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大家·科技前沿

MASTERS

張洪斌

上海交通大學化學化工學院高分子科學與工程系教授、博士生導師

人類對美好食物的追求是伴隨著人類文明的發展進行的，食品的品質代表著文明的高度。從鹽開始，人類使用添加劑創造和改良食物的嘗試一直沒有停止過。這些嘗試不僅豐富和提高了食物的種類和品質，也賦予了食物更多有關宗教的、民族的、文化的意義。食物成為“民族文化最不能喪失的方面”。

食品的感官功能

大家都耳熟能詳“民以食為天”的道理，國外也有類似的說法，“食物 （面包） 是生活的必需品”，即 Food（Bread） is the stuff of life 。食物的主要功能無疑是它的營養功能，即提供人體所需的營養素和能量，滿足人體的生存需要。

但同時食物還具有非常重要的另一個功能，稱為“感官功能”，即滿足人們不同的嗜好和口感要求，也就是對食物色、香、味、形和質地的要求。我們常稱的“美食”，就是具有良好感官功能的食物。優良的感官性狀有增進食欲，特別是產生愉悅感的作用。

講到感官功能的作用，我們可以很容易從很多日常生活和飲食例子中找到佐證，比如即使簡單地對比面粉和面條、大豆和豆腐、肉和紅燒肉、紅薯和烤紅薯等，后者帶給我們的感官享受要遠大于前者。因此，食物不僅僅是我們的生活必需品，也能讓我們享受食物帶來的愉悅感，甚至可以說是人類幸福生活的最重要源泉。

如同法國著名美食作家讓·安瑟爾姆·布里亞-薩瓦蘭 （Jean Anthelme Brillat-Savarin） 所言，“發現一道美食比發現一顆恒星更能給人類帶來幸福感”。

實際上，食品添加劑在食品中或食品的加工過程中發揮了極其重要的作用。以紅燒肉為例，中國科學院上海藥物所原所長蔣華良院士曾寫過一篇著名的科普文章《紅燒肉中的著名化學反應——美拉德反應》。文中詳盡描述了添加白糖 （冰糖） 產生的 （糖與氨基酸或蛋白質之間由熱引發的） 非酶褐變化學反應，即美拉德反應的作用。

在紅燒肉烹制過程中，肉中氨基酸的氨基與糖的羰基發生親核加成反應，生成席夫堿。

席夫堿再環化形成氮代糖基胺，之后經阿姆德瑞分子重排反應生成烯醇式和酮式糖胺。

這兩種物質在酸性條件下，經1,2-烯醇化反應生成羰基呋喃醛，而在堿性條件下，經2,3-烯醇化反應產生還原酮類和脫氫還原酮類化合物。

這些多羰基不飽和化合物再通過斯特勒克降解反應，產生醛類、吡嗪類化合物和一些易揮發的化合物。

紅燒肉特有的香味就來自這些化合物。

而紅燒肉特有的誘人色澤，則是多羰基不飽和化合物進行縮合、聚合反應，產生褐黑色的類黑精物質的結果。

類黑精物質是紅燒肉色澤的物質基礎，控制糖的用量和加熱溫度，縮合、聚合反應的程度不同，會產生不同的類黑精物質，紅燒肉的色澤也會不同。

顯然，白糖的添加除提供甜味外，還是紅燒肉香味、色澤的主要功勞物質。

這個例子中，盡管我們會自然而然地將白糖看作食品，但在紅燒肉中它的確是添加劑。

食品添加劑

我們首先看看幾個權威機構對食品添加劑的定義，盡管不同國家和地區的定義有一些不同。

世界衛生組織 （WHO） 對食品添加劑的定義是“添加到食物中以維持或提高食品的安全性、新鮮度、味道、質地或外觀的物質”；美國食品藥品管理局 （FDA） 將食品添加劑定義為“其預期用途直接或間接導致或可能合理預期導致其成為成分或以其他方式影響任何食品特性的任何物質”。

