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62/865,051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在结构上彼此缔合的琼脂和不溶性纤维。
背景技术：
：：4.海藻是海洋生物材料的丰富来源，在食品、营养、化妆品和保健工业中具有广泛的应用。在其诸多组分(包括脂质、蛋白质、不溶性纤维(例如纤维素)、矿物质、维生素和天然着色剂)中，藻胶(phycocolloid)(包括琼脂、卡拉胶和藻酸盐)已成为主要的商业海藻提取物。虽然一些种类的海藻作为食品成分是可食用的，但是其它的海藻，例如石花菜属(gelidium)和江蓠属(gracilaria)，含有粗糙的天然不溶性纤维，导致不良的口感。这些海藻的主要用途是提取可溶性藻胶，而剩余的海藻残余物，包括天然不溶性纤维，被丢弃或用作低价值材料，例如肥料。因此，本领域需要充分开发和使用用于天然复合材料、特别是适于食品应用的高品质天然复合材料的海藻。技术实现要素：5.在一个方面，本文提供了天然海藻复合材料。在一些实施方式中，天然海藻复合材料获自红藻。在一些实施方式中，天然海藻复合材料获自产琼脂(agarophytic)红藻。所述天然海藻复合材料包含一种或多种不溶性纤维和琼脂，其中所述琼脂与所述不溶性纤维缔合。琼脂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琼脂与不溶性纤维之间的缔合相同。在一些实施方式中，所述不溶性纤维包括纤维素和不溶性半纤维素。在一些实施方式中，琼脂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，不溶性纤维被琼脂部分或完全包封。在一些实施方式中，不溶性纤维全部或部分包埋在琼脂内。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40为μm，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：用一种或多种酸处理新鲜或干燥的海藻，通过湿磨或干磨研磨经酸处理的海藻，使经研磨的海藻经受高压均化(hph)，和将均化的海藻干燥并研磨至所需粒径以获得天然海藻复合材料。在一些实施方式中，hph在不使琼脂熔化且不使琼脂与其天然海藻基质解离的条件和温度下进行。一些实施方式中，hph在0℃至85℃，例如20℃至70℃的温度下进行。在一些实施方式中，hph在0℃至50℃，例如20℃至40℃的温度下进行。在一些实施方式中，hph在25℃至30℃的温度下进行。在一些实施方式中，hph在室温下进行。所得天然海藻复合材料具有低胶凝强度和高分子量。例如，获得的天然海藻复合材料具有100-1000kda的平均分子量，和/或1.5％下10-400g/cm2的胶凝强度。在一些实施方式中，在酸处理之前，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。7.在一些实施方式中，所述方法包括在酸处理之前用一种或多种碱处理新鲜或干燥的海藻的步骤，以获得具有高胶凝强度和高分子量的天然海藻复合材料。例如，获得的天然海藻复合材料具有100-1000kda的平均分子量，和/或在1.5％下200-1000g/cm2的胶凝强度。在一些实施方式中，包括碱预处理步骤的方法还包括在hph处理之后的第二酸处理步骤，以获得具有低胶凝强度和低分子量的天然海藻复合材料。例如，获得的天然海藻复合材料具有10-100kda的平均分子量，和/或在1.5％下10-200g/cm2的胶凝强度。8.在相关方面，本文提供了通过上述任何方法生产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和琼脂，其中所述琼脂与所述不溶性纤维缔合。在一些实施方式中，所述不溶性纤维包括纤维素和不溶性半纤维素。在一些实施方式中，不溶性纤维以与加工前海藻中天然状态的缔合类似的方式与琼脂缔合。在一些实施方式中，琼脂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琼脂内。在一些实施方式中，不溶性纤维被琼脂部分或完全包封。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。附图说明9.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。10.图1显示了样品a-1(无hph对照)和样品a-2(常温hph)的悬浮稳定性测试结果。11.图2a-2c显示了样品a-2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)和琼脂(箭头指向的不透明区域)。12.图3a和3b分别显示了光学显微镜(图3a)和扫描电子显微镜(sem)(图3b)下的不同海藻复合材料样品的对比成像分析。13.图4显示了不同海藻复合材料样品中纤维素纤维的对比成像分析。14.