亚临界水萃取技术回收海滩搁浅泡叶藻高值生物活性成分及水热炭的综合利用研究

研究人员针对海滩搁浅褐藻资源浪费问题，采用绿色溶剂亚临界水(SCW)技术，系统优化了泡叶藻(Ascophyllum nodosum)中藻酸盐、岩藻聚糖、酚类、类胡萝卜素及水热炭的协同提取工艺。通过中心复合设计证实最终温度和保持时间是关键参数，最高获得15.80%粗藻酸盐和38.48%粗岩藻聚糖得率，160°C/20分钟条件下提取物抗氧化活性显著。该研究为海洋废弃物高值化利用提供了可持续解决方案。

　　

随着气候变化导致的海藻大规模搁浅现象加剧，全球海岸线正面临严峻的生态管理挑战。海滩搁浅的泡叶藻(Ascophyllum nodosum)作为北大西洋沿岸常见的褐藻资源，传统处理方式多为填埋或自然降解，不仅造成温室气体排放，更浪费了其中富含的藻酸盐(alginate)、岩藻聚糖(fucoidan)、褐藻多酚(phlorotannins)和岩藻黄质(fucoxanthin)等高值成分。现有提取技术多依赖有机溶剂，且对非栽培来源的海藻研究不足，同时忽视固体副产物的利用价值。

加拿大纽芬兰纪念大学(Memorial University of Newfoundland, Canada)的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表创新成果，开发了基于亚临界水(Subcritical Water, SCW)的绿色提取工艺。这项研究首次系统评估了非等温加热时间这一规模化关键参数，通过筛选实验和中心复合设计，建立了温度-时间协同调控的多产物联产技术路线。

研究采用600 mL批次加压反应器，通过凝胶渗透色谱(GPC)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)等技术表征产物特性。实验设计包含两个阶段：首先通过最小分辨率IV筛选设计确定关键参数，继而采用中心复合设计优化最终温度(112-168°C)和保持时间(0-24分钟)的交互作用。所有提取物通过离心分离，并采用钙沉淀法和乙醇沉淀法分别回收粗藻酸盐和粗岩藻聚糖，通过福林酚法和分光光度法测定总酚含量(TPC)和总类胡萝卜素含量(TCC)，采用ABTS和FRAP法评价抗氧化活性。

温度-时间动力学调控机制研究表明，粗藻酸盐提取存在明显"温度窗口效应"：120°C/20分钟条件下获得15.80%最高得率，但超过140°C即发生显著降解。这归因于糖苷键(M-M、M-G、G-G)在高温下的水解，该结论通过分子量分布变化(152.66 kDa→62.69 kDa)得到验证。粗岩藻聚糖表现出更强热稳定性，在138°C/12分钟达到38.48%得率，其62.69 kDa的平均分子量和4.34%的硫含量证实了结构完整性。值得注意的是，非等温条件下140°C直接提取可获得与优化条件相当的藻酸盐得率(14.83%)，这为简化工艺流程提供了可能。

抗氧化成分的释放呈现温度依赖性规律。160°C/20分钟处理的提取物表现出最优活性：TPC 35.84 mg QE/g、TCC 425.83 μg FE/g，ABTS和FRAP值分别达245.21和71.27 μmol TE/g。这种增强效应源于：(1)高温促进细胞壁破裂释放结合态酚类；(2)岩藻黄质等热敏成分的溶出；(3)美拉德反应生成的新抗氧化物质。FTIR光谱在1238 cm^-1(S=O)和818 cm^-1(C-O-SO₃)处的特征峰证实了硫酸化多糖的保留。

副产物水热炭的得率(31.23-61.59%)与提取条件呈负相关，其7.05%的灰分含量和27.53%的固定碳表明良好的燃料特性。通过元素分析发现，固体残渣的碳含量从原料的44.58%提升至51.74%，而硫元素从2.34%降至0.03%，这种特性使其兼具土壤改良剂潜力。

该研究创新性地构建了海滩藻类资源"全组分利用"的技术框架，其重要意义体现在三方面：首先，工艺设计考虑了实际生产中的非等温加热因素，通过建立温度-时间等效关系(如140°C即时提取等效于120°C/20分钟)，为工程放大提供了理论依据；其次，将联合国可持续发展目标SDG12(负责任消费与生产)和SDG14(水下生命)融入技术开发，每吨处理藻类可减少约0.3吨CO₂当量的排放；最后，提出的"分级温度提取"策略(120-140°C提多糖，160°C提抗氧化物)实现了单一流程中的产物定向调控。研究团队特别指出，未来需解决原料季节性变异和食品安全认证等产业化瓶颈，这项工作为沿海地区发展循环经济提供了关键技术支撑。