《Food Hydrocolloids》：Pelagic
Sargassum as a sustainable source of food-grade alginate: selective functional enhancement by high-pressure processing and sonication
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海藻酸钠生物基材料制备中热与非热预处理对功能特性的影响分析，重点考察高压处理和超声处理对分子量、粘度、凝胶强度及乳化指数的作用，揭示预处理方式调控褐藻酸盐结构-功能关系的潜力。
作者列表：阿拉文德·库马尔·宾吉（Aravind Kumar Bingi）、赵雅琪（Yaqi Zhao）、周玉舟（Yu-Jou Chou）、唐春雅（Chunya Tang）、陈邦豪（Banghao Chen）、杰里米·D·欧文斯（Jeremy D. Owens）、布莱恩·E·拉波因特（Brian E. Lapointe）、雷切尔·A·布鲁顿（Rachel A. Brewton）、伊姆兰·艾哈迈德（Imran Ahmad）、饶秦春（Qinchun Rao）
美国佛罗里达州塔拉哈西市佛罗里达州立大学健康、营养与食品科学系
摘要
浮游马尾藻（Sargassum）是一种丰富但尚未得到充分利用的生物质资源，将其转化为功能性海藻酸盐为这种资源的工业利用和食品水胶体应用提供了可持续的途径。本研究评估了热处理（高压灭菌）和非热处理（高压处理HPP、超声波处理）对在优化碱性条件（80°C、5小时、0.3 M Na?CO?浓度）下提取的海藻酸盐的结构和功能特性的影响。据我们所知，这是首次系统地比较热处理和非热处理对浮游马尾藻海藻酸盐的物理化学和功能特性的影响。通过分析物理化学性质（产率、分子量、粘度和单体组成）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（1H NMR）的结构表征，以及功能特性（凝胶强度和乳化指数），以阐明结构与功能之间的关系。高压灭菌处理导致了显著的降解，表现为分子量降低（< 15 kDa）、内在粘度降低（< 0.35 dL/g）、凝胶强度降低（77 g）和乳化能力降低（5-6%）。相比之下，非热处理选择性地保留了功能特性：超声波处理（10分钟）产生了最高的凝胶强度（174 g），而高压处理（400 MPa）产生了最高的乳化指数（17.2%）。对照组表现出最高的分子完整性，相似的FTIR和1H NMR光谱表明，尽管部分发生了解聚，海藻酸盐的主链仍然保持化学稳定。总体而言，高压处理和超声波处理的选择性改进表明，可以通过定制的处理方法调节海藻酸盐的功能性，而不损害其化学完整性。这些发现为通过生产适用于清洁标签水胶体应用的功能性海藻酸盐来利用浮游马尾藻提供了一种有前景的策略。
引言
自2011年以来，北大西洋地区的褐藻爆发，特别是浮游马尾藻（Sargassum natans和Sargassum fluitans）的数量急剧增加（Gower等人，2013年）。这些藻类扩散到了大西洋马尾藻带的大部分区域，影响了加勒比海、墨西哥湾和西非海岸，造成了严重的环境和经济挑战（Lapointe等人，2025年；Smetacek和Zingone，2013年）。尽管存在这些影响，它们的丰富性也为可持续利用提供了机会，类似于其他商业开发的褐藻，如Saccharina latissima（S?ther等人，2024年）和Laminaria digitata（Purcell-Meyerink等人，2021年）。为了评估这一潜力，了解浮游马尾藻的化学组成至关重要。在加勒比海及周边地区收集的生物质在近似组成、矿物质含量和微量元素方面存在显著差异（表1）。尽管存在这些变化，它仍然含有高水平的必需矿物质，这增强了其作为可持续原材料的潜力。
利用浮游马尾藻的一个有前景的方法是提取高价值的多糖，如海藻酸盐，其占干重的比例高达21.0%（表1），并且是褐藻细胞壁的主要结构成分（Jung等人，2013年）。海藻酸盐是一种由α-L-古洛糖酸（G）和β-D-甘露糖酸（M）组成的线性共聚物，其功能特性主要由G/M组成和嵌段分布决定（Skj?k-Br?k等人，1989年）。由于海藻酸盐具有凝胶化、增稠和乳化特性，它被广泛用于食品领域，包括冰淇淋、乳制品配方和沙拉酱（Pournaki等人，2024年）。
然而，尽管富含多糖，浮游马尾藻也可能积累砷、铅和镉等重金属，这引发了对其直接用于食品应用的安全担忧（Liranzo-Gómez等人，2023年）。在加勒比海和大西洋地区进行的化学分析研究表明，近似组成和有毒元素含量存在显著的空间和季节性变化，这突显了需要控制加工过程。选择性提取和纯化海藻酸盐等多糖可以减少金属的共提取，同时保持功能完整性，这些过程还可以产生富含生物活性成分且重金属含量较低的纯化产物，从而支持开发增值的海藻衍生成分（Cherry等人，2019年）。
