微晶纖維素的特性及其在食品工業中的應用

陳珍珍，劉愛國，*，李曉敏，張坤生，張樹海，曾國江

（1.天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津300134；2.北京納米纖維素技術研發中心，中國國旅貿易有限責任公司，北京100022；3.天津市大橋道食品有限公司，天津300350）

微晶纖維素的特性及其在食品工業中的應用

陳珍珍1，劉愛國1，*，李曉敏2，張坤生1，張樹海1，曾國江3

（1.天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津300134；2.北京納米纖維素技術研發中心，中國國旅貿易有限責任公司，北京100022；3.天津市大橋道食品有限公司，天津300350）

微晶纖維素作為一種新型功能性天然高分子化合物，其獨特的理化特性使得微晶纖維素在食品、醫藥及化妝品等行業中的應用越來越受到重視。文章主要闡述了微晶纖維素的理化性質及其在食品工業（如乳制品、冷凍食品及肉制品等）中的應用，并對微晶纖維素的發展前景進行了展望。

微晶纖維素，理化特性，應用

纖維素廣泛存在于自然界，是自然界中最為豐富的可再生資源。微晶纖維素作為纖維素的一種重要衍生物，由天然纖維素經稀無機酸水解而得，曾被視為無法利用的產品，但隨著科學技術的進步，如今在生產與應用方面取得了迅速發展。近年來，人們不斷地深入研究了微晶纖維素的制備方法、性質、結構，并將其廣泛應用于化工、醫藥及食品等領域，微晶纖維素的功能強大，極具實際生產開發價值。本文主要從微晶纖維素的理化性質談起，對其在食品工業中的一些應用進行了綜述，旨在為進一步深入研究微晶纖維素提供一些參考。

1 微晶纖維素

微晶纖維素（Microcrystalline cellulose，簡稱MCC），又稱結晶纖維素，是由β-1，4葡萄糖苷鍵聯接的直鏈式多糖，通常是天然纖維素經物理或化學方式得到的白色粉末狀物質，具有較大的比表面積和較低的聚合度[1]。該物質無臭、無味；不溶于水、稀酸、有機溶劑以及油脂等[2]；流動性強，可在水中分散，并在弱堿溶液中部分溶漲，同時羧甲基化、乙酰化、酯化反應性能相對較高[3-4]。獨特的性質使其作為纖維素改性產品中的重要成分，有廣闊的應用領域，且在醫藥、化妝品、食品以及化工行業均有廣泛應用[5]。微晶纖維素在國民經濟的發展中占有十分重要的地位，因此對它的研究有非常遠大的發展前景。

1.1 微晶纖維素的分類

微晶纖維素按晶體顆粒大小可分為：粉狀級別微晶纖維素，粒徑大小在2～200μm，主要用作吸附劑或填充劑，無穩定功能[6]；膠態級別微晶纖維素，粒徑大小在0.1～2μm，具有膠態性和吸濕性，分散于水中可形成白色、不透明的觸變膠體，與其他增稠劑復配應用在中性調味滅菌乳或滅菌乳飲料中[7]。

1.2 微晶纖維素的制備

微晶纖維素種類繁多，且性質各異，其生產所采用的設備以及工藝條件也不盡相同。目前，工業化生產的方法主要有化學法和機械法，此外，還有處于研究階段的微生物發酵法及酶解法。

出于對成本、資源和環保的考慮，人們在不斷地研究更好的原料和更好的方法來制備微晶纖維素。其原料不再局限于傳統的甘蔗渣、玉米芯和稻草漿等農業廢棄物[8-10]，近幾年，國內有人嘗試利用大豆皮[11]、胡蘿卜渣[12]及蘋果渣[13]等制備微晶纖維素，不僅確定了最佳工藝條件，且得到了較好的產品。

2 微晶纖維素的性質

微晶纖維素具有高結晶度、高聚合度、比表面積大和高吸水值的特性，此外，還具有獨特的流變特性以及化學性能，主要表現在以下幾個方面：

結晶度是指纖維素的結晶區域占整體纖維素的百分比，一般通過X-射線衍射分析儀和紅外光譜分析儀對其結晶度進行分析，結果表明纖維素I的結晶均被保留，且微晶纖維素的結晶度要比纖維素原料的結晶度大。不同原料及不同水解方式得到的微晶纖維素的結晶度差異較大，通常在0.68～0.80變動，而純度較高的微晶纖維素，其結晶度水解前后可由65.83%達到92.23%[14]。

