品的口感和保湿性,同时还能降低热量摄入。壳聚糖的抗菌作用亦不容忽视,特别是对于食品保鲜领域,其天然抗菌性能不仅显著提高食品安全标准,也可减少食品生产过程中的化学添加剂的需求。更进一步,由于其在酸性环境下的溶解性好,壳聚糖可以作为活性成分的载体,用于控释包装技术,从而在食品贮藏过程中释放保鲜剂或其他营养成分。这些功能性特点不仅在提高食品安全和营养方面有着突出贡献,也为食品工业提供一个拓展创新产品的平台,满足市场对健康、功能性食品的日益增长的需求。通过巧妙利用壳聚糖的这些功能,食品加工领域正逐步实现产品多样化和高附加值的发展目标[2]。

壳聚糖的功能性特点在食品工业中发挥多方面的作用,由于其良好的成膜性质,壳聚糖可在食品表面形成透气性和适度阻气性良好的保护层,这一特性特别适用于果蔬的保鲜,实验证明,壳聚糖涂层可以延长水果保鲜期至少20%。在肉制品中,壳聚糖通过与蛋白质结合,提升产品的水分保留率,测定数据表明,添加壳聚糖的肉制品其水分保留率提高了15%以上。另外,壳聚糖在乳制品中作为乳化剂使用时,能够提高产品的稳定性,据报道,壳聚糖在冰淇淋中的使用能减少30%的融化时间。这些数据点体现出壳聚糖在食品工业中因其功能性而得到的实际效益,通过对这种多功能生物高分子的深入研究和应用,食品工业不仅在提升产品质量和消费者体验方面取得了成效,也在食品安全和保鲜技术方面实现了突破。

2 壳聚糖的食品工业应用

2.1 在食品保鲜中的应用

壳聚糖因其独特的保鲜功能,在食品工业中的保鲜应用方面展示巨大潜力。在果蔬保鲜领域,利用壳聚糖的成膜特性能够有效地减缓水分的散失和氧气的渗透,降低果实呼吸速率,从而延长保鲜期。表1展示了壳聚糖在不同类型食品中保鲜应用的效果比较,清晰显示了壳聚糖在食品保存方面的实际应用价值,其自然来源及非毒性的特性使得壳聚糖成为食品保鲜的理想选择,既能保证食品的安全性,也符合当下的环保和健康趋势。通过增强食品的保鲜期,壳聚糖的应用不仅提升食品的商业价值,也为消费者提供了更为健康、新鲜的食品选择。

表1 壳聚糖在不同类型食品中保鲜应用的效果比较

食品类型

处理方法

保鲜效果提升

果蔬

壳聚糖涂层

保鲜期延长40%以上

海鲜

壳聚糖抗菌涂层

新鲜度时间延长30%左右

2.2 在食品加工中的应用

壳聚糖在食品加工领域展现出显著的功能性,特别是作为食品添加剂提升了产品的整体品质。例如,在乳制品中加入微量壳聚糖能显著改善产品的稳定性和延长货架期限,由于其天然的抗菌特性,壳聚糖可防止微生物生长,这对于如酸奶和奶酪等易于变质的食品来说尤为重要。此外,壳聚糖因其对油脂的良好亲和力,被用作低脂肉制品的脂肪替代物,既能保持肉品的嫩滑口感,也能降低产品的总脂肪含量。在饮料工业中,壳聚糖作为悬浮剂,改进饮料的质构与口感,同时还能作为天然的澄清剂,用于果汁和酒类产品的澄清过程,对于烘焙食品,壳聚糖能够增强面团的可塑性和体积,提升面包的软性和保湿性,这种效果是通过壳聚糖对面粉中蛋白质结构的影响实现的。通过这些应用,壳聚糖不仅可以提升食品工业产品的功能性质,而且优化加工流程,符合消费者对健康、营养和高品质食品的追求[3]。