图5a和5b分别显示了样品a-2在室温(图5a)和60℃(图5b)下的粒径分析。具体实施方式15.本文提供了天然海藻复合材料和制备此类天然海藻复合材料的方法。该方法所产生的天然海藻复合材料中保留了不溶性纤维和琼脂之间的天然缔合，而没有琼脂与不溶性纤维的任何显著解离。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琼脂。16.如本文所用，“缔合的”或“缔合”意指琼脂结合到不溶性纤维的表面，不溶性纤维部分或完全被琼脂包封，或不溶性纤维部分或完全包埋在琼脂内。在一些实施方式中，不溶性纤维形成“束状”纤维芯，其中琼脂结合到天然海藻复合材料中的不溶性纤维芯的表面。在一些实施方式中，不溶性纤维的结构被破坏，但琼脂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琼脂结合。17.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。18.i.天然海藻复合材料的组成19.琼脂是从包括石花菜属和江蓠属在内的红色海藻的某些物种中提取的主要藻胶。由于其独特的胶凝性质和稳定性，琼脂广泛用于食品、化妆品和制药/生物技术工业。在食品工业中，琼脂被用作增稠剂、胶凝剂、组织形成剂、保湿剂、乳化剂和增味剂。琼脂也被认为是可溶性膳食纤维，它不能被人类消化，但具有一系列健康促进活性，包括充当肠道调节剂。20.琼脂通常由琼脂糖和琼脂胶组成。琼脂糖是由琼脂二糖(d-半乳糖和3,6-脱水-l-吡喃半乳糖的二糖，但聚合物中的一些l-半乳糖单元可能不含3,6-脱水桥)的重复单元制成的线性聚合物。琼脂胶占琼脂组成的约30％，总体上指包括硫酸化多糖、半乳聚糖、硫酸酯、d-葡糖醛酸和少量丙酮酸在内的天然化合物的异质混合物。一些d-半乳糖和l-半乳糖单元可以是甲基化的。尽管据报道琼脂胶的一些组分具有健康益处，但海藻中的大多数这些天然化合物在提取琼脂的商业过程中被丢弃。因此，提取琼脂获得其胶凝功能同时可以选择性地保留海藻的某些天然组分的方法将增加海藻的价值和应用。21.传统上用热水从红色海藻中提取琼脂，热水使琼脂熔融并从包括纤维素纤维骨架的天然植物基质中解离。在滤出不溶性残余物后，通过胶凝和脱水过程来分离出琼脂。可以调节琼脂的胶凝性质以用于各种应用。虽然碱处理通常用于使天然琼脂脱硫酸并增加胶凝强度，但酸处理可降低琼脂的分子量及其胶凝强度。琼脂在其液体-凝胶转变过程中表现出热滞后现象，即，它在不同的温度下胶凝和熔化。胶凝和熔化温度根据琼脂的类型及其浓度而变化。琼脂的熔化温度本质上与其结构、修饰和组成有关。通过沸水和胶凝过程提取的琼脂在其结构、功能和性质方面可以不同于结合到海藻细胞壁的天然琼脂。22.尽管从红色海藻中提取琼脂已进行了数百年，并且已经通过各种方法精制琼脂以调节胶凝性质用于广泛的应用，但是所有这些方法都依赖于从其天然环境中用热水提取可溶性琼脂，留下大多数其它海藻组分未使用，其中许多海藻组分可能具有作为食品成分和保健补充剂的有价值的功能。常规的琼脂提取方法还涉及捕获大量水的琼脂凝胶的形成，使得脱水方法成为高能耗和低效率的方法。此外，通过常规方法提取的琼脂通常形成非常稳定的结构，其需要更高的能量来破坏；因此，获得的琼脂具有较高的熔化温度。23.本领域已知的海藻粗粉是如下加工的：将干燥的海藻清洗、干燥和研磨成粉末形式，或用各种物质在水中调理海藻并通过用蒸汽蒸煮消化以形成蒸汽消化的混合物，该混合物最终制成海藻饼。通过这些方法制备的海藻粉或海藻饼具有较差的胶凝能力、较差的风味和口感，特别是对于由具有至多35％的相对高含量的不溶性纤维素纤维的海藻物种制备的产品而言。尽管简单的粉碎处理可以降低粗制海藻纤维的粒径，但其内部结构和硬质地没有显著改变，这导致口感差、水结合能力低和作为膳食纤维的品质低。蒸汽蒸煮具有与传统的沸水提取琼脂相关的加热的所有缺点，并且粗制纤维不能得到高效加工以改善口感和保水能力。因此，通过上述现有技术已知的方法制备的海藻产品既不适合用作胶凝剂，也不适合用作食品应用中的高品质膳食纤维。24.总之，琼脂是通过沸水加热从红色海藻中提取的主要产物，但是其它海藻组分例如纤维素、脂质和天然着色剂也已被分离用于各种应用。所有这些常规方法的特征在于单一特定组分的分离和精制。相反，本文公开的技术有助于本领域的改进，使得可以使用高效且通用的方法将两种或更多种海藻组分一起分离，优选以其天然复合物或缔合状态分离，所述方法允许精制一种或多种组分以改善食品品质和营养价值。25.红色海藻的细胞壁主要由琼脂和纤维素构成，如上所述，两者在食品应用中具有高价值。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。在产琼脂红色海藻中，主要的可溶性纤维是琼脂，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，例如甘露聚糖和木聚糖。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。