源自海藻的天然复合材料及其制备方法1.相关申请的交叉引用2.本技术要求2019年6月21日提交的美国临时专利申请62/865,061的权益，其内容通过援引整体并入本文。
技术领域：
：3.本发明涉及源自海藻的天然复合材料及其制备方法。本文公开的天然复合材料包含角叉菜胶和不溶性纤维，并且所述天然复合材料根据制造工艺可具有不同的结构特征。
背景技术：
：：4.角叉菜胶是从某些红藻物种(包括长心卡帕藻(kappaphycusalvarezii)和细齿麒麟菜(eucheumadenticulatum))中提取的一类水溶性多糖。角叉菜胶由于其胶凝、增稠和稳定化性质而在食品工业中具有广泛应用。角叉菜胶具有结合和稳定化蛋白的独特性质，因此，角叉菜胶广泛用于乳制品和肉制品中。从海藻中提取角叉菜胶的传统方法需要热碱处理，其可以分解海藻中的角叉菜胶和其它有价值的营养物。传统方法还因丢弃海藻中的不溶性纤维(例如纤维素)而导致原料的浪费。因此，本领域需要充分开发和利用海藻以获得天然复合材料，特别是适于食品应用的高品质天然复合材料。技术实现要素：5.在一个方面，本文提供了具有不同结构和功能特征的天然海藻复合材料。天然海藻复合材料从红藻获得并包含一种或多种不溶性纤维(例如纤维素和不溶性半纤维素)和角叉菜胶。在一些实施方式中，天然海藻复合材料获自产角叉菜胶(carrageenophyte)红藻。在一些实施方式中，角叉菜胶与不溶性纤维缔合，并且角叉菜胶与不溶性纤维之间的这种缔合基本上与加工前的天然海藻中的角叉菜胶与不溶性纤维之间的缔合相同。在一些实施方式中，角叉菜胶结合至天然海藻复合材料的不溶性纤维(例如纤维素)的表面。在一些实施方式中，不溶性纤维被角叉菜胶部分或完全包封。在一些实施方式中，不溶性纤维全部或部分包埋在角叉菜胶内。在一些实施方式中，天然海藻复合材料的粒径小于或约为100μm，小于或约为90μm，小于或约为80μm，小于或约为70μm，小于或约为60μm，小于或约为50μm，小于或约为40μm，小于或约为30μm，小于或约为20μm，小于或约为10μm，小于或约为5μm，小于或约为4μm，小于或约为3μm，小于或约为2μm，或小于或约为1μm。在一些实施方式中，天然海藻复合材料的粒径为0.1μm至100μm，1μm至100μm，10μm至90μm，20μm至80μm，30μm至70μm，40μm至60μm，0.5μm至20μm，1μm至15μm，2μm至10μm，3μm至8μm，4μm至7μm，或5μm至6μm。6.在一些其它实施方式中，天然海藻复合材料是高度吸收性的并且包含一种或多种不溶性纤维和角叉菜胶，其中不溶性纤维能够自组装成高度有序的结构，使得纤维素纤维在胶凝和干燥过程期间沿相同方向排列，并且在再水合时，纤维组装体快速膨胀成有序阵列，其中纤维片段分散但沿纤维轴平行排布。这种不寻常的性质可在食品工程中具有有效应用。7.在另一方面，本文提供了由红藻制造天然海藻复合材料的方法。该方法包括以下步骤：在加热(例如在80-100℃)下，用高浓度的盐(例如氯化钾(kcl))预处理新鲜或干燥的海藻，对预处理的海藻进行高压均化(hph)，并将均化的海藻干燥和研磨至所需的粒径以获得天然海藻复合材料。在一些实施方式中，在盐处理之前或之后，通过湿磨或干磨来研磨海藻。在一些实施方式中，hph在0℃至85℃、例如0℃至50℃、20℃至40℃、25℃至30℃的温度或室温下进行。在一些实施方式中，hph在60℃至100℃的温度下进行。根据海藻原料和制造方法，所得天然海藻复合材料的胶凝强度为200-1000g/cm2。在一些实施方式中，在研磨或盐处理之前，洗涤和/或清洁海藻以除去碎屑。在一些实施方式中，在hph之前用一种或多种漂白剂漂白海藻。8.在相关方面，本文提供了通过上文公开的任何方法产生的天然海藻复合材料。所述天然海藻复合材料包含一种或多种不溶性纤维(例如纤维素和不溶性半纤维素)和角叉菜胶，其中当hph步骤在0℃至85℃、例如0℃至50℃、20℃至40℃、25℃至30℃的温度或室温下进行时，角叉菜胶与不溶性纤维缔合。在一些实施方式中，不溶性纤维以类似于加工前海藻中天然状态的缔合的方式与角叉菜胶缔合。在一些实施方式中，角叉菜胶结合至天然海藻复合材料的不溶性纤维(例如纤维素)的表面。在一些实施方式中，不溶性纤维全部或部分包埋在角叉菜胶内。在一些实施方式中，不溶性纤维被角叉菜胶部分或完全包封。在一些实施方式中，天然海藻复合材料的粒径小于或约为100μm，小于或约为90μm，小于或约为80μm，小于或约为70μm，小于或约为60μm，小于或约为50μm，小于或约为40μm，小于或约为30μm，小于或约为20μm，小于或约为10μm，小于或约为5μm，小于或约为4μm，小于或约为3μm，小于或约为2μm，或小于或约为1μm。