生物质燃料固定床干燥器中沸石辅助除湿干燥红藻（Gracilaria verrucosa）的性能评价

《Food Physics》：Evaluation of Air Dehumidification-Assisted Drying of Red Seaweed ( Gracilaria verrucosa) in Biomass-Fueled Fixed-Bed Dryer

　　

论文摘要专业翻译 沸石辅助除湿加速了Gracilaria verrucosa的固定床干燥过程；沸石辅助除湿降低了表观活化能；使用沸石后比能耗（SEC）最多降低22.3%；干燥过程中CO2排放量最多减少21.9%。 海洋大型藻类，特别是红藻Gracilaria sp.，作为琼脂的主要来源被广泛养殖。然而，新鲜采收的海藻含水量高达90%–95%（湿基），需通过干燥将水分活度降至0.7以下以抑制微生物活动并延长货架期。开放阳光干燥虽成本低，但效率仅7.4%–7.9%，且易受灰尘、害虫和雨水污染。传统热风干燥虽不受外部因素影响，但高温长时间热暴露会导致蛋白质变性和脂质氧化，且干燥为高能耗操作。除温度外，干燥空气的相对湿度（RH）也显著影响水分去除效率。沸石作为固体干燥剂，对水蒸气具有高亲和力，可在中等温度（70 °C或以下）下降低干燥介质湿度，同时释放温和的吸附热，从而在保持高蒸发驱动力的同时保护热敏成分。然而，沸石辅助除湿在生物质燃料固定床干燥构型中应用于G. verrucosa的研究尚有限。本研究旨在评价生物质燃料、沸石辅助固定床干燥方法对G. verrucosa的干燥性能、能量利用、CO2排放及干海藻品质的影响。

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一、研究背景与问题

红藻Gracilaria verrucosa是琼脂的重要原料来源，在食品、医疗保健和生物技术领域具有广泛用途。据印度尼西亚海洋与渔业部数据，2024年该国海藻产量约985万吨，其中G. verrucosa贡献159万吨，占总产量的16.1%。然而，新鲜采收的海藻含水量极高，湿基含水率通常达90%–95%，这种高水分环境极易导致微生物滋生和酶促降解。因此，干燥是海藻加工中不可或缺的关键环节，需将水分活度降至0.7以下以抑制微生物活性并延长产品货架期。

传统的开放阳光干燥虽然运营成本低，但存在显著技术缺陷。已有研究表明，开放阳光干燥海藻的效率仅为7.4%–7.9%，明显低于封闭式对流太阳能干燥器的9.5%–10.1%。此外，露天暴露还增加了灰尘、害虫和雨水污染的风险，导致产品颜色退化、营养流失和品质下降。常规热风干燥虽不依赖外部条件，干燥时间更短且细菌灭活效果更好，但高温长时间热暴露可能诱导蛋白质变性和脂质氧化，降低热敏性营养素和抗氧化剂的保留率。同时，干燥是高能耗操作，延长干燥时间会增加能源需求，而过度的热暴露又可能损害产品质量，因此需要在干燥性能、能源利用和产品保全之间寻求平衡。

除温度外，干燥空气的相对湿度同样显著影响水分去除过程。高相对湿度会提高物料的平衡含水率，降低水分传递驱动力，从而减缓整体干燥速率。海藻类材料富含亲水胶体且具有高持水能力，这进一步阻碍了干燥过程中的热质传递。为在不过度升高空气温度的情况下实现低湿度干燥，引入沸石等固体干燥剂提供了一种可行方案。沸石对水蒸气具有高亲和力，可在中等温度下降低干燥介质湿度并释放温和的吸附热，从而加速干燥过程并保护热敏成分。然而，沸石辅助除湿在生物质燃料固定床干燥构型中应用于G. verrucosa的研究尚属空白，其对干燥性能、能量利用和产品质量的影响有待阐明。

