微晶纤维素的特性及其在食品工业中的应用

来源：食品添加剂供求网发布时间： 7/31/2015 9:17:14 AM

     纤维素广泛存在于自然界，是自然界中最为丰富的可再生资源。微晶纤维素作为纤维素的一种重要衍生物，由天然纤维素经稀无机酸水解而得，曾被视为无法利用的产品，但随着科学技术的进步，如今在生产与应用方面取得了迅速发展。近年来，人们不断地深入研究了微晶纤维素的制备方法、性质、结构，并将其广泛应用于化工、医药及食品等领域，微晶纤维素的功能强大，极具实际生产开发价值。本文主要从微晶纤维素的理化性质谈起，对其在食品工业中的一些应用进行了综述，旨在为进一步深入研究微晶纤维素提供一些参考。
    1·微晶纤维素
    微晶纤维素（Microcrystalline cellulose，简称 MCC），又称结晶纤维素，是由 β-1,4 葡萄糖苷键联接的直链式多糖，通常是天然纤维素经物理或化学方式得到的白色粉末状物质，具有较大的比表面积和较低的聚合度[1]。该物质无臭、无味；不溶于水、稀酸、有机溶剂以及油脂等[2]；流动性强，可在水中分散，并在弱碱溶液中部分溶涨，同时羧甲基化、乙酰化、酯化反应性能相对较高[3,4]。独特的性质使其作为纤维素改性产品中的重要成分，有广阔的应用领域，且在医药、化妆品、食品以及化工行业均有广泛应用[5]。微晶纤维素在国民经济的发展中占有十分重要的地位，因此对它的研究有非常远大的发展前景。
    1.1
    微晶纤维素的分类
    微晶纤维素按晶体颗粒大小可分为：粉状级别微晶纤维素，粒径大小在 2~200μ m，主要用作吸附剂或填充剂，无稳定功能[6]；胶态级别微晶纤维素，粒径大小在 0.1~2μ m，具有胶态性和吸湿性，分散于水中可形成白色、不透明的触变胶体，与其他增稠剂复配应用在中性调味灭菌乳或灭菌乳饮料中[7]。
    1.2
    微晶纤维素的制备
    微晶纤维素种类繁多，且性质各异，其生产所采用的设备以及工艺条件也不尽相同。目前，工业化生产的方法主要有化学法和机械法，此外，还有处于研究阶段的微生物发酵法及酶解法。出于对成本、资源和环保的考虑，人们在不断地研究更好的原料和更好的方法来制备微晶纤维素。
    其原料不再局限于传统的甘蔗渣、玉米芯和稻草浆等农业废弃物[8-10]，近几年，国内有人尝试利用大豆皮[11]、胡萝卜渣[12]及苹果渣[13]等制备微晶纤维素，不仅确定了最佳工艺条件，且得到了较好的产品。
    2·微晶纤维素的性质
    微晶纤维素具有高结晶度、高聚合度、比表面积大和高吸水值的特性，此外，还具有独特的流变特性以及化学性能，主要表现在以下几个方面：
    结晶度是指纤维素的结晶区域占整体纤维素的百分比，一般通过X-射线衍射分析仪和红外光谱分析仪对其结晶度进行分析，结果表明纤维素I的结晶均被保留，且微晶纤维素的结晶度要比纤维素原料的结晶度大。不同原料及不同水解方式得到的微晶纤维素的结晶度差异较大，通常在0.68~0.80变动，而纯度较高的微晶纤维素，其结晶度水解前后可由65.83%达到92.23%[14]。
    聚合度分布是微晶纤维素一项重要指标，其中聚合度指纤维素中重复的葡萄糖结构单元的多少。聚合度分布的测定一般采用分级溶解、分级沉淀以及凝胶渗透色谱三种方法。微晶纤维素分散性越小，说明其分布越均一[15]。任丹[16]等研究了几种活化法对微晶纤维素溶解性及聚合度的影响，结果表明经活化后聚合度略微降低，溶解性有所改善。