在一些实施方式中，天然海藻复合材料的粒径为0.1μm至100μm，1μm至100μm，10μm至90μm，20μm至80μm，30μm至70μm，40μm至60μm，0.5μm至20μm，1μm至15μm，2μm至10μm，3μm至8μm，4μm至7μm，或5μm至6μm。9.在一些其它实施方式中，通过在60℃至100℃的温度下进行hph步骤的方法生产的天然海藻复合材料是高度吸收性的，并且包含一种或多种不溶性纤维和角叉菜胶，其中，不溶性纤维能够自组装成高度有序的结构，使得纤维素纤维在胶凝和干燥过程期间沿相同方向排列，并且在再水合时，纤维组装体快速膨胀成有序阵列，其中纤维片段分散但沿纤维轴平行排布。附图说明10.本技术包含至少一张彩色附图。该申请的带有彩色附图的副本将在请求和支付必要费用后由相关局提供。11.图1显示了海藻复合材料和对照(样品b以菱形显示，样品l以正方形显示，样品m以三角形显示)的稳定性试验结果。12.图2a-2c显示了样品l的成像分析，其中显示了更大的颗粒总览的视图(图2a)，更展开的颗粒的视图(图2b)，和一些颗粒的放大视图，显示了天然复合材料中的不溶性纤维(箭头指向的更亮的着色区域)和角叉菜胶(箭头指向的不透明区域)。13.图3a-3c显示了样品b的成像分析，其中显示了更大的颗粒总览的视图(图3a)，更展开的颗粒的视图(图3b)，和一些颗粒的放大视图，显示了天然复合材料中的不溶性纤维(箭头指向的更亮的着色区域)和角叉菜胶(箭头指向的不透明区域)。14.图4显示了不同海藻复合材料样品通过光学显微镜的对比成像分析。15.图5a-5b显示了样品m中纤维素纤维结构的对比成像分析。图5a：将去离子水中的1％(w/w)的样品m煮沸5分钟以熔化角叉菜胶，然后成像。图5b：将去离子水中的1％(w/w)的样品m煮沸5分钟以熔化角叉菜胶，加入0.2％kcl，然后冷却至室温以形成凝胶，然后成像。用装备有偏振滤光器的leica光学显微镜(型号mz125)拍摄图像。在一定的偏振角下，结晶纤维素纤维显示出明亮的颜色。16.图6a-6c显示了样品l中纤维素纤维结构的对比成像分析。图6a：成像前无沸腾的去离子水中的1％(w/w)的样品l。图6b：将去离子水中的1％(w/w)的样品l煮沸5分钟以熔化角叉菜胶，然后成像。图6c：将去离子水中的1％(w/w)的样品l煮沸5分钟以熔化角叉菜胶，加入0.2％kcl，然后冷却至室温以形成凝胶，然后成像。用装备有偏振滤光器的leica光学显微镜(型号mz125)拍摄图像。在一定的偏振角下，结晶纤维素纤维将显示出明亮的颜色。17.图7a-7c显示样品b中纤维素纤维结构的对比成像分析。图7a：成像前无沸腾的去离子水中的1％(w/w)的样品b。图7b：将去离子水中的1％(w/w)的样品b煮沸5分钟以熔化角叉菜胶，然后成像。图7c：将去离子水中的1％(w/w)的样品b煮沸5分钟以熔化角叉菜胶，加入0.2％kcl，然后冷却至室温以形成凝胶，然后成像。用装备有偏振滤光器的leica光学显微镜(型号mz125)拍摄图像。在一定的偏振角下，结晶纤维素纤维将显示出明亮的颜色。18.图8显示样品b中不溶性纤维的粒径分析。具体实施方式19.海藻可包含占其干重至多75％的膳食纤维，其中的至多85％可以是水溶性纤维。在该范围内，膳食纤维的总重量比例以及可溶性纤维与不溶性纤维之比根据具体的海藻物种和生长条件而不同。在产角叉菜胶的红色海藻中，主要的可溶性纤维是角叉菜胶，而主要的不溶性纤维是纤维素和不溶性半纤维素，以及残余量的其他不溶性多糖。20.本文提供了天然海藻复合材料和用于制备此类天然海藻复合材料的方法。当制造方法在低于或约为85℃(例如10℃、30℃、50℃或室温)的温度下进行时，所述方法所产生的天然海藻复合材料中保留了不溶性纤维和角叉菜胶之间的天然缔合，而没有角叉菜胶与不溶性纤维的任何显著破坏或解离。所获得的天然海藻复合材料包含一种或多种不溶性纤维和与该不溶性纤维缔合的角叉菜胶。在一些实施方式中，不溶性纤维的结构被破坏，但角叉菜胶并未熔融或与不溶性纤维解离。如本文所用，不溶性纤维的“破坏”是指在未经加工的海藻中处于天然状态的不溶性纤维的致密堆积的或“束状”的结构在海藻经过本文公开的处理步骤后变为松散或无序的结构，从而获得天然海藻复合材料，其中经结构修饰的藻类不溶性纤维保持与角叉菜胶结合。或者，当制造方法在高于60℃，例如60℃-100℃的温度下进行时，该方法产生高度吸收性的天然海藻复合材料，其中不溶性纤维能够自组装成高度有序的结构，其中纤维素纤维在胶凝和干燥过程期间沿相同方向排列，并且在再水化时，纤维组装体可快速膨胀成有序阵列，其中纤维片段分散但沿纤维轴平行排布。这种不寻常的性质可在使用天然可获得的材料的食品工程中具有有效应用。21.