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納米纖維素研究及在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景

2016-12-15 11:16張秀伶王穩(wěn)航
食品工業(yè)科技 2016年21期
關(guān)鍵詞:微晶纖維素納米

張秀伶,王穩(wěn)航

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300450)

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納米纖維素研究及在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景

張秀伶,王穩(wěn)航*

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300450)

納米纖維素是一種新型高分子聚合物,具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),且具備高比表面積、流變剪切特性以及強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)良性能,在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛。本文主要介紹了納米纖維素(CNF、CMC和BC)的結(jié)構(gòu)形貌、制備方法以及理化性質(zhì)(機(jī)械強(qiáng)度、流變學(xué)特性和表面活性等),綜述了納米纖維素在食品中的應(yīng)用,并對其進(jìn)行了展望。

納米纖維素,制備,理化性質(zhì),食品

纖維素主要以纖維聚集狀態(tài)存在于高等植物細(xì)胞壁中,具有可再生性和生物可降解性。另外,一些藻類、被囊類和動(dòng)物也能合成纖維素[1]。木材中纖維素的含量達(dá)到50%~60%,其纖維原纖長度為1500~3000 μm,直徑為25~30 μm,長徑比為50~120[2]。1946年,Wuhrmann通過超聲波處理天然纖維素,將大束纖維降解成基元纖維同時(shí)保留了纖維素的構(gòu)型,降解出了長而半彎曲棒狀的具有納米尺寸的纖維素—納米纖維素[3]。近十幾年來,隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展,納米纖維素成為國內(nèi)外研究者所進(jìn)行的熱門課題,早在紡織、造紙、生物醫(yī)學(xué)、精細(xì)化工品、復(fù)合材料等[4]領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。而納米纖維素因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),使其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用存在潛在性,其分子內(nèi)具有高度結(jié)晶區(qū),使納米纖維素有較高機(jī)械性能及阻隔性能,在食品包裝領(lǐng)域受到青睞;此外,納米纖維素長徑比小,比表面積大,其分子表面含有大量-OH,易于對其表面進(jìn)改性,形成同時(shí)具有親水基和親油基的表面活性劑[5],可應(yīng)用到食品中的水/油乳化劑。

為此,本文對納米纖維素的結(jié)構(gòu)、形貌、制備方法以及理化性質(zhì)進(jìn)行了綜述,總述了納米纖維素在食品中的應(yīng)用并對其進(jìn)行了展望。

1 纖維素的結(jié)構(gòu)與構(gòu)型

纖維素是以D-葡萄糖環(huán)彼此以β-1,4-糖苷鍵以C1椅式構(gòu)象聚集而成的線型高分子結(jié)構(gòu)[6-7]。其鏈間及鏈內(nèi)的氫鍵作用,維持纖維素的超分子結(jié)構(gòu)和原纖形態(tài),將其分成無明顯界限的結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)。根據(jù)X射線衍射的研究,結(jié)晶區(qū)的分子排列比較規(guī)整,分子間結(jié)合氫鍵較多,結(jié)合力強(qiáng),可及度低,一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);無定型區(qū)排列不整齊,較松弛,可及度高,分子間結(jié)合氫鍵少,沒有清晰的X射線衍射圖譜,水解反應(yīng)發(fā)生在該部位。在植物細(xì)胞壁中,纖維素與某些多糖(如半纖維素,木質(zhì)素等)結(jié)合,形成較為復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)[1](如圖1所示),其分子鏈可聚集成大小不同的基原纖、微原纖、大原纖。基元原纖由纖維素分子聚集而成,橫截面積約為3 nm×3 nm、長度約為30 μm,包括結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)纖維素;微原纖由基原纖聚集而成,橫截面積約為12 nm×12 nm,長度不固定,周圍分布著無定型半纖維素;大原纖由微原纖聚集而成,橫截面積為200 nm×200 nm,長度不固定,周圍分布著無定型半纖維素和木質(zhì)素[8]。

圖1 纖維素的結(jié)構(gòu)組成以及在植物細(xì)胞壁中的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural composition of cellulose and itsmorphological structure in plant cell walls

