《Trends in Food Science & Technology》：Advances in high-performance alginate hydrogels: properties, performance enhancement strategies, and their applications in the food industry
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传统石油基材料因非降解性和微塑料污染引发环境问题，海藻多糖Alginate因其可降解性和生物相容性成为替代材料，但存在脆性、膨胀性等问题，通过双网络结构、相分离等材料科学策略可提升性能，拓展食品工业应用。
王家宝|刘远普|韩传武|刘志辉|岳玉萌|于志远|马萌|孙庆杰|谢凤伟|李曼
中国山东省青岛市青岛农业大学食品科学与工程学院，邮编266109
引言
传统的石油基材料，如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP），由于其不可生物降解的特性和一次性使用的特点，引发了诸多担忧（Liu等人，2025年）。特别是，石油基废物的积累导致了微塑料的持续释放（Fitch等人，2025年）。正在进行的相关毒理学研究揭示了微塑料的负面影响，包括发育和生殖障碍、癌症以及内分泌系统紊乱（Vojnits等人，2025年）。此外，导致食品变质的关键因素还包括微生物污染、酶促降解、氧化、过量的乙烯以及温度控制不当（Thiviya等人，2023年）。
为了解决这些问题，开发高性能水凝胶材料为防止食品变质和减少传统塑料对环境的影响提供了有前景的解决方案。因此，采用来自生物质的可生物降解和环保材料成为了一种可持续的替代方案。这些材料来源于天然和可再生的资源，可以自然降解或堆肥，从而成为传统石油基材料的可行替代品（Sridhar等人，2021年；Thiviya等人，2023年）。目前，用于生产可降解材料的生物质资源主要包括多糖、蛋白质、脂类和各种添加剂（Ali等人，2023年）。其中，多糖因成本低廉且来源丰富而受到广泛关注。多糖可以分为：1）来自陆地植物的纤维素、淀粉和果胶，以及从真菌或虾蟹壳中提取的壳聚糖（Alhussain等人，2025年；Hussain等人，2025年；Kaushal等人，2023年）；2）藻类多糖，如琼脂、β-葡聚糖和海藻酸盐（Li等人，2025年；Thiviya等人，2023年）；3）细菌多糖，包括通过细菌发酵获得的凝胶多糖和细菌纤维素（Zhang等人，2017年）。与陆地和细菌多糖相比，藻类多糖更丰富、更容易提取，并且具有更好的生物相容性（Kenny等人，2025年）。因此，海藻多糖的开发具有巨大的潜力和发展前景。其中，海藻酸盐作为一种特别突出的藻类多糖而备受关注。
海藻酸盐是一种天然阴离子多糖，来源于褐藻。它在温和条件下通过阳离子相互作用能够快速形成凝胶（Cao等人，2020年）。这种温和的凝胶化过程能够保护药物、蛋白质、细胞和酶等敏感物质的完整性。海藻酸盐的应用范围非常广泛，涉及食品、生物技术、制药、能源和环境管理等多个领域（Zhang等人，2021年）。其功能通常依赖于其主链上的羧基团与多价金属离子、二胺和聚阳离子电解质之间的静电相互作用，例如与钙离子形成的“蛋盒”结构（Cao等人，2020年）。这种结构的形成受到G-to-M片段比例、温度、链长和钙离子浓度等因素的影响，这些因素共同决定了海藻酸盐水凝胶的性能（Alg-gels）。然而，尽管具有这些优点，Alg-gels仍存在一些固有的局限性，如高脆性、韧性有限以及抗膨胀能力不足，限制了其实际应用。
为了解决这些局限性，材料科学中的先进技术，如双网络结构、相分离和各向异性，已成为提高凝胶强度的有希望的策略（Wang等人，2023年）。图1系统总结了材料科学领域中常用的提高凝胶性能的策略，并阐明了其背后的机制，从而促进了高性能Alg-gels的发展。先进技术的整合不断提升了Alg-gels的性能，并拓宽了其应用范围。图S1重点展示了Alg-gels在食品行业的应用，特别是在可生物降解食品材料、食品质量指示系统和控释食品基质方面的应用，强调了它们在应对当代食品科学技术挑战中的重要性（Tong等人，2023年）。因此，本综述重点介绍了高性能Alg-gels在这些领域的应用，突显了它们在解决食品行业当前挑战中的日益重要的作用。
部分摘录
海藻酸盐的性质及其凝胶化机制
海藻酸钠（SA）是从褐藻（尤其是海带和马尾藻）中提取碘和甘露醇时产生的副产品。其分子结构由两种结构单元组成：β-D-甘露糖醛酸（Man A）和α-L-古洛糖醛酸（Glu A），它们通过α-(1→4)糖苷键连接在一起。根据这些单元的排列顺序，SA分子通常形成三种不同的结构块：MM、GG和MG（Kamal等人，2025年）。
提高海藻酸盐凝胶性能的策略
水凝胶材料因其可调的性质、尺寸适应性和机械稳定性而受到越来越多的关注。特别是Alg-gels，表现出优异的生物相容性、亲水性和高孔隙率，有证据表明它们还具有塑性。形状可调的水凝胶具有智能响应性、良好的机械性能和多功能集成性，使其成为材料应用中的有希望的候选者。海藻酸盐凝胶在食品工业中的潜在应用
如图S1所示，Alg-gels在多个领域具有广泛的应用。本节重点介绍它们在食品工业中的应用，特别是在可食用/可生物降解食品吸管、食品传感器以及基于海藻酸盐的封装/输送系统方面的应用。结论与展望
Alg-gels在可持续食品应用方面具有巨大潜力，但它们固有的局限性——脆性、膨胀和机械不稳定性——阻碍了其商业化。本综述总结了通过材料科学策略（如多网络结构、各向异性工程、相分离和酶修饰）克服这些障碍的进展。在这些策略中，构建双/多网络水凝胶结构显著提高了其机械性能。
未引用的参考文献
Arenhart Soares和Besenius，2025年；Chen等人，2025年；Dong等人，2021年；Kaushal和Singh，2023年；Kim等人，2022年；Kovalov等人，2025年；Lee和Eun，2025年；Li等人，2025年；Liu等人，2025年；Pradhan和Saha，2022年；Saberi Riseh等人，2021年；Saruwatari等人，2024年；Sun等人，2024年；Tong等人，2025年；Tukenmez Emre等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Witten和Diamant，2020年；Xu等人，2021年；Yao等人，2025年；Yu等人，2025年；Zhang等人，利益披露
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者声明
王家宝：撰写 - 原稿；可视化
刘远普：撰写 - 原稿
韩传武：撰写 - 原稿
刘志辉：撰写 - 原稿
岳玉萌：撰写 - 原稿
于志远：撰写 - 原稿
马萌：撰写 - 原稿
孙庆杰：撰写 - 原稿
谢凤伟：撰写 - 审稿与编辑
李曼：概念构思、资金获取、项目监督、项目管理、撰写 - 审稿与编辑致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号32372262和32072135）、山东省泰山学者计划专项基金（编号tsqn202408234）以及中国山东省重点研发计划（2024SFGC0401）的支持。