如本文所用，“缔合的”或“缔合”意指角叉菜胶结合到不溶性纤维的表面，不溶性纤维部分或完全被角叉菜胶包封，或不溶性纤维部分或完全包埋在角叉菜胶内。在一些实施方式中，不溶性纤维形成“束状”纤维芯，其中角叉菜胶结合到天然海藻复合材料中的不溶性纤维芯的表面。22.术语“海藻”、“藻类”和“海洋藻类”在本发明中可互换使用，以表示海洋植物或巨藻，并且包括红藻、褐藻和绿藻。23.i.天然海藻复合材料的组成24.角叉菜胶是由重复的半乳糖单元和3,6-脱水半乳糖(3,6-ag)组成的高分子量多糖，包括硫酸化的和非硫酸化的。所述单元通过交替的α-1,3和β-,4糖苷键连接。天然存在的角叉菜胶具有200,000至800,000da的多分散分子量分布，其中低于50,000da的少于5％，或低于20,000da的少于0.5％。该分子量分布根据用于提取角叉菜胶的海藻的来源和生长阶段而可以变化。天然角叉菜胶的低分子量级分是在收获海藻前的正常生命周期中角叉菜胶的不完整天然生物合成的产物。据信这些天然低分子量角叉菜胶与通过强化学反应(例如在加热下用浓酸处理)产生的降解角叉菜胶或降解卡拉胶(poligeenan)从根本上不同。低分子量的降解角叉菜胶或降解卡拉胶已引起一些健康顾虑。因此，避免或最小化天然角叉菜胶的化学暴露的方法是非常合乎需要的。角叉菜胶进一步按多糖聚合物中的硫酸化程度分类。κ-角叉菜胶在每个二糖中具有一个硫酸基团，ι-角叉菜胶具有两个，λ-角叉菜胶具有三个。κ-角叉菜胶在钾离子的存在下形成强且硬的凝胶，并与乳蛋白反应。其主要从长心卡帕藻中提取。ι-角叉菜胶在钙离子的存在下形成软凝胶。它主要从细齿麒麟菜产生。λ-角叉菜胶不胶凝，因此用于增稠乳制品。λ-角叉菜胶可以从许多不同的物种中提取。25.制备角叉菜胶的最常用的生海藻是长心卡帕藻和细齿麒麟菜，它们占全世界角叉菜胶生产的四分之三。典型的角叉菜胶提取方法包括用热的碱溶液(例如，5-8％氢氧化钾)处理海藻原料以从海藻基质中溶解和分离角叉菜胶，然后通过离心和过滤从角叉菜胶中除去海藻细胞壁中的纤维素。然后蒸发浓缩所得角叉菜胶溶液，干燥并研磨至所需的粒径。26.常规的角叉菜胶提取方法可以分为半精制、精制和混合方法。在半精制方法中，在热碱中清洗和蒸煮生海藻以提高胶凝强度。将蒸煮的海藻洗涤、干燥并研磨。对于某些海藻物种，例如刺麒麟菜(e.spinosum)，蒸煮条件温和得多，因为它容易溶解。在精制方法中，首先通过用热碱溶液处理而溶解角叉菜胶，并过滤以除去细胞壁碎屑。然后用异丙醇或氯化钾从澄清溶液中沉淀出角叉菜胶。在混合方法中，使用混合技术，其中如半精制工艺中那样用各种条件的碱和加热条件处理海藻，但在制造方法的各个步骤中使用醇或高盐水平来抑制溶解。该方法通常用于某些海藻物种，并且平衡了半精制加工的成本效益和允许更宽范围的海藻用作原料。27.所有三种常规角叉菜胶提取方法都依赖于热碱处理，其使角叉菜胶溶解并从海藻基质中分离出。尽管在半精制方法中在通过热碱处理从纤维素纤维基质中分离出角叉菜胶后不需要过滤，但这是因为适用于该方法的某些海藻物种的天然纤维含量低。因此，残留量的纤维素纤维不影响通过半精制方法获得的角叉菜胶的功能和应用。总之，常规角叉菜胶提取方法的唯一目的是获得作为胶凝剂/增稠剂的角叉菜胶。然而，热碱处理可分解海藻中的角叉菜胶和其它有价值的天然组分或成分。对于精制方法，其对于纤维含量相对高的海藻物种可能是必需的，但作为膳食纤维的有价值来源的海藻纤维素被丢弃。28.本文公开了一种通过物理方法分解产角叉菜胶红色海藻的细胞壁而不进行任何热碱处理的新方法，其暴露出角叉菜胶供直接使用或用于进一步精制以改善胶凝功能，并且同时通过各种方法使纤维素纤维改性以改善食品应用品质。本文公开的方法可以在没有任何热碱处理的情况下进行，以溶解角叉菜胶并将其与纤维素分离。因此，角叉菜胶可保持其与纤维素结合的天然状态而不会降解成往往与碱处理(特别是加热下的碱处理)相关的小分子片段。此外，其它天然有益组分可保留在基质中。此外，与常规角叉菜胶提取方法相比，本文公开的方法高效得多且简单得多。所获得的产品包括与纤维素纤维结合的角叉菜胶的天然复合物，其保持了角叉菜胶的胶凝性质和膳食纤维的生理学功能。29.某些红藻物种的细胞壁主要由角叉菜胶和纤维素与其它天然海洋成分的复合物构成。纤维素是存在于植物和藻类细胞壁中的β(1-4)连接的d-葡萄糖的多糖聚合物。纤维素聚合物链组装在一起形成初原纤维，其进而彼此堆积在一起形成有序度更高的纤维素纤维结构。堆积排布方式根据来源而不同。例如，来自藻类的纤维素纤维与陆生植物的结构特征不同。然而，来自关系较近的物种的纤维素纤维通常共享相似的结构和性质。本文公开的技术需要分解海藻细胞壁，使得可以获得角叉菜胶以其天然状态与纤维素结合的天然复合材料。当在低于85℃的正常温度下进行时，所公开的hph方法可在角叉菜胶-纤维素复合材料内保持角叉菜胶与纤维素结合的结构。