《Journal of Agriculture and Food Research》：Integrated evaluation of superheated steam and hot air fluidized bed drying of coconut press cake: Impacts on energy efficiency, product quality, and microbial safety
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研究人员对椰子压榨饼分别采用过热蒸汽流化床干燥（superheated steam fluidized bed drying, SHS-FBD）和热风流化床干燥（hot air fluidized bed drying, HA-FBD）进行了对比研究，系统评估
研究人员对椰子压榨饼分别采用过热蒸汽流化床干燥（superheated steam fluidized bed drying, SHS-FBD）和热风流化床干燥（hot air fluidized bed drying, HA-FBD）进行了对比研究，系统评估了干燥介质和温度（130、145、160 °C）对干燥特性、比能耗（specific energy consumption, SEC）、产品理化性质及微生物安全性的影响。研究结果表明，与HA-FBD相比，SHS-FBD显著缩短了干燥时间并降低了干燥阶段的比能耗，尤其在130 °C时干燥时间从18分钟缩短至9分钟，SEC从8.25 MJ/kg降至4.67 MJ/kg。SHS-FBD样品表现出更高的白度指数（whiteness index）和更高的可提取油脂含量（最高达34.89%），这归因于其限氧环境和更短的热暴露时间。在微观结构方面，SHS-FBD产生了更开放、多孔的结构，而HA-FBD导致更致密、收缩更明显的纤维基质。在微生物安全性方面，SHS-FBD在各温度下均实现了更低的微生物载量，且仅在160 °C条件下SHS-FBD处理的样品满足菲律宾国家标准PNS/BAFPS 75:2010的所有微生物标准（需氧平板计数<10,000 CFU/g，大肠菌群<50 MPN/g，酵母和霉菌<100 CFU/g，大肠杆菌和沙门氏菌未检出）。研究人员采用主成分分析（principal component analysis, PCA）和Pearson相关性分析进一步揭示了干燥性能、产品质量和微生物指标之间的协变关系。该研究首次将SHS-FBD应用于富含脂质的纤维质副产品，提供了从过程到安全的多维度综合评价框架，为椰子压榨饼的高值化利用和可持续生物炼制提供了工艺层面的指导。
**论文解读文章**
**一、研究背景与问题**
椰子压榨饼（coconut press cake）是椰子乳提取过程中产生的主要副产品，在东南亚、印度和太平洋岛屿等椰子主产区产量巨大。该纤维质副产品富含碳水化合物（62.07%）、蛋白质（5.19%）、脂质（31.81%）、酚类化合物和膳食纤维，具有开发高附加值功能食品和膳食纤维补充剂的巨大潜力。然而，其高含水率带来了严峻的储存和加工挑战：高水分环境会促进微生物增殖、酶解降解和脂质过氧化，导致原料快速腐败变质。因此，高效、快速的干燥处理对于延长货架期、保障微生物安全性以及实现资源化利用至关重要。
传统的干燥技术，如日晒干燥、托盘干燥和热风对流干燥，虽然设备投资成本低，但普遍存在干燥不均匀、干燥时间长、物料收缩严重、感官和营养品质损失大、易受天气条件制约以及微生物污染风险高等缺点。这些传统方法在大规模生产中能效低下且不可持续。因此，开发更加先进和高能效的干燥技术具有重要的现实意义。流化床干燥（fluidized bed drying, FBD）因颗粒与干燥流体间优异的接触特性，可实现高效的热质传递和均匀的湿度降低，适用于粒径较小的物料。然而，目前关于过热蒸汽流化床干燥（SHS-FBD）在椰子压榨饼这类高初始含水率、高残余脂质含量且基质易于氧化的纤维质副产品上的应用研究尚属空白。现有文献中，过热蒸汽干燥、流化床干燥和农工副产物资源化利用通常是作为独立课题分别研究的。本研究的新颖性就在于首次将SHS-FBD应用于这种富含脂质的纤维质副产品，并在同一对比框架内对干燥特性、能耗、结构功能品质和微生物安全性进行多维度综合评估，与热风流化床干燥（HA-FBD）进行系统比较。
