从海藻生物精炼残渣到功能性薄膜：H2O2/紫外线辅助的色素去除如何重塑聚合物网络与材料性能

《Food Hydrocolloids》：From seaweed biorefinery residues to functional films: how H 2O 2/UV-assisted pigment removal reshapes polymer networks and material performance

　　

摘要

海藻生物精炼过程中的残留物通常被视为富含纤维素的副产品；然而，将其转化为功能性薄膜的关键在于提取和后续处理步骤如何保留残留的聚合物基质。本研究探讨了利用H₂O₂/UV技术去除色素的方法，既作为一种提升材料光学性能的手段，也作为一种改善残留物基薄膜基质结构的处理方式。从Furcellaria lumbricalis中提取呋塞拉兰、从Saccharina latissima中提取海藻酸、从Ulva lactuca中提取蛋白质后剩余的固体残留物，在去除色素前后均经过挤出和热压处理。通过对这些材料进行成分分析、光谱分析、形态分析、散射分析、热分析、光学分析、机械性能分析、亲水性强弱分析以及阻隔性能分析，对其特性进行了研究。所有未经处理的残留物都能形成自支撑薄膜，但其性能差异显著。Furcellaria lumbricalis的残留物所形成的薄膜最具凝聚力，拉伸强度最高（8.0 ± 0.5 MPa），水蒸气渗透率最低（2.4 ± 0.1 × 10^-13 kg·m·Pa^-1·s^-1·m^-2），吸水率低（12.1 ± 1.2%），且具有良好的遮光性。Saccharina latissima的残留物则形成更具延展性但强度较低的薄膜，而Ulva lactuca的薄膜则表现出更高的亲水性和渗透性。去除色素虽能提高薄膜的白色度，但其功能效果取决于基质结构。经过处理的Saccharina latissima残留物无法形成连续薄膜，而经过处理的Ulva lactuca薄膜的渗透率和吸水率则最高。这些研究结果表明，H₂O₂/UV辅助色素去除法不应仅被视为一种光学处理手段，因为其效果在很大程度上取决于残留聚合物基质的结构和组成：当具有凝聚力的蛋白-多糖结构得以保留时，薄膜的完整性和防水性就能得到维持；而当这些结构被破坏时，薄膜的加工性能和阻隔性能就会下降。这些研究结果为选择海藻生物精炼残留物作为具备包装相关功能的可持续薄膜基质提供了结构与功能方面的依据。

引言

由于可生物降解且功能属性可调控，由可再生生物聚合物制成的可持续薄膜越来越受到关注，有望成为传统食品包装材料的替代品（Díaz-Montes, 2022）。在这些材料中，大型海藻是多种结构各异的多糖的丰富来源，包括硫酸半乳聚糖、海藻酸、浒苔聚糖以及富含纤维素的复合体，这些成分有助于实现薄膜的形成、湿度调节、遮光以及增强机械稳定性（Thiviya et al., 2023）。

海藻生物精炼过程在提取出呋塞拉兰、海藻酸和蛋白质等高价值化合物后，会产生大量固体残留物。尽管这些残留物中含有复杂的聚合物基质，可能对薄膜形成和包装功能有益，但它们往往被视为价值较低的副产品。与纯化的多糖不同，海藻生物精炼残留物包含纤维素、非纤维素多糖、蛋白质、矿物质以及少量其他化合物等多种相互作用的成分（Bojorges et al., 2022）。这种复杂的成分结构可能具有优势，因为残留的蛋白质和无定形多糖可通过蛋白-多糖以及多糖-多糖之间的相互作用，提升基质的连续性、柔韧性以及阻湿性能（Athanasopoulou et al., 2024; Bealer et al., 2020）。

虽然海藻衍生的多糖已被广泛用作薄膜材料，但针对经过最少处理的海藻生物精炼残留物的研究相对较少。在这些残留物中，目前尚未完全明确的是：虽然胶体网络对薄膜性能的影响早已被认可，但之前的提取和后续处理步骤究竟是如何改变那些对薄膜形成起作用的残留聚合物结构的。这一区别对于需要具备良好机械强度、抗湿性以及遮光性的包装用薄膜尤为重要，因为这些性能不仅取决于富含纤维素的有序结构，还与残留的非纤维素多糖、蛋白质、矿物质以及少量疏水成分有关。而在经过最少处理的海藻残留物中，H₂O₂/UV辅助色素去除法如何改变这种成分平衡及其对薄膜形成的影响，目前仍缺乏足够的研究。