传统的海藻酸盐提取方法包括先用酸处理去除多价反离子，然后用碳酸钠或碳酸氢钠进行碱溶解。这一步将海藻细胞壁中的不溶性藻酸转化为水溶性的海藻酸盐形式，随后使用乙醇或氯化钙进行沉淀（Pawar和Edgar，2012年）。近年来，已经探索了先进的提取技术，如微波辅助提取（Yuan和Macquarrie，2015年）、加压液体提取（Saravana等人，2018年）、酶辅助提取（Rostami等人，2017年）和超临界流体提取（Balboa等人，2015年），以提高提取效率。然而，这些方法可能因放大限制、额外成本/复杂性以及在恶劣或控制不佳条件下的潜在聚合物降解而面临工业应用的障碍（Bojorges、López-Rubio等人，2023年）。
另一种方法是热处理和非热处理，如高压灭菌、高压处理（HPP）和超声波处理，这些都是食品工业中已经建立的实用技术。这些过程可以通过热、压力或空化作用改变聚合物结构，从而影响海藻酸盐提取的效率和功能性。重要的是，通过调节链长、柔韧性和缠结程度，HPP和超声波处理可以实现海藻酸盐性能的方向性调节，而不仅仅是最大化产量。这些方法通过不同的机制发挥作用：高压灭菌利用高温和高压诱导聚合物分解；HPP在无热的情况下施加等静压，促进结构重排；超声波通过空化作用引起机械破坏（Andreou等人，2017年）。尽管这些方法已被证明可以改变各种生物聚合物的分子量、粘度和凝胶化行为（Din等人，2019年；Tsikrika等人，2021年），但它们对浮游马尾藻海藻酸盐提取的具体影响仍需进一步研究。如上所述，了解这些处理方法如何影响海藻酸盐的结构和功能性对于开发可扩展的策略以优化其在食品系统中的应用至关重要。
本研究调查了高压灭菌、高压处理和超声波处理对从浮游马尾藻中提取的海藻酸盐的物理化学和功能特性的影响，从而能够定制具有所需凝胶化和乳化特性的海藻酸盐。通过确定特定应用的加工策略，这些发现支持将浮游马尾藻海藻酸盐工业化为食品产品、水胶体和其他功能性成分的用途。对源生物质的重金属分析提供了与安全性相关的背景，这里应用的提取和纯化流程预计可以减少无机污染物相对于原材料的比例。
所有化学品和试剂均为分析级。所有溶液均使用去离子水（DI水，18.2 MΩ·cm）制备，该水通过NANOpure Diamond水净化系统（Barnstead International, Inc.，美国爱荷华州杜布克）的0.2-μm过滤器获得。
量化了冻干浮游马尾藻粉末中的镉（Cd）和铅（Pb）浓度，以评估该生物质作为食品级海藻酸盐来源的安全性。检测到镉的浓度为0.49 ± 0.08 mg/kg干重，而铅的浓度低于Buck Scientific 225ATS AAS的检测限（< 0.01 mg/kg干重），表明铅污染很小。先前的研究表明，提取的海藻酸盐中的重金属通常比源生物质中的含量更低，在某些情况下甚至会进一步减少。
本研究表明，预处理策略显著影响了从浮游马尾藻中提取的海藻酸盐的结构和功能特性，为这种未充分利用的生物质提供了增值的利用途径。高压灭菌处理导致了严重的解聚，表现为分子量（Mv）、粘度、凝胶强度和乳化能力的降低，使其不适合用于食品应用。相比之下，非热处理，特别是超声波处理（10分钟）……
饶秦春（Qinchun Rao）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
阿拉文德·库马尔·宾吉（Aravind Kumar Bingi）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、研究、数据分析、数据管理。
赵雅琪（Yaqi Zhao）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究。
周玉舟（Yu-Jou Chou）：撰写 – 审稿与编辑、研究。
唐春雅（Chunya Tang）：方法论、研究。
陈邦豪（Banghao Chen）：方法论、研究。
ASTM-F2259-10, 2012; Bojorges等人，2023; Codex Alimentarius Commission, 2024; Salgado-Hernández等人，2023.
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<本工作得到了美国农业部（us department of agriculture）下属的国家食品与农业研究所（national institute of food and>