本发明涉及一种分解红色海藻的细胞壁、暴露出琼脂以供直接使用或用于进一步精制以改善胶凝功能、同时保持琼脂处于其与不溶性纤维缔合的天然状态的新方法。尽管不希望受理论束缚，但琼脂和/或其多孔结构的弹性可允许通过高压均化(hph)或类似方法分解纤维素纤维，同时保持与琼脂结合，从而获得本文公开的天然琼脂-纤维素纤维复合材料。例如，当保持与琼脂结合时，纤维素纤维可通过化学和/或机械方法改性以改善其水结合和保留能力。所有这些方法都可以在无加热和熔化的情况下进行，以使琼脂从其与纤维素的天然复合物中解离出来，从而允许将琼脂基本上保持在其与纤维素结合的天然状态，并且可能保留其他天然组分(例如琼脂胶分子)。此外，与传统的通过沸水提取琼脂的方法相比，该新方法的效率高得多且简单得多。本文公开的最终产品是与纤维素纤维结合的琼脂的天然复合物，其具有琼脂的胶凝性质和膳食纤维的生理学功能。天然琼脂的熔点比热提取的琼脂低约5-10℃，这在期望低熔融温度的应用中是有利的。26.海藻细胞壁主要由琼脂和纤维素复合物以及其它天然海洋组分构成。与在常规沸水提取中将纤维素与琼脂分离不同，本文公开的技术需要分解海藻细胞壁，使得可以获得琼脂以其天然状态结合至纤维素的天然复合材料。本文公开的海藻复合材料包含天然琼脂，其在所述方法中从未经历熔化和胶凝。所公开的方法可以任选地保留结合在琼脂-纤维素复合材料内的某些天然化合物。这些化合物的实例包括但不限于天然抗氧化剂、维生素、矿物质或琼脂胶的组分。复合琼脂-纤维素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。复合材料颗粒具有琼脂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琼脂具有胶凝功能，并且可通过各种方法(包括碱和酸处理)来改变胶凝性质。因此，所公开的天然琼脂-纤维素复合材料可以在许多食品应用中代替琼脂。复合材料中的不溶性纤维素纤维还通过沿着纤维轴的尺寸减小来得到结构改性，以及通过在垂直于纤维轴的方向分解纤维束来得到结构改性。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，并且在琼脂熔化并从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性增强使本文公开的琼脂-纤维素复合材料成为膳食纤维的重要来源。因为琼脂-纤维素复合材料在不使琼脂熔化和胶凝的情况下从海藻加工得到，所以与传统的琼脂制备方法相比，最终产品的脱水被大大简化且高效。所公开的琼脂-纤维素复合材料中的琼脂的熔点比通过使用沸水熔化琼脂的常规方案提取的琼脂低5-10℃。27.ii.制造天然海藻组合物材料的方法28.该方法通常包括用一种或多种碱和/或一种或多种酸处理海藻以获得具有所需胶凝性质的材料的步骤。如果需要，漂白步骤是任选的，以除去海藻产品的天然颜色。将海藻进行初步研磨(包括干磨或湿磨)，在室温下高压均化，并干燥和研磨成具有所需粒径的最终琼脂-纤维素复合材料。如果需要，高压均化可以在更高的温度下进行以熔化琼脂，并且该方法进一步需要冷却胶凝和琼脂凝胶的脱水。适用于本发明的海藻包括属于红藻纲(rhodophyceae)的所有新鲜或干燥的红藻，也称为产琼脂植物或含琼脂海藻，实例包括但不限于江篱属、石花菜属、紫菜属(porphyra)、鸡毛菜属(pterocladia)、伊谷草属(ahnfeltia)、小翅石花菜(gelidiummicropterum)、匍匐石花菜(gelidiumpusillum)、拟石花菜(gelidiumacerosa)、变异拟石花(gelidiopsisvariabilis)、帚状江蓠(gracilariaedulis)、缢江蓠(gracilariasalicornia)、硬膜江蓠(gracilariadura)、皮江蓠(gracilariacorticate)、皮江蓠柱品种(g.corticatav.cylindrica)、叶江蓠(gracilariafolifera)、扁江蓠(gracilariatextorii)、弗格森江蓠(gracilariafergusonii)、粗糙江蓠(gracilariacrassa)、柔弱江蓠(gracilariadebilis)、疣状江蓠(gracilariaverrucose)和角质石花菜(gelidiumcorneum)，或两种或更多种上述红藻物种的组合。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。基于不同的酸和/或碱处理，琼脂-纤维素复合材料的制造方法可分为如下三种不同的类别。29.方法1：碱处理，然后酸处理30.a高压均质前干磨[0031][0032](1)通过洗涤和去除碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；[0033](2)将清洁后的海藻用碱溶液处理，然后用水洗涤至中性ph以获得碱处理的海藻；[0034](3)将碱处理的海藻用酸溶液处理，然后洗涤至中性ph；[0035](4)可选地，将酸处理的海藻用一种或多种漂白剂处理，随后洗涤以除去漂白剂；[0036](5)将获得的海藻脱水并干燥至含水量小于或约为20％，并粉碎至80目以上以获得粗制海藻粉末；[0037](6)将粗制海藻粉末在0-85℃的温度下分散在水中，然后在10-100mpa的压力下进行高压均化处理，然后进行加压过滤或离心脱水，并干燥至水含量为20％以下；和[0038](7)将干燥的海藻粉碎至80目以上以获得最终的海藻复合材料。