在我國，《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》 （GB 2760-2024） 對食品添加劑的定義為：為改善食品品質和色、香、味，以及為防腐、保鮮和加工工藝的需要而加入食品中的人工合成或者天然物質。

不管上述哪種定義，我們可以看到，也容易理解，在食品中沒有那些食品添加劑，很多食品的工業化制作、口感、穩定性、儲存期乃至食用安全性都要大打折扣。

實際上，食品添加劑早已成為現代食品的組成部分，是食品工業的靈魂。可以說在很大程度上，沒有食品添加劑，就沒有現代食品工業的發展，我們也不能方便地享受到林林總總的各地美食。

當然，不可否認，“添加劑”的叫法容易使人產生“異物感”，也容易使不了解的人產生誤解。其實，早先一些給大家留下深刻負面印象的所謂“添加劑”，并不是我們所稱的“食品添加劑”，而是違規、違法的“添加物”。在日常生活中，我們的飲食早已離不開添加劑了。

豆腐和鹵味食品家喻戶曉、廣受歡迎，特別是豆腐在我國有著兩千多年的食用歷史。

東漢時期用“鹵水”點豆腐，魏晉時期用堿發酵饅頭，宋朝時用“一礬二堿三鹽”來炸油條，這都是食品添加劑使用的例子，也是我們中國古代勞動人民智慧的體現。

“鹵水點豆腐”中的“鹵水（主要成分是氯化鎂）”就是“添加劑”，人們對它的接受并無違和感，因為在印象中“鹵水”已經是豆腐中的“配料”了，是豆腐的組成成分。

也許，如果一開始“食品添加劑”被稱為“食品配料”，大家就更容易接受。

高分子食品添加劑

高分子食品添加劑，首先要說明什么是高分子。

上面紅燒肉中添加的白糖 （蔗糖） 、鹵水中的氯化鎂都是小分子，分子量低，分別只有342.3g/mol和95.2g/mol。

那什么是高分子呢？高分子也稱聚合物，高分子的“高”體現在分子量或聚合度的“高”上。

食品中的蛋白質、淀粉就是高分子，它們可以看作氨基酸和葡萄糖的聚合物，分子量可達幾萬、幾十萬、幾百萬甚至上千萬。

蛋白質和食品膠都是典型的高分子。它們一般具有長鏈結構和很高的分子量。從口感、賦型、抗融、穩定作用的角度，各類食品膠的用量雖少，但對食品的物性、品質和消費者的接受度乃至心理影響，都起著非常重要的作用。這些起著特殊作用的添加劑一般都是天然高分子。

不同食品親水膠體形成軟硬不同的凝膠

那么，高分子食品添加劑有哪些呢？蛋白質和多糖是兩大類，其中多糖種類最多。

多糖是由十個以上單糖通過糖苷鍵連接而成的聚糖。可依據來源的不同分類：動物來源的有殼聚糖、透明質酸；微生物來源的結冷膠、可得然膠（可德膠）；植物來源的很多，如淀粉、纖維素、果膠、魔芋膠、阿拉伯膠、瓜爾（豆）膠、（刺）槐豆膠等。

高分子食品添加劑常常又被稱為食品膠或食品親水膠體，一方面它們中的許多本身就是食品或來自食品，另一方面因為它們親水性很好，溶于水或分散在水中大多會形成膠體。

一些多糖化學改性的衍生物也是高分子食品添加劑，如淀粉和纖維素的改性產物。甲基化、羧甲基化是一些常用的方法，典型的有甲基纖維素（MC）、羧甲基纖維素（CMC）等。

高分子食品添加劑的功能

食品親水膠體可分為增稠劑和膠凝劑。例如，黃原膠是增稠劑，結冷膠被歸類為膠凝劑。幾乎所有的食品親水膠體都可以增稠，使水的黏度增加。

不同化學結構和分子鏈構象的多糖可以產生不同力學性能的凝膠。

如低酰基結冷膠、瓊脂膠和κ-卡拉膠凝膠堅硬而脆，明膠、高酰基結冷膠和由黃原膠與植物多糖混合形成的“協同”凝膠則柔軟而有彈性，而海藻酸鹽和果膠形成的凝膠性質介于上述類凝膠之間。

