人类对美好食物的追求是伴随着人类文明的发展进行的，食品的品质代表着文明的高度。从盐开始，人类使用添加剂创造和改良食物的尝试一直没有停止过。这些尝试不仅丰富和提高了食物的种类和品质，也赋予了食物更多有关宗教的、民族的、文化的意义。食物成为“民族文化最不能丧失的方面”。
大家都耳熟能详“民以食为天”的道理，国外也有类似的说法，“食物
（面包）
是生活的必需品”，即
Food
（Bread）
is the stuff of life
。食物的主要功能无疑是它的营养功能，即提供人体所需的营养素和能量，满足人体的生存需要。
但同时食物还具有非常重要的另一个功能，称为
“
感官功能
”
，即满足人们不同的嗜好和口感要求，也就是对食物色、香、味、形和质地的要求。我们常称的“美食”，就是具有良好感官功能的食物。优良的感官性状有增进食欲，特别是产生愉悦感的作用。
讲到感官功能的作用，我们可以很容易从很多日常生活和饮食例子中找到佐证，比如即使简单地对比面粉和面条、大豆和豆腐、肉和红烧肉、红薯和烤红薯等，后者带给我们的感官享受要远大于前者。因此，食物不仅仅是我们的生活必需品，也能让我们享受食物带来的愉悦感，甚至可以说是人类幸福生活的最重要源泉。
如同法国著名美食作家让·安瑟尔姆·布里亚-萨瓦兰
（Jean Anthelme Brillat-Savarin）
所言，“发现一道美食比发现一颗恒星更能给人类带来幸福感”。
实际上，食品添加剂在食品中或食品的加工过程中发挥了极其重要的作用。以红烧肉为例，中国科学院上海药物所原所长
蒋华良院士曾写过一篇著名的科普文章《红烧肉中的著名化学反应——美拉德反应》
。
文中详尽描述了添加白糖
（冰糖）
产生的
（糖与氨基酸或蛋白质之间由热引发的）
非酶褐变化学反应，即美拉德反应的作用。
在红烧肉烹制过程中，肉中氨基酸的氨基与糖的羰基发生亲核加成反应，生成席夫碱。
席夫碱再环化形成氮代糖基胺，之后经阿姆德瑞分子重排反应生成烯醇式和酮式糖胺。
这两种物质在酸性条件下，经1,2-烯醇化反应生成羰基呋喃醛，而在碱性条件下，经2,3-烯醇化反应产生还原酮类和脱氢还原酮类化合物。
这些多羰基不饱和化合物再通过斯特勒克降解反应，产生醛类、吡嗪类化合物和一些易挥发的化合物。
而红烧肉特有的诱人色泽，则是多羰基不饱和化合物进行缩合、聚合反应，产生褐黑色的类黑精物质的结果。
类黑精物质是红烧肉色泽的物质基础，控制糖的用量和加热温度，缩合、聚合反应的程度不同，会产生不同的类黑精物质，红烧肉的色泽也会不同。
显然，白糖的添加除提供甜味外，还是红烧肉香味、色泽的主要功劳物质。
这个例子中，尽管我们会自然而然地将白糖看作食品，但在红烧肉中它的确是添加剂。
我们首先看看几个权威机构对食品添加剂的定义，尽管不同国家和地区的定义有一些不同。
世界卫生组织
（WHO）
对食品添加剂的定义是“添加到食物中以维持或提高食品的安全性、新鲜度、味道、质地或外观的物质”；美国食品药品管理局
（FDA）
将食品添加剂定义为“其预期用途直接或间接导致或可能合理预期导致其成为成分或以其他方式影响任何食品特性的任何物质”。
在我国，《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》
（GB 2760-2024）
对
食品添加剂的定义
为：为改善食品品质和色、香、味，以及为防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的人工合成或者天然物质。
不管上述哪种定义，我们可以看到，也容易理解，
在食品中没有那些食品添加剂，很多食品的工业化制作、口感、稳定性、储存期乃至食用安全性都要大打折扣
。
实际上，食品添加剂早已成为现代食品的组成部分，是食品工业的灵魂。可以说在很大程度上，没有食品添加剂，就没有现代食品工业的发展，我们也不能方便地享受到林林总总的各地美食。
当然，不可否认，“添加剂”的叫法容易使人产生“异物感”，也容易使不了解的人产生误解。其实，
