响应面法优化了阿尔瓦雷斯海苔的热水漂烫工艺，从而获得品质更优的半精制卡拉胶

《Algal Research》：Response surface methodology optimised hot water blanching of Kappaphycus alvarezii to yield superior quality semirefined carrageenan

　　

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  对K. alvarezii进行热水漂烫处理后，SRC的功能性与纯度均得到提升。
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  由于漂烫导致色素降解，SRC的亮度有所提高。
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  性能得到改善的SRC，其应用范围和市场价值都会提升。
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  热水漂烫是一种简单、低成本且可持续的预处理方法。

引言

卡拉胶是一种线形、亲水性的阴离子硫酸化多糖，主要存在于红藻的细胞基质中[1]。它由交替连接的3-连接β-d-半乳吡喃糖与4-连接α-d-半乳吡喃糖或4-连接3,6-脱水α-d-半乳吡喃糖残基构成，这些残基通过1,3-和1,4-糖苷键交替连接，形成重复的二糖骨架[2]。由于其出色的流变学特性和相互作用能力，卡拉胶被用作多种食品体系中的天然增稠剂、凝胶剂和稳定剂，同时在纺织、化妆品、生物医学和生物技术领域也有广泛应用[3]。它的热可逆性和离子诱导凝胶特性、与其他多糖的协同作用，以及在与牛奶和肉类相关的体系中的强蛋白相互作用，都凸显了其作为多功能水胶体的工业与商业重要性[1]。用于生产高质量κ型（K型）卡拉胶的主要原料是属于索利埃里科家族的红藻Kappaphycus alvarezii[4]。

按照FAO的建议，κ型卡拉胶的工业化生产通常需要用5–10%的热碱溶液处理干燥后的海藻[5]。在市场上，该产品分为两个等级：精制卡拉胶（RC）和半精制卡拉胶（SRC），二者在纯度和加工复杂度上存在差异。RC是通过多次热碱提取、过滤和沉淀得到的高纯度聚合物；而SRC则是未经过滤、加工程度较低的品种，卡拉胶仍嵌在海藻基质中，只有蛋白质、碳水化合物和盐类等可溶性物质被去除[6]。20世纪90年代，SRC作为一种具有成本优势的创新技术被引入，它在保持与RC相当的功能特性的同时大幅降低了加工成本，从而使卡拉胶的生产变得更加可持续且具有经济可行性[7]。SRC是一种经过批准的食品添加剂，其编号为INS 407a/E 407a[8]、[9]、[10]。近年来，SRC因其用于制作可食用且可生物降解的薄膜时的优异机械强度和阻隔性能而受到广泛关注[11]、[12]。此外，将其添加到食品基质中还能提升肉制品的质地、感官体验和抗氧化稳定性[13]、[14]。

不过，SRC的质量会受到藻类种类、地理来源、季节条件等难以控制的自然因素，以及采收后的加工过程，尤其是干燥过程的影响[15]。尽管已有先进的干燥技术，但由于现代技术成本较高，K. alvarezii仍主要在沿海地区通过日晒方式干燥[16]。但众所周知，传统的日晒方式会因海藻长期处于不良环境条件下而降低卡拉胶的质量[15]。虽然卡拉胶是一种高分子量多糖（200至800 KDa）[17]、[18]，但在受到热量、紫外线、红外线辐射或微生物降解作用时容易发生解聚，从而产生可能与健康问题相关的低分子量成分[15]、[19]。因此，在干燥之前采取有效的预处理措施对于保证聚合物的完整性和产品质量至关重要。

此外，SRC生产过程中不进行过滤处理，会导致海藻中的纤维素和色素等残留物留在其中，使得SRC呈现淡黄色到棕色[20]。这种固有的变色现象限制了它在那些要求透明度和外观均匀的食品体系中的应用[6]。虽然曾使用化学漂白方法来提高SRC的白色度，但这往往会导致聚合物降解并降低凝胶强度，而凝胶强度正是商业用卡拉胶的重要质量指标[21]、[22]。因此，如何开发一种非破坏性、可持续且可大规模应用的预处理方法，在不损害SRC结构完整性的前提下提升其白色度和整体质量，仍然是一个亟待解决的难题。

在印度，K. alvarezii的产量从2001年的约21吨增长到了2020年的近1490吨（干重）[23]。印度卡拉胶市场的规模约为2000吨，相关产值约为2212万美元[23]。印度政府还通过“总理渔业发展计划”（PMMSY）等举措，优先发展海藻养殖，以此扩大沿海地区的就业机会并完善海藻产业链[24]。随着养殖规模的扩大，提升SRC的质量和价值对于满足工业标准并增强市场竞争力至关重要。