聚合度分布是微晶纖維素一項重要指標，其中聚合度指纖維素中重復的葡萄糖結構單元的多少。聚合度分布的測定一般采用分級溶解、分級沉淀以及凝膠滲透色譜三種方法。微晶纖維素分散性越小，說明其分布越均一[15]。任丹等[16]研究了幾種活化法對微晶纖維素溶解性及聚合度的影響，結果表明經活化后聚合度略微降低，溶解性有所改善。

比表面積是微晶纖維素一項重要參數，指多孔固體物質單位質量所具有的表面積。一般通過水蒸氣吸附的BET法的比表面積測定儀對其比表面積進行測定。用不同方法和不同處理方式得到的微晶纖維素的比表面積也不同，不同于聚合度的是比表面積隨著粒徑的減小而增大，且其比表面積隨制備過程中粉碎時間的延長相應增大[17]。

吸水值是微晶纖維素在水中潤脹程度的標志。顆粒的大孔體積對吸水值的影響最大，大孔體積越多，吸水值越大，因為有大量的粒子間結合水保留在大孔中，測定其吸水值時這部分結合水起了非常重要的作用[18]。將微晶纖維素制備成不同濃度的水溶液，其吸水值隨微晶纖維素水溶液由起始濃度的不斷增高而增大，而未加工的微晶纖維素的吸水值隨著研磨時間的增加而增加[19]。

微晶纖維素具有極好的流動性[20]，主要與固相濃度，固體顆粒的形狀，顆粒大小，粒子間的相互作用有關[21-22]。其中對流動性影響較大的是顆粒大小，顆粒越大，粒間摩擦力越小，流動性越好。

此外，微晶纖維素具有較大的化學反應活性，易發生酯化和醚化反應，生成纖維素酯和纖維素醚等，不僅不會破壞其內部的結晶結構，且所得產物的機械性能、可燃性、溶解性及分散性等都發生相應改變[23]。微晶纖維素優良的化學性能和功能特性，不僅擴大了它的應用范圍，更為其在纖維素的化學改性和開發應用方面提供了多種選擇[24]。

3 微晶纖維素在食品工業中的應用

在食品工業中，微晶纖維素作為一種食用纖維和理想的保健食品添加劑，得到了聯合國糧農組織和世界衛生組織所屬的食品添加劑聯合鑒定委員會的認證和批準，相應的纖維商品也隨之出現，并在乳制品、冷凍食品、肉制品等中得到廣泛的應用。

索他洛爾是一種β-受體阻滯劑，常用于治療心房撲動、心房纖顫等心律失常，可緩解急癥快速心律失常癥狀，降低死亡率，但其伴隨著多種并發癥，如呼吸困難、頭痛、眩暈、發熱、低血壓等，給患者帶來不適[3]，容易使患者產生焦躁、抑郁等負面情緒，不利于預后。胺碘酮屬于Ⅲ類抗心律失常藥物，具有Ⅰ類與Ⅳ類抗心律失常類藥物的性質，其作用機理為與血漿中的白蛋白、β脂蛋白結合，抑制心房或者心肌傳導纖維中快鈉離子的內流，使傳導速度減慢，同時降低竇房結的自律性，實現心率的調節作用。靜脈注射鹽酸胺碘酮，對負性肌力產生輕度作用，對左室功能無抑制，實現冠狀動脈與周圍血管的擴張[4]。

3.1 微晶纖維素在乳制品中的應用

3.1.1 在乳飲料中的應用 微晶纖維素可作為乳化穩定劑應用于乳飲料中，通常乳飲料在生產與銷售貯存期間容易乳液分離，而微晶纖維素可增稠并膠凝化油水乳化液中的水相，防止油滴間彼此接近甚至發生聚合反應；微晶纖維素均勻分散于水中，能以氫鍵方式與水分子連接形成立體網絡結構，防止乳中不溶性顆粒的沉降以及脂質粒的重聚；此外，微晶纖維素的剪切稀變性可降低產品產生的粘連糊口感[25]。

成堅等[10]將膠態微晶纖維素（添加量在2.00～3.00g/L）與卡拉膠以及單甘脂復配使用，有效提高了中性含乳飲料（高鈣奶、可可奶、核桃奶、花生奶及豆奶等）的穩定性，使得產品的口感飽滿且滑爽。劉娟[26]的研究結果表明微晶纖維素與κ-型卡拉膠復配提高了可可奶的貨架期，特別是微晶纖維素添加量1.5g/L，卡拉膠0.2g/L時，產品穩定性好，稠度適中，口感潤滑，保質期達6個月。