    比表面积是微晶纤维素一项重要参数，指多孔固体物质单位质量所具有的表面积。一般通过水蒸气吸附的BET法的比表面积测定仪对其比表面积进行测定。用不同方法和不同处理方式得到的微晶纤维素的比表面积也不同，不同于聚合度的是比表面积随着粒径的减小而增大，且其比表面积随制备过程中粉碎时间的延长相应增大[17]。吸水值是微晶纤维素在水中润胀程度的标志。颗粒的大孔体积对吸水值的影响最大，大孔体积越多，吸水值越大，因为有大量的粒子间结合水保留在大孔中，测定其吸水值时这部分结合水起了非常重要的作用[18]。将微晶纤维素制备成不同浓度的水溶液，其吸水值随微晶纤维素水溶液由起始浓度的不断增高而增大，而未加工的微晶纤维素的吸水值随着研磨时间的增加而增加[19]。微晶纤维素具有极好的流动性[20]，主要与固相浓度，固体颗粒的形状，颗粒大小，粒子间的相互作用有关[21-22]。其中对流动性影响较大的是颗粒大小，颗粒越大，粒间摩擦力越小，流动性越好。此外，微晶纤维素具有较大的化学反应活性，易发生酯化和醚化反应，生成纤维素酯和纤维素醚等，不仅不会破坏其内部的结晶结构，且所得产物的机械性能、可燃性、溶解性及分散性等都发生相应改变 [23]。微晶纤维素优良的化学性能和功能特性，不仅扩大了它的应用范围，更为其在纤维素的化学改性和开发应用方面提供了多种选择[24]。
    3·微晶纤维素在食品工业中的应用
    在食品工业中，微晶纤维素作为一种食用纤维和理想的保健食品添加剂，得到了联合国粮农组织和世界卫生组织所属的食品添加剂联合鉴定委员会的认证和批准，相应的纤维商品也随之出现，并在乳制品、冷冻食品、肉制品等中得到广泛的应用。
    3.1
    微晶纤维素在乳制品中的应用
    3.1.1
    在乳饮料中的应用
    微晶纤维素可作为乳化稳定剂应用于乳饮料中，通常乳饮料在生产与销售贮存期间容易乳液分离，而微晶纤维素可增稠并胶凝化油水乳化液中的水相，防止油滴间彼此接近甚至发生聚合反应；微晶纤维素均匀分散于水中，能以氢键方式与水分子连接形成立体网络结构，防止乳中不溶性颗粒的沉降以及脂质粒的重聚；此外，微晶纤维素的剪切稀变性可降低产品产生的粘连糊口感[25]。成坚[10]等人将胶态微晶纤维素（添加量在2.00～3.00g/L）与卡拉胶以及单甘脂复配使用，有效提高了中性含乳饮料（高钙奶、可可奶、核桃奶、花生奶及豆奶等）的稳定性，使得产品的口感饱满且滑爽。刘娟[26]的研究结果表明微晶纤维素与κ-型卡拉胶复配提高了可可奶的货架期，特别是微晶纤维素添加量1.5g/L，卡拉胶0.2g/L时，产品稳定性好，稠度适中，口感润滑，保质期达6个月。
    3.1.2
    在奶酪中的应用
    在低脂干酪中添加微晶纤维素，不仅可以弥补脂肪含量减少所引起的口感不足，同时形成支撑骨架，使制品变软，从而改善制品的整体效应[27]。纪丽莲[28]研究了微晶纤维素对干酪品质的影响，结果表明，在低脂干酪中添加微晶纤维素和卡拉胶时，干酪产品中的水分和蛋白质含量显著增加，组织状态更加柔软、滑润且富有弹性，风味愈发清香，在扫描电镜下观察内部结构呈多孔状，类似于全脂奶酪，比未添加微晶纤维素和卡拉胶的普通低脂干酪整体效果更佳。