早先一些给大家留下深刻负面印象的所谓“添加剂”，并不是我们所称的“食品添加剂”，而是违规、违法的“添加物”
。
在日常生活中，我们的饮食早已离不开添加剂了。
豆腐和卤味食品家喻户晓、广受欢迎，特别是豆腐在我国有着两千多年的食用历史。
东汉时期用“卤水”点豆腐，魏晋时期用碱发酵馒头，宋朝时用“一矾二碱三盐”来炸油条，这都是食品添加剂使用的例子，也是我们中国古代劳动人民智慧的体现。
“卤水点豆腐”中的“卤水
（主要成分是氯化镁）
”就是“添加剂”，人们对它的接受并无违和感，因为在印象中“卤水”已经是豆腐中的“配料”了，是豆腐的组成成分。
也许，如果一开始“食品添加剂”被称为“食品配料”，大家就更容易接受。
高分子食品添加剂，首先要说明什么是高分子。
上面红烧肉中添加的白糖
（蔗糖）
、卤水中的氯化镁都是小分子，分子量低，分别只有342.3g/mol和95.2g/mol。
那什么是高分子呢？高分子也称聚合物，高分子的“高”体现在分子量或聚合度的“高”上。
食品中的蛋白质、淀粉就是高分子，它们可以看作氨基酸和葡萄糖的聚合物，分子量可达几万、几十万、几百万甚至上千万
。
蛋白质和食品胶都是典型的高分子。它们一般具有长链结构和很高的分子量。从口感、赋型、抗融、稳定作用的角度，各类食品胶的用量虽少，但对食品的物性、品质和消费者的接受度乃至心理影响，都起着非常重要的作用。这些起着特殊作用的添加剂一般都是天然高分子。
那么，高分子食品添加剂有哪些呢？
蛋白质和多糖是两大类，其中多糖种类最多
。
多糖是由十个以上单糖通过糖苷键连接而成的聚糖。可依据来源的不同分类：动物来源的有壳聚糖、透明质酸；微生物来源的结冷胶、可得然胶
（可德胶）
；植物来源的很多，如淀粉、纤维素、果胶、魔芋胶、阿拉伯胶、瓜尔
（豆）
胶、
（刺）
槐豆胶等。
高分子食品添加剂常常又被称为食品胶或食品亲水胶体，一方面它们中的许多本身就是食品或来自食品，另一方面因为它们亲水性很好，溶于水或分散在水中大多会形成胶体。
一些多糖化学改性的衍生物也是高分子食品添加剂，如淀粉和纤维素的改性产物。甲基化、羧甲基化是一些常用的方法，典型的有甲基纤维素
（MC）
、羧甲基纤维素
（CMC）
等。
食品亲水胶体可分为增稠剂和胶凝剂。例如，黄原胶是增稠剂，结冷胶被归类为胶凝剂。几乎所有的食品亲水胶体都可以增稠，使水的黏度增加。
不同化学结构和分子链构象的多糖可以产生不同力学性能的凝胶。
如低酰基结冷胶、琼脂胶和κ-卡拉胶凝胶坚硬而脆，明胶、高酰基结冷胶和由黄原胶与植物多糖混合形成的“协同”凝胶则柔软而有弹性，而海藻酸盐和果胶形成的凝胶性质介于上述类凝胶之间。
在食品中大量使用亲水胶体的最重要原因是它们能够改变食品的流变性
。这包括食品的两个基本特性，即流动特性
（黏度）
和固体特性
（质地）
。食品质地和黏度的改变有助于改变其感官特性。因此，亲水胶体被用作达到特定目的的重要食品添加剂。
在各种食品配方中，如汤、肉汁、沙拉酱、酱汁和浇头，都使用亲水胶体作为添加剂来达到所需的黏度和口感。它们还用于许多食品，如果酱、果冻、凝胶甜点、蛋糕，以实现所需的质地。
除增稠和凝胶性质外，许多高分子食品添加剂还有乳化、稳定、分散、成膜等作用。
阿拉伯胶就是乳化作用优异的一种高分子乳化剂，也是最早被FDA批准用于食品的一种植物胶体
。
“食以安为先”，食品安全性最受关注。一些雪糕的“不易融”现象引起了不少关注。这些雪糕还把“卡拉胶”这种食品胶添加剂带上了热搜，引起了人们对雪糕食用安全性的担忧。
卡拉胶，又名角叉菜胶，是从鹿角菜、石花菜和麒麟菜等红藻中提取出的水溶性硫酸酯化的天然多糖类植物胶体。卡拉胶由于独特的结构和高分子量而具有特殊的理化性质，如胶凝、增稠、乳化、稳定、分散、成膜性和蛋白反应性，常用作凝胶剂、增稠剂、乳化剂，悬浮剂，用于形成凝胶、稳定乳液、产品赋型、悬浮分散等，从而改善食品的感官性能。
