《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Sustainable Continuous Drying of High Moisture Content Seaweed via Twin Screw Extrusion—A Proof of Concept Study and Statistical Analysis
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本篇研究創新性地利用雙螺桿擠出技術（TSE）對高水分海藻（Fucus vesiculosus）進行連續干燥，并與傳統烘箱干燥（OD）方法進行對比。結果證實，TSE在顯著縮短干燥時間（平均約12分鐘）的同時，能更有效地保留海藻中的總酚含量（TPC）。該研究為海藻加工行業提供了一種節能、高效且能更好地保護生物活性成分的可持續干燥新策略，具有重要的工業應用潛力。
引言：海藻的價值與干燥挑戰
海洋大型藻類（海藻）是一種多細胞生物，富含蛋白質、碳水化合物、維生素、脂質、必需脂肪酸、氨基酸、色素、礦物質和酚類化合物等多種生物活性成分，在食品、藥品和化妝品等領域具有廣泛應用前景。其中，褐藻特有的藻多酚（phlorotannins）因其抗氧化、抗菌和抗炎特性而備受關注。然而，海藻的高水分含量（MC，通常在60%至94%之間）限制了其商業潛力，導致其易降解、保質期短，并增加運輸成本。因此，干燥是海藻加工的必要步驟，但傳統干燥方法（如自然晾曬和烘箱干燥（OD））存在處理時間長（數小時至數天）、依賴氣候條件、易導致產品污染以及高溫長時導致生物活性成分（如酚類化合物）降解等問題。連續、高效且能保留產品品質的干燥技術是行業亟待解決的難題。
材料與方法：創新干燥方案
本研究旨在探索一種利用空氣輔助雙螺桿擠出機（TSE）對墨角藻（Fucus vesiculosus）生物質進行連續干燥的新穎方法，并將其與工業常用的熱風烘箱干燥（OD）進行對比。
實驗材料與設置：研究使用干燥的墨角藻，復水至70 wt.%以模擬新鮮海藻生物質。干燥實驗采用一臺同向旋轉嚙合雙螺桿擠出機（螺桿直徑9 mm，長徑比L/D為35），其筒體分為五個獨立控溫區。為促進水分蒸發，壓縮空氣被泵入TSE的第二區。螺桿配置分為兩部分：第一段為純輸送元件（110 mm），第二段為輸送與捏合元件的組合（205 mm），包含兩個60°捏合塊。這種設計旨在平衡物料輸送與混合剪切效果。
干燥方法與條件：研究采用單因素實驗設計（OFAT），考察了加工溫度（35°C至85°C，以10°C遞增）和氣流速率（2.5至15 L/min，以2.5 L/min遞增）對最終產品的影響。所有其他參數（如螺桿轉速、壓力）均保持恒定。作為對照，濕海藻生物質在熱風烘箱（Binder）中于35°C和45°C下進行批次干燥，并在不同時間間隔取樣分析。
表征與分析：對干燥前后的樣品進行了多項表征：
- 1.
水分含量（MC）分析：采用減重法（LOD）和卡爾·費休滴定法（KFT）兩種方法測定。
- 2.
總酚含量（TPC）分析：采用改良的Folin-Ciocalteu法，以間苯三酚當量（PGE）表示。
- 3.
粒子尺寸分布（PSD）分析：使用振動篩分儀進行。
- 4.
形貌分析：使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品表面拓撲結構。
- 5.