    3.1.3
    在冰奶油中的应用
    微晶纤维素作为稳定剂，可以很大程度的提高奶油的乳化和泡沫稳定性，从而改善质地，使奶油更加润滑，爽口[29]。
    3.2
    微晶纤维素在冷冻食品中的应用
    微晶纤维素具有较好的冷热稳定性，适用于冷食工业以及需要高温处理的产品中[30]。在冷冻食品中不仅可以提高配料的分散性和稳定性，而且由于颗粒极细，可以改善产品的口感。此外，微晶纤维素可作为冷冻食品的冰晶抑制剂，可在较长时间内保持冷冻食品的原形和质量，进一步延长了冷冻食品的耐储藏性，极大地促进了冷藏、冷冻食品工业的发展。
    3.2.1
    在冰淇淋中的应用
    微晶纤维素作为一种稳定剂、改良剂，可以提高冰淇淋浆料的黏度，提高冰淇淋的整体乳化效果，提高冰淇淋体系的分散稳定性、抗融性以及风味的释放能力[31]。在冰淇淋中使用可以防止或抑制冰晶的生长及延缓冰渣出现的时间，改善软冰淇淋口感、内部结构和外观状态，改善油脂以及含油脂固体微粒的分散度[32]。微晶纤维素在冰淇淋反复的冻融过程中充当物理性阻碍物，防止晶粒聚集形成大的冰晶体，在冰淇淋中加入0.4%~0.6%微晶纤维素足以防止冰晶体增大，保证冰淇淋的质地和结构不发生变化[33]。在典型的英国配方配制的冰淇淋中分别加入0.30%、0.55%、0.80%的微晶纤维素，冰淇淋的黏度较未添加微晶纤维素的稍有增大，但对冰淇淋的溢出量没有影响。用功能法或透度计测定，都显示加入微晶纤维素后的冰淇淋质量有很大提高，加入量在0.55%或0.80%时效果更加明显[29]。
    刘梅森等[32]将微晶纤维素加入到冰淇淋中，主要通过测定冰淇淋的浆料黏度、膨胀率和抗融性，研究了微晶纤维素作为单因素及与瓜儿豆胶复配在冰淇淋生产中的影响，结果表明，单一使用或两者复配使用都能明显改善冰淇淋的抗融性，提高冰淇淋的品质。
    3.2.2
    在速冻面食中的应用
    微晶纤维素作为速冻面食（包括速冻饺子、汤圆和馄饨等）和冷冻点心的一种改良剂，可使其成品表皮不易开裂，不变形，水煮性能好，可以延长保鲜期，同时具有表皮光亮、口感爽滑、弹性好及不混汤的优点[34]。此类食品拥有较高的性价比，具有很好的竞争优势。
    3.3
    微晶纤维素在肉制品中的应用
    3.3.1
    在肉类罐头中的应用
    肉类罐头是一种高温杀菌食品，在高温处理条件下其中的淀粉会发生水解，影响罐头产品的质量和口感。由于微晶纤维素具有耐盐、耐酸和耐高温的特性，在肉类罐头中添加微晶纤维素，可使肉制品在长时间的高温条件下保持较好的稳定性[35]，保证肉类罐头质量的同时其延长了货架期。
    3.3.2
    在低脂肉制品的应用
    微晶纤维素作为一种纯天然的无毒无害的纤维素产品，具有与膳食纤维、细菌纤维素类似无法被人体消化吸收的特点，因此，可作为脂肪的替代物和模拟物[36]。在肉肠、肉丸及肉饼等肉制品加工过程中，微晶纤维素可部分甚至完全代替其中的肥肉，大大地减少了肉制品的热量。目前，人们对高脂肪、高热量的食品拒之不及，低脂肪食品的开发成了功能性食品研究的主要内容，而微晶纤维素的应用研究完全符合这些发展需求。
    3.4
    微晶纤维素在焙烤食品中的应用