二、主要技术方法

研究人员采用沸石辅助固定床干燥系统对G. verrucosa进行干燥实验。该系统由除湿、加热和干燥三个主要阶段组成：6 kg合成沸石4A置于离心鼓风机进气口的沸石室中形成13 cm厚垂直床层；除湿后的空气在燃烧室内利用建筑木材废料作为生物质燃料加热至目标温度（30、40、50、60 °C）；经调节的空气通过连接管道进入干燥室（240 cm × 240 cm × 120 cm）。每次实验使用20 kg预处理海藻，均匀铺展于多孔托盘上，初始床层厚度4 cm，干燥持续6小时，每30分钟称重采样测定含水率。研究人员同时进行了开放阳光干燥对照实验。含水率采用重量分析法测定，干燥速率基于干基含水率随时间的变化计算。平衡含水率通过吸附等温线实验确定，使用不同浓度的NaOH溶液控制水分活度（0.108–0.984），数据采用多种吸附等温线模型拟合。此外，研究人员计算了干燥过程中的比能耗（SEC）和CO₂排放量，并对干燥后海藻的复水率、琼脂含量和凝胶强度等品质指标进行了评价。

三、研究结果

3.1 干燥特性与动力学分析

沸石辅助除湿显著加速了G. verrucosa的固定床干燥过程。在所有目标温度条件下，使用沸石除湿的干燥时间均短于未使用沸石的对照组。沸石除湿降低了干燥空气的相对湿度，增大了物料与空气之间的蒸气压差，从而提高了水分去除的驱动力。干燥速率曲线显示，沸石辅助干燥在各温度下均表现出更高的峰值干燥速率。动力学分析表明，沸石辅助除湿降低了干燥过程的表观活化能，意味着水分蒸发所需的能量壁垒降低，干燥过程更易进行。

3.2 能量利用效率

沸石辅助除湿显著改善了系统的能量利用效率。比能耗（SEC）是评价干燥过程能量效率的关键指标，定义为去除单位质量水分所消耗的能量。研究结果表明，使用沸石后比能耗最多降低22.3%，这主要归因于干燥时间的缩短和水分去除效率的提高。尽管沸石除湿系统本身需要额外的能量投入，但干燥时间的大幅缩短所带来的能量节省超过了除湿系统的额外能耗，最终实现了净能量节约。

3.3 CO₂排放

由于能量消耗与干燥过程的环境负担直接相关，研究人员进一步评估了CO₂排放量。结果显示，沸石辅助除湿使干燥过程中的CO₂排放量最多减少21.9%。这一减排效果主要源于生物质燃料的可再生属性以及能量利用效率的提升。生物质基加热提供了传统能源的可再生替代方案，而空气除湿通过增强水分去除改善了能量利用，两者共同降低了干燥过程的环境足迹。

3.4 产品品质评价

干燥后海藻的品质评价包括复水率、琼脂含量和凝胶强度等指标。沸石辅助干燥在中等温度条件下即可实现高效脱水，避免了高温长时间热暴露对热敏性成分的破坏。与未使用沸石的对照组相比，沸石辅助干燥的产品在品质指标上表现相当或更优，表明除湿干燥在加速水分去除的同时未对产品质量造成不利影响。

四、讨论与结论

讨论部分指出，沸石辅助除湿的核心优势在于能够在较低温度下维持高蒸发驱动力，从而在加速干燥的同时保护热敏性营养成分。与已有研究相比，本研究的结果与Djaeni & Sari关于沸石辅助干燥Eucheuma cottonii的发现以及Pradana等关于硅胶吸附干燥海藻的研究结论相一致，进一步证实了空气除湿技术在海藻干燥中的普适有效性。生物质燃料的引入则为干燥过程提供了可再生能源基础，结合除湿技术形成了兼具能源效率和环境友好性的干燥方案。

研究结论可概括为：沸石辅助除湿显著加速了G. verrucosa在生物质燃料固定床干燥器中的干燥过程，降低了表观活化能，比能耗最多降低22.3%，CO₂排放量最多减少21.9%，同时保持了干燥产品的品质。该研究为海藻干燥提供了一种兼顾干燥效率、能源节约和环境保护的可行技术方案，对海藻加工产业的可持续发展具有重要的实践指导意义。