[0039]b.高压均化前胶体磨[0040][0041](1)通过洗涤和去除碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；[0042](2)将清洁后的海藻用碱溶液处理，然后用水洗涤至中性ph以获得碱处理的海藻；[0043](3)将碱处理的海藻用酸溶液处理，然后洗涤至中性ph；[0044](4)可选地，将酸处理的海藻用一种或多种漂白剂处理，随后洗涤以除去漂白剂；[0045](5)在0-85℃的温度下将海藻加入水中并通过胶体研磨进行湿磨；[0046](6)将磨碎的海藻在10-100mpa的压力下进行高压均化处理，然后加压过滤或离心脱水，干燥至含水量为20％以下；和[0047](7)将干燥的海藻粉碎至80目以上以获得最终的海藻复合材料。[0048]碱处理可以提高琼脂或含琼脂的海藻复合材料的胶凝强度。生海藻中的硫酸盐含量与碱处理程度和胶凝强度之间存在相关性。对于不同种类的海藻，硫酸盐的含量也不同：硫酸盐越少，胶凝强度越强。碱处理导致更高的脱硫酸程度和更高的胶凝强度。[0049]由不同的红藻物种制备的海藻复合材料可具有非常不同的胶凝强度。通常，通过碱处理不同种类的海藻制备的海藻复合材料具有200-1000g/cm2的胶凝强度和100-1000kda的平均分子量。[0050]根据上述方法1制备的海藻复合材料的特征在于含有高分子量琼脂和高胶凝强度。这些海藻复合材料由于其良好的胶凝功能和增稠效果而适于制备胶凝食品，例如果冻、布丁、明胶糖果、酸奶等。[0051]方法2无碱处理的酸处理[0052]a.高压均化前干磨[0053][0054](1)通过洗涤和去除碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；[0055](2)用酸溶液处理清洁的海藻，然后洗涤至中性ph；[0056](3)可选地，将酸处理的海藻用一种或多种漂白剂处理，随后洗涤以除去漂白剂；[0057](4)将获得的海藻脱水并干燥至含水量小于或约为20％，并粉碎至80目以上以获得粗制海藻粉末；[0058](5)将粗制海藻粉末在0-85℃的温度下分散在水中，然后在10-100mpa的压力下进行高压均化处理，然后进行加压过滤或离心脱水，并干燥至水含量为20％以下；和[0059](7)将干燥的海藻粉碎至80目以上以获得最终的海藻复合材料。[0060]b.高压均质前胶体磨[0061][0062](1)通过洗涤和去除碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；[0063](2)用酸溶液处理清洁的海藻，然后洗涤至中性ph；[0064](3)可选地，将酸处理的海藻用一种或多种漂白剂处理，随后洗涤以除去漂白剂；[0065](4)在0-85℃的温度下将海藻加入水中并通过胶体研磨进行湿磨；[0066](5)将磨碎的海藻在10-100mpa的压力下进行高压均化处理，然后加压过滤或离心脱水，干燥至含水量为20％以下；和[0067](6)将干燥的海藻粉碎至80目以上以获得最终的海藻复合材料。[0068]当不对海藻进行碱处理或过度酸处理时，琼脂的分子量可能保持，但胶凝强度低。通过这种仅酸处理的方法制备的海藻复合材料具有高分子量但低胶凝强度，导致高粘度和良好的保水性。[0069]通过本文公开的技术制备的海藻复合材料的胶凝强度还取决于红藻物种的类型。其中，江蓠属可用于制备胶凝强度为10-300g/cm2的海藻复合材料。由于其低硫酸盐含量，石花菜属可用于制备胶凝强度为100-400g/cm2的海藻复合材料。这种类型的海藻复合材料的特征在于具有100-1000kda的平均分子量的大分子量琼脂，低胶凝强度和高粘度；因此，适用于制备需要高保水性但低胶凝强度的食品，例如各种酱、糊、饮料等。[0070]方法3碱处理，而后双酸处理[0071]a.高压均化前干磨[0072][0073](1)通过洗涤和去除碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；[0074](2)将清洁后的海藻用碱溶液处理，然后用水洗涤至中性ph以获得碱处理的海藻；[0075](3)将碱处理的海藻用酸溶液处理，然后洗涤至中性ph；[0076](4)任选地，将酸处理的海藻用一种或多种漂白剂处理，随后洗涤以除去漂白剂；[0077](5)将获得的海藻脱水并干燥至含水量小于或约为20％，并粉碎至80目以上以获得粗制海藻粉末；[0078](6)将粗制海藻粉末在0-85℃的温度下分散在水中，然后在10-100mpa的压力下进行高压均化处理；[0079](7)在0-85℃的温度下用酸溶液(0.1-3％w/w)处理均化的液体5-20小时，随后用碱调节ph至中性；[0080](8)对样品进行加压过滤或离心脱水，干燥至含水量为20％以下；和[0081](9)将干燥的海藻粉碎至80目以上以获得最终的海藻复合材料。