    微晶纤维素是一种良好的的膳食纤维来源，可以制作高膳食纤维的焙烤食品[37]。在焙烤食品中添加微晶纤维素不仅可以增加纤维素的含量，使其具有一定的营养和保健功能，还可以降低焙烤食品的热量，提高产品的保水性，并延长货架期。徐瑾等[38]通过研制杉木微晶纤维素面包，研究了杉木微晶纤维素不同添加量对面包品质的影响。随着微晶纤维素的添加量增加时会降低面包的感官质量，只得到了添加量为 0.1%~0.3%时组织结构和风味都较为优良的面包。由于微晶纤维素添加量较少，不是真正意义的高膳食纤维面包。姜旭邦等[39]在徐瑾的研究基础上进一步研究了微晶纤维素的添加量和粒度变化对面包品质和全质构的影响。其结果表明，当微晶纤维素添加量较小时，微晶纤维素的粒度大小对面包的品质和全质构影响不明显；当微晶纤维素的添加量相同时，其粒度越大，对面包的品质和全质构影响越大，越不好；当微晶纤维素的粒度最小时，能明显改善面包的品质，且在 10%添加量时面包仍保持较好的品质。在快餐致病率和快餐脂肪居高不下的时代，这样的高膳食纤维面包是一种新型的营养保健食品，易于被消费者接受。
    3.5
    微晶纤维素在速溶饮料中的应用
    胶态微晶纤维素在水中形成的凝胶具有空间障碍作用，且凝胶强度低，因此可作为饮料的胶化剂、稳定剂、抗结剂和悬浮剂，解决各种速溶饮料目前经常出现的分散性不均或分散性不稳定等现象，提高液体的稳定性。另外，胶体微晶纤维素有防止速溶饮品的粉末（如巧克力粉、可可粉等）受潮结块的作用，因为微晶纤维素能将粉末颗粒稳定在其形成的网络状结构中，从而对速溶的饮料起到较好的稳定效果[40]。
    3.6
    微晶纤维素在调味品中的应用
    杨维生[41]通过一系列处理，将微晶纤维素进行改性之后，得到一种适用于调味汁的添加剂，它在低粘度下有摇溶性、乳化稳定性、耐热性和耐振动性，使调味汁有爽口感。微晶纤维素不仅适用于无油脂、低油脂调味汁，而且还适用于烧煮用的白色调味汁类，如玉米汤和波拉布式色拉调料。
    4·展望
    作为新型材料的微晶纤维素是一种丰富的可再生资源，性质独特且用途广泛，日益受到各界的广泛关注，具有很大的研究空间、广阔的发展前景和市场潜力。目前，国外实现了微晶纤维素系列化产品的生产，国内随着消费者对产品质量的要求不断提高，工业化生产规模虽有扩大，对微晶纤维素的需求量也逐年增大，但是我国研究和开发大都处于初级阶段，生产的大型厂家很少，多以中小型企业零散生产为主，且生产力低下，使得微晶纤维素在工业领域中的大量应用受到了很大的限制。自从我国现加入 WTO 后，给我国在微晶纤维素方面的理论研究、在相关领域的技术应用和产业化生产带来了极大的机遇，应加大微晶纤维素开发应用的力度，进而提高产品质量，参与国际竞争，更好的开发国际市场，尤其是国内市场。此外，微晶纤维素有很多优质的性能亟需开发，这就需要更深入、更具体的研究微晶纤维素的功能特性和应用机理，不断地创新和发展制备技术及改性技术，以此来开拓微晶纤维素在我国的广阔市场。
    食品工业是微晶纤维素应用的一个重要领域，其来源和适用范围都在不断地扩大。近几年有关其衍生物的研究较多，作为食品的抗氧化剂、发酵剂等。而微晶纤维素在生物和医学方面的发展也是占主流的，可以结合其自身的功能性和营养性开发出新型的药食同源的功能产品。

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