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

Table 1 
Different methods of hydrogel preparation and their applications.
Method of preparation 
Type of hydrogel 
Cross linking 
method 
Applications 
References 
Physical crosslinking 
AAm, Irgacure 2959, 
SDS, NaCl, RSF, PTFE 
spacer 
RSF based double networked hydrogels 
RSF/SDS network 
Artificial robots' 
electronic skin, strain 
sensors, and a touch 
screen pen 
[222] 
Chemical cross-linking 
PAAm, polyelectrolyte 
Na–Alg 
Cellulosic nanoparticles were used to 
disperse interpenetrating hydrogels 
(cellulose nanocrystals, bacterial 
cellulose fibers, and TEMPO-oxidized 
cellulose nanofibers). 
Ionic cross-linked 
networks 
Wastewater treatment 
[223] 
Chemical–physical crosslinking 
BC membrane, CHT, 
glutaraldehyde 
BC and CHT semi interpenetrating 
networked hydrogels 
Glutaraldehyde 
cross-linked 
network 
Antibacterial
Quinone 
Deacetaldehyde chitin 
nano-fibrillated 
suspension, DI water, 
PTFE membrane 
Nanofiber-reinforced gelatin 
Chemical cross- 
linking 
Agricultural and 
biomedical fields 
[224] 
The hydrogel was created using ZnO NWs 
and a mix of CHT and AAc. A 
hydrothermal method was used to make 
ZnO NWs, with zinc acetate and NaOH as 
precursors and PEG as an aid. Free-radical 
graft polymerizations were used to make 
CHT-co-AAc hydrogels. 
Zinc oxide 
CHT-based composite hydrogel
Biomaterials, 
cosmetics and food 
packaging 
[225] 
Free radical polymerization and green 
process 
Ag NPs 
Alginate/PVA silver nanocomposite 
hydrogel
Wound dressing, 
water purification 
[226]
A. Manzoor et al.

---

International Journal of Biological Macromolecules 213 (2022) 987–1006
990
nanocomposites with inorganic nanomaterials (metal, nanoparticles, 
nano clay), polymers (PVC: polyvinyl chloride and PVA: polyvinyl 
alcohol), and chemical modifications involve grafting and crosslinking 
[23,53]
. Chemical modifications play an important role in enhancing 
the activity of polysaccharide-based hydrogels. Chitosan is poorly water- 
soluble because of inter and intra-molecular hydrogen bonding and non- 
ionization of the amino group besides making its structure rigid, so the 
chemical modifications of chitosan like the incorporation of carbox-
ymethyl, sulfo, hydrocarbyl, and acyl ameliorates its solubility 
[54]
. It is 
the result of these modifications that enhance the bioadhesive, antimi-
crobial, metal chelation activity because of positive charge, and 
increased chain length due to the carboxyl group 
[55]
. The chemically 
modified products obtained after the chemical modification of chitosan 
are TMC (N, N, N-trimethyl chitosan), HBC (hydroxybutyl chitosan), and 
CMCH (carboxymethyl chitosan). Hashim et al. 
[56] 
reported the role of 
chitosan and alginate-based hydrogels loaded with nanoemulsion in 
preventing oxidative reactions in omega-3 rich oils and discovered that 
nanoemulsion of flaxseed oil in CS possesses antibacterial activity of 
microbeads was more than that of nanoemulsions of fish oil in CS, the 
combined microbeads and flaxseed oil-in-AL. It was also found that 
microbeads loaded with designed nanoemulsions may be used in food 
and pharmaceutical items. Moreover, chitosan along with chitin can 
easily be processed into hydrogels which can manifest wound healing as 
well besides offering better avenues in food industries. These hydrogels 
are also on the forefront in performing an important function in tissue 
engineering besides helping in cell culture and separation, immobili-
zation of enzymes, and offering a handy role in controlling drug release 
as reported in studies. Various drugs are also encapsulated into these 
types of hydrogels thereby assisting in targeted drug delivery. The for-
mation of nitrogen and carbon bonds along with the interaction/cross- 
linking between them owe these hydrogels the self-healing property 
that has been reported to be 95 % under physiological conditions 
[57]
. 
1.1.2. Alginates-based hydrogels 
Alginates are unmodified natural polysaccharides that are also 
anionic polysaccharides made up of -
L
-guluronic acid units (G block) and 
1,4-linked-
D
-mannuronic acid units (M block) that are distributed 
sequentially throughout the chain via covalent bonds 
[58]
. Alginate 
gelling process occurs while the exchange of Na
+
ions from alginate acid 
with Ba
2+
, Sr
2+
, and Ca
2+
[59]
. 
The incorporation of alginate-based hydrogels is of great importance 
because “alginic acid” and its salts have been recommended by Euro-
pean Food Safety Authority for the use of quantum states in various foods 
ranging from infants to young children. From the studies, it has been 
reported that alginate helps in reducing glucose uptake and cholesterol 
and through alginate calcium spheres it helps in maintaining the aro-
matic compounds of food and extends the shelf life of foods 
[60,61]
. 
Alginate is also capable of forming a three-dimensional network upon 
interacting with the metal cations (multivalent) like Cu
2+
, Ca
2+, 
and 
Zn
2+
and they act as cross-linkers (occurs through ion exchange). A 
model namely the “Egg box” was born when Ca
2+
act as a cross-linker 
for alginate through G-blocks and two polymer chains were involved 
and were specifically Ca
2+
mediated 
[22,62]
. It helps the alginate gel 
formation besides being useful for increasing the viscosity. Porous and 
flexible gels are formed in response to a higher number of M-blocks and 
dense and rigid gels are formed due to an excessive number of G-blocks 
and the films bearing a lower M/G ratio exhibit superior moisture bar-
rier proclivity 
[5]
. Alginate hydrogels are used to protect and improve 
the probiotic functioning in a hostile environment, particularly through 
chitosan coating on alginate hydrogels, and make the release of pro-
biotics long-lasting, and their enhanced viability is ensured in intestinal 
solution 
[63]
. Moreover, alginate-based hydrogel presented a prominent 
preservative effect in pomegranate juice by increasing the viability of 
cells significantly by 5.5 logs CFU/ml 
[64]
. Alginate-based hydrogels 
also furnish an improved probiotic count into the colonic mucosa, which 
is further increased many folds by the coatings, chitosan on alginate 
hydrogels. Alginate uses ionic interaction for attaching to the Ca
2+
ions 
through cross-linking 
[65]
. Hydrogen bonding helps to maintain the 
stability of the reswollen hydrogel framework during the process to 
mimic multiscale hierarchical architectures by ligaments and tendons in 
confined drying conditions 
[66]
. Collectively, we can conclude with the 
manifold characteristics of alginate hydrogels that furnish its contribu-
tions to food (preservation/probiotic) and other biomedical applications 
however, the development of smarter and more complex biomaterial 
systems such as dynamic 4D systems could surely bring boon in the 
scientific world. 
1.1.3. Pectin-based hydrogels 
Pectin is a heteropolysaccharide composed of 
α
-galacturonic acid