2 納米纖維素

2.1 概述

生物自組裝的纖維素大分子由納米級的晶體和無定型區(qū)組成,利用酸及纖維素酶選擇性地水解掉無定型區(qū)部分,再將高結(jié)晶區(qū)的纖維素通過超聲波處理或其他機(jī)械法處理得到具有納米尺寸的纖維素晶體[6,9]。納米纖維素通常長度為幾微米,直徑在10~50 nm之間[10];這使納米纖維素具有長徑比小、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)。由于晶體表面含有大量帶負(fù)電荷的羥基,使其表面化學(xué)活性較強(qiáng),且水懸浮液帶負(fù)電荷。納米纖維素還具有一些特殊的物理性能,如機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、結(jié)晶性等。此外,與普通纖維素不同的是,納米纖維素具有典型流變學(xué)特性,其水懸浮液在強(qiáng)大的剪切力作用下可獨(dú)立形成穩(wěn)定膠狀液。

2.2 分類

納米纖維素根據(jù)來源不同主要分為植物源性納米纖維素和微生物源性納米纖維素。

2.2.1 植物源性納米纖維素 植物源性納米纖維素主要的原料是棉花、木材(包括針葉材和闊葉材)、禾草類植物(各種農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物)[2];植物源性納米纖維素根據(jù)制備方法不同又分為納米微晶纖維素(cellulose nanocrystals,CNC)和納米微纖纖維素(cellulose naonofibrils,CNF)。

2.2.1.1 納米微晶纖維素(CNC)納米微晶纖維素(CNC)即納米纖維素晶體(NCC)或納米纖維素晶須(NCW)[11]這種晶體通常直徑在2~20 nm,長度在100~600 nm,甚至最大長度達(dá)1 μm[12]。納米纖維素晶體主要通過酸水解無定型區(qū),得到高結(jié)晶度的、納米級的微晶纖維素[11],其粒徑較小,透射電子顯微鏡(TEM)觀察形貌為短棒狀(如圖2)。

圖2 納米微晶纖維素(CNC)的透射電子顯微鏡(TEM)圖[13]Fig.2 The transmission electron microscopy(TEM)image of cellulose nanocrystal(CNC)[13]

2.2.1.2 納米微纖纖維素(CNF) 納米微纖纖維素(CNF)也稱為納米微纖絲(nanofibrillated cellulose,NFC)[11]。是在保留天然纖維素原有的聚合度的基礎(chǔ)上對纖維反復(fù)進(jìn)行高強(qiáng)度均質(zhì)化處理后得到的具有納米尺度的纖維素產(chǎn)品[14]。納米微纖纖維素(CNF)的基元原纖的直徑一般為3~10 nm,而聚集成纖維原纖直徑通常達(dá)到20~40 nm[2],長度為微米級尺寸。與納米微晶纖維素(CNC)相比,其在水溶液中形成凝膠狀,透射電子顯微鏡(TEM)觀察到水凝膠狀CNF呈現(xiàn)出相互交織錯(cuò)雜的網(wǎng)狀微纖維絲[1,11](如圖3)。

圖3 納米微纖纖維素(CNF)透射電子顯微鏡(TEM)圖[15]Fig.3 The transmission electron microscopy (TEM)image of cellulose nanofibrils(CNF)[15]

2.2.2 微生物源性納米纖維素 能合成細(xì)菌纖維素(Bactericalcellulose,BC)的微生物菌株有很多,如醋酸桿菌(Acetobacterxylinum)、根癌農(nóng)桿菌(Agrobacterium)、產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes)、八疊球菌(Sarcina)、根瘤菌(Rhizobium)[16]等。但合成細(xì)菌纖維素(BC)最主要的來源是醋酸桿菌(Acetobacterxylinum)(或木醋桿菌Gluconacetobacterxylinus),是合成纖維素能力最強(qiáng)的微生物菌株。與植物源性纖維素相比,細(xì)菌纖維素(BC)具有高保水能力,高聚合度(可達(dá)到8000)。橫切面通常為25~86 nm,長度達(dá)到幾微米[3],SEM電鏡觀察醋酸桿菌(Acetobacterxylinum)合成的細(xì)菌纖維素呈帶狀,微纖束間相互交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)狀(如圖4)。

