综述：从褐藻中提取的纤维素用于可持续包装：提取技术、功能增强及未来工业前景的综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Brown seaweed-derived cellulose for sustainable packaging: A review on extraction techniques, functional enhancement, and future industrial perspectives

褐藻纤维素作为可持续包装材料的研究进展，系统综述了其提取方法（如碱性处理、酶法、超声波及微波辅助）、结构特性（与藻酸盐、岩藻多糖复合）、改性策略（表面氧化/酯化、化学-物理交联、复合多糖/蛋白）在薄膜、涂层等包装中的应用，并指出提取效率低、质量标准化不足、生命周期评估缺乏等挑战。

　　

Mansuri M. Tosif|Oscar Zannou|Gulden Goksen

土耳其梅尔辛塔尔苏斯大学技术科学职业学院食品技术系，塔尔苏斯工业区，33100，梅尔辛，土耳其

摘要

褐藻是纤维素的丰富来源，具有作为可持续材料的巨大潜力。本综述综合了关于褐藻细胞壁中纤维素的存在、结构及组成特征的知识，以及其与藻酸盐、岩藻多糖和酚类成分的关联。在提取方法中，碱性处理仍然是最成熟的方法，而酶法、超声波处理和微波辅助处理则具有更高的选择性、更短的加工时间以及更低的化学投入，尤其是在混合使用的情况下。已报道的改性策略，包括表面氧化/酯化、化学-物理交联以及与多糖或蛋白质的复合，均能显著提高基于纤维素的材料的拉伸强度、水蒸气阻隔性能和热稳定性。在食品包装领域，褐藻衍生的纤维素主要用作薄膜的增强相或结构基质，与抗菌或抗氧化剂结合使用时能提升其性能。该综述指出了工艺放大、质量指标标准化和生命周期评估方面的关键空白，并概述了推动褐藻纤维素在可持续包装系统中应用的研究重点。

引言

过去几十年里，人们对传统塑料包装的环境问题日益关注，从而增加了对更可持续替代品的兴趣。全球海藻产量显著增加，2021年达到了约3630万吨，而2001年仅为1180万吨。98个国家出口海藻及其水胶体，产生了约26.5亿美元的收益[1]。纤维素是一种新兴的、可生物降解且可再生的材料，是合成材料的优秀替代品[2]。根据提取方法和海藻种类不同，海藻生物质中的纤维素含量在0.85%到34%之间。在这方面，尤其是褐藻（Phaeophyceae），作为可靠且环保的纤维素来源受到了广泛关注。此外，褐藻是含水量高达85%的水生生物，富含碳水化合物（占重量的21-61%），脂质和矿物质含量较低[3]，[4]。从结构上看，褐藻独特的细胞壁结构中，纤维素纤维作为纤维骨架，被其他多糖包裹。这些藻类中的纤维素微纤丝与由甘露糖醛酸和岩藻糖醛酸组成的藻酸盐共存，并通过硫酸化岩藻多糖链连接。另一个显著优势是缺乏木质素，这使得从海藻中提取相对纯净的纤维素更加容易，无需进行木材或其他木质纤维素材料所需的复杂脱木素过程[5]，[6]。

从不同海藻物种中提取的纤维素在三个独立分析中显示出与棉纤维素相似的特性：水解产物仅为D-葡萄糖；通过形成棉子糖八乙酸确认了β-(1→4)糖苷键；X射线衍射图谱与藻类和棉纤维素高度吻合。然而，来自海洋的纤维素在某些结构细节上存在差异。陆地纤维素（如棉纤维素）通常以β-晶体形态为主，而藻类纤维素则倾向于α-晶体形态[3]，[7]，[8]。

已经有多种常规和非常规提取方法用于提取褐藻纤维素；每种方法都会影响最终材料的理化性质[9]。Baghel等人[10]开发了一种集成生物精炼工艺，高效利用褐藻（Sargassum）生物质提取多种有价值的产品，如纤维素、蛋白质、藻酸和盐。酸性和碱性处理常用于提取纤维素，其中氢氧化钠的碱性处理应用广泛，但存在能源消耗和环境影响的问题；而酸性水解则通过破坏基质实现纤维素的分离[11]。酶法提取被认为是更环保的替代方案，能生产出高纯度的纤维素，同时减少环境负担[12]。提取路线会影响海藻纤维素的分子结构，进而影响其机械性能和生物降解性。海藻衍生的纤维素通常比某些植物基纤维素具有更高的结晶度，从而增强其强度和稳定性[13]，[14]。表面特性（如亲水性和电荷）对复合材料和包装应用至关重要[15]。进一步的物理和化学改性可以改善其机械和阻隔性能，支持其在可生物降解包装材料中的使用。由于其可再生性和生物降解性，褐藻纤维素成为石油基塑料包装的有希望的替代品，特别是在食品和饮料领域[13]，[16]，[17]。