角叉菜胶-纤维素复合材料可以加工成小于或约为90μm的粒径，其中纤维素纤维小于或约为15μm，并且角叉菜胶-纤维素复合材料和纤维素纤维的粒径可以根据应用需要通过制造方法来控制。复合材料颗粒具有角叉菜胶包封或包埋纤维素纤维的一般结构，但一些颗粒具有在边缘暴露的纤维素纤维。位于复合颗粒表面的角叉菜胶具有与常规方法获得的角叉菜胶相当的功能和性质。因此，所公开的天然角叉菜胶-纤维素复合材料可在许多食品应用中代替角叉菜胶。复合材料中的不溶性纤维素纤维可以通过尺寸减小和通过从天然存在于海藻植物中的纤维束变为破坏和分散的纤维片段而得到结构改性。因此，不溶性纤维素纤维具有大大增加的表面积、更好的水结合和保留能力，并且在角叉菜胶熔化并与纤维素纤维解离后在水中是稳定的。这些新的结构特征和功能增强使本文公开的角叉菜胶-纤维素复合材料成为膳食纤维的重要来源。令人惊奇的是，通过在高温下熔融角叉菜胶和随后的hph获得的角叉菜胶-纤维素复合材料包含自组装成高度有序结构的纤维素，其中纤维素纤维在胶凝和干燥过程中沿着相同方向排列，并且在再水合时，纤维组件可以快速膨胀成有序阵列，其中纤维片段分散但沿着纤维轴平行排布。这种不寻常的性质可在使用天然可获得的材料的食品工程中具有有效应用。30.ii.制造天然海藻复合材料的方法31.该方法通常包括在加热下用高浓度氯化钾(kcl)处理海藻而后使海藻经受高压均化(hph)的步骤。本发明中使用的原料包括传统上用于提取角叉菜胶的新鲜或干燥的红藻，包括长心卡帕藻、细齿麒麟菜等或其组合。更一般而言，本发明的原料包括任何含角叉菜胶的红色海藻(产角叉菜胶藻)，包括但不限于来自杉藻科(gigartinaceae)、沙菜科(hypneaceae)、红翎菜科(solieriaceae)、育叶藻科(phyllophoraceae)和叉红藻科(furcellariaceae)的海藻及其组合。可用的属包括角叉菜属(chondrus)、银杏藻属(iridaea)、杉藻属(gigartina)、卡帕藻属(kappaphycus)、红舌藻属(rhodoglossum)、沙菜属(hypnea)、拟红翎藻属(agarchiella)、叉枝藻属(gymnogongrus)、育叶藻属(phyllophora)、伊谷草属(ahnfeltia)和叉红藻属(furcellaria)及其组合。可使用的物种包括刺麒麟菜、耳突麒麟菜(eucheumacottonii)、皱波角叉菜(chondruscrispus)、斯氏杉藻(gigartinaskottsbergii)、长心卡帕藻、细齿麒麟菜及其组合。32.如果需要，漂白步骤是任选的，以除去海藻产品的天然颜色。在kcl处理之前或之后对海藻进行初步研磨，包括干磨或湿磨。kcl处理在高压均化之前在80-100℃加热下进行1-6小时，并且hph可以在0-85℃之间的低温下进行，而不会使角叉菜胶熔化离开包含不溶性纤维的其天然植物基质。然后将hph处理的海藻干燥并研磨成具有所需粒径的最终角叉菜胶-纤维素复合材料。如果需要，高压均化可以在升高的温度(例如60-100℃)下进行以熔化角叉菜胶，并且该方法还需要在低浓度kcl存在下冷却胶凝。该方法的具体细节可以根据不同的起始原料和最终产物的所需特征而变化。33.方法1氯化钾处理前研磨34.通用方案：35.干海藻→洗涤和清洁→漂白→干燥→粉碎→kcl处理→高压均化→加压过滤脱水(或加热至超过60℃融化角叉菜胶并添加kcl冷却形成凝胶，然后加压过滤脱水)→干燥→粉碎至所需粒径36.该方法如下：37.(1)通过洗涤和去除杂质和碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；38.(2)任选地，将清洁的海藻用一种或多种漂白剂(例如次氯酸钠，有效氯0.1-0.5％)处理30分钟至2小时，然后洗涤以除去漂白剂；39.(3)将获得的海藻干燥并粉碎至80目以上以获得粗制海藻粉末；40.(4)将粗制海藻粉末加入5-20％(w/w)的氯化钾溶液中，在80-100℃下处理1-6小时，然后加压过滤或离心脱水；41.(5)将kcl处理的海藻粉末在0-85℃下以1:20至1:100的质量比(海藻干重:水)均匀分散于水中，在20-50mpa的压力下用高压均化器处理，并将均化的液体加压过滤以除去水。对于该方法，目标是在不使角叉菜胶熔融并从其天然海藻基质中溶出的条件和温度下进行hph和其他加工步骤。或者，将海藻粉末在60-100℃下以1:20至1:100的质量比(海藻干重:水)均匀分散于水中，在20-50mpa的压力下用高压均化器处理，将0.1％-1.0％的氯化钾加入均化的液体中并冷却至0-40℃以形成凝胶，将其加压过滤脱水；42.