大家知道，物质一般有气态、液态和固态。小小的冰淇淋或雪糕都包括了，它们是气、液、固的混合物。但如果认真地问你，冰淇淋是固态还是液态？你先不要忙着回答，它可不像冰棍和可乐那样一望而知。
冰淇淋主要由水、脂肪
（各种奶油、精炼植物油等）
、非脂固体
（牛乳、脱脂乳、炼乳、乳粉等）
、糖以及各类食品添加剂
（如质构改良剂、乳化剂、抗融剂等）
和气泡组成。低温下，水和脂肪形成冰晶和脂肪晶体，脂肪球在制作过程中还形成了贯穿整个冰淇淋的网络结构，能包裹和稳定充入的气泡，赋予冰淇淋良好的抗融性、膨化率和形状保持能力。可见，冰淇淋的组成和结构还蛮复杂的，用个专业术语叫“多相多组分复杂体系”。那么冰淇淋是固体还是液体呢？它既像固体又像液体，我们姑且先叫它“半固半液”体吧。雪糕在冷冻状态下自然可看作固体，但融化后却也还是“半固半液”体，我们后面会提到原因。
由于冰淇淋易融化，如何使其具有高抗融性自然而然成为各国相关食品公司的长期关注点之一。在冰淇淋和雪糕的制作中，加入很低浓度的卡拉胶就能结合大量的水，形成极黏稠的溶液、溶胶甚至凝胶。不仅如此，卡拉胶还可以使脂肪和其他固体成分分布均匀，并能抑制冰晶长大，使冰淇淋和雪糕口感细腻、顺滑。此外，卡拉胶具有的蛋白反应性还能抑制乳清分离。当然，能起到上述作用的不只是卡拉胶，很多多糖类食品亲水胶体都可以，只是程度不同、侧重点不同而已。
那么，为什么放置很长时间，看外观好像“不融化”或融化得很慢呢？
我们上面提到，冰淇淋或雪糕是一种“多相多组分复杂体系”，组分间有特殊的相互作用，特别是卡拉胶溶于水后还能大幅提高冰淇淋或雪糕的黏稠度
（黏弹性）
。此外，冰淇淋或雪糕中含有的大量细小气泡也起着重要的作用。这些共同作用使得冰淇淋或雪糕无论是融化前还是融化后，都呈现一种称为“屈服应力流体”的性质
（更准确地讲，是一种时间依赖的屈服应力流体，或叫“触变性”流体）
。
屈服应力流体，简单地讲，是指冰淇淋在不受力或受很小力的时候像固体，但如果我们用勺子挖或吮吸时，必须用些力才能挖动或吸动它。也就是说施加在冰淇淋上的力要超过某一临界值，冰淇淋才能发生流动。这个临界值就叫作“屈服应力”。
屈服之后产生流动，会使冰淇淋的黏度随剪切速率的增加而大幅下降，这时的冰淇淋叫“剪切变稀”流体。
需要注意的是，超过屈服应力后冰淇淋的这种流动并不是因为融化作用，是由于冰淇淋内部结构在受力情况下发生了变化所致。
冰棍和通常的饮料就不是屈服应力流体。未融化的冰棍不会流动，用牙齿咬它会发生脆性断裂；而饮料只要受力，不管力大小都会流动。因此，冰棍是固体，水和可乐是牛顿流体
（即黏度不随剪切速率而变化）
，而冰淇淋则是具有屈服性的非牛顿流体
（剪切变稀流体）
。
这种流体日常生活中特别多，大家最熟悉的如各类护理品、化妆品和日用品
（唇膏、面霜等）
，以及食品
（果酱、融化的巧克力、奶油等）
，乃至涂料、泡沫、泥浆、沥青、石油、人体中的黏液、圆珠笔用的墨水等等都是屈服应力流体。
可得然胶（β-1,3-D-葡聚糖）制备的各类凝胶素食
那么，融化后呢？融化后的冰淇淋或雪糕仍然是屈服应力流体，只不过它们的屈服值比融化前小一些罢了，但仍然很黏稠，不能像水或饮料那样易于流动。这就是所谓从表观上看，似乎并没有“融化”的真正原因。
常温下冰淇淋和雪糕融化得慢，甚至直接加热也融化得慢，原因有三。
其一，蛋白质不存在融化不融化的问题，它本身是固态。
其二，高含量、高熔点、高结晶度的脂肪需要更多的热量
（更长的加热时间）
才能融化。所以，蛋白质和脂肪的高含量对融化慢是有重要贡献的。
其三，也是最重要的，冰淇淋和雪糕都是高充气膨化的食品，而空气的热传导性大大低于冰和水，而且温度越低，空气的导热系数越小。
因此，高膨化率，亦即高含量填充气泡的存在，大大降低了冰淇淋和雪糕的热传导性，也就是融化得慢。
所以，即使是直接加热，由于高填充空气泡的存在，冰淇淋和雪糕是不会像不含气泡的冰块或冰棍融化得那么快的。