[0082]b.高压均化前胶体磨[0083][0084](1)通过洗涤和去除碎屑来清洁生的新鲜或干燥的海藻；[0085](2)将清洁后的海藻用碱溶液处理，然后用水洗涤至中性ph以获得碱处理的海藻；[0086](3)将碱处理的海藻用酸溶液处理，然后洗涤至中性ph；[0087](4)可选地，将酸处理的海藻用一种或多种漂白剂处理，随后洗涤以除去漂白剂；[0088](5)在0-85℃的温度下将海藻加入水中并通过胶体研磨进行湿磨；[0089](6)将磨碎的海藻在10-100mpa的压力下进行高压均化处理；[0090](7)在0-85℃的温度下用酸溶液(0.1-3％w/w)处理均化的液体5-20小时，随后用碱调节ph至中性；[0091](8)对样品进行加压过滤或离心脱水，并干燥至水含量为20％以下；和[0092](7)将干燥的海藻粉碎至80目以上以获得最终的海藻复合材料。[0093]为了获得低胶凝强度海藻复合材料，可以使用酸来降低琼脂的分子量。通过该方法制备的海藻复合材料具有低分子量和低粘度。这种类型的海藻复合材料具有良好的增稠性，并可用于制备具有均匀、细腻和光滑质地的糊。[0094]海藻可以用一种或多种碱处理以获得具有大分子量和强胶凝强度的海藻复合材料。它可以进一步用一种或多种酸在低温下长时间处理或在高温下短时间处理，以降低水溶性多糖(例如琼脂)的分子量，从而降低海藻复合材料的胶凝强度。[0095]根据方法3制备的海藻复合材料通常具有10-200g/cm2的胶凝强度。这种类型的海藻复合材料的特征在于具有10-100kda的平均分子量的低分子量水溶性多糖(例如琼脂)，低胶凝强度和良好的增稠效果，但不发粘。这种类型的海藻复合材料适用于食品应用，例如酸奶、布丁、饮料等。[0096]对于本文公开的全部三种方法，保存hph之前的每种中间产物的样品，并将其添加到热水中以使琼脂熔融并从纤维素基质中解离，然后在更高温度(60-100℃)下进行hph，随后冷却、胶凝和脱水。纤维素纤维在更高的温度下可以更高效地分解，或者纤维素纤维在更严格的hph条件(例如更高的压力或多次通过)下可以在室温下高效地分解。通过这两种不同的方式获得的琼脂-纤维素复合材料存在可辨别的差异。室温hph得到分布更均匀的琼脂-纤维素复合颗粒，其中含有纤维素纤维的粒状颗粒大部分被琼脂包封。另一方面，高温hph导致粒径和形状高度可变的样品，其中一些颗粒似乎具有被琼脂薄层包围的大量纤维素纤维，而其它似乎主要由无纤维的琼脂构成。该样品还含有许多琼脂凝胶薄片。这些观察结果表明高温hph引起琼脂的熔化和解离。在冷却和胶凝过程中，一些纤维素纤维颗粒彼此缔合以在琼脂凝胶中形成大的簇，从而留下一些具有高纤维素含量的区域和另一些无纤维素的区域。[0097]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作为胶凝剂的琼脂，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琼脂保持在其未熔化的与纤维素结合的天然状态的任何方法。因为琼脂是多孔的并且对水是可渗透的，并且粒径足够小(直径小于90μm)以允许对结合的纤维素进行化学和机械处理，所以该方法与其他已建立的方法相容，以改变琼脂和纤维素的结构和功能用于特定应用。制造方法可以根据海藻的种类和最终的琼脂-纤维素复合材料的所需性质而变化。[0098]除了增加胶凝强度之外，碱处理还可以破坏生海藻中的部分色素和蛋白质以促进脱色和脱蛋白。可用于所公开的方法中的碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙等。碱的浓度和加工条件(例如温度和处理时间)可以变化。通常，酸/碱处理、hph和其他处理步骤可以针对不同的考量在各种条件和温度下进行，只要琼脂既不熔化也不与其天然海藻不溶性纤维基质解离即可。例如，可以使用(a)在低温下的高碱浓度(例如，20-30％氢氧化钠在室温下持续5-10天)，(b)在中等温度下的中等碱浓度(例如，20-30％氢氧化钠在60-70℃下持续1-4小时)，和(c)在高温下的低碱浓度(例如，2-7％氢氧化钠溶液在80-95℃下持续1-4小时)。条件(c)需要少量的碱和短的反应时间。然而，水胶体容易溶解和损失，并且获得的海藻复合材料的胶凝强度和整体品质会略微受损。由于其生产效率，该方法适合于大规模生产。条件(a)降低了水胶体的损失，提高了海藻复合材料的胶凝强度和品质，但生产周期长，效率低，耗碱量高。碱处理条件可基于原料和最终产物的所需特征进一步优化。[0099]可以对经过或未经过碱处理的海藻进行酸处理。酸是磷酸、盐酸、硫酸、草酸、柠檬酸、乳酸、苹果酸、乙酸等中的一种或多种。进行酸处理是为了除去海藻中的一些盐组分，和/或软化海藻用于随后的漂白处理。酸处理通常在0-85℃下以0.1-1％(w/w)的浓度进行，处理时间为10分钟至2小时。