統計分析：采用多元線性回歸（MLR）模型評估溫度（T）、氣流速率（Q）和測量方法（Method）對MC和TPC結果的顯著性影響。
結果與討論：TSE展現顯著優勢
1. 水分含量（MC）
實驗結果顯示，無論是提高溫度還是增加氣流速率，TSE干燥都能顯著降低海藻的最終MC。在恒溫35°C下，氣流速率升至15 L/min時，MC降至12.08%；在恒氣流12.5 L/min下，溫度升至85°C時，MC可降至2.47%。相比之下，OD干燥需要長達240至360分鐘才能觀察到MC的顯著下降，且在8小時后干燥速度大幅減緩。對比相同處理時間（30分鐘），TSE干燥能將MC從70%降至約13%，而OD僅降至約62.5%。這凸顯了TSE在干燥動力學上的顯著優勢，其達到可接受水分水平（8-12 wt.%）的平均時間僅約12分鐘，并且能夠連續操作。
2. 總酚含量（TPC）
TPC是衡量海藻品質的關鍵指標。研究數據顯示，在較低溫度（≤45°C）下，TSE干燥能很好地保留酚類物質。在35°C、7.5 L/min條件下獲得了最高的TPC值（8.56 g PGE/100 g DW）。當溫度超過45°C后，TPC出現明顯降解，在75°C時降至最低（4.43 g PGE/100 g DW）。相比之下，OD干燥30分鐘后，在35°C和45°C下的TPC分別降至6.25和6.58 g PGE/100 g DW。雖然在更長的OD時間（如720分鐘）后TPC有所回升甚至超過初始值（原因可能與粒子尺寸差異有關，尚待進一步研究），但在相似的短時間處理下，TSE造成的TPC損失（<0.5%）遠小于OD（約1.5%），證明了TSE在保護熱敏性生物活性成分方面的優越性。
3. 粒子尺寸分布（PSD）
PSD分析表明，OD干燥樣品（D50約為2000-2500 μm）的顆粒尺寸明顯大于初始樣品（D50為1100 μm）和大多數TSE干燥樣品，這主要是由于在OD過程中顆粒發生了團聚。TSE干燥樣品在低MC條件下，其D50值接近1000 μm，顯示出更小的顆粒尺寸和更少的團聚現象。雖然文獻指出顆粒尺寸會影響生物活性成分的提取效率，但本研究中未發現顆粒尺寸對TPC有明顯影響，這可能是因為溫度對TPC的影響占據了主導地位，掩蓋了尺寸效應。
4. 掃描電鏡（SEM）分析
SEM圖像清晰地展示了不同干燥方法對海藻結構的破壞程度。初始樣品表面致密平滑；OD樣品（35°C和45°C）顯示出碎片化和層狀分離，表明存在熱應力損傷，但孔隙網絡有所增加；而TSE干燥樣品（以55°C，12.5 L/min為例）則表現出極度的結構破壞，包括深裂紋和多孔片狀網絡，這是擠出過程中機械力和熱力共同作用的結果。這種顯著的結構變化可能有利于在后續提取過程中提高酚類化合物的可及性。
5. 統計分析結果
多元線性回歸（MLR）分析證實，對于TSE干燥的樣品，溫度（T）和氣流速率（Q）對響應變量MC和TPC均有顯著影響（p-值 < 0.05）。同時，MC的測量方法（KFT或LOD）也是一個顯著變量。分析還表明，T和Q之間的交互作用對MC和TPC的影響不顯著，因此在模型中可以被忽略。這些統計結果為工藝參數的優化提供了堅實的依據。
結論與展望
本研究成功驗證了空氣輔助雙螺桿擠出（TSE）作為一種連續、高效的海藻干燥技術的可行性。與傳統烘箱干燥（OD）相比，TSE能夠在極短的平均時間內（約12分鐘）將高水分海藻干燥至理想水分含量，同時更好地保留總酚含量（TPC）等生物活性成分。此外，TSE干燥產生的顆粒團聚更少，并能引起更顯著的多孔結構變化，可能有利于后續加工。統計模型明確了溫度和氣流速率是影響干燥效果和產品質量的關鍵顯著因素。
這項工作為海藻加工行業提供了一種前景廣闊的替代干燥方案。TSE作為一種連續制造工藝，有望通過簡化流程、減少水耗和提高能效來提升可持續性并降低碳足跡。未來的研究可以進一步優化TSE工藝參數，并評估其對海藻中其他營養成分（如蛋白質、多糖）的影響，以全面評估其在功能性食品和保健品原料生產中的巨大潛力。
