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

1. Introduction 
Edible polymers, generally recognized as safe (GRAS) by Food and 
Drug Administration (FDA), are biodegradable, biocompatible and of 
high-quality suited best as alternatives for the low quality and non- 
biodegradable products in varied fields including food applications 
that have focused ample research concerned to their development and 
modification. Gels are usually polymeric materials proficient in assimi-
lating air, water, or oil in their three-dimensional networks and there-
fore constitute aerogels, hydrogels, and oleogels 
[1]
. Gels have been 
used in biomedical applications as biomaterials for wound healing for 
the past few decades 
[2]
. The gels from natural sources need to be easily 
accessible, cost-effective, renewable, and biodegradable. In recent times 
the over-exploitation of the natural product-based entities dictates the 
incorporation of some new properties (sustainable, structural diversity, 
availability, and biocompatibility) in the nature-sourced polymers over 
synthetic ones by employing various techniques to achieve the desired 
demands of food, agricultural and pharmaceutical industry 
[3,4]
. 
Moreover, some limitations in natural polysaccharides (drop-in viscosity 
during storing, microbial contamination, and unconfined rate of hy-
dration) force the utilization of synthetic ones via chemical modifica-
tions. It also marks the beginning of the preparation of polysaccharide- 
based hydrogels 
[5]
. Hydrogels are polymeric matrices with the prin-
cipal structure, hydrophilic in nature, and a 3D structure bestowed with 
the potential of storing liquids considerably. Hydrogels are composed of 
hydrophilic natural, semi-synthetic, or synthetic polymer chains, which 
can be designed into any shape, size, or form 
[6]
. The base material used 
for the hydrogel preparation may be natural or synthetic macromole-
cules through the process of cross-linking or bridge formation among the 
polymer's chains 
[7]
. Hydrogels bear different characteristics like they 
can be employed in loading, targeting, and drug delivery of bio-
molecules, including hydrophobic ones without losing their integrity, 
and these are also called “insoluble swollen solids”. More importantly, 
they aid in combating antimicrobial resistance and bear antimicrobial 
activity 
[8,9]
. Among natural sources, polysaccharides such as locust 
bean gum, gum ghatti, guar gum, selecan, xylan, starch, chitosan, so-
dium alginate, pectin, etc. through different modifications channelize 
hydrogels for applications in varied allied fields 
[10–12]
. In the food 
industry, they can be employed as packaging agents due to their 
conformation, more prominently in foods with a high-water content that 
leads to humidity development. Other beneficial aspects of hydrogels 
include the use in risk monitoring for food safety, food packaging, 
improvement in the quality of food, calorie control, and nutrient 
modification 
[13,14]
. The purpose of application of hydrogels demands 
modulation of its mechanical properties which is of great solicitude. 
Physical crosslinking, chemical crosslinking, enzymatic crosslinking, 
and chemical modifications are some of the strategies employed for 
resolving the above concern 
[15,16]
. 
Polysaccharides obtained from animals, plants, microbes, and algae 
possess different unparalleled characteristics among which biodegrad-
ability, biocompatibility, and hydrophilicity are worth mentioning be-
sides having renewable sources that cater the economic and 
environmental concerns 
[17]
. Polysaccharide-based hydrogels (PBHs) 
constitute more than 90 % of water in free, bound, and semi-bound form 
when analyzed in the swollen state. Crediting to the promising role in 
varied fields such as pharmaceutical, agriculture, cosmetics, along with 
the food industry, PBHs have attracted huge interest in research in the 
last few decades that has led to the synthesis and design of various types 
of polysaccharide hydrogels 
[3,15,18]
. PBHs also find justified appli-
cations in drug release in a controlled manner, in removing toxic 
chemicals and dyes by adsorption, and more precisely in matrix syn-
thesis for living cell encapsulation 
[7,19]
. In addition, PBHS is bestowed 
with improved water retention capacity due to the constituting hydro-
philic groups (–OH, –CONH–, –CONH
2
, and –SO
3
H) and could be 
the best option for use in wound healing and biosensor applications 
[20]
. Polysaccharide-based hydrogels have revolutionized every field, 
from the health sector to food and agriculture. It has been revealed upon 
functional characterization that these assist in controlling the moisture 
because of their encapsulation, texturization, and physical cross-linking 
generated in the three-dimensional construct of food systems 
[21]
. 
Molecular interactions in these gels involve hydrophobic interactions, 
hydrogen bonding, and ionic cross-linkage. Upon treating foods with 
polysaccharide-based hydrogels, they can yield strong/hard gels (hy-
drocolloids with a strong network of gel), weak/soft gels (hydrocolloids 
with a higher gelling network), and pseudo/fluid gels (hydrocolloids 
with moldable gelling level) 
[22,23]
. However, PBHs are not blooming 
in the practical world at such a pace as they should due to their inability 
to control the structure of the hydrogels and the products synthesized 
thereof resulting in the high modulus polysaccharide hydrogel forma-
tion. Another reason may be that PBHs are not able to minimize the 
degradation of the resulting hydrogels and can lead to possible harmful 
effects due to their immunogenicity 
[7]
. Hence, over time several studies 
have tried to unveil the structural and biochemical properties of PBHs 
with desired features through different levels of modifications/ad-
vancements using advanced techniques 
[24–26]
. However, there exists a 
lack in the comprehensive exploration of PBHs based on their synthesis 
and application. Hence, this review discusses the recent trends, devel-
opment, and fabrication of different PBHs. We also summarize the 
representative research works highlighting the properties and applica-
tions of PBHs coupled with the challenges and new directions/ap-
proaches deciding the fate of PBHs (
Table 1
).