对于用于包装的薄膜来说，海藻残留物过高的颜色是一个不容忽视的美学问题，因为它可能会影响薄膜与包装食品的视觉协调性、消费者的感知以及最终产品的光学性能（Steiner & Florack, 2023）。因此，去除色素是拓展海藻残留物作为薄膜基质应用范围的重要策略。不过，在成分复杂的生物精炼残留物中，色素并非独立的成分，它们与蛋白质、硫酸化多糖、富含糖醛酸的组分、矿物质以及可溶性的无定形成分共存，而这些成分也可能有助于提升基质的凝聚力（Krishnan et al., 2024）。因此，氧化法去除色素虽然能改善薄膜的外观，同时也会改变残留基质中的结构成分（Chang et al., 2023; Yao et al., 2023）。

基于以上背景，本研究选择了三种结构不同的残留物作为研究对象：从Furcellaria lumbricalis中提取呋塞拉兰后的残留物、从Saccharina latissima中提取海藻酸后的残留物，以及从Ulva lactuca中提取蛋白质后的残留物。这些材料并非纯化的多糖，而是受海藻种类及前期提取工艺影响的、具有特定结构的残留物。因此，它们对H₂O₂/UV辅助色素去除法的反应，将取决于该处理方法是否能够保留或破坏那些对基质凝聚力起关键作用的成分。

基于上述思路，本研究将H₂O₂/UV辅助色素去除法作为一种提升海藻生物精炼残留物光学性能的策略进行研究，重点探讨该方法对薄膜形成所必需的基质凝聚力的影响。随后，通过挤出和热压处理未经处理和经过色素去除处理的残留物，进一步分析该处理方法对残留物基质结构、水分相互作用、阻隔性能以及包装相关功能的影响。

章节节选

材料与试剂

Saccharina latissima和Ulva lactuca这两种海藻由西班牙阿科鲁尼亚省塞塞达市的Porto-Mui?os S. L.公司提供，其为干燥粉末形式。而来自Furcellaria lumbricalis的工业固体残留物则由爱沙尼亚塔林的Seaweesh公司提供，也为干燥粉末状态。根据供应商提供的生产资料，这类残留物是在工业化生产呋塞拉兰的过程中产生的，原料为经过干燥、储存、清洗、称重和提取的海藻；提取完成后，所得液体

未经处理和经过色素去除处理的海藻残留物的化学成分

为了确定残留聚合物基质的初始成分，我们对未经处理和经过色素去除处理后的残留物进行了化学成分分析（见表1）。碳水化合物是未经处理残留物中的主要成分，其含量在FR中为39.8 ± 3.2%，在UR中为48.5 ± 2.8%，其次是蛋白质和灰分。FR和SR的蛋白质含量分别高达38.4 ± 0.1%和39.3 ± 0.2%，而UR的蛋白质含量则明显较低，为17.3 ± 0.5%，同时其灰分含量在所有样本中最高

结论

本研究将从Furcellaria lumbricalis中提取呋塞拉兰、从Saccharina latissima中提取海藻酸、从Ulva lactuca中提取蛋白质后得到的海藻生物精炼残留物，视为复杂的、基于残留物的薄膜形成基质，而非纯化的多糖或富含纤维素的成分。所有未经处理的残留物都能形成自支撑薄膜，但其性能差异显著，这反映了不同海藻种类、前期提取工艺等因素的影响

作者贡献说明

Hylenne Bojorges：文献综述与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。Yubexi Correa：文献综述与编辑、初稿撰写、实验研究、正式分析、数据整理。María José Fabra：文献综述与编辑、项目监督、项目管理、方法设计、实验研究、概念构思。Marta Martínez-Sanz：文献综述与编辑、方法设计、实验研究。Amparo López-Rubio：

未引用参考文献

Bojorges et al., 2025; Perera et al., 2021.

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢以下机构的资金支持：由MCIN/AEI/10.13039/501100011033以及欧洲区域发展基金（ERDF，“打造欧洲的发展路径”）资助的PID2022-138328OB-C21和CEX2021-001189-S两项课题，以及由MICIU/AEI/10.13039/501100011033和欧洲联盟资助的PCI2024-153420课题。此外，本研究还在SEAFOODTURE项目（提案编号SBEP2023-39）的框架下开展，该项目由可持续蓝色经济伙伴关系（SBEP）2023年度联合招标项目以及ERANET招标项目提供支持。

Hylenne Bojorges|Yubexi Correa|Marta Martínez-Sanz|Amparo López-Rubio|María José Fabra

西班牙瓦伦西亚省帕特纳市阿古斯丁·埃斯卡迪诺大道7号，IATA-CSIC食品安全与保存部门