酸浓度和处理时间可以根据海藻原料的种类而变化。过度酸处理可导致水胶体损失和胶凝强度降低。[0100]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。[0101]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。[0102]在碱处理和高压均化之后，可以对均化的海藻液体进行第二次酸处理以获得具有低胶凝强度(例如，胶凝强度≤200g/cm2)的含有低分子量琼脂的海藻复合材料。第二次酸处理可以在一定范围的温度(0-85℃)下进行较长时间，例如在0.1-3％(w/w)的酸浓度下进行5-20小时。还可以在相对高的温度(60-100℃)下进行较短时间，例如在0.01-1.0％(w/w)的酸浓度下进行0.5-2小时。[0103]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可在天然结合的琼脂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琼脂-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，即使当纤维处于与琼脂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。[0104]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。[0105]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。[0106]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。此外，本发明中引用的所有参考文献通过引用整体并入本文，如同在本文中完全阐述一样。[0107]实施例[0108]实施例1：具有高胶凝强度的海藻复合材料的制备[0109]该实施例描述了通过方法1使用龙须菜(gracilarialemaneiformis)作为原料制备具有高胶凝强度的海藻复合材料，方法1包括碱处理和随后的酸处理。在水中洗涤和清洁干燥的生海藻，而后在85℃下用氢氧化钠溶液(5.0％，w/w)以海藻与氢氧化钠溶液的质量比为1:20(w/w海藻干重)处理2小时，由此制备海藻复合材料。将碱处理的海藻用水洗涤至中性ph。随后，将碱处理的海藻在30℃下用草酸溶液(0.2％，w/w)处理1小时，用水洗涤至中性ph，然后用次氯酸钠溶液(有效氯0.2％)漂白30分钟。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通过热空气干燥至含水量为约15％或小于15％，然后粉碎至200目以获得海藻粉末。取少量样品并作为样品a-1保存，样品a-1用作未均化的对照。[0110]将得到的海藻粉末分成两部分。将第一部分所获海藻粉末的以1:50的质量比(海藻与水的w/w干重)分散在30℃的水中，然后在25mpa下通过高压均化器均化一次。将均化的海藻粉末进行加压过滤脱水和热空气干燥，至含水量为约15％或小于15％，然后粉碎至200目以获得最终的海藻复合材料，即样品a-2(常温hph)。[0111]第二部分所获海藻粉末的以1:50的质量比(海藻与水的w/w干重)分散在水中，煮沸5分钟，然后在80℃下在25mpa下通过高压均化器均化一次。hph步骤可以在60℃至100℃的温度下进行。将均化的样品冷却至25℃以形成凝胶并冷冻干燥。随后，对样品进行热空气干燥，至含水量为约15％或小于15％，然后粉碎至200目以获得最终海藻复合材料，即样品a-3(高温hph)。[0112]实施例2：具有低胶凝强度的海藻复合材料的制备[0113]该实施例描述了通过方法2使用龙须菜作为原料制备具有低胶凝强度的海藻复合材料，未进行任何碱处理。通过在水中洗涤和清洁干燥的生海藻来生产海藻复合材料。用盐酸溶液(0.2％，w/w)在30℃下处理经清洁的海藻1小时，用水洗涤至中性ph，然后用次氯酸钠溶液(有效氯0.2％)漂白1小时。然后用水洗涤海藻以除去漂白剂并恢复到中性ph。漂白的海藻通过热空气干燥至含水量为约15％或小于15％，然后粉碎至200目以获得海藻粉末。取少量样品并保存为样品b-1，用作未均化的对照。[0114]将获得的海藻粉末以1:50(w/w海藻干重)的比例分散在30℃的水中，然后在25mpa下通过高压均化器均化一次。将均化的海藻粉末进行加压过滤脱水和热空气干燥，至含水量为约15％或小于15％，然后粉碎至200目以获得最终的海藻复合材料，即样品b-2(常温hph)。[0115]实施例3：具有低胶凝强度的海藻复合材料的制备[0116]该实施例描述了通过方法3使用龙须菜作为原料制备具有低胶凝强度的海藻复合材料，方法3包括碱处理和双酸处理。在水中洗涤和清洁干燥的生海藻，而后在85℃下用氢氧化钠溶液(5.0％，w/w)以海藻与氢氧化钠溶液的质量比为1:20(w/w海藻干重)处理2小时，由此制备海藻复合材料。将碱处理的海藻用水洗涤至中性ph。