(6)将步骤(5)中加压过滤获得的固体组分通过热空气或其它干燥方法干燥，并粉碎至80目以上以获得最终海藻复合材料。43.方法2氯化钾处理后研磨44.通用方案：45.干海藻→洗涤和清洁→kcl处理→漂白→洗涤→干燥→粉碎→水中分散→高压均化→加压过滤脱水(或加热至超过60℃融化角叉菜胶，加入kcl冷却形成凝胶，然后加压过滤脱水)→干燥→粉碎至所需粒径46.该方法如下：47.(1)通过洗涤和去除杂质和碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；48.(2)将清洁的海藻加入5-20％(w/w)的氯化钾溶液中，在80-100℃下处理1-6小时，洗涤去除kcl；49.(3)任选地，将kcl处理的海藻用一种或多种漂白剂(例如次氯酸钠，有效氯0.1-0.5％)处理30分钟至2小时，然后洗涤以除去漂白剂；50.(4)将获得的海藻干燥并粉碎至80目以上以获得粗制海藻粉末；51.(5)将海藻粉末在0-85℃下以1:20至1:100的质量比(海藻干重:水)均匀分散于水中，在20-50mpa的压力下用高压均化器处理，将均化的液体加压过滤以除去水；或者，将海藻粉在60-100℃下以1:20至1:100的质量比(海藻干重:水)均匀分散于水中，在20-50mpa的压力下用高压均化器处理，将0.1％-1.0％氯化钾加入均化的液体中并冷却至0-40℃以形成凝胶，将其加压过滤脱水；52.(6)将步骤(5)中加压过滤获得的固体组分通过热空气或其它干燥方法干燥并粉碎至80目以上以获得最终海藻复合材料。53.方法3kcl处理前湿磨54.通用方案：55.新鲜或再水化的海藻→洗涤和清洁→漂白→kcl处理→胶体磨→高压均化→加压过滤脱水(或加热至超过60℃融化角叉菜胶并加入kcl冷却形成凝胶，然后加压过滤脱水)→干燥→粉碎至所需粒径56.该方法如下：57.(1)通过洗涤和去除杂质和碎屑来清洁生的新鲜或脱水的海藻；58.(2)任选地，将清洁的海藻用一种或多种漂白剂(例如次氯酸钠，有效氯0.1-0.5％)处理30分钟至2小时，然后洗涤以除去漂白剂；59.(3)将得到的海藻加入5-20％(w/w)的氯化钾溶液中，在80-100℃下处理1-6小时，然后洗涤去除kcl；60.(4)将kcl处理的海藻粉末分散在水中并将其胶体研磨至80目以上；61.(5)将海藻在0-85℃下以1:20至1:100的质量比(海藻干重:水)均匀分散在水中，在20-50mpa的压力下用高压均化器处理，并将均化的液体加压过滤以除去水；或者，将海藻粉在60-100℃下以1:20至1:100的质量比(海藻干重:水)均匀分散于水中，在20-50mpa的压力下用高压均化器处理，将0.1％-1.0％氯化钾加入均化的液体中并冷却至0-40℃以形成凝胶，将其加压过滤脱水；62.(6)将步骤(5)中加压过滤获得的固体组分通过热空气或其它干燥方法干燥并粉碎至80目以上以获得最终海藻复合材料。63.与通过热碱处理的传统角叉菜胶提取方法不同，本文公开的技术在高温(80-100℃)下用高浓度的盐(例如如kcl(5-20％w/w))长时间(1-6小时)预处理海藻，随后高压均化以获得角叉菜胶-纤维素纤维复合材料。不受理论束缚，本文中高浓度的kcl可起到稳定角叉菜胶以防止其在高温下溶解损失的作用。它还可以具有其它效果，例如增加分离的角叉菜胶-纤维素纤维复合材料的胶凝强度。角叉菜胶与纤维素纤维一起存在于海藻植物组织的细胞壁和细胞间基质中。高温加热可以对植物基质结构(包括多种生物大分子的结构和它们的组装体的相互作用)具有一系列影响，导致松散的结构，其在例如高压均化等机械加工下易于进一步分解。64.kcl的浓度和处理时间可以根据起始海藻原料的类型和状态而变化。通常，当使用整个海藻植物时，所需的kcl浓度较高并且处理时间较长。在海藻已经被粉碎(以干燥形式)或通过胶体磨湿磨之后，浓度可以更低并且处理时间可以更短。使用全海藻的优点是在方法的各个步骤之间更容易进行洗涤，包括在高浓度kcl处理后除去盐。使用粉碎或磨碎的海藻粉末的优点是可以在相对温和的条件下(例如，较低的kcl浓度和较短的加热时间等)进行高盐加热处理。因此，温和的条件有助于制备含有额外的来自海藻的天然化合物(其在苛刻的条件下(例如较长的加热时间)可能损失或变性)的天然角叉菜胶/纤维素复合材料。65.漂白处理是可选的并且可以除去海藻中的天然着色剂以提高产品的白度。漂白通常在室温下进行。漂白剂是过氧化氢、次氯酸钠、二氧化氯等中的一种或多种。优选使用次氯酸钠溶液作为漂白溶液，有效氯浓度为约0.1-0.5％，处理时间为约30分钟至2小时。66.经漂白的海藻可以首先干燥，粗粉碎，然后加入0-85℃的水或60-100℃的水中进行高压均化。或者，在除去漂白剂之后，可以将湿海藻直接加入到0-85℃的水或60-100℃的水中，以使用胶体磨进行湿磨，随后高压均化。