在此背景下，热水漂烫作为一种有前景的预处理手段，有望缓解传统日晒方式带来的诸多弊端。漂烫的主要作用包括抑制酶的活性、通过改善热传递和质量传递来缩短干燥时间、降低微生物含量以延长产品的保质期、改善食品的颜色和风味、软化组织以及提升质地[25]、[26]。Mathivanan等人[27]指出，热水漂烫可以加快K. alvarezii的干燥速度，从而减少其在日晒过程中的长时间暴露及其带来的质量损失。此外，还有研究表明漂烫能够促进K. alvarezii中色素的降解[27]，这有助于减少变色现象并提升SRC的白色度。以往使用的化学漂白方法往往会引发聚合物解聚并降低凝胶强度[21]、[22]、[28]。另外，漂烫还会使海藻组织软化[29]，这也有助于提高卡拉胶的提取效率，进一步提升加工效率。不过，目前关于海藻漂烫对SRC质量特性的影响尚缺乏深入研究。

本研究探讨了对K. alvarezii进行热水漂烫处理对其生成的SRC质量的影响。由于温度和时间等漂烫条件可能会对SRC的质量特性产生单独作用或相互作用，因此优化这一加工流程对于在不增加成本和时间的条件下提升SRC质量至关重要。响应面法是一种广泛用于工艺优化的统计数学工具，它能够用来分析多个加工变量对目标参数的综合影响与相互作用[30]。由于该方法能够通过较少的实验次数预测出最佳工艺条件，因此已被成功应用于多种食品加工和干燥工艺的优化中[30]、[31]。本研究也采用了响应面法来优化热水漂烫的条件，从而提升SRC的质量特性。在日晒之前将热水漂烫作为农场层面的预处理步骤，有望提供一种实用、低成本且环保的方法，用以提升SRC的质量和市场价值。这种方法能够填补卡拉胶加工领域中的一个重要空白，为实现产品品质的稳定提供简单有效的解决方案。

章节摘录

原材料与化学品

2024年10月，本研究从印度泰米尔纳德邦曼达帕姆的一家商业海藻养殖场采购了K. alvarezii（地理位置为北纬9.2886度，东经79.1329度）。这些海藻是从多个养殖筏中随机采集的，混合后作为代表性样本，随后被装入麻袋中，在30分钟内运送至位于曼达帕姆的ICAR-CMFRI区域中心。这些样本随后用自来水彻底清洗，以去除附着的各类杂质。用于分析的化学品则购自Sigma Aldrich和Merck公司。

利用响应面法优化漂烫条件

本研究采用RSM-CCD设计方法，分析了漂烫温度和时间这两个独立变量对SRC质量参数的影响。软件生成的实验设计以及对应的产量、亮度及天然凝胶强度测试结果均列于表2中。表3则总结了响应面二次模型的方差分析结果。为了最大化产量，研究人员使用了一个二次多项式方程（见公式（8））来拟合实验数据。

结论

本研究表明，热水漂烫是一种有效的预处理方法，它不仅能够减少传统海藻加工过程中导致的质量下降，还能保持所需的结构完整性，从而确保获得高质量的SRC。经过优化的漂烫条件（80℃下处理8.14分钟）所获得的SRC产量显著高于使用未经过漂烫处理的海藻的传统加工方法，同时其颜色和凝胶性能也更为优异。此外，硫酸盐含量也出现了明显下降。

伦理声明

作者声明，本研究未涉及任何人类或动物实验对象。

CRediT作者贡献说明

Dharani Mathivanan：负责撰写原文初稿、开展研究工作、进行正式分析以及数据整理。Layana Porayil：负责文章的审阅与编辑工作、项目监督以及概念构思。Binaya Bhusan Nayak：负责文章的审阅与编辑工作以及项目监督。Kochery Augustin Martin Xavier：负责文章的审阅与编辑工作。Amjad Khansaheb Balange：负责项目监督工作。Soibam Ngasotter：负责软件相关工作。

出版许可声明

无需特别许可。

资金支持

本研究没有获得任何来自公共部门、商业机构或非营利组织的专项资助。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者们衷心感谢ICAR-中央渔业教育研究所为这项研究提供的资源和设施支持。同时也要特别感谢Aqua Agri Processing Private Limited在仪器分析方面给予的宝贵帮助，以及ICAR-CMFRI曼达帕姆分院为研究工作提供的便利条件。

Dharani Mathivanan|Layana Porayil|Binaya Bhusan Nayak|Kochery Augustin Martin Xavier|Amjad Khansaheb Balange|Soibam Ngasotter