圖4 醋酸桿菌(Acetobacterxylinum)的 掃描電子顯微鏡(SEM)圖[3]Fig.4 The image of Scanning electron microscope (SEM)of Acetobacterxylinum[3]

3 制備

納米纖維素可通過植物降解和生物合成兩種方法獲得[3]。通過化學(xué)法、機(jī)械法、機(jī)械與化學(xué)法或酶法相結(jié)合的方法降解植物纖維素或微晶纖維素,制備納米微晶纖維素(CNC)和納米微纖纖維素(CNF);通過細(xì)菌將低分子糖發(fā)酵的方法可以制備細(xì)菌纖維素(BC)。目前,國內(nèi)對納米纖維素的研究方興未艾,并在制備上獲得新進(jìn)展。2014年,中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所生命科學(xué)部人員通過 TEMPO氧化預(yù)處理和機(jī)械處理方法基于黃麻纖維中纖維素納米纖維的可控制備進(jìn)行研究[17],簡化并優(yōu)化了黃麻纖維的纖維素納米纖維制備過程,提高了制備效率和產(chǎn)率,為纖維素納米纖維的規(guī)?;苽涞於嘶A(chǔ)。

3.1 納米微晶纖維素的制備

納米微晶纖維素的制備主要以酸水解為主。在酸水解過程中,所采用的酸可以是硫酸、鹽酸、磷酸等無機(jī)酸或甲酸等有機(jī)酸,也可以將無機(jī)酸與有機(jī)酸按比例混合使用[18]。Guan Ying Ting等[19]利用64%的H2SO4水解棉短絨制備了納米級的微晶纖維素;根據(jù)來源和制備時(shí)酸的種類、濃度、時(shí)間不同,得到的納米纖維素晶體大小不同。Nancy等以劍麻為原料,先將劍麻漂白后用65%的硫酸在60 ℃下水解15 min,制備出直徑為(4±1) nm,長度為(250±100) nm的納米微晶纖維素。唐麗榮[20]等水解微晶纖維素,硫酸濃度為56%,反應(yīng)溫度40 ℃,水解時(shí)間90 min,制得直徑為2~24 nm,長度為50~450 nm的納米微晶纖維素。

3.2 納米微纖纖維素的制備

早期的納米微纖纖維素的制備主要通過高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行反復(fù)均質(zhì)化處理而得。除采用高壓均質(zhì)法外,一些其它機(jī)械處理法,如微射流法、膠體研磨法、冷凍粉碎法及超聲波法[21]等也被用來制備納米纖維素。

3.2.1 高壓均質(zhì)法 1983年,Herrick[22]和Turbak[23]首次提出利用高壓均質(zhì)法制備納米微纖纖維素(CNF)。高壓均質(zhì)法是指纖維素懸浮液在強(qiáng)機(jī)械剪切力結(jié)合高壓力作用,通過高壓反復(fù)泵為動(dòng)力,將其輸送至工作閥區(qū),得到微纖化的過程[21]。Uetani等用高壓均質(zhì)機(jī)制備出了直徑僅為十幾納米的微纖化纖維素[20]。Leitner[24]等以甜菜渣為原料制成纖維素懸浮液,采用300 bar壓力下的高壓均質(zhì)機(jī)制得納米級的微纖化纖維素。雖然,高壓均質(zhì)法制備納米微纖纖維素可以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),但因在制備過程中的反復(fù)循環(huán)處理而破壞了微纖結(jié)構(gòu),降低了納米微纖纖維素的結(jié)晶度,且高壓均質(zhì)機(jī)需要消耗的能量較高,易發(fā)生堵塞,得到的納米微纖纖維素產(chǎn)品粒徑大。

3.2.2 微射流法 微射流法是指微射流機(jī)利用泵增強(qiáng)器產(chǎn)生高壓,將纖維素懸浮液射入閥體,產(chǎn)生大的壓力梯度,在強(qiáng)機(jī)械剪切力的作用下初次粉碎,隨后經(jīng)過閥孔形成高速射流,纖維再次降解[21]。Ferrer[25]等用微射流均質(zhì)機(jī)制備出了粒徑分布均勻的納米微纖纖維素。與高壓均質(zhì)機(jī)相比較,微射流處理機(jī)設(shè)備賭塞情況較少。

