使用响应面法（RSM）从褐藻中提取海藻酸，并将其与卤氧化铝纳米管和百里香精油结合用于制备薄膜

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Extraction of alginate from the brown seaweed using Response Surface Method (RSM) and utilization for developing films with halloysite nanotube and thyme essential oil

　　**作者信息**
**?zde ?psalal?** | **Bü?ra Esim** | **Filiz U?ur**

**研究机构**
?anakkale Onsekiz Mart University, School of Graduate Studies, ?anakkale, 17100, Türkiye

**摘要**
在本研究中，我们尝试从海藻中提取藻酸盐，并探讨了其直接用于制备包装膜的可行性。通过优化提取条件（包括温度、反应时间和碱浓度），成功提取了藻酸盐。随后，加入哈洛石纳米管（HNT）以提高基于藻酸盐的薄膜的机械强度；同时添加百里香油（THY）以增强其抗菌性能和防潮能力（通过蒸汽膨胀行为进行评估）。藻酸盐的提取过程采用响应面方法（RSM）和中心组合设计（CCD）进行优化。优化参数包括：温度（70°C、80°C、90°C）、提取时间（2小时、3小时、4小时）以及碱浓度（2%、3%、4%（重量百分比的碳酸钠）。

在最佳条件下（90°C、4%的碳酸钠浓度和4小时的提取时间），藻酸盐的提取率为21%。研究结果表明，从海藻中提取的藻酸盐能够形成薄膜，且加入哈洛石纳米管后显著提高了薄膜的机械强度。百里香油进一步增强了薄膜的防潮性和对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）的抗菌效果。

**引言**
石油衍生的食品包装材料虽然价格低廉且用途广泛，但对生物和非生物系统都构成了严重环境威胁。因此，对这类包装材料的需求日益增加（Gazal和Gheewala，2020年）。然而，平衡包装材料的生产、分离和回收非常困难，且包装材料的降解和回收过程中可能会释放有害副产物。世界卫生组织已经开始关注全球塑料使用的风险。塑料在自然界中长期积累且不易分解，对生态系统造成物理和毒性损害（Crompton，2007年）。为了应对塑料污染问题，人们正在开发新型生物基材料，并推动了全球在可持续材料方面的合作（Lamichhane等人，2023年）。为此，欧盟提出了2030年生物经济战略，目标是在2030年前实现所有包装材料的回收利用，从而减少塑料消耗（Kontominas，2020年）。相应地，功能性食品包装的研究和创新步伐加快。特别是，可回收的多糖基薄膜（如淀粉、壳聚糖和藻酸盐）作为食品包装的替代材料受到了广泛关注（Thakur等人，2019年；Florez等人，2022年；Parreidt等人，2018年）。然而，当多糖用于环保食品包装材料时，其物理机械性能可能无法完全满足客户需求。因此，研究人员致力于开发复合薄膜以提高食品的保存性能。精油、草药提取物、酶、有机酸和纳米材料等添加剂被用于改善薄膜的防潮性、抑制氧化、提供抗菌效果并延长保质期（Theagarajan等人，2019年；Kontominas，2020年）。

**藻酸盐简介**
藻酸盐是一种天然共聚物，由β-甘露糖醛酸（M）和α-古洛糖醛酸（G）通过1-4糖苷键连接而成。M/G比值和结构对藻酸盐的物理化学性质有显著影响。其化学式为C6H7NaO6，分子量介于500至1000 kDa之间（Lopes等人，2020年；Gomaa等人，2018年；Fertah等人，2017年；Dickson，2011年）。藻酸盐来源于海洋褐藻（Phaeophyceae）或某些细菌（如假单胞菌属和固氮菌属），以钠（Na+）、钙（Ca2+）和镁（Mg2+）盐的形式存在，是藻酸的天然形式（Draget等人，2005年；Valentine等人，2020年；Saji等人，2022年）。藻酸盐的化学结构因藻类种类而异，其粘度会受到采收海域的水质条件（盐度、pH值、营养物质、水深等）影响（Jayasinghe等人，2022年；Devina等人，2018年；Dickson，2011年）。由于其出色的成膜性能、低氧气渗透性和生物降解性，藻酸盐在食品包装领域受到广泛关注（Eslami等人，2023年；Vijayalakshmi等人，2016年；Kontominas，2020年）。已有多种破壁方法用于提取藻酸盐，包括研磨、高压挤出、超声处理和微波法（Mzibra等人，2019年）。学者们分析了红海中不同海藻（如Padina boergesenii、Turbinaria triquetra、Hormophysa cuneiformis、Dictyota ciliolata和Sargassum aquifolium）的藻酸盐产量和特性，发现不同海藻之间的藻酸盐含量存在差异（Rashedy等人，2021年）。目前关于提取参数（如碱浓度和温度）优化的研究仍较少，而这些参数对提高产量至关重要（本研究采用响应面方法进行优化）。Trica等人（2019年）从黑海罗马尼亚海岸采集的C. Barbata海藻中提取了藻酸盐，其M/G比值为0.64，分子量为126.6 kDa，粘度为406.2 mL/g。Youssouf等人（2017年）使用传统提取方法从Sargassum Binderi和Turbinaria Ornate海藻中提取了27%的藻酸盐，超声技术显著缩短了提取时间并提高了生产效率。研究表明，提取过程不影响藻酸盐和卡拉胶的化学结构和分子分布，但对产量有显著影响。

