納米纖維素在食品工業(yè)中的應(yīng)用

納米纖維素在食品工業(yè)中的應(yīng)用

纖維主要集中在高等植物的連接線上，具有可再生和生物分解的能力。另外,一些藻類、被囊類和動物也能合成纖維素為此,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關(guān)于纖維的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)纖維素是以D-葡萄糖環(huán)彼此以β-1,4-糖苷鍵以C2納米纖維2.1超聲波處理法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植物起源的納米纖維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)2.2.2微生物菌株能合成細(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)3制裝劑納米纖維素可通過植物降解和生物合成兩種方法獲得3.1無機(jī)酸和有機(jī)酸混合使用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3.2反復(fù)均質(zhì)化處理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3.2.1高壓法1983年,Herrick3.2.2機(jī)械剪切力的作用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3.2.3納米級微纖化纖維素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Okamura3.2.4冷凍壓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3.2.5超聲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3.3細(xì)菌素的制備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3.4納米纖維素的原料預(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。3.4.1tempo氧化近年來,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/NaCLO3.4.2纖維原料的制備纖維素酶是由內(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使用內(nèi)切-β-葡聚糖酶,防止纖維素的過度降解。Paakko4物理和化學(xué)性質(zhì)4.1納米纖維素增強(qiáng)劑分子內(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80~100MPa4.2剪切特性仿真與常規(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。Herrick4.3可靠性天然纖維素經(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4.4納米纖維素的結(jié)晶度納米纖維素的結(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%4.5表面活性劑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5納米纖維在食品中的應(yīng)用納米纖維素因其獨特的超分子結(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,Turbak5.2納米纖維素在可食食品食品領(lǐng)域中的作用機(jī)理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,氧氣透過率為(17±1)mLm5.3有機(jī)納米材料在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用近年來,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,推動了食品行業(yè)的發(fā)展。6納米纖維素在食品工業(yè)上的應(yīng)用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。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,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特性能,使其在食品工業(yè)上具有巨大的潛在應(yīng)用價值。然而,我國是一個農(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),