随后，将碱处理的海藻在30℃下用草酸溶液(0.2％，w/w)处理1小时，用水洗涤至中性ph，然后用次氯酸钠溶液(有效氯0.2％)漂白30分钟。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通过热空气干燥至含水量为约15％或小于15％，然后粉碎至200目以获得海藻粉末。[0117]将所获海藻粉末分成两部分。将第一部分所获海藻粉末以1:50(w/w海藻干重)的比例分散在30℃的水中，然后加入0.7％(w/w)盐酸以在30℃下处理分散的海藻粉末15小时。处理后加入氢氧化钠调节ph至7.0。在离心脱水后，将固体材料分散在水中以除去盐，然后离心脱水，接着热空气干燥至含水量为约15％或小于15％。将样品粉碎至200目以获得样品c-1，其用作未均化的对照。[0118]将第二部分所获海藻粉末以1:50(w/w海藻干重)的比例分散在30℃水中，然后在25mpa下通过高压均化器均化一次。将匀化的海藻粉末用盐酸(0.7％w/w)在30℃下处理15小时。酸处理后加入氢氧化钠调节ph至7.0。在离心脱水后，将固体材料分散在水中以除去盐，然后离心脱水，接着热空气干燥至含水量为约15％或小于15％。将样品粉碎至200目以获得最终海藻复合材料，即样品c-2(常温hph)。[0119]实施例4：分析海藻复合材料[0120]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。[0121]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。[0122]胶凝强度(g/cm2)的确定：制备各样品的1.5％(w/w)储备溶液，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。[0123]海藻复合材料在水溶液中的稳定性：在去离子水中制备样品a-1(无hph对照)和样品a-2(常温hph)各自的60ml0.5％(w/w)溶液，在搅拌下沸腾10分钟。然后将每个样品在50℃下静置。在不同的时间点将溶液的等分试样以5倍稀释度取样到比色杯中。使用640分光光度计(beckmancoulter)在600nm下测量不同时间点的溶液的吸光度。如图1所示，hph处理的样品a-2比未均化的样品a-1明显更稳定，这通过溶液中纤维颗粒的更长久的悬浮稳定性(更高的吸光度)来证明。[0124]如图1所示，高压均化(hph)处理极大地提高了海藻复合材料在水中的悬浮稳定性。高压均化后，样品a-2在水中的悬浮稳定性显著改善。相比之下，未经hph处理的样品a-1显示出不溶性组分的快速沉淀。样品b1和b2之间以及样品c-1和c-2之间的比较也得到类似的结果(数据未显示)。[0125]为了分析不溶性纤维的性质，将不溶性纤维从样品a-1(无hph)和样品a2(常温hph)中分离出以分别获得样品d-1和样品d-2。该分离如下进行：煮沸样品a-1和样品a-2以熔化可溶性琼脂，并离心以分离出不溶性纤维。[0126]如表1所示，与样品d-1(无hph)相比，样品d-2(常温hph)的粘度显著增加。1％(w/w)样品的粘度从无hph的32mpa.s增加到经hph的390mpa.s，表明hph能够显著改变琼脂-纤维素天然复合材料中不溶性纤维的性质，并可能显著改变其结构。表1还显示，与均未经hph处理的样品a-1、b-1和c-1相比，均经过hph处理的样品a-2、b-2和c-2的粘度显著增加。很可能这些样品中粘度的增加主要由hph处理后不溶性纤维的粘度增加引起。[0127][0128]*数据是每个样品的无hph对照和常温hph的平均值。[0129]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显示了样品a-2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，如在许多琼脂-纤维素复合颗粒的中心和边缘所看到的。非晶琼脂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。[0130]图3显示了样品a-1(无hph对照)、a-2(30℃常温hph)和a-3(80℃高温hph)的对比成像分析。如图3a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a-2含有均匀分布的粒状颗粒，其中许多具有完全或部分被琼脂包封的不溶性纤维素纤维(显示为亮点)。相比之下，样品a-3含有具有宽范围分布的粒径和形状的薄片，它们中的大多数是琼脂凝胶薄碎片，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a-2和样品a-3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a-2在常温下获得而不熔化琼脂以将其与不溶性纤维素纤维分离。