**食品包装的需求**
食品包装对于保持食品新鲜度及防止食源性疾病至关重要。尽管基于多糖的食品包装物理机械性能较弱，但在工业上仍难以替代塑料包装。因此，许多研究集中在生物聚合物的改性上。通过向薄膜基质中添加不同类型的聚合物（如淀粉、壳聚糖、藻酸盐、普鲁兰等）或添加剂（纳米材料、精油、有机酸等），可以制备复合薄膜（Kopacic等人，2018年；Hernandez-Nolasco等人，2024年；Li等人，2022年；Priyadarshi等人，2021年）。这些材料需直接接触食品且无毒（Janik等人，2022年）。Chaari等人（2022年）开发了含有明胶-藻酸盐（SA）和水溶性甜菜根皮提取物（BPE）的生物活性抗氧化薄膜，评估了不同浓度（0.25%、0.5%、1%）对薄膜机械性能、抗氧化性和抗菌性的影响，结果发现SA与BPE的组合有助于肉类储存。Li等人（2022年）研究了SA和单宁酸（TA）组成的可降解功能性食品包装材料，发现该薄膜具有优异的阻水性和紫外线阻隔性能，尽管透光率略有下降。Bhatia等人（2023年）使用来自Ficus Racemosa果肉的酚类化合物制备了可食用薄膜，发现这些添加剂改善了薄膜的透明度、结晶度、拉伸强度和防潮性。尽管大多数研究使用市售的藻酸盐制备包装基质，但本研究将采用从海藻中提取藻酸盐的方法。目前文献中关于直接从海藻制备包装薄膜的研究较少。

**本研究方法**
本研究采用响应面方法（RSM）优化从褐藻中提取藻酸盐的过程，并开发了多种基于藻酸盐的复合薄膜。研究了哈洛石纳米管（HNT）对薄膜机械强度的增强作用以及百里香油（THY）对抗菌和防潮性能的提升效果。通过添加HNT和THY，改善了薄膜的功能性能。HNT是一种中空的管状多层纳米粘土，具有优异的物理稳定性、机械强度和光学性能，可用于改善生物聚合物薄膜的性能。多数关于哈洛石纳米管的应用研究使用单一来源的哈洛石。哈洛石的物理性质取决于其来源，不同来源的哈洛石在化学成分、晶体结构和脱水程度等方面存在差异（Ferlito等人，2025年；Pasbakhsh等人，2013年）。近年来，基于哈洛石纳米复合材料的物理化学性质、合成技术和应用研究取得了显著进展（Deshmukh等人，2023年；Stavitskaya等人，2019年）。为了提高薄膜的防潮性和抗菌性能，还加入了百里香油。百里香油含有百里香酚、香芹酚等多种成分，具有抗菌和抗氧化作用（Nzeako等人，2006年）。这些成分被有效包裹在藻酸盐薄膜中，提升了薄膜的抗菌和抗氧化性能。

**本研究贡献**
本研究采用响应面方法优化了从褐藻中提取藻酸盐的过程，并开发了多种基于藻酸盐的复合薄膜，为食品包装提供了新方法。通过添加HNT和THY，改善了薄膜的物理机械性能和抗菌效果。HNT和THY的加入增强了薄膜的功能性。本研究为先进食品包装技术的发展提供了理论依据。HNT粉末为天然存在的Al2Si2O5(OH)4，采自土耳其的巴勒克埃西尔（Bal?kesir），由土耳其的ESAN、Eczac?bas?公司提供。根据来自同一来源的文献描述，这些纳米管的内径为10–30纳米，外径为30–100纳米，平均长度约为1.2微米（?etin等人，2022年）。THY则从土耳其的本地市场购买。

**操作条件对海藻酸盐产量的影响**
影响海藻酸盐产量的最重要因素包括温度、饱和碳酸钠（SC）浓度和反应时间。为了确定这些因素之间的相互作用及其对产量的影响，进行了一项实验设计。使用Design Expert 11软件，通过响应面方法（RSM）的中心复合设计对这一优化过程进行了方差分析（ANOVA）。实验共进行了20次，并据此建立了相应的模型。

**结论**
采用碱性提取方法成功从马尾藻属（Sargassum）褐藻中提取出了海藻酸盐。优化研究采用了RSM方法来探讨三个参数（温度、碳酸钠浓度和时间）对海藻酸盐产量的影响。RSM得出的二次模型经过实验验证，表明温度、碳酸钠浓度和时间对海藻酸盐产量有显著影响。

**作者贡献声明**
?zde ?psalal?：负责写作、审稿与编辑、原始草稿的撰写、实验调查及数据分析。
Bü?ra Esim：负责写作、审稿与编辑、实验调查及数据分析。
Filiz U?ur Nigiz：负责写作、审稿与编辑、项目监督、方法论研究、实验调查及数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）2209项目（项目负责人：Bü?ra Esim，项目编号：1919B012300180）以及恰纳卡莱Onsekiz Mart大学科学项目协调办公室（项目编号：FYL-2024-4900）的财政支持。