3.1.2 在奶酪中的應用 在低脂干酪中添加微晶纖維素，不僅可以彌補脂肪含量減少所引起的口感不足，同時形成支撐骨架，使制品變軟，從而改善制品的整體效應[27]。

紀麗蓮[28]研究了微晶纖維素對干酪品質的影響，結果表明，在低脂干酪中添加微晶纖維素和卡拉膠時，干酪產品中的水分和蛋白質含量顯著增加，組織狀態更加柔軟、滑潤且富有彈性，風味愈發清香，在掃描電鏡下觀察內部結構呈多孔狀，類似于全脂奶酪，比未添加微晶纖維素和卡拉膠的普通低脂干酪整體效果更佳。

3.1.3 在冰奶油中的應用 微晶纖維素作為穩定劑，可以很大程度的提高奶油的乳化和泡沫穩定性，從而改善質地，使奶油更加潤滑，爽口[29]。

3.2 微晶纖維素在冷凍食品中的應用

3.2.1 在冰淇淋中的應用 微晶纖維素作為一種穩定劑、改良劑，可以提高冰淇淋漿料的黏度，提高冰淇淋的整體乳化效果，提高冰淇淋體系的分散穩定性、抗融性以及風味的釋放能力[31]。在冰淇淋中使用可以防止或抑制冰晶的生長及延緩冰渣出現的時間，改善軟冰淇淋口感、內部結構和外觀狀態，改善油脂以及含油脂固體微粒的分散度[32]。微晶纖維素在冰淇淋反復的凍融過程中充當物理性阻礙物，防止晶粒聚集形成大的冰晶體，在冰淇淋中加入0.4%～0.6%微晶纖維素足以防止冰晶體增大，保證冰淇淋的質地和結構不發生變化[33]。在典型的英國配方配制的冰淇淋中分別加入0.30%、0.55%、0.80%的微晶纖維素，冰淇淋的黏度較未添加微晶纖維素的稍有增大，但對冰淇淋的溢出量沒有影響。用功能法或透度計測定，都顯示加入微晶纖維素后的冰淇淋質量有很大提高，加入量在0.55%或0.80%時效果更加明顯[29]。

劉梅森等[32]將微晶纖維素加入到冰淇淋中，主要通過測定冰淇淋的漿料黏度、膨脹率和抗融性，研究了微晶纖維素作為單因素及與瓜兒豆膠復配在冰淇淋生產中的影響，結果表明，單一使用或兩者復配使用都能明顯改善冰淇淋的抗融性，提高冰淇淋的品質。

3.2.2 在速凍面食中的應用 微晶纖維素作為速凍面食（包括速凍餃子、湯圓和餛飩等）和冷凍點心的一種改良劑，可使其成品表皮不易開裂，不變形，水煮性能好，可以延長保鮮期，同時具有表皮光亮、口感爽滑、彈性好及不混湯的優點[34]。此類食品擁有較高的性價比，具有很好的競爭優勢。

3.3 微晶纖維素在肉制品中的應用

3.3.1 在肉類罐頭中的應用 肉類罐頭是一種高溫殺菌食品，在高溫處理條件下其中的淀粉會發生水解，影響罐頭產品的質量和口感。由于微晶纖維素具有耐鹽、耐酸和耐高溫的特性，在肉類罐頭中添加微晶纖維素，可使肉制品在長時間的高溫條件下保持較好的穩定性[35]，保證肉類罐頭質量的同時其延長了貨架期。

3.3.2 在低脂肉制品的應用 微晶纖維素作為一種純天然的無毒無害的纖維素產品，具有與膳食纖維、細菌纖維素類似無法被人體消化吸收的特點，因此，可作為脂肪的替代物和模擬物[36]。在肉腸、肉丸及肉餅等肉制品加工過程中，微晶纖維素可部分甚至完全代替其中的肥肉，大大地減少了肉制品的熱量。目前，人們對高脂肪、高熱量的食品拒之不及，低脂肪食品的開發成了功能性食品研究的主要內容，而微晶纖維素的應用研究完全符合這些發展需求。

3.4 微晶纖維素在焙烤食品中的應用

微晶纖維素是一種良好的的膳食纖維來源，可以制作為高膳食纖維的焙烤食品[37]。在焙烤食品中添加微晶纖維素不僅可以增加纖維素的含量，使其具有一定的營養和保健功能，還可以降低焙烤食品的熱量，提高產品的保水性，并延長貨架期。