在食品中大量使用親水膠體的最重要原因是它們能夠改變食品的流變性。這包括食品的兩個基本特性，即流動特性 （黏度） 和固體特性 （質地） 。食品質地和黏度的改變有助于改變其感官特性。因此，親水膠體被用作達到特定目的的重要食品添加劑。

在各種食品配方中，如湯、肉汁、沙拉醬、醬汁和澆頭，都使用親水膠體作為添加劑來達到所需的黏度和口感。它們還用于許多食品，如果醬、果凍、凝膠甜點、蛋糕，以實現所需的質地。

除增稠和凝膠性質外，許多高分子食品添加劑還有乳化、穩定、分散、成膜等作用。阿拉伯膠就是乳化作用優異的一種高分子乳化劑，也是最早被FDA批準用于食品的一種植物膠體。

高分子食品添加劑是否安全

“食以安為先”，食品安全性最受關注。一些雪糕的“不易融”現象引起了不少關注。這些雪糕還把“卡拉膠”這種食品膠添加劑帶上了熱搜，引起了人們對雪糕食用安全性的擔憂。

卡拉膠，又名角叉菜膠，是從鹿角菜、石花菜和麒麟菜等紅藻中提取出的水溶性硫酸酯化的天然多糖類植物膠體。卡拉膠由于獨特的結構和高分子量而具有特殊的理化性質，如膠凝、增稠、乳化、穩定、分散、成膜性和蛋白反應性，常用作凝膠劑、增稠劑、乳化劑，懸浮劑，用于形成凝膠、穩定乳液、產品賦型、懸浮分散等，從而改善食品的感官性能。

大家知道，物質一般有氣態、液態和固態。小小的冰淇淋或雪糕都包括了，它們是氣、液、固的混合物。但如果認真地問你，冰淇淋是固態還是液態？你先不要忙著回答，它可不像冰棍和可樂那樣一望而知。

冰淇淋主要由水、脂肪 （各種奶油、精煉植物油等） 、非脂固體 （牛乳、脫脂乳、煉乳、乳粉等） 、糖以及各類食品添加劑 （如質構改良劑、乳化劑、抗融劑等） 和氣泡組成。低溫下，水和脂肪形成冰晶和脂肪晶體，脂肪球在制作過程中還形成了貫穿整個冰淇淋的網絡結構，能包裹和穩定充入的氣泡，賦予冰淇淋良好的抗融性、膨化率和形狀保持能力。可見，冰淇淋的組成和結構還蠻復雜的，用個專業術語叫“多相多組分復雜體系”。那么冰淇淋是固體還是液體呢？它既像固體又像液體，我們姑且先叫它“半固半液”體吧。雪糕在冷凍狀態下自然可看作固體，但融化后卻也還是“半固半液”體，我們后面會提到原因。

由于冰淇淋易融化，如何使其具有高抗融性自然而然成為各國相關食品公司的長期關注點之一。在冰淇淋和雪糕的制作中，加入很低濃度的卡拉膠就能結合大量的水，形成極黏稠的溶液、溶膠甚至凝膠。不僅如此，卡拉膠還可以使脂肪和其他固體成分分布均勻，并能抑制冰晶長大，使冰淇淋和雪糕口感細膩、順滑。此外，卡拉膠具有的蛋白反應性還能抑制乳清分離。當然，能起到上述作用的不只是卡拉膠，很多多糖類食品親水膠體都可以，只是程度不同、側重點不同而已。