3.2.3 膠體研磨法 膠體研磨法是通過研磨機(jī)的磨床與磨石之間,對植物纖維素懸浮液進(jìn)行研磨,產(chǎn)生剪切力破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)的氫鍵,經(jīng)多次研磨可達(dá)到納米級的微纖化纖維素。Taniguchi和Okamura[26]通過多次研磨得到直徑范圍在20~90 nm微纖化纖維素。Iwamoto[27]等使用研磨處理松漿原料,10次重復(fù)研磨后,得到直徑為50~100 nm的納米纖維。雖然利用研磨機(jī)制備的納米微纖纖維素所需能量少,設(shè)備拆洗比較方便,但是重復(fù)多次研磨降低了納米纖維素的強(qiáng)度。

3.2.4 冷凍粉碎法 冷凍粉碎法是利用液氮冷凍纖維素,然后在高剪切力作用下,對其細(xì)胞壁破碎,從而釋放微纖維[28]。在高壓力纖維化之前前,利用冷凍粉碎機(jī)降解的纖維素,其在水溶液中可分散成均勻的懸浮液[29]。Bhatnagar和Sain利用冷凍粉碎法處理亞麻、大麻和大頭菜等,得到直徑為5~80 nm的微纖化纖維素[1]。Wang[21]等以大豆皮為原料,用冷凍粉碎法制備了微纖化纖維素,直徑在50~100 nm之間。冷凍粉碎法制得納米微纖纖維素的粒徑較大,直徑甚至達(dá)到百納米,而且此制備方法效率較低,不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

3.2.5 超聲波法 超聲波法主要通過高頻超聲產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力,破壞纖維素鏈間的氫鍵,降解成微纖化纖維素。盧薈[30]等用高頻超聲制備出了平均直徑為34.8 nm的微纖化纖維素。Zhou[31]等以微晶纖維素為原料用超聲波均質(zhì)得到了粒徑均勻的納米微纖纖維素。超聲波法是制備納米材料的有力工具,是一種簡便可行的方法。

3.3 細(xì)菌纖維素的制備

1886年,Brown發(fā)現(xiàn)利用木醋桿菌中低分子糖發(fā)酵可以合成具有納米尺寸的細(xì)菌纖維素[3]。目前,主要利用木醋桿菌進(jìn)行靜置培養(yǎng)和深層發(fā)酵,通過生物合成法制備細(xì)菌纖維素。在特殊的孵化條件下,木醋桿菌在培養(yǎng)基表面分泌生產(chǎn)一層薄薄的凝膠(細(xì)菌纖維素膜)和水分。細(xì)菌纖維素是由細(xì)菌分泌到胞外的產(chǎn)物,呈現(xiàn)獨(dú)立的絲狀纖維形態(tài),其中木醋桿菌是合成纖維素能力最強(qiáng)的,且合成的纖維素純度高,不含木質(zhì)素、半纖維素和果膠等雜質(zhì),因此與植物降解法相比不需要經(jīng)過化學(xué)處理去除雜質(zhì)[8,32]。

3.4 預(yù)處理

為了提高納米纖,維素的產(chǎn)率以及克服制備過程中高耗能等問題,獲得更小粒徑的納米纖維素,通常對原料進(jìn)行預(yù)處理(酸、堿、氧化、酶等方法),再結(jié)合機(jī)械法進(jìn)行處理。其中,以氧化處理和酶法處理最為重要。

3.4.1 氧化處理 近年來,制備納米纖維素最常用的氧化預(yù)處理方法是2,2,6,6-1-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)媒介氧化體系,該氧化體系共有三種,而制備納米纖維素常用的是TEMPO/共氧化劑體系,如TEMPO/NaCLO/NaBr體系和TEMPO/NaCLO2/NaCLO體系。Rodionova[21]等利用TEMPO/NaCLO/NaBr進(jìn)行氧化,經(jīng)機(jī)械處理后得到寬度為1.6~3.8 nm,長度為幾微米的微纖化纖維素。雖然,利用TEMPO氧化體系進(jìn)行預(yù)處理后的納米纖維素,保持了原材料的聚合度,直徑(≈5 nm)分布均勻,其水凝膠形成的膜透明度高、韌性強(qiáng)、密度低[1],但制備時(shí)氫鍵的破壞極大,使纖維素的結(jié)晶區(qū)也會(huì)發(fā)生降解,降低納米纖維素的產(chǎn)率。