卡拉胶多糖水凝胶实际上属于冷致凝胶，就是高温时是溶胶或溶液，温度降下来是凝胶。而一些多糖能形成热致凝胶，如可得然胶。加热可得然胶的水悬浮液可以形成不同强度的水凝胶，加热温度越高，凝胶强度就会越大。这里完全就谈不上加热融化了。
可得然胶分子链在高温时形成三螺旋结构并在多重氢键的作用下相互交联形成了耐热的网络结构。
利用可得然胶的这一性质和本身是膳食纤维的特性，还可以制得口感良好的素食。
我们吃火锅时，由魔芋胶制得的魔芋粉丝久煮不化，也是类似的道理。
了解了这些知识，我们就不会对这些水凝胶加热不融化奇怪了。
我国的食品添加剂安全标准中有对卡拉胶使用范围和使用量的规定，其中在许多情形下对卡拉胶添加量的规定是，“按生产需要适量添加使用”。
在美国，根据FDA法规，卡拉胶被允许直接作为食品添加剂，适量的添加也被认为是安全的。
欧洲食品安全局也认为，“没有证据表明食品级卡拉胶会对人体产生任何不利影响”。
实际上，卡拉胶已经成为食品中应用最为广泛的亲水胶体之一。
当然，也需要指出，有研究认为低分子量的卡拉胶可能存在致炎作用。作为食品添加剂的卡拉胶的分子量一般应高于10万。
因此，在供食用的卡拉胶中，要注意勿使其含有低分子量的成分。
在有些情况下，高分子食品添加剂的功能还起着非同一般的作用，是一定要添加的。
比如在保障吞咽安全方面。有一类疾病称为吞咽困难，是指由于神经或肌肉控制出现异常而造成的进食与吞咽障碍。
目前，在被国内外公认的有效治疗方法中，采用增稠食物进行饮食护理是被广泛采用、最为满足吞咽安全的方法。
增稠流体因具有更高的黏度而流速减缓，给口腔和咽部协调配合留出更多的反应时间，这有利于将形成的食团安全输送到食道而非进入气管和肺部，从而降低吸入风险。
常用的添加剂有黄原胶等，这些高分子亲水胶体在这类场合就不是可有可无的添加剂了。
类似的例子在食品中还很多，酸奶或酸性乳饮料也是典型的例子，亲水胶体的添加一方面改善了产品的质地，另一方面能够延长乳品的货架期，防止产品发生乳清析出、蛋白质聚集、乳脂分离并具有一定乳化作用。
可见，在许多食品加工过程中，食品胶的添加是保证和改善食品品质不可或缺的重要举措。
在现代食品工业的发展中，食品添加剂扮演着不可忽视的角色。没有食品添加剂，现代食品工业的发展和创新将难以想象。这些添加剂在调节食品质构、改善口感、提高食品品质、增强稳定性、延长货架期、改善加工工艺等方面发挥了关键作用。
许多高分子食品添加剂，尤其是多糖类亲水胶体，本身就是食品的组成部分。在许多情况下，高分子食品添加剂的添加不仅是有益的，而且是食品和食品工业健康发展的必然要求。
有别于小分子食品添加剂，高分子食品添加剂特别在增稠、凝胶化、乳化、稳定等方面有独特的作用。它们在食品工业中的应用，为许多食品产品赋予了独特的特性，同时也满足了现代社会对食品多样性和便利性的需求，不仅提高了食品工业的经济效益，也改善了人们的生活品质。
但是，对食品添加剂的使用必须合法、合规、合理。这涉及生产者、消费者和监管者的共同责任。
生产者
应当确保在食品中使用的添加剂符合法规标准，保证产品的质量和安全性。
消费者
应该理性看待添加剂，了解其作用和安全性，不必有过分的恐慌。
监管者
则需要加强监管力度，确保食品安全。
在关注食品添加剂安全性的同时，更应该关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剂，也不能忽视食品本身存在的安全问题。
大文豪萧伯纳说过“没有比对美食的爱更真诚的爱了”。希望有更多、更好的食品能满足人们“对美好生活日益增长的需求”，也希望合理、合规、合法使用食品添加剂，理性看待添加剂成为生产者和消费者的共识。
原标题：张洪斌：生活中的高分子食品添加剂 | 大家
来源：世界科学
编辑：小咕咕
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
扫码进入“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节等科普活动报名信息。