那么，為什么放置很長時間，看外觀好像“不融化”或融化得很慢呢？

我們上面提到，冰淇淋或雪糕是一種“多相多組分復雜體系”，組分間有特殊的相互作用，特別是卡拉膠溶于水后還能大幅提高冰淇淋或雪糕的黏稠度 （黏彈性） 。此外，冰淇淋或雪糕中含有的大量細小氣泡也起著重要的作用。這些共同作用使得冰淇淋或雪糕無論是融化前還是融化后，都呈現一種稱為“屈服應力流體”的性質 （更準確地講，是一種時間依賴的屈服應力流體，或叫“觸變性”流體） 。

屈服應力流體，簡單地講，是指冰淇淋在不受力或受很小力的時候像固體，但如果我們用勺子挖或吮吸時，必須用些力才能挖動或吸動它。也就是說施加在冰淇淋上的力要超過某一臨界值，冰淇淋才能發生流動。這個臨界值就叫作“屈服應力”。

屈服之后產生流動，會使冰淇淋的黏度隨剪切速率的增加而大幅下降，這時的冰淇淋叫“剪切變稀”流體。

需要注意的是，超過屈服應力后冰淇淋的這種流動并不是因為融化作用，是由于冰淇淋內部結構在受力情況下發生了變化所致。

冰棍和通常的飲料就不是屈服應力流體。未融化的冰棍不會流動，用牙齒咬它會發生脆性斷裂；而飲料只要受力，不管力大小都會流動。因此，冰棍是固體，水和可樂是牛頓流體 （即黏度不隨剪切速率而變化） ，而冰淇淋則是具有屈服性的非牛頓流體 （剪切變稀流體） 。

這種流體日常生活中特別多，大家最熟悉的如各類護理品、化妝品和日用品 （唇膏、面霜等） ，以及食品 （果醬、融化的巧克力、奶油等） ，乃至涂料、泡沫、泥漿、瀝青、石油、人體中的黏液、圓珠筆用的墨水等等都是屈服應力流體。

可得然膠（β-1,3-D-葡聚糖）制備的各類凝膠素食

魔芋膠（魔芋葡甘露聚糖）制得的水凝膠

那么，融化后呢？融化后的冰淇淋或雪糕仍然是屈服應力流體，只不過它們的屈服值比融化前小一些罷了，但仍然很黏稠，不能像水或飲料那樣易于流動。這就是所謂從表觀上看，似乎并沒有“融化”的真正原因。

常溫下冰淇淋和雪糕融化得慢，甚至直接加熱也融化得慢，原因有三。

其一，蛋白質不存在融化不融化的問題，它本身是固態。

其二，高含量、高熔點、高結晶度的脂肪需要更多的熱量（更長的加熱時間）才能融化。所以，蛋白質和脂肪的高含量對融化慢是有重要貢獻的。

其三，也是最重要的，冰淇淋和雪糕都是高充氣膨化的食品，而空氣的熱傳導性大大低于冰和水，而且溫度越低，空氣的導熱系數越小。

因此，高膨化率，亦即高含量填充氣泡的存在，大大降低了冰淇淋和雪糕的熱傳導性，也就是融化得慢。

所以，即使是直接加熱，由于高填充空氣泡的存在，冰淇淋和雪糕是不會像不含氣泡的冰塊或冰棍融化得那么快的。

卡拉膠多糖水凝膠實際上屬于冷致凝膠，就是高溫時是溶膠或溶液，溫度降下來是凝膠。而一些多糖能形成熱致凝膠，如可得然膠。加熱可得然膠的水懸浮液可以形成不同強度的水凝膠，加熱溫度越高，凝膠強度就會越大。這里完全就談不上加熱融化了。