3.4.2 酶處理 纖維素酶是由內(nèi)切-β-葡聚糖酶、外切-β-葡聚糖酶和β-葡糖糖苷酶協(xié)同作用的復(fù)合酶。內(nèi)切-β-葡聚糖酶隨機(jī)地作用纖維素的內(nèi)部,生成無定形纖維素和可溶性纖維素;外切-β-葡聚糖酶將上述酶解產(chǎn)物從非還原末端順次切下,生成纖維二糖或葡萄糖;β-葡萄糖苷酶水解纖維二糖為葡萄糖。在納米纖維素預(yù)處理過程中通常單獨(dú)使用內(nèi)切-β-葡聚糖酶,防止纖維素的過度降解。Paakko[33]等用葡聚糖內(nèi)切酶處理漿料,然后用高壓微射流機(jī)處理,得到直徑為5~6 nm的微纖化纖維素。雖然酶處理法對纖維素的降解能力低,但得到的納米纖維素具有長徑比更大,分子量分布均勻,且綠色環(huán)保,是非常有發(fā)展前景的預(yù)處理方法。

4 理化性質(zhì)

4.1 機(jī)械性能

分子內(nèi)或分子間發(fā)生氫鍵與交聯(lián)反應(yīng)形成高度結(jié)晶區(qū),使納米纖維素具有高楊氏模量和強(qiáng)拉伸強(qiáng)度,可作為增強(qiáng)劑添加到食品包裝中,以增加其機(jī)械性能和阻隔性能。來源和處理方法不同的納米纖維素形成的膜,其楊氏模量和抗拉強(qiáng)度均不同。如軟木經(jīng)亞硫酸鹽漂白處理后得到的納米纖維素,成膜后的最大拉伸強(qiáng)度為80~100 MPa[34];而軟木溶解漿經(jīng)真空過濾處理,納米纖維素成膜后的最大拉伸強(qiáng)度為104 MPa[35]。一般納米纖維素晶體的楊式模量為150 GPa左右,純納米纖維素膠制成的干膜,其楊式模量可超過15 GPa,經(jīng)熱壓處理后測得納米纖維素膜的楊氏模量可與金屬鋁相當(dāng)(金屬鋁的楊式模量一般為69 GPa)[8]。

4.2 流變學(xué)性能

與常規(guī)尺寸的纖維素不同,納米纖維素的水懸浮液能夠獨(dú)立成膠,具有假塑性剪切稀化特性。隨著外剪切力增大,破壞鏈間氫鍵的相互作用,三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)分散,粘度減小;若剪切力消失,氫鍵又可重新生成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)狀。Herrick[22]是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)納米纖維素懸浮液具有剪切稀化性的研究者,利用濃度為2%的納米微纖纖維素(CNF)懸浮液,測定剪切速率在10、1000、5000 s-下的粘度分別為17400、264、136 mPa。Marco[13]等研究發(fā)現(xiàn)在高剪切速率(超過100000 s-)下,納米纖維素水懸浮液具有膨脹性。納米纖維素因獨(dú)特的流變學(xué)特性以及納米效應(yīng),使其可作為添加劑(如乳化劑、增稠劑、穩(wěn)定劑等)添加到食品中。

4.3 熱穩(wěn)定性

天然纖維素經(jīng)過前處理后降解為納米纖維素,粒徑減少,比表面積增大,外露的反應(yīng)活性基團(tuán)增加,導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低[36]。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[36],微晶纖維素(MCC)的熱失重一般在280~350 ℃之間,而納米纖維素在200 ℃開始出現(xiàn)強(qiáng)烈降解的趨勢。

