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本篇研究创新性地利用双螺杆挤出技术（TSE）对高水分海藻（Fucus vesiculosus）进行连续干燥，并与传统烘箱干燥（OD）方法进行对比。结果证实，TSE在显著缩短干燥时间（平均约12分钟）的同时，能更有效地保留海藻中的总酚含量（TPC）。该研究为海藻加工行业提供了一种节能、高效且能更好地保护生物活性成分的可持续干燥新策略，具有重要的工业应用潜力。
引言：海藻的价值与干燥挑战
海洋大型藻类（海藻）是一种多细胞生物，富含蛋白质、碳水化合物、维生素、脂质、必需脂肪酸、氨基酸、色素、矿物质和酚类化合物等多种生物活性成分，在食品、药品和化妆品等领域具有广泛应用前景。其中，褐藻特有的藻多酚（phlorotannins）因其抗氧化、抗菌和抗炎特性而备受关注。然而，海藻的高水分含量（MC，通常在60%至94%之间）限制了其商业潜力，导致其易降解、保质期短，并增加运输成本。因此，干燥是海藻加工的必要步骤，但传统干燥方法（如自然晾晒和烘箱干燥（OD））存在处理时间长（数小时至数天）、依赖气候条件、易导致产品污染以及高温长时导致生物活性成分（如酚类化合物）降解等问题。连续、高效且能保留产品品质的干燥技术是行业亟待解决的难题。
材料与方法：创新干燥方案
本研究旨在探索一种利用空气辅助双螺杆挤出机（TSE）对墨角藻（Fucus vesiculosus）生物质进行连续干燥的新颖方法，并将其与工业常用的热风烘箱干燥（OD）进行对比。
实验材料与设置：研究使用干燥的墨角藻，复水至70 wt.%以模拟新鲜海藻生物质。干燥实验采用一台同向旋转啮合双螺杆挤出机（螺杆直径9 mm，长径比L/D为35），其筒体分为五个独立控温区。为促进水分蒸发，压缩空气被泵入TSE的第二区。螺杆配置分为两部分：第一段为纯输送元件（110 mm），第二段为输送与捏合元件的组合（205 mm），包含两个60°捏合块。这种设计旨在平衡物料输送与混合剪切效果。
干燥方法与条件：研究采用单因素实验设计（OFAT），考察了加工温度（35°C至85°C，以10°C递增）和气流速率（2.5至15 L/min，以2.5 L/min递增）对最终产品的影响。所有其他参数（如螺杆转速、压力）均保持恒定。作为对照，湿海藻生物质在热风烘箱（Binder）中于35°C和45°C下进行批次干燥，并在不同时间间隔取样分析。
表征与分析：对干燥前后的样品进行了多项表征：
- 1.
水分含量（MC）分析：采用减重法（LOD）和卡尔·费休滴定法（KFT）两种方法测定。
- 2.
总酚含量（TPC）分析：采用改良的Folin-Ciocalteu法，以间苯三酚当量（PGE）表示。
- 3.
粒子尺寸分布（PSD）分析：使用振动筛分仪进行。
- 4.
形貌分析：使用扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面拓扑结构。
- 5.
统计分析：采用多元线性回归（MLR）模型评估温度（T）、气流速率（Q）和测量方法（Method）对MC和TPC结果的显著性影响。
结果与讨论：TSE展现显著优势
1. 水分含量（MC）
实验结果显示，无论是提高温度还是增加气流速率，TSE干燥都能显著降低海藻的最终MC。在恒温35°C下，气流速率升至15 L/min时，MC降至12.08%；在恒气流12.5 L/min下，温度升至85°C时，MC可降至2.47%。相比之下，OD干燥需要长达240至360分钟才能观察到MC的显著下降，且在8小时后干燥速度大幅减缓。对比相同处理时间（30分钟），TSE干燥能将MC从70%降至约13%，而OD仅降至约62.5%。这凸显了TSE在干燥动力学上的显著优势，其达到可接受水分水平（8-12 wt.%）的平均时间仅约12分钟，并且能够连续操作。
2. 总酚含量（TPC）
TPC是衡量海藻品质的关键指标。研究数据显示，在较低温度（≤45°C）下，TSE干燥能很好地保留酚类物质。在35°C、7.5 L/min条件下获得了最高的TPC值（8.56 g PGE/100 g DW）。当温度超过45°C后，TPC出现明显降解，在75°C时降至最低（4.43 g PGE/100 g DW）。相比之下，OD干燥30分钟后，在35°C和45°C下的TPC分别降至6.25和6.58 g PGE/100 g DW。虽然在更长的OD时间（如720分钟）后TPC有所回升甚至超过初始值（原因可能与粒子尺寸差异有关，尚待进一步研究），但在相似的短时间处理下，TSE造成的TPC损失（<0.5%）远小于OD（约1.5%），证明了TSE在保护热敏性生物活性成分方面的优越性。
3. 粒子尺寸分布（PSD）
PSD分析表明，OD干燥样品（D50约为2000-2500 μm）的颗粒尺寸明显大于初始样品（D50为1100 μm）和大多数TSE干燥样品，这主要是由于在OD过程中颗粒发生了团聚。TSE干燥样品在低MC条件下，其D50值接近1000 μm，显示出更小的颗粒尺寸和更少的团聚现象。虽然文献指出颗粒尺寸会影响生物活性成分的提取效率，但本研究中未发现颗粒尺寸对TPC有明显影响，这可能是因为温度对TPC的影响占据了主导地位，掩盖了尺寸效应。
4. 扫描电镜（SEM）分析
SEM图像清晰地展示了不同干燥方法对海藻结构的破坏程度。初始样品表面致密平滑；OD样品（35°C和45°C）显示出碎片化和层状分离，表明存在热应力损伤，但孔隙网络有所增加；而TSE干燥样品（以55°C，12.5 L/min为例）则表现出极度的结构破坏，包括深裂纹和多孔片状网络，这是挤出过程中机械力和热力共同作用的结果。这种显著的结构变化可能有利于在后续提取过程中提高酚类化合物的可及性。
5. 统计分析结果
多元线性回归（MLR）分析证实，对于TSE干燥的样品，温度（T）和气流速率（Q）对响应变量MC和TPC均有显著影响（p-值 < 0.05）。同时，MC的测量方法（KFT或LOD）也是一个显著变量。分析还表明，T和Q之间的交互作用对MC和TPC的影响不显著，因此在模型中可以被忽略。这些统计结果为工艺参数的优化提供了坚实的依据。
结论与展望
本研究成功验证了空气辅助双螺杆挤出（TSE）作为一种连续、高效的海藻干燥技术的可行性。与传统烘箱干燥（OD）相比，TSE能够在极短的平均时间内（约12分钟）将高水分海藻干燥至理想水分含量，同时更好地保留总酚含量（TPC）等生物活性成分。此外，TSE干燥产生的颗粒团聚更少，并能引起更显著的多孔结构变化，可能有利于后续加工。统计模型明确了温度和气流速率是影响干燥效果和产品质量的关键显著因素。
这项工作为海藻加工行业提供了一种前景广阔的替代干燥方案。TSE作为一种连续制造工艺，有望通过简化流程、减少水耗和提高能效来提升可持续性并降低碳足迹。未来的研究可以进一步优化TSE工艺参数，并评估其对海藻中其他营养成分（如蛋白质、多糖）的影响，以全面评估其在功能性食品和保健品原料生产中的巨大潜力。