因此，样品a-2保持了琼脂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，琼脂熔化并与不溶性纤维素解离，由此得到样品a-3，并且冷却后重新形成凝胶。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，可能形成纤维簇，导致粉碎颗粒的混合物，其中一些主要由琼脂凝胶构成，一些主要由纤维素纤维构成。对于未均化的对照样品a-1，颗粒虽然看起来类似于样品a-2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a-1中的颗粒在尺寸和形状上不均匀。[0131]与图3a中的光学显微镜分析一致，图3b的电子显微镜图像也揭示样品a-2含有均匀分布的粒状颗粒，而样品a-3含有具有宽范围分布的尺寸和形状的薄片，其大部分为薄碎片。未均化的对照样品a-1也显示出宽的粒径分布，但大多数颗粒是类似于样品a-2的粒状固体颗粒。尽管em图像没有显示复合材料内部的纤维结构，但是更高分辨率的em图像确实显示来自样品a-2的颗粒的表面结构是粗糙的，可能是由于高压均化所致，而来自未均化对照a-1的颗粒具有圆形光滑的表面。[0132]这些结构差异具有重要的功能意义。在样品a-2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琼脂稳定化。在样品a-3中，因为琼脂熔化并与纤维解离，不溶性纤维素纤维具有聚集的倾向。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，这种聚集倾向更明显(见表1中的样品d)。[0133]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a-2和样品a-3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)获得的天然琼脂-纤维素复合材料从根本上不同于通过包括熔化琼脂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a-2具有90℃的熔点，而样品a-3具有100℃的熔点。未均化的对照样品a-1也显示出宽范围分布的粒径，但大多数颗粒是如样品a-2那样的粒状固体。然而，a-1颗粒的结构不同于a-2颗粒的结构：前者纤维素纤维在颗粒中分布不均匀，有些(特别是大颗粒)纤维素纤维更多，而有些(特别是小颗粒)似乎完全是琼脂；后者在尺寸和形状上具有更均匀的颗粒，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琼脂稳定化。[0134]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。纤维素纤维具有结晶性质并且可以在偏振光下观察到。建立了方案来观察通过上述方法获得的各种琼脂-纤维素复合物样品中的纤维结构。简言之，将样品a-1、a-2和a-2-h各自的1％(w/w)溶液煮沸5分钟并冷却以形成凝胶。样品a-2-h是使样品a-2额外通过一次hph而获得的。将来自每个样品的凝胶薄切片置于显微镜下，调节偏振滤光器使得纤维明亮可见而琼脂不可见。如图4所示，未均化对照a-1中的纤维具有致密且良好堆积的结构，其中单个的纤维束沿一个轴排列。相比之下，在30℃的hph之后，纤维结构完全破裂成随机散布的碎片。当使样品a-2额外通过hph一次以获得样品a-2-h时，样品a-2-h中的纤维被进一步分解成小碎片。这些观察结果表明，在方法1中的碱和酸处理之后，简单的机械研磨虽然看上去能够减小海藻复合材料颗粒的尺寸，但在破坏海藻细胞壁中的纤维素纤维的结构方面不是有效的。令人惊讶地，25℃下的hph能够破坏纤维素纤维结构，并且通过hph设置(包括压力、孔口尺寸和通过次数)能够调节破坏程度。考虑到在整个该方法过程中琼脂没有熔化并且在hph期间保持与纤维素结合，这一结果是出乎意料的。[0135]为了进一步表征包含不溶性纤维素纤维和结合到其上的琼脂的天然海藻复合材料，使用particlesizingsystemsaccusizer(型号780ad，范围1-1000μm)使用消光模式在各种条件下对样品a-2进行粒径分析。将样品a-2以1％(w/w)悬浮于水中并进行室温hph(25mpa，一次通过，在25℃下)以确保样品在粒径分析之前完全分散。图5a显示了样品a-2在室温下的粒径分布。[0136]此外，将样品a-2以1％(w/w)悬浮在水中，煮沸5分钟以熔化琼脂，并保持在60℃，由此在高温下进行粒径分析。然后使样品a-2通过hph一次(25mpa)并且在60℃下进行粒径分析。图5b显示了样品a-2在60℃下的粒径分布。[0137]下表2显示了粒径分析的总结。[0138]表2粒径分析[0139][0140]呈天然复合琼脂-纤维素形式的样品a-2(a-2室温)具有比a-2高温(沸腾以熔化琼脂之后)的d90(14.76μm)更大的粒径d90(25.73μm)。这些粒径分析揭示了琼脂-纤维素复合材料的一般构造，而确切的结构特征将根据所用的原料海藻材料和加工方法而变化。当前第1页12当前第1页12