4.4 結(jié)晶性

納米纖維素的結(jié)晶性以結(jié)晶度的大小來表示,通過X-射線衍射圖譜分析計(jì)算可得結(jié)晶度。納米纖維素由于來源和制備方法的差別,有不同結(jié)晶度。細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度要高于普通植物纖維,如細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度達(dá)到84%~89%,,而木質(zhì)素微原纖結(jié)晶程度在50%~83%[37-38]。李曉芳等利用混合酸(硫酸∶鹽酸=3∶1)水解微晶纖維素,得到棒狀納米微晶纖維素I的晶形,結(jié)晶度為81%[36]。納米纖維素由于具有高結(jié)晶性,致使其形成的膜在食品包裝領(lǐng)域具有較好的阻水及阻氧性。

4.5 表面化學(xué)活性

納米纖維素保持了纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu),在葡萄糖基的第2、3、6位上的羥基,可以發(fā)生氧化、酯化、醚化、接枝共聚等表面化學(xué)修飾[39]。與普通纖維素的不同的是,納米纖維素因其具有納米尺寸,有較大比表面積(50~70 m2/g[40]),這使晶體表面暴露的羥基數(shù)量大大增加,導(dǎo)致表面化學(xué)反應(yīng)活性要比纖維素活潑。對納米纖維素表面化學(xué)修飾的方法有很多,但應(yīng)用最多的是接枝共聚反應(yīng)。孫林[41]采用硅烷偶聯(lián)劑(KH570)使納米纖維素的表面羥基硅烷化,在弱極性溶劑中納米纖維素具有良好的分散性,增加了其在高聚物中的相容性和分散性。接枝共聚物是在纖維素的結(jié)構(gòu)沒有受到影響的條件下,既具有天然纖維素固有的優(yōu)良性能,又具有合成聚合物賦予的新的性能,如耐水性[42]、高吸水性、阻燃性[43]、耐酸堿性[44]和耐微生物性等。

5 納米纖維素在食品工業(yè)上的應(yīng)用

納米纖維素因其獨(dú)特的超分子結(jié)構(gòu),開拓了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此本文主要綜述納米纖維素在食品添加劑、食品包裝以及功能性食品中的應(yīng)用。

5.1 食品添加劑

納米纖維素比表面積較大,分子表面含有大量親水性羥基,以及具有典型流變學(xué)等特性,可以作為食品添加劑的作用。早在1983年,Turbak[48]等研究人員第一次提出納米纖維素可用于水/油乳化作用。此后,納米纖維素作為天然的乳化劑和穩(wěn)定劑,吸引了人造黃油[48]、蛋糕[47]、沙拉醬、醬汁、肉制品、布丁[48]等食品行業(yè)的極大興趣。如,Lin[48]等利用細(xì)菌纖維素作為乳化劑,添加到肉制品中,研制了中國式的包含細(xì)菌纖維素的丸子。

5.2 食品包裝

納米纖維素不僅來源天然無毒害,且具備高結(jié)晶性、三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)以及分子間和分子內(nèi)的氫鍵作用,其形成的膜具有很好的阻隔性能,這使納米纖維素在可食食品包裝領(lǐng)域中發(fā)揮其作用。如純納米纖維素膜,其厚度在(21±1) μm時(shí),氧氣透過率為(17±1)mLm-2/天;而相同厚度的EVOH膜和PVDC膜的氧氣透過率分別為3~5 mLm-2/d和9~15 mLm-2/d[47]。除此之外,納米纖維素具有高楊氏模量和強(qiáng)拉伸強(qiáng)度,可加入到可食食品包裝中以增加機(jī)械性能;如Zuluaga[44]利用香蕉農(nóng)產(chǎn)品廢棄物提取了納米微纖纖維素,作為綠色增強(qiáng)劑添加到食品包裝中,增加了膜的阻隔性能和強(qiáng)度。