**二、研究开展内容与主要结论**
研究人员以泰国Chumphon Hybrid No. 2品种椰子压榨饼为原料（源自Perfect Companion Group Co., Ltd.），经过35号筛筛分获得粒径≤500 μm的均匀颗粒后，在130、145和160 °C三个温度水平下分别进行HA-FBD和SHS-FBD干燥实验。研究系统地测定了最小流化速度（Umf）、干燥特性曲线（含水率比、干燥速率、干燥时间）、干燥阶段比能耗（SEC）、微观结构、白度指数、水合性质（溶胀能力、持水能力、保水能力）、可提取油脂含量以及多项微生物指标（需氧平板计数、大肠菌群、大肠杆菌、沙门氏菌、酵母和霉菌），并依据菲律宾国家标准PNS/BAFPS 75:2010对干燥产品的微生物质量进行判定。
研究得出以下主要结论：SHS-FBD在降低干燥时间和能耗方面显著优于HA-FBD，同时在限氧环境下有效保持了产品色泽并保留了更高的油脂含量；SHS-FBD在160 °C条件下处理的产品是唯一满足所有测试微生物标准的样品；干燥介质显著影响了产品的微观结构和水合功能特性。研究还通过主成分分析和Pearson相关性分析揭示了各响应变量间的协变模式。
**三、主要关键技术方法**
研究人员构建了一套可切换热风和过热蒸汽介质的流化床干燥实验系统，主要包含流化床干燥室、蒸汽发生器和旋风分离器。关键技术方法包括：（1）通过测定床层压降与表观气速的关系来确定最小流化速度（Umf），并设定操作气速为1.3×Umf以保证完全流化；（2）采用能量计（MI 2883 Energy Master）连续监测干燥过程中的电力消耗以计算干燥阶段比能耗；（3）综合运用体视显微镜观察微观结构、分光光度计测定CIE L\*a\*b\*颜色空间参数并计算白度指数、Soxhlet萃取法测定油脂含量；（4）依据FDA-BAM和AOAC标准方法进行微生物分析；（5）采用单因素方差分析（ANOVA）和邓肯多重比较检验进行统计显著性分析，并采用主成分分析进行探索性多元数据分析。
**四、研究结果**
**（一）热空气和过热蒸汽下的流化行为**
通过测定床层压降确定Umf值。结果表明，SHS-FBD的Umf值始终低于HA-FBD，尤其在130 °C时差异显著（SHS为3.70 m/s，HA为4.65 m/s），这归因于过热蒸汽较低的密度和粘度有利于颗粒流化。随着温度升高，SHS的Umf值增大，与HA-FBD的差距缩小，这是由于温度升高导致蒸汽粘度增大对阻力的影响超过了密度下降的影响。
**（二）干燥特性与过程性能**
两种干燥介质的干燥过程均以降速干燥阶段为主，表明内部水分传输是主要控速因素。温度升高显著加速了两种介质的干燥过程。在相同温度下，SHS-FBD表现出更陡峭的含水率下降曲线和更短的干燥时间。在130 °C时，SHS-FBD将干燥时间从18分钟缩短至9分钟，平均干燥速率显著提高（p<0.05）。随着温度升高，两种介质间的干燥时间差异逐渐缩小（160 °C时仅差0.5分钟），表明干燥控制机制从外部传热控制转向内部传质控制。HA-FBD在160 °C时观察到干燥速率在含水率比约0.2处出现可重复的二次上升，可能归因于高温和流化运动导致的瞬时收缩、开裂或碎片化暴露了新的内部表面积。
**（三）干燥过程的比能耗**
两种干燥介质的SEC均随温度升高而显著降低（p<0.05），这与高温加速水分去除、缩短干燥时间相一致。在所有测试温度下，SHS-FBD的SEC均显著低于HA-FBD（p<0.05），在130 °C时节能优势最大（从8.25 MJ/kg降至4.67 MJ/kg），这与SHS优异的传热特性和较短的干燥时间有关。
