Recent insights into polysaccharide-based hydrogels and their potential applications in food sector: a review

1.1. Categorization of hydrogels 
Hydrogels have gained attention due to their unique qualities, like 
low cost, water-based components, and biocompatibility. In the future, 
the user will be increased fields like tissue engineering 
[27]
, drug de-
livery and injury dressing 
[28]
, biomedical applications 
[29]
, and food 
restructuring 
[30]
. Hydrogels have been categorized in a variety of ways 
based on their attributes. Different characteristics such as preparation 
protocol, cross-linking, the structure of the functional group, biode-
gradability, origin, morphology, physical appearance, and electrical 
charge (
Table 2
). Simple mixing, free radical polymerization, solution 
casting, bulk polymerization, UV and gamma irradiation, and the 
interpenetrating network creation process are all examples of cross-
linking methods. Hydrogels are characterized as cationic, anionic, or 
neutral based on their ionic charge. The charge on the polymer de-
termines the charge on the overall network. Inter-penetrating hydrogels 
are formed by cross-linking cross-linked polymers without forming a 
covalent bond between the two polymers 
[31]
. The only way to separate 
the cross-linked polymers is to break the chemical bonds between the 
two constituent polymers. The two most common varieties of this type of 
hydrogel are simultaneous and sequential inter-penetrating hydrogels. 
Hydrogels are divided further into four types based on their origin: 
natural, synthetic, which is further divided into hybrid, and semi-natural 
hydrogels. Natural hydrogels are developed from polysaccharides and 
proteins like dextran, alginate, and chitosan 
[32]
. Just like the synthetic 
polymers that are used for hydrogel production, natural polymers (like 
polysaccharides and proteins) could also be used due to their high safety 
level and unique properties 
[33]
. Organic polysaccharide hydrogels are 
biodegradable, have a high-water content, and can integrate with cells. 
They are an advantageous microenvironment for the differentiation and 
development of cells, making them very appealing in tissue engineering, 
biomedical and biorefinery applications 
[34–36]
. Based on the prepa-
ration processes, hydrogels are classed as copolymers, homopolymers, 
semi-interpenetrating networks, and interpenetrating networks. 
The primary groups that make up the natural polymers used to form 
hydrogels are i) protein-like scleroprotein, gelatin, soy protein, and 
seafood protein ii) complex carbohydrates like starch, cellulose, and its 
types, alginate, guar gum, xanthan gum, and chitosan. Furthermore, 
microbial cellulose is an intriguing natural element to produce hydro-
gels. Microorganisms of the genus such as Agrobacterium, Sarcina, 
A. Manzoor et al.

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International Journal of Biological Macromolecules 213 (2022) 987–1006
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Acetobacter, and Rhizobium help in the production of microbial cellulose 
[37]
. Its unique structure, which is a non-woven fibrous multilayer that 
can absorb a huge amount of water, is its main feature. Furthermore, due 
to its unique mechanical features, such as maximum stress potency, high 
water retentiveness, and biocompatibility, microbial cellulose offers 
potential applications. Synthetic hydrogels manufactured from poly-
acrylamide, poly (acrylic acid), poly (vinyl alcohol), poly(vinyl-
pyrrolidone), and poly(ethylene glycol) are used to make a variety of 
hydrogels and applications 
[37–41]
. Because of their unique qualities, 
such as being inexpensive, water-based, and biocompatible, hydrogels 
have gotten a lot of interest. They will be employed in a variety of in-
dustries for a long time, including tissue engineering. 
Hydrogels may provide better avenues for designing effective 
biopolymer products and packaging materials with desirable quality 
characteristics. Polysaccharides like pectin, starch, cellulose ethers, 
alginate, and carrageenan have been utilized for the formation of the 
film, resulting in compactness, adhesiveness, and firmness, as well as 
thickening character, while the lipid films may create an anaerobic 
environment. Different reports exist in recent literature citing the use of 
hydrogels (developed from polysaccharides) with unique characteristics 
such as biocompatibility, renewability, and biodegradability, making 
them important candidates for applications in drug delivery, water pu-
rification, and various food applications. Hydrogel development from 
chitosan, alginate, pectin and starch materials has attracted consider-
able research in recent years such as starch-based films with properties 
of being colorless, bland, odor-free, biologically absorbable, immune to 
oxygen, as well as semipermeable towards CO
2 
find potential applica-
tions in food industries 
[42]
. The property of hydrophobicity delivered 
water barrier characteristics to starch-based films incorporated with 
lipids coupled with an improvement in air permeation and toughness 
through chitosan and cellulose addition 
[43]
. Moreover, the intrinsic 
property of pectin and xanthan gum helps to develop complexes suitable 
for the generation of gels as sheets, membranes, and coatings. On the 
other hand, additional globular and versatile polysaccharides like acacia 
gum produce round shape structures (such as micro-and nano-capsules) 
through which active substances will be encapsulated and get integrated 
inside packaging films. 
1.1.1. Chitosan-based hydrogels 
Chitosan is composed of 
D
-glucosamine and randomly dispersed N- 
acetyl-
D
-glycosamine groups linked via β-(1–4) bond. Chitosan is a linear 
polysaccharide having rheological properties based on the degree of 
deacetylation. The primary benefits of developing hydrogels from chi-
tosan are attributed to its biocompatible nature, low production cost, 
easy to sterile, antimicrobial properties, and controlled degree of 
deacetylation 
[44,45]
. Chitosan-based hydrogels keep their role vital in 
controlling overweight coupled with the cholesterol-lowering property 
through interaction with bile salts, which defines its biochemical sig-
nificance in food applications. Moreover, scientists unveiled the role of 
chitosan hydrogels in preserving fruits and vegetables from microbial 
spoilage which has witnessed a safe approach approved for human 
consumption globally 
[46]
. Chitosan improves the formation of bones, 
however, due to its lack of mechanical attributes it is blended with 
calcium phosphate or alginate to make it suitable for orthopedic use 
[47,48]
. 
In food industries, chitosan qualifies for encapsulation and applica-
tions in drug delivery attributed to its biocompatibility, physicochem-
ical attributes, non-toxicity, and efficient biopolymeric property 
[49]
. 
Furthermore, chitosan hydrogels are used in carrying out the delivery 
process of bioactive compounds to their target sites in different food 
systems due to their auto-accelerating release in the basic medium (in-
testines). During the nutrient delivery process, chitosan-based hydrogel 
performs various functions like protecting sensitive bioactive com-
pounds from the hostile food environment, and improving the level of 
consumption of food products by consumers by masking off the unac-
ceptable flavor, which is significant 
[50]
. Chitosan-based hydrogels are 
earmarked for their role in boosting solubility and stability of various 
nutrients (lipophilic) thereby preventing them from the undesirable 
process of oxidation as observed in the study of the development of 
chitosan-based hydrogel in combination with linseed oil, quercetin, and 
liposomes 
[51]
. These characteristics of inhibiting the oxidation of oils 
can be enhanced when a combination of various polysaccharides is used 
such as chitosan and alginate due to the enhancement of hydrogel sta-
bility. The hydrogels obtained from chitosan are modified either by 
physical or chemical crosslinking as chitosan encompasses dynamic 
hydroxyl and amino group and therefore yield various chitosan-based 
hydrogels 
[52]
. Physical modifications include blending of chitosan