5.3 功能性食品

近年來,隨著人們生活水平的提高,肥胖癥已成為人們關(guān)心的重要問題,更加注重低熱能食品。法國西布列塔尼大學(xué)研究人員Robson指出,納米纖維素可以降低巧克力、漢堡、肉餡[48]等食物的能量密度。因此,無毒、健康的細(xì)菌纖維素(BC)是食品工業(yè)潛在的優(yōu)質(zhì)納米材料,可代替脂肪等高熱能物質(zhì)添加到冰激凌、沙拉醬、奶制品[46]、面包[31]等食品中,成為新型納米纖維素產(chǎn)品。此外,納米纖維素也可作為食用纖維——膳食纖維,不僅對人體大為有益,而且還是一種降低各類疾病(例如糖尿病、肥胖癥、心血管疾病等)的天然物質(zhì)。

研究分析未來食品領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢,有機(jī)納米材料(如植物性纖維素,細(xì)菌纖維素)是一種無毒、健康、可食的產(chǎn)品,可作為添加劑應(yīng)用到保健食品、肉制品、食品包裝等領(lǐng)域,推動(dòng)了食品行業(yè)的發(fā)展。

6 展望

纖維素地球上最豐富的可再生資源,具有生物降解性,一直是科學(xué)界所關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。納米纖維素作為具有納米級尺寸效應(yīng)的纖維素產(chǎn)品,由于具有粒徑小、比表面積大、結(jié)晶度高、楊氏模量高等特點(diǎn),使納米纖維素許多其他具備許多其他性能,如優(yōu)良的機(jī)械性能、低熱穩(wěn)定性、活潑的化學(xué)反應(yīng)活性以及剪切稀變的流變學(xué)特性等。正是納米纖維素具備的這些獨(dú)特性能,使其在食品工業(yè)上具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而,我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,我國每年有10億t左右的農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物(秸稈、甘蔗渣、花生殼等),這些農(nóng)業(yè)廢棄物中纖維素的含量約40%~70%[47],且食品生產(chǎn)中所剩的瓜果皮以及殼(如花生殼)和一些糧食作物等廢棄物(如小麥外殼、玉米秸稈等)中也含有大量的纖維素,這些都為制備植物源性納米纖維提供了豐富的資源。此外,細(xì)菌纖維素(BC)具有可調(diào)控性和安全性,是應(yīng)用到食品工業(yè)最佳的納米材料。因此,進(jìn)一步研究纖維素的超分子結(jié)構(gòu)和自我組裝性能,利用農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物和生物發(fā)酵技術(shù),尋找更加綠色環(huán)保的預(yù)處理方法,從中降解或合成出安全可食性的、粒徑更小的納米纖維素,符合了纖維素工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。同時(shí),利用納米纖維素特殊性能,推廣其在食品中的應(yīng)用范圍,如納米纖維素具有高強(qiáng)度、高楊氏模量等機(jī)械性能,可與蛋白質(zhì)、多糖等相結(jié)合制備高強(qiáng)度可食膜和復(fù)合材料;另外,因其具有可以獨(dú)立成膠、剪切稀變等流變學(xué)特性,可作為穩(wěn)定劑和增稠劑的作用添加到果凍、飲料等食品中,在食品工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用范圍。

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Study on nano-cellulose and its application prospect in food industry

ZHNNG Xiu-ling,WANG Wen-hang*

(Department of Food engineering and biotechnology,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300450,China)

Nano-celluloseisanovelmacromoleculepolymer,withuniquemolecularstructureandexcellentpropertiessuchashigherrespectratio,rheologicalcharacterandmechanicalstrength,whichwaswidelyusedinfoodindustry.Themainaimofthispaperwastointroducestructuremorphology,preparationmethodsandphysicochemicalproperties(mechanicalstrength,rheologicalcharacterandsurfaceactivity,etc.)ofnano-cellulose(CNF,CMCandBC).Meantime,theapplicationofnano-celluloseinfoodindustrywerealsoreviewedandprospectedinthispaper.

Nano-cellulose;preparation;physico-chemicalproperties;food

2016-05-10

張秀伶(1990-),女,碩士研究生,研究方向:動(dòng)物源性食品加工與控制,E-mail:15222656895@163.com。

*通訊作者:王穩(wěn)航(1977-),男,博士,副研究員,研究方向:動(dòng)物源性食品加工與控制,食品大分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能,E-mail:wangwenhang@tust.edu.cn。

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102204);天津市科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZCZDNC00015)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)21-0377-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.065

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