徐瑾等[38]通過研制杉木微晶纖維素面包，研究了杉木微晶纖維素不同添加量對面包品質的影響。隨著微晶纖維素的添加量增加時會降低面包的感官質量，只得到了添加量為0.1%～0.3%時組織結構和風味都較為優良的面包。由于微晶纖維素添加量較少，不是真正意義的高膳食纖維面包。姜旭邦等[39]在徐瑾的研究基礎上進一步研究了微晶纖維素的添加量和粒度變化對面包品質和全質構的影響。其結果表明，當微晶纖維素添加量較小時，微晶纖維素的粒度大小對面包的品質和全質構影響不明顯；當微晶纖維素的添加量相同時，其粒度越大，對面包的品質和全質構影響越大，越不好；當微晶纖維素的粒度最小時，能明顯改善面包的品質，且在10%添加量時面包仍保持較好的品質。在快餐致病率和快餐脂肪居高不下的時代，這樣的高膳食纖維面包是一種新型的營養保健食品，易于被消費者接受。

3.5 微晶纖維素在速溶飲料中的應用

膠態微晶纖維素在水中形成的凝膠具有空間障礙作用，且凝膠強度低，因此可作為飲料的膠化劑、穩定劑、抗結劑和懸浮劑，解決各種速溶飲料目前經常出現的分散性不均或分散性不穩定等現象，提高液體的穩定性。另外，膠體微晶纖維素有防止速溶飲品的粉末（如巧克力粉、可可粉等）受潮結塊的作用，因為微晶纖維素能將粉末顆粒穩定在其形成的網絡狀結構中，從而對速溶的飲料起到較好的穩定效果[40]。

3.6 微晶纖維素在調味品中的應用

楊維生[41]通過一系列處理，將微晶纖維素進行改性之后，得到一種適用于調味汁的添加劑，它在低粘度下有搖溶性、乳化穩定性、耐熱性和耐振動性，使調味汁有爽口感。微晶纖維素不僅適用于無油脂、低油脂調味汁，而且還適用于燒煮用的白色調味汁類，如玉米湯和波拉布式色拉調料。

4 展望

作為新型材料的微晶纖維素是一種豐富的可再生資源，性質獨特且用途廣泛，日益受到各界的廣泛關注，具有很大的研究空間、廣闊的發展前景和市場潛力。目前，國外實現了微晶纖維素系列化產品的生產，國內隨著消費者對產品質量的要求不斷提高，工業化生產規模雖有擴大，對微晶纖維素的需求量也逐年增大，但是我國研究和開發大都處于初級階段，生產的大型廠家很少，多以中小型企業零散生產為主，且生產力低下，使得微晶纖維素在工業領域中的大量應用受到了很大的限制。自從我國現加入WTO后，給我國在微晶纖維素方面的理論研究、在相關領域的技術應用和產業化生產帶來了極大的機遇，應加大微晶纖維素開發應用的力度，進而提高產品質量，參與國際競爭，更好的開發國際市場，尤其是國內市場。此外，微晶纖維素有很多優質的性能亟需開發，這就需要更深入、更具體的研究微晶纖維素的功能特性和應用機理，不斷地創新和發展制備技術及改性技術，以此來開拓微晶纖維素在我國的廣闊市場。

食品工業是微晶纖維素應用的一個重要領域，其來源和適用范圍都在不斷地擴大。近幾年有關其衍生物的研究較多，作為食品的抗氧化劑、發酵劑等。而微晶纖維素在生物和醫學方面的發展也是占主流的，可以結合其自身的功能性和營養性開發出新型的藥食同源的功能產品。

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Characteristics and application of microcrystalline cellulose in food industry

CHEN Zhen-zhen1，LIU Ai-guo1，*，LI Xiao-min2，ZHANG Kun-sheng1，ZHANG Shu-hai1，ZENG Guo-jiang3
（1.Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China；
2.Beijing NCC Technology R&D Centre，China International Touriam&Trade Co.，Ltd.，Beijing 100022，China；3.Daqiaodao，Tianjin Food Co.，Ltd.，Tianjin 300350，China）

Microcrystalline cellulose，as a new type of functional natural polymer，is widely used in many fields，including food，pharmaceutical，cosmetics and some other industries.In addition，microcrystalline cellulose had arosed more and more attention，because of its unique physcal and chemical properties.The article summarized the physicochemical property of the microcrystalline cellulose，these applications in the food industry（such as dairy products，frozen foods and meat products），and the prospects for the development of microcrystalline cellulose prospect.

microcrystalline cellulose；physicochemical property；application

TS202.3

A

1002-0306（2014）04-0380-04

2013－07－08 *通訊聯系人

陳珍珍（1988），女，在讀碩士研究生，研究方向：乳制品與食品添加劑。

國家科技支撐計劃項目（2012BAD37B06-07）。