Formulation and characterisation of sustainable vitamin C gummies using alginate hydrogels

The increasing demand for products incorporating sustainable materials and adhering to circular economy principles has generated significant opportunities for the valorisation of algal waste in high-value applications. Among the many valuable compounds sourced from algae, alginate is particularly important. It's a common polysaccharide recognised for its biocompatibility, gel-forming properties, and broad applicability in both the food and pharmaceutical industries. This thesis investigates the development and characterisation of sustainable vitamin C gummies formulated with alginate hydrogels sourced from algal processing residues. The aim is to transform underutilised biomass into functional nutraceutical products by assessing the potential of these algae-derived polymers. Initially, various hydrogel formulations were investigated, including physically crosslinked, chemically crosslinked, and a combined approach. The dual-crosslinked gels, which involved thermal gelation of agarose followed by ionic crosslinking of alginate with Ca²⁺, emerged as the most promising strategy due to their superior mechanical strength and structural stability. Vitamin C was incorporated using two strategies: physical loading into the hydrogel network and chemical functionalization of alginate. These methods aimed to improve vitamin retention while maintaining the mechanical integrity of the gels. Comprehensive characterisation included scanning electron microscopy (SEM) for microstructural analysis, rheological testing for viscoelastic properties, and evaluations of degradation, swelling, release kinetics, and environmental stability under different atmospheric conditions. Results indicated that 2% alginate formulations yielded significantly stronger and more stable hydrogels than 1% formulations. Four hours of Ca²⁺ exposure were sufficient to achieve optimal gelation and maximise mechanical properties. Tests of pH-responsive degradation and swelling revealed accelerated breakdown in both acidic and alkaline solvents, whereas neutral conditions promoted greater stability and controlled water absorption. In summary, this research demonstrates the potential of hydrogels derived from algal waste as sustainable and efficient delivery systems for bioactive compounds. The findings provide a foundation for advancements in nutraceutical and functional food applications, contributing to the valorisation of algae in the food industry. Future research should focus on the enzymatic degradation behaviour, advanced chemical characterisation, improved encapsulation, and controlled release strategies, as well as sensory evaluations, to facilitate the development of commercially viable, nutritionally beneficial gummy supplements from algal waste-derived biomaterials.

La crescente domanda di prodotti che incorporano materiali sostenibili e rispettano i principi dell’economia circolare ha generato significative opportunità per la valorizzazione degli scarti generati da alghe in applicazioni ad alto valore aggiunto. Tra i numerosi prodotti provenienti da esse, l’alginato è particolarmente importante. Si tratta di un polisaccaride comune, noto per la sua biocompatibilità, le proprietà di formazione di gel e l’ampia applicabilità sia nell’industria alimentare che in quella farmaceutica. Questa tesi indaga lo sviluppo e la caratterizzazione di caramelle gommose contenenti vitamina C sostenibili, formulate con idrogeli di alginato ottenuti dai residui della lavorazione delle alghe. L’obiettivo è trasformare biomasse sottoutilizzate in prodotti nutraceutici funzionali, valutando il potenziale di questi polimeri di origine algale. Inizialmente diverse formulazioni di idrogeli sono state studiate, nel dettaglio con un cross-linking chimico, uno fisico e uno combinato. I gel a crosslinking combinato sono emersi come la strategia più promettente grazie alla loro superiore resistenza meccanica e stabilità strutturale. La vitamina C è stata incorporata utilizzando due strategie: fisicamente nella rete dell’idrogelo e tramite funzionalizzazione chimica dell’alginato. Questi metodi miravano a migliorare la ritenzione della vitamina mantenendo al contempo l’integrità meccanica dei gel. La caratterizzazione completa ha incluso la microscopia elettronica a scansione (SEM) per l’analisi microstrutturale, i test reologici per le proprietà viscoelastiche e le valutazioni della degradazione, del rigonfiamento, della cinetica di rilascio e della stabilità ambientale in diverse condizioni atmosferiche. I risultati hanno indicato che le formulazioni con il 2% di alginato producevano idrogeli significativamente più resistenti e stabili rispetto a quelle con l’1%. Quattro ore di esposizione al Ca²⁺ sono risultate sufficienti per ottenere una gelificazione ottimale e massimizzare le proprietà meccaniche. I test di degradazione e rigonfiamento a vari pH hanno rivelato una degradazione accelerata sia in solventi acidi che alcalini, mentre le condizioni neutre hanno favorito una maggiore stabilità e un assorbimento d’acqua controllato. In sintesi, questa ricerca dimostra il potenziale degli idrogeli derivati dagli scarti algali come sistemi di rilascio sostenibili ed efficienti per composti bioattivi. I risultati forniscono una base per i progressi nelle applicazioni nutraceutiche e negli alimenti funzionali, contribuendo alla valorizzazione delle alghe nell’industria alimentare. Le ricerche future dovrebbero concentrarsi sul comportamento di degradazione enzimatica, sulla caratterizzazione chimica avanzata, sul miglioramento delle strategie di incapsulamento e rilascio controllato e sulle valutazioni sensoriali, per facilitare lo sviluppo di integratori gommosi commercialmente validi e nutrizionalmente benefici derivati da biomateriali a base di scarti algali.