纳米纤维素在食品行业中的应用研究现状

纳米纤维素是尺度在纳米级的天然纤维素的总称，纳米纤维素既具有纤维素的生理特性，也具有纳米颗粒的理化特性，这使其在高端复合材料、生物医学、食品行业等领域具有非常高的应用价值。在食品行业中，纳米纤维素的应用日渐成熟，纳米纤维素不被人体消化吸收，具有促进肠道蠕动、改善肠道菌群生态平衡等功效，以及良好的流变性和亲水性，在水中可形成稳定的胶体溶液，使纳米纤维素可作为非营养配料、增稠剂、稳定剂等应用于食品添加领域。纳米纤维素具有无毒无害、可生物降解、高结晶度等特性，以及能通过表面修饰赋予其独特的性质和能力，使其适用于食品包装领域。

根据纳米纤维素制备方法和尺寸的不同将纳米纤维素主要分为三类：微纤化纤维素（MFC）、纳米纤维素晶体（NCC）和细菌纳米纤维素（BNC）。

微纤化纤维素（MFC），又称纤维素微纤维、微纤维纤维素或纳米纤化纤维素。MFC是天然纤维素经机械处理，得到的一维尺寸的纳米级别的新型高分子材料。由于其具有较大的长宽比和网状结构及高机械性能、高膨胀表面积、高纵横比、轻量等特性受到越来越多关注。

NCC具有刚性和高稳定性等显著特性，且具有可再生性和经济性，其纳米结构适用于药妆产品、纳米载体与药物传递系统、包装材料和食品添加剂等。

细菌纤维素是由多种细菌新陈代谢的产物形成的不含木素、半纤维素以及其他抽提物的高结晶度的三维网状结构。这种结构使得BNC有着一些特有的特性，如高纯度、高结晶度、较大的机械强度、高保水值、抗菌性、无毒性、生物相容性和生物降解性等，从而在多个领域有着广泛应用，如生物医药与组织工程、食品、电学、造纸、功能材料等。

作为天然纤维素的水解产物，纳米纤维素因同时具有纯天然、无异味、安全无毒、良好的流变性、高持水性等纤维素及纳米颗粒的双重理化性质，广泛应用于食品行业的各个方面。

1、烘焙食品

纳米纤维素具有膳食纤维的不被人体消化吸收、却能促进肠道蠕动、改善肠道菌群生态平衡等功效，添加到烘焙食品中，可制作减肥食品或功能性食品。如以甘蔗渣为原料，制备微晶纤维素及纳米纤维素，并分别制作膳食纤维面包，通过对两种膳食纤维面包和空白对照组面包的品质、感官评分、质构三个方面的分析及对比，确定最佳的纤维素添加量为8%，且纳米纤维素面包的品质优于微晶纤维素面包，微晶纤维素面包又优于空白对照组。

纳米纤维素作为膳食纤维具有比微晶纤维素更好的吸湿性和流变性，将纳米纤维素应用于食品中既能利用其纳米材料的尺度效应，又能发挥其生理特性，使纳米纤维素膳食纤维在食品研发中受到关注。选取葡糖醋杆菌发酵制备细菌纳米纤维素，并将其添加到小麦面包中，通过对添加细菌纳米纤维素前后的小麦面包的流变等参数分析，细菌纳米纤维素的加入对面包品质有改善作用，提高了比体积、孔隙率、发光度和保湿性，降低了褐变指数，降低了面包屑的硬度，使面包更加柔嫩。

2、冷冻食品

在冷冻食品中加入适量的纳米纤维素可以使其拥有更好的润滑性，这让食品能够保持良好的稳定性，避免食品在冷冻或反复冻融过程中形成大冰晶，从而维持冷冻食品细腻的口感。

纳米纤维素的添加可提高冰淇淋的抗融性和稳定性，使冰淇淋组织更细腻、冰晶更小，从而改善冰淇淋品质。结果表明添加0.35%的纳米纤维素可以使冰淇淋的质地、稳定性及风味达到最佳。且纳米纤维素还具有膳食纤维的生理特性，符合当前食品养生的发展趋势。采用纳米细菌纤维素（NBC）和大豆分离蛋白（SPI）为原料的复合凝胶（nano-BC/SPI）并将其添加到冰淇淋中。NBC的添加可以改善复合凝胶的TPA分布、悬浮稳定性、乳化和流变性能，其中NBC/SPI为1∶20的混合物与奶油的整体相似性最高，可以用作脂肪替代品。

3、食品包装

食品包装是食品行业中重要的环节，既要使被包装食品避免外部污染、保持新鲜，又应考虑食品包材的可降解性和无毒无污染性。纳米纤维素作为可再生、可生物降解的天然高分子聚合物，因其具有抗菌性和良好的力学性能，而受到了广大研究人员的青睐。

以小麦面筋（WG）、纤维素纳米晶（CNC）和TiO2纳米粒子为原料，研制了生物纳米复合材料。研究表明在WG中加入7.5%的CNC和0.6%的TiO2，可以显著提高所研究的复合材料的形貌、拉伸强度、水蒸气吸收、水蒸气渗透性和接触角等性能。用纳米复合材料涂布商业包装原色牛皮纸，可使涂布纸的断裂长度、爆裂指数及抑菌活性显著提高，这使涂布纸在包装应用中有着极大的潜力。

利用偶联剂在生物基羧化纤维素纳米纤维（CNF）上固定化乳酸链球菌肽的绿色方法制作食品包装，其具有良好的抗菌活性，确保了食品的长期保存。纳米纤维素涂层是涂在食品包装内层表面或者直接涂在需保存的食品材料表面的，与普通的涂层材料相比，纳米纤维素具有特殊的气体屏障功能，能改善机械性能，使其在生物软包装领域具有巨大发展潜力；微纤化纤维素和纳米纤维素晶体均为高聚合物，具有较高的粘结能和较强的链间吸引力，在低湿度条件下，其空隙体积小，扩散现象有限，故具有较低的透气性，可进一步提高食品质量和安全性且效率高、成本低。

此外，纳米纤维素还可应用于乳制备、肉制品、饮料等方面，且由于其良好的生物相容性还可用作固定化酶载体、通过表面修饰用于生物传感器中、以及用于制作食品级材料等诸多领域。

纳米纤维素具有纯天然、无异味、安全无毒、高结晶度以及高持水性等理化性质，还是人体平衡膳食结构所必需的一种非消化性多糖。它具有降胆固醇、调节血糖、预防大肠癌及心血管疾病等对人体有益的生理功能。既符合现代饮食追求的健康、营养、低糖，又符合绿色可持续发展的宗旨，是一种天然的、可再生、可自然降解的材料，是一种具有广泛应用前景的天然纳米材料。

参考文献：

[1]田英华,张羽飞,金海燕,刘晓兰,王哲.纳米纤维素及其在食品行业中的应用[J/OL].纤维素科学与技术:1-7[2020-12-12].https://doi.org/10.16561/j.cnki.xws.2020.04.06.

[2]蔡晨晨,陆登俊,马瑞佳,刘涛,范镯曦,吕明达.纳米纤维素在食品行业中应用研究进展[J].食品与机械,2019,35(07):231-236.

关键词：纳米纤维素、食品添加剂、功能性食品、食品包装

文/小泥沙

作者简介：小泥沙，食品科技工作者，毕业于华南理工大学食品科学与工程学院，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。