**（四）结构与功能特性**
微观结构分析显示，HA-FBD样品呈现更致密、收缩更明显的纤维结构，而SHS-FBD样品则具有更开放、多孔的膨胀形态。这归因于干燥介质热物理性质的差异以及过热蒸汽干燥中快速内部蒸汽生成对毛细管驱动的结构塌陷的部分抵消作用。白度方面，所有干燥样品的白度均显著低于新鲜样品（89.11%），但SHS-FBD样品在各温度下的白度均显著高于HA-FBD样品（p<0.05），其中160 °C SHS-FBD的白度最高。这归因于限氧环境减少了氧化变色，以及较短干燥时间限制了美拉德反应和焦糖化反应。水合性质方面，大多数样品的溶胀能力和持水能力相近，但HA-FBD在160 °C时表现出最高的溶胀能力（12.37 mL/gdm）和持水能力（9.74 g/gdm），可能与高温热风干燥引起的结构改性有关。保水能力在各处理间无显著差异（p>0.05）。可提取油脂含量方面，SHS-FBD样品在各温度下均显著高于HA-FBD样品，160 °C时达到最大值34.89%，可能归因于更短的干燥时间和更开放的结构有利于溶剂渗透和油脂萃取。
**（五）微生物质量与微生物减除**
新鲜椰子压榨饼的初始需氧平板计数为123,000 CFU/g，大肠菌群为93 MPN/g，大肠杆菌为3.6 MPN/g，酵母和霉菌为1,510 CFU/g。两种干燥介质均显著降低了微生物载量。在相同温度下，SHS-FBD的微生物载量始终低于HA-FBD。根据PNS/BAFPS 75:2010标准，仅160 °C SHS-FBD处理的样品完全达标：需氧平板计数降至2,950 CFU/g（标准限值<10,000 CFU/g），酵母和霉菌低于检测限25 CFU/g（标准限值<100 CFU/g），大肠菌群<3 MPN/g（标准限值<50 MPN/g），大肠杆菌和沙门氏菌均未检出。130 °C时微生物减除效果有限，而145 °C和160 °C时两种介质均实现了超过1个对数周期的减除。SHS优异的微生物灭活效果可能与其更高的传热效率和蒸汽冷凝导致的快速升温有关。
**（六）探索性多元分析**
主成分分析（PCA）显示，PC1（60.48%）主要按干燥时间、SEC、微生物指标、白度、可提取油脂含量和保水能力区分处理，PC2（28.71%）主要反映持水能力、溶胀能力、平均干燥速率和大肠菌群计数的变异。SHS-FBD处理在得分图上聚集于负PC1区域，与较低的微生物计数、较高的白度和油脂含量相关联；而HA-FBD在130和145 °C时与较高的SEC、较长的干燥时间和较高的微生物指标相关联。HA-FBD在160 °C时沿正PC2方向明显分离，与其较高的水合性质和干燥速率一致。Pearson相关性分析进一步证实了干燥时间、SEC与残留微生物计数间的正相关关系。
**五、讨论与结论总结**
讨论部分指出，SHS-FBD的优越干燥性能与其热物理性质密切相关，但高温下优势缩小反映控制机制向内部传质转变。SHS限氧环境对品质保持的贡献体现在色泽和油脂保留上，而HA-FBD在160 °C时增强的水合性质可能来自热诱导的基质结构修饰。微生物灭活方面，SHS-FBD在160 °C的达标结果证明了过热蒸汽作为热介质与流化床技术结合在保障产品微生物安全性方面的潜力。
研究结论可概括为：在定义的实验边界内，虽然HA-FBD在160 °C时产生了最高的持水能力和溶胀能力，但SHS-FBD整体上实现了更短的干燥时间和更低的干燥阶段比能耗。SHS-FBD在测试的所有温度下均产生了更高的白度和可提取油脂含量。在微生物质量方面，SHS-FBD在相同温度下产生的天然微生物计数低于HA-FBD，且仅160 °C的SHS-FBD处理完全符合PNS/BAFPS 75:2010标准中所有测试的微生物标准。因此，在优先考虑溶胀和持水能力的情况下可选择160 °C的HA-FBD，而160 °C的SHS-FBD则提供了短干燥时间、低能耗、高白度和油脂含量以及微生物标准合规性的有利组合。该研究为椰子压榨饼及类似富含脂质的农工副产物的干燥工艺选择提供了实验室尺度的对比依据和工艺指导。未来研究若能纳入氧浓度、内部蒸汽压力、传热系数和脂质氧化标志物等直接测量，将进一步验证所提出的机制解释。