在0-85℃的水中均化的材料可以通过离心或加压过滤干燥，然后干燥并粉碎成最终产物。在60-100℃的水中均化的材料需要在低浓度kcl的存在下先冷却以形成凝胶，然后通过加压过滤脱水或通过冻干冷冻干燥。将干燥的样品粉碎成最终产物。67.可以在0-85℃或60-100℃下将粗制海藻粉末分散在水中，然后进行hph。或者，可以将预处理的全海藻直接加入到0-85℃或60-100℃的水中以使用胶体磨湿磨，然后高压均化。68.当在0-85℃下均化时，包括角叉菜胶的水溶性多糖保持其天然未熔融状态，并且所得角叉菜胶-纤维复合材料可通过离心或加压过滤来分离、干燥并粉碎成最终产物。当在60-100℃的水中均化时，包括角叉菜胶的水溶性多糖的一部分或大部分会溶解在水中并与其天然海藻植物基质分离。材料需要首先冷却形成凝胶，然后通过加压过滤脱水或通过冻干冷冻干燥。将干燥的样品粉碎成所需粒径的最终产物。69.胶体磨是一种能够通过剪切和研磨来减小颗粒尺寸的湿磨设备。高压均化可以通过高机械剪切力来减小颗粒尺寸。hph还可以通过由与hph相关的压力的急剧下降引起的熵效应来使包括不溶性植物纤维的某些材料的结构松弛。来自植物(包括海藻)的天然纤维素纤维通常致密堆积，导致质地较硬、口感较差且具有水结合性。hph处理已经用于将解离状态的多种植物来源的纤维改性，以减小粒径、破坏纤维结构并增加表面积，从而提高它们的食品应用品质(例如水结合和保留能力以及粘度和稳定性等)。出乎意料地，如本文所公开的，hph可在天然结合的角叉菜胶的存在下对分解海藻纤维素纤维产生显著效果。因此，本文公开了制备天然角叉菜胶-纤维素复合材料的方法，其中将最初致密堆积的海藻纤维束破碎成小纤维碎片，即使当纤维处于与角叉菜胶缔合的天然状态时也是如此，并且这种天然缔合即使在hph的剪切力下也仍得到保持。70.在将干磨的海藻粉末分散在水中或获得湿磨的海藻样品后，将其通过40目以上、更优选80-100目以上的布过滤，以制备用于hph的样品。hph可以以单次通过或多次通过来进行。对于单次通过，均化压力优选为20-100mpa，更优选为30-60mpa。对于多次通过，均化压力优选为10-60mpa，更优选为20-40mpa。71.干燥过程可以以许多不同的方式进行，并且不受任何特定方法的限制。将最终产物粉碎至80目以上、更优选200目以上。实际粒径可由特定应用来确定。72.因此，所公开的技术需要在室温下分解海藻细胞壁以暴露出角叉菜胶，并通过减小纤维素纤维的尺寸和/或增加暴露表面积来改变纤维素纤维的结构，由此获得天然海藻复合材料。尽管在本发明的有效实例中使用了高压均化，但是该技术不限于hph，而是包括能够分解海藻细胞壁同时将角叉菜胶保持在其与纤维素结合的天然状态的任何方法。或者，hph方法在高温下进行以部分或完全熔化角叉菜胶，然后在低浓度kcl存在下冷却以形成凝胶。令人惊奇的是，在这两种不同条件下获得的角叉菜胶-纤维素复合材料具有不同的结构性质和功能性质。前者得到包含部分或全部被角叉菜胶包埋或包封的纤维素的复合材料，而后者得到包含能够自组装成纤维束的纤维素纤维的复合材料，并且该复合材料是高度吸收性的或在与液体(例如水)接触时快速溶胀。复合材料中的不溶性纤维自组装成高度有序的结构，其中纤维素纤维在胶凝和干燥过程中沿着相同方向排列，并且在再水化时，纤维组装体可快速膨胀成有序阵列，其中纤维片段分散但沿着纤维轴平行排布。制造方法可以根据海藻的种类和最终的角叉菜胶-纤维素复合材料的所需性质而变化。73.以下实施例旨在说明本发明的各种实施方式。因此，所讨论的具体实施例不应被解释为对本发明范围的限制。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以实施各种等同物、改变和修改，并且应当理解，这样的等同实施方式将包括在本文中。74.实施例75.实施例1：海藻复合材料的制备76.该实施例描述了通过方法2使用细齿麒麟菜作为原料制备海藻复合物。在水中洗涤和清洁海藻以除去杂质和碎屑后，在90℃下用氯化钾溶液(20.0％，w/w)以1:15的质量比(干海藻:kcl溶液)预处理海藻4小时。预处理的海藻用水洗涤至中性ph。随后，在25℃下用次氯酸钠溶液(有效氯0.2％)漂白预处理的海藻1小时。然后用水洗涤海藻以除去漂白剂并恢复到中性ph。将经处理和漂白的海藻干燥并粉碎至至少80目以获得海藻粉末。取少量样品并粉碎至180目作为样品m，其用作未均化的对照。77.将剩余的海藻粉末分成两部分。将第一部分所获海藻粉末以1:50的质量比(海藻干重:水w/w)分散在30℃的水中，然后在25mpa下在高压均化器中通过一次以进行均化。对均化的海藻粉末进行加压过滤脱水和干燥，然后粉碎至180目以获得最终的海藻复合材料，即样品l(常温hph)。