此外，根据Scopus数据进行了海藻的文献计量分析，以展示海藻的需求和趋势。使用关键词“Seaweed”、“Seaweeds”、“Polysaccharide”和“Polysaccharides”搜索了2000年至2025年间的出版物，共找到2203篇相关文献。每年发表的文献数量及发表数量最多的国家分别如图1A和图1B所示。数据显示，论文最多的五个国家分别是韩国（797篇研究文章、129篇综述文章和28篇书籍章节）。这些数据表明，海藻作为天然来源的需求和未来前景大幅增加，因此研究人员和工业创新者正在积极寻找合成聚合物的替代品。

最近在基于纤维素的薄膜和涂层方面的进展表明，这些材料表现出优异的机械性能，如拉伸强度、柔韧性和抗撕裂性，可与合成聚合物相媲美[18]。此外，这些薄膜在防潮、防气体和防脂质方面也表现出色，这是食品包装应用所需的重要特性。除了包装应用外，褐藻衍生的纤维素还在其他环保应用中展现出潜力，例如用于制造水凝胶、生物医学支架和纺织品。由于水凝胶的生物相容性和保水能力，它们在伤口愈合、药物输送和组织工程领域具有潜力[18]，[19]。然而，关于褐藻纤维素在涂层或薄膜开发中的应用研究仍非常有限。

现有文献主要以概括的方式讨论了海藻衍生的纤维素，经常将绿藻、红藻和褐藻混为一谈，未能区分褐藻独特的生化和结构特性。已发表的综述大多强调藻类作为纤维素原料的潜力，探讨了纳米纤维素的生产，或调查了用于包装应用的广泛海洋生物聚合物。然而，没有详细的综述对褐藻纤维素的提取挑战、功能改性及其在工业规模食品包装中的应用潜力进行批判性评估。因此，本综述详细介绍了不同类型的褐藻、它们的识别方法、组成、纤维素的提取方法、理化性质以及在可持续包装中的应用。

节选内容

褐藻纤维素的鉴定、组成和结构

近年来，由于其独特的结构和化学组成，褐藻衍生的纤维素需求不断增加。褐藻主要由多种多糖组成，包括纤维素、藻酸盐和多种生物活性化合物。例如Laminaria pallida、Fucus和Zonaria等物种产生的主要多糖包括藻酸盐、岩藻多糖和层藻多糖，如图2所示[21]。此外，褐藻还含有丰富的营养成分和化学成分

碱性处理

碱性处理可用于从褐藻中提取纤维素，为食品包装和生物医学等不同工业应用提供可持续且高效的途径。提取过程包括用碱性溶液预处理海藻生物质。氢氧化钠（NaOH）被有效用于去除非纤维素成分。例如，Birgersson等人[42]进行了相关研究

形态学特性

褐藻纤维素的形态学特征提供了关于其结构-功能关系的重要信息，特别是其在复合材料和可生物降解包装中的适用性。先进的成像技术，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），主要用于评估其形态属性[75]，[76]。SEM结果展示了分离出的纤维素的表面形貌和纤维结构

表面改性

褐藻纤维素的表面改性已成为改善其机械、热学、阻隔和界面性能的关键策略，尤其是在环保包装领域。尽管褐藻纤维素具有生物降解性和可再生性，但其天然状态存在一些缺点，如强烈的亲水性和较低的水抵抗性，以及与疏水性聚合物的兼容性较差[87]。表面改性技术可以改变这些特性

在可持续包装中的新兴应用

由于其可再生性、丰富性和良好的理化性质，褐藻纤维素成为可持续食品包装的有希望的生物聚合物。它通常具有高结晶度、良好的成膜能力和与多种生物聚合物及活性剂的兼容性，适合开发可生物降解的薄膜和涂层。当单独使用或与多糖、蛋白质或脂质混合时，褐藻纤维素可以进一步改善

挑战与未来展望

从褐藻中提取纤维素面临藻类细胞壁复杂结构的挑战。褐藻纤维素微纤丝与含岩藻糖的硫酸化多糖（岩藻多糖）紧密交织，并被藻酸盐基质包裹，使得提取变得困难。此外，褐藻生物质的纤维素含量较低（通常仅占干重的几个百分点），且组成高度异质，因物种和环境而异，这进一步增加了提取的复杂性

结论

褐藻纤维素是一种海洋来源的多糖，由于其可再生性、生物降解性和良好的成膜能力，成为石油基包装材料的理想替代品。本综述总结了褐藻提供的独特组成特征，以及常规和新兴提取策略对产量、纯度和功能性能的影响

CRediT作者贡献声明

Mansuri M. Tosif：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件开发、概念化。Oscar Zannou：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、资源整理、数据管理、概念化。Gulden Goksen：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、概念化。

未引用的参考文献

[20]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）的支持。本研究得到了欧盟资助的SEAFOODTURE项目以及TUBITAK的支持，项目编号为124N076。