壳聚糖在食品加工中扮演着多面手的角色,它不仅用作增稠剂、稳定剂,还能作为改良剂和膜形成剂。在面包制作中,添加微量的壳聚糖能显著提升面包的体积和质构,添加0.5%壳聚糖的面包体积比对照组增加10%,且保湿性提高,也能延长面包的柔软度保持时间。在乳制品加工如酸奶制作中,壳聚糖作为稳定剂使用,不仅可以提高酸奶的粘稠度,也能减少轻微的分离现象,表1总结出壳聚糖在食品加工中的应用及其效果,壳聚糖的加工应用不仅提高食品的感官品质和物理特性,同时也为消费者带来更健康的食品选择。在当前食品行业追求天然成分和改进食品结构的大背景下,壳聚糖的应用为食品工业的创新和发展提供了新的方向。

表2 壳聚糖在食品加工中的应用及其效果

食品类别

壳聚糖的用途

效果提升

面包

体积和质构改善

体积增加10%,保湿性改善

酸奶

稳定剂,增加粘稠度

粘稠度提高20%

肉类

脂肪替代物,改善口感结构

烹饪损失减少5%

2.3 壳聚糖对食品工业可持续发展的促进作用

壳聚糖因其生物可降解性和非毒性特点,在食品工业可持续发展中起着至关重要的作用。作为一种生物活性物质,壳聚糖对于提高食品包装材料的防潮和抗菌性能显示出卓越的效果,从而延长食品保质期,减少食品浪费,研究数据表明,将壳聚糖作为生物活性包装材料的一部分,能提升包装的气体屏障性能约20%,显著降低食品的氧化速率和微生物污染率。此外,在废水处理方面,壳聚糖能有效吸附和凝聚沉淀有机污染物,用于染料废水的处理时,可实现高达90%以上的脱色效率。在食品加工残余物的处理上,壳聚糖亦展现出良好的应用前景,如用于果蔬加工副产品的资源化处理,不仅可以减轻环境压力,同时也转化为具有经济价值的次级产品。通过这些应用,壳聚糖在食品工业的循环经济和环境保护中扮演着关键角色,推动食品产业向更加绿色可持续的方向发展[4]。

通过对壳聚糖的应用研究,可见其在食品产业链中实现从原料采集到废弃物处理的全周期可持续性。尤其是在包装领域,壳聚糖基复合材料的开发,不仅提升包装的性能,更符合生态友好的设计理念,这些包装材料在延长保质期的同时,其结束生命周期后可由自然环境中的微生物分解,从而降低塑料污染。壳聚糖的这种“从摇篮到摇篮”的循环利用模式,为食品工业提供一种减少环境足迹的有效途径。展望未来,壳聚糖的这些独特属性预计将在食品工业中得到更广泛的应用,特别是在追求环境可持续性和食品安全性的今天,其潜力不容小觑。

结论

壳聚糖的研究和应用对食品工业具有重要的促进作用,其环保特性和对提升食品质量的贡献,预示着它在未来食品科学与技术发展中将占有重要地位。然而,尽管壳聚糖展现出强大的潜力,但实际应用中仍面临成本效益和大规模生产的挑战。因此,未来研究需要解决这些问题,进一步探究和优化壳聚糖的应用技术,以实现其在食品工业中的广泛应用和商业化。

参考文献

[1] 毕继才,姜宗伯,张亚征,等. 壳聚糖在食品工业中的应用[J]. 河南科技学院学报(自然科学版),2018,46(5):34-39.   

[2] 黄玉娟. 壳聚糖对籼米淀粉加工特性的影响研究[D]. 广西科技大学, 2022.

[3] 原芳. 壳聚糖-没食子酸衍生物可食性膜的制备、性能及其在食品贮藏中应用的研究[D]. 河南科技学院, 2022.

[4] 张棋,王春红. 壳聚糖与植物提取物复配在食品保鲜中的应用研究进展 [J]. 现代食品, 2021, (24): 78-81+94.