78.将第二部分所获海藻粉末的以1:50的质量比(海藻干重:水w/w)均匀分散在水中，煮沸5分钟，然后在80℃下在25mpa下在高压均化器中通过一次以进行均化。将0.2％(w/w)氯化钾加入均化的样品中，并将均化的样品冷却至20℃以形成凝胶。将凝胶加压过滤脱水、干燥并粉碎至180目以获得最终海藻复合材料，即样品b(高温hph)。79.实施例2：海藻复合材料的分析80.如下所述分析所得海藻复合材料(包括对照)的粘度、胶凝强度、稳定性和粒径分布。81.粘度测量：将2.0g海藻复合材料样品或对照样品加入198g去离子水中，加热至沸腾，并冷却至80℃。在80℃下使用brookfield粘度计(转子#61，12rpm)测量样品的粘度。82.胶凝强度(g/cm2)的确定：将0.2％(w/w)kcl添加至各样品的1.5％(w/w)储备溶液中，将混合物煮沸5分钟，然后冷却至20℃并保持15小时，然后使用质构分析仪(stablemicrosystem，ta.xt.plustextureanalyser)分析胶凝强度，探针：p/0.5；加压速度：1.5mm/s；运行速度：1.0mm/s；恢复速度：1.5mm/s。加压距离为20mm。83.天然海藻复合材料在水溶液中的稳定性：在去离子水中分别制备样品m、l和b的60ml0.5％(w/w)溶液。将溶液加热至沸腾10分钟，同时用搅拌棒搅拌。将所得溶液置于50℃水浴中并静置。在不同的时间点将溶液的等分试样以3倍稀释度取样到比色杯中。使用640分光光度计在600nm下测量不同时间点的溶液的吸光度。84.这些分析的目的是评价高压均化(hph)是否影响不溶性纤维素纤维的结构和功能。如图1所示，与未匀化的样品m相比，高压匀化(hph)处理大大增强了样品l和样品b中海藻复合材料的不溶性纤维的悬浮稳定性。这由样品l和样品b中的不溶性纤维比样品m中的不溶性纤维更长久的悬浮时间(在600nm下更高的光学吸光度)反映的。出乎意料地，在最初的20分钟内样品b似乎比样品l更稳定，但在后期阶段和更长的时间内样品l更稳定。因此，样品b(通过高温hph获得)和样品l(通过常温hph获得)的结构差异证明了它们的功能差异。85.如表1所示，在hph处理后，粘度也显著增加，从样品m的8mpas.s增加到样品b的85mpas.s和样品l的42mpas.s。同样，这可能是由于hph处理后海藻复合材料的不溶性纤维组分的结构变化。样品m、l和b具有相同的胶凝强度，表明hph的主要作用是针对角叉菜胶-纤维素复合材料的不溶性纤维组分。[0086][0087]对海藻复合材料进行成像分析以确定材料的结构。用装备有偏振滤光器的leica光学显微镜(型号mz125)拍摄海藻复合材料的图像。图2和图3分别显示了样品l和样品b的成像分析。在某个偏振角下，结晶不溶性纤维素纤维显示更亮的颜色，如在许多角叉菜胶-纤维素复合颗粒的中心和边缘所看到的。非晶角叉菜胶在复合颗粒的外部区域显示为不透明的颜色。图像中最小的分割为11μm，因此大多数颗粒看起来具有约40-50μm的尺寸。[0088]图4显示了样品m(无hph对照)、l(常温hph)和b(高温hph)的对比成像分析。如图4所示，尽管所有样品都用相同的方法粉碎，但这三个样品的颗粒具有非常不同的结构特征。样品l含有均匀分布的粒状颗粒，其中许多具有完全或部分被角叉菜胶包封的不溶性纤维素纤维(显示为亮点)。相比之下，样品b含有具有宽范围分布的粒径和形状的薄片，它们中的大多数是角叉菜胶凝胶薄碎片，而其它一些几乎是完全不溶的纤维素纤维颗粒。这些观察表明样品l和样品b在结构上不同，尽管它们是通过相同的hph机械方法获得的。样品l在常温下获得而不熔化角叉菜胶以将其与不溶性纤维素纤维分离。因此，样品l保持了角叉菜胶和不溶性纤维素纤维之间的天然结构或组装机制的至少一些方面。相反，在高温hph过程中，角叉菜胶熔化并与不溶性纤维素解离，由此得到样品b，并且在冷却和添加0.2％氯化钾后重新形成凝胶。在冷却过程中，不溶性纤维素纤维，由于它们的高结合功能和自缔合倾向，可以形成纤维簇，导致粉碎颗粒的混合物，其中一些主要由角叉菜胶凝胶构成，一些主要由纤维素纤维构成。在样品l中没有观察到纤维束或簇的自组装，因为角叉菜胶在低温hph处理期间保持与纤维素纤维结合。尽管确切的粒径和形状可以根据所使用的生海藻的类型和加工细节而变化，但样品l和样品b之间的比较表明，通过海藻细胞壁的某种物理分解而获得的天然角叉菜胶-纤维素复合材料在结构和功能上与通过包括熔化角叉菜胶和再胶凝的方法获得的材料在根本上不同。一个关键区别是当将样品b加入水中时，自组装的纤维在溶液中快速膨胀为有序阵列。这在样品l中没有观察到，其中纤维看上去处于与角叉菜胶缔合的天然状态，而样品b中的纤维素纤维看上去在角叉菜胶熔化后经历自组装。