可得然膠分子鏈在高溫時形成三螺旋結構并在多重氫鍵的作用下相互交聯形成了耐熱的網絡結構。

利用可得然膠的這一性質和本身是膳食纖維的特性，還可以制得口感良好的素食。

我們吃火鍋時，由魔芋膠制得的魔芋粉絲久煮不化，也是類似的道理。

了解了這些知識，我們就不會對這些水凝膠加熱不融化奇怪了。

我國的食品添加劑安全標準中有對卡拉膠使用范圍和使用量的規定，其中在許多情形下對卡拉膠添加量的規定是，“按生產需要適量添加使用”。

在美國，根據FDA法規，卡拉膠被允許直接作為食品添加劑，適量的添加也被認為是安全的。

歐洲食品安全局也認為，“沒有證據表明食品級卡拉膠會對人體產生任何不利影響”。

實際上，卡拉膠已經成為食品中應用最為廣泛的親水膠體之一。

當然，也需要指出，有研究認為低分子量的卡拉膠可能存在致炎作用。作為食品添加劑的卡拉膠的分子量一般應高于10萬。

因此，在供食用的卡拉膠中，要注意勿使其含有低分子量的成分。

高分子食品添加劑是不是一定要添加

在有些情況下，高分子食品添加劑的功能還起著非同一般的作用，是一定要添加的。

比如在保障吞咽安全方面。有一類疾病稱為吞咽困難，是指由于神經或肌肉控制出現異常而造成的進食與吞咽障礙。

目前，在被國內外公認的有效治療方法中，采用增稠食物進行飲食護理是被廣泛采用、最為滿足吞咽安全的方法。

增稠流體因具有更高的黏度而流速減緩，給口腔和咽部協調配合留出更多的反應時間，這有利于將形成的食團安全輸送到食道而非進入氣管和肺部，從而降低吸入風險。

常用的添加劑有黃原膠等，這些高分子親水膠體在這類場合就不是可有可無的添加劑了。

類似的例子在食品中還很多，酸奶或酸性乳飲料也是典型的例子，親水膠體的添加一方面改善了產品的質地，另一方面能夠延長乳品的貨架期，防止產品發生乳清析出、蛋白質聚集、乳脂分離并具有一定乳化作用。

可見，在許多食品加工過程中，食品膠的添加是保證和改善食品品質不可或缺的重要舉措。

結 語

在現代食品工業的發展中，食品添加劑扮演著不可忽視的角色。沒有食品添加劑，現代食品工業的發展和創新將難以想象。這些添加劑在調節食品質構、改善口感、提高食品品質、增強穩定性、延長貨架期、改善加工工藝等方面發揮了關鍵作用。

許多高分子食品添加劑，尤其是多糖類親水膠體，本身就是食品的組成部分。在許多情況下，高分子食品添加劑的添加不僅是有益的，而且是食品和食品工業健康發展的必然要求。

有別于小分子食品添加劑，高分子食品添加劑特別在增稠、凝膠化、乳化、穩定等方面有獨特的作用。它們在食品工業中的應用，為許多食品產品賦予了獨特的特性，同時也滿足了現代社會對食品多樣性和便利性的需求，不僅提高了食品工業的經濟效益，也改善了人們的生活品質。

但是，對食品添加劑的使用必須合法、合規、合理。這涉及生產者、消費者和監管者的共同責任。

生產者應當確保在食品中使用的添加劑符合法規標準，保證產品的質量和安全性。消費者應該理性看待添加劑，了解其作用和安全性，不必有過分的恐慌。監管者則需要加強監管力度，確保食品安全。

在關注食品添加劑安全性的同時，更應該關注食品本身的安全性，不能舍本逐末。即便是使用了安全的添加劑，也不能忽視食品本身存在的安全問題。

大文豪蕭伯納說過“沒有比對美食的愛更真誠的愛了”。希望有更多、更好的食品能滿足人們“對美好生活日益增長的需求”，也希望合理、合規、合法使用食品添加劑，理性看待添加劑成為生產者和消費者的共識。

-本文刊載于《世界科學》雜志2025年第2期“大家·科技前沿”欄目；文章根據筆者在上海市科學技術普及志愿者協會主辦的“海上科普講壇”上的報告撰寫而成-

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