[0089]对于未均化的对照样品m，颗粒虽然看起来类似于样品l为粒状，但是含有颗粒的混合物，其中一些比其它具有更多的纤维。这可能是由于在天然海藻细胞壁中，纤维素纤维在一起形成束状。另外，样品m中的颗粒在尺寸和形状上不均匀，一些颗粒保留了大的致密堆积的纤维束。[0090]这些结构差异具有重要的功能意义。在样品l中，hph导致不溶性纤维素纤维均匀分布并被天然结合到纤维上的角叉菜胶稳定化。在样品b中，因为角叉菜胶熔化并与纤维解离，不溶性纤维素纤维具有经历大规模结构重组的倾向。当纤维被物理和/或化学处理以改变其结构以增加表面积、结合活性和粘度时，这种重组倾向更明显。这不仅反映在纤维的粘度增加，而且更令人惊奇的是，纤维在胶凝和冷却过程中自组装成有序结构。不受理论的束缚，可能经hph处理的纤维可具有开放结构，其与溶液中的水溶性角叉菜胶分子相互作用并结合。在胶凝过程中，纤维和所结合的角叉菜胶分子形成有序阵列，并且在干燥过程中保持这种结构。在再水合时，由于角叉菜胶的高吸水活性，纤维组装体将膨胀，产生有序纤维阵列，这反映了在胶凝和干燥过程期间形成的原始自组装结构。通过高温hph处理产生的角叉菜胶-纤维复合材料的这些独特特征可在食品科学(例如控制质地、风味和用作大量营养素和微量营养素的载体)以及医学和材料科学中具有广泛的应用。[0091]尽管确切的粒径和形状可以根据所使用的生海藻材料的类型和加工条件而变化，但是样品l和样品b之间的比较表明，通过所公开的技术(其包括通过诸如hph等方法物理地分解海藻细胞壁)获得的天然角叉菜胶-纤维素复合材料从根本上不同于通过包括熔化角叉菜胶和再胶凝的常规方法获得的材料。本文公开的天然海藻复合材料具有不同于通过常规方法获得的海藻材料的结构和功能特征。例如，样品l具有角叉菜胶与不溶性纤维结合的结构(主要是不溶性纤维被水溶性水胶体角叉菜胶包封)。因此，样品l具有角叉菜胶的胶凝功能和膳食纤维的益处。未均化的样品m也含有来自海藻的天然纤维。然而，样品m中颗粒的结构不同于样品l中颗粒的结构：前者具有不均匀地分布在颗粒中的纤维素纤维，其中一些(特别是大颗粒)具有更多的纤维素纤维，这些纤维素纤维保留了致密堆积的纤维束结构，这产生了硬的质地，这限制了它们的食品应用。相比之下，样品l中的颗粒在尺寸和形状上更均匀，不溶性纤维素纤维均匀地分布并且被天然结合到纤维上的角叉菜胶稳定化，并且纤维已经通过hph进行了结构改性，具有减小的尺寸和改变的空间组织。[0092]进行不同样品中的纤维素纤维的对比成像分析以进一步探索本文公开的天然海藻复合材料的结构特征。如图5所示，纤维素纤维在未均化样品m中保持其天然组装的结构，其中多个纤维股大致在相同方向上排列(参见放大图像)。在沸腾(图5a)和胶凝(图5b)过程中，这种结构看上去在很大程度上得以保持。[0093]图6显示了样品l中的纤维素纤维结构大部分被高压均化(hph)处理破坏。尽管在样品的某些区域中观察到一些残留的纤维结构，但海藻复合材料中的不溶性纤维被破坏且发生结构改变，同时不溶性纤维保持与角叉菜胶结合。不溶性纤维的结构改性程度可通过hph参数(例如压力、孔径和通过次数)来优化。出乎意料地，制备了不溶性纤维素纤维在结构上被改性且保持与角叉菜胶结合的天然角叉菜胶-纤维素复合材料。所有三个样品均显示出纤维结构被破坏和打乱。[0094]如图7a所示，当将样品b加入去离子水中时，颗粒吸收水并迅速溶胀。包封在复合材料颗粒内的不溶性纤维膨胀成长段的规则排列的纤维束。已证明，当角叉菜胶在高温hph处理期间熔化时，不溶性纤维在冷却过程期间具有再聚集的倾向。样品b通过煮沸粗制海藻粉末以熔化和溶解角叉菜胶、然后通过hph打碎纤维来制备。在冷却过程中，在加入氯化钾后，不溶性纤维碎片看上去重新组装成埋藏或包埋在角叉菜胶凝胶内的结构。令人惊奇的是，当样品b的海藻复合材料再水化时，所捕获的纤维结构自组装成规则排列的纤维束。沸腾能够破坏该结构(图7b)。如图7c所示，在加入0.2％氯化钾以诱导胶凝过程后，不溶性纤维的自组装过程的成核开始在凝胶的中间形成。这些观察结果表明，通过高温hph以及随后的冷却和胶凝而获得的样品b在结构上不同于通过常温hph而不熔化角叉菜胶获得的样品l。[0095]进行了粒径分析以评估复合角叉菜胶-纤维材料中不溶性纤维的尺寸。作为初始步骤，角叉菜胶必须通过沸腾熔化，因此将样品b用于该分析。使用具有消光模式的particlesizingsystemsaccusizer(型号780ad，范围1-1000μm)进行粒径分析。将样品b以1％(w/w)悬浮于水中并煮沸5分钟以溶解水溶性角叉菜胶，然后进行粒径分析。图8显示了样品b中的不溶性纤维的粒径分布。[0096]下表2显示了角叉菜胶复合材料中不溶性纤维的粒径分析概述。[0097]表2粒径分析[0098]当前第1页12当前第1页12