《Foods》：Cold-Pressing as an Energy-Saving Dewatering Pretreatment for the Valorization of Vegetable Processing By-Products
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本研究提出了一种集成工艺，将冷压脱水（cold-press dewatering）与热脱水（thermal dehydration）相结合，以降低粉末生产所需的能量，同时回收富含可溶性生物活性化合物（soluble bioactive compounds）的液
本研究提出了一种集成工艺，将冷压脱水（cold-press dewatering）与热脱水（thermal dehydration）相结合，以降低粉末生产所需的能量，同时回收富含可溶性生物活性化合物（soluble bioactive compounds）的液体组分。选择芦笋、西兰花和洋蓟副产物作为代表性蔬菜基质，因为其解剖组织（anatomical organization）和理化特性（physicochemical characteristics）存在显著差异，从而能够评估所提方法在异质生物质中的稳健性。对副产物以及经冷压脱水后获得的相应固体残渣在相同条件下进行脱水，随后研磨成粉末。评估并比较全副产物及相应残渣的水分含量（moisture content）、干燥动力学（drying kinetics）和营养品质（nutritional quality）。还使用文献中已有方法计算了比能耗（specific energy consumption）以及因省略冷压脱水步骤而导致的比能耗增加百分比。初步脱水步骤显著减少了进入干燥器的水量，从而使所有研究所用副产物的热能需求（thermal energy demand）降低。然而，节能程度取决于生物质的结构特征，芦笋、西兰花和洋蓟因其组织构造（tissue organization）和水分分布（water distribution）不同而表现出不同的脱水效率（dewatering efficiency）。回收的液体组分含有可观量的水溶性生物活性化合物，表明所提策略不仅能够降低脱水所需能量，还能产生额外价值流（additional value stream）。
蔬菜加工副产物水分含量高，易受微生物腐败，限制储存、运输和进一步增值。热脱水（thermal dehydration）是将其稳定为耐储藏配料的最广泛策略之一。然而干燥是食品工业中最耗能单元操作之一，因为供给能量很大部分用于蒸发水。水汽化潜热（latent heat of vaporization）约2257–2260 kJ kg
?1，水分蒸发构成食品干燥主要能量汇。为降低能耗，过程强化策略分为机械脱水（mechanical dewatering）和干燥预处理（drying pretreatment）。机械脱水通过挤压、螺旋压榨、过滤或离心等物理分离去除部分水，不发生液-气相变，能耗远低于热干燥；但只能有效去除自由水或弱结合水，胞内和强结合水仍留在组织内，所以仍需热干燥生产粉末。机械脱水效率受组织微结构、孔隙率、细胞壁结构、纤维组成以及自由水和结合水分布控制，不同副产物在相同条件下可能表现显著不同。干燥预处理如超声、微波、红外（infrared, IR）、脉冲电场等，主要改变组织微结构、增强细胞渗透性或改善传热传质，但通常不显著减少最终必须蒸发水量，汽化潜热仍是总能量需求主要贡献。多数研究关注水分降低，鲜有同时回收富含水溶性生物活性化合物（soluble bioactive compounds）液体分数。据研究人员所知，冷压作为脱水前预处理尚未用于蔬菜加工残渣。因此，研究人员开展冷压脱水耦合热脱水研究，旨在生产稳定粉末和液体分数，同时降低干燥能耗，并在异质蔬菜副产物中评估适用性。
研究人员选择芦笋、西兰花和洋蓟副产物作为代表性蔬菜基质，因其解剖组织和理化特性差异显著。副产物及冷压后固体残渣在相同条件下脱水并研磨成粉，评估水分含量、干燥动力学和营养品质，计算比能耗（specific energy consumption）以及省略冷压脱水导致的比能耗增加百分比。结论为：初步冷压脱水显著减少进入干燥器水量，降低所有研究副产物热能需求；节能程度取决于生物质结构特征，三种副产物脱水效率不同；回收液体分数含可观水溶性生物活性化合物，表明策略不仅降低脱水能量，还产生额外价值流。意义在于为蔬菜副产物能量高效增值提供潜在策略，符合循环生物经济。
关键技术方法概括：样本来源为洋蓟副产物来自 ROSSOGARGANO srl, Foggia（意大利），芦笋和西兰花来自 FARRIS srl, Foggia（意大利）；材料为洋蓟苞片和茎、切块西兰花茎、切块芦笋茎，使用两个独立生产批次，每批分直接脱水与先冷压后脱水。冷压用低速螺旋慢榨汁机 Hurom H320N（Italjuicer srl, Verona，意大利）。脱水在0.6 m
3柜式干燥器 PF-SICCO80PRO（SICCOTECH, Campobasso，意大利）中进行，60 °C、相对湿度5%、约30 h，热天平监测水分；随后研磨成小于500 μm粉末。用电量计 Besvic PMB05（Huzhou, Zhejiang Province，中国）测干燥、冷压和研磨能耗；脱水能耗用两阶段动力学模型估计。化学分析包括总酚含量（total phenol content, TPC）、总黄酮含量（total flavonoid content, TFC）、ABTS（2,2-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt）和 FRAP法（FRAP assay），统计用 Tukey HSD（p<0.05）。
研究结果：
3.1 固体和液体分数的生物活性化合物和抗氧化性质
通过 TPC、TFC、ABTS 和 FRAP 分析，研究人员发现固体样品生物活性谱因蔬菜副产物和加工条件显著不同。直接脱水样品中，芦笋 TPC 最高，显著高于其他样品（p<0.05）；西兰花和洋蓟 TPC 相似，约5.7 mg GAE/g dw；三种冷压残渣 TPC 均显著低于对应直接脱水样品。TFC 趋势类似，未冷压芦笋最高，其次未冷压洋蓟，西兰花最低且冷压前后无显著差异，其他样品类型间显著不同。ABTS 和 FRAP 大体跟随 TPC/TFC 趋势，冷压残渣显著低于对应直接脱水样品。结果表明冷压降低固体残渣中酚类、黄酮和抗氧化活性，但所有冷压固体仍保留可测生物活性化合物和抗氧化活性，机械处理未消除功能潜力。固体分数主要应视为富含纤维的蔬菜配料，而非生物活性浓缩提取物。液体分数中，洋蓟 TPC、TFC 和 ABTS 最高，西兰花最低，芦笋中间；FRAP 西兰花和芦笋无显著差异。洋蓟液体高生物活性与其组织富含酚类和黄酮、冷压时从破坏细胞释放并优先分配至水相一致。整体上，冷压产生两个互补流：固体富纤维，液体含可溶性生物活性化合物。但浓度数据不能建立单个生物活性化合物在两流间回收或分配；研究未定量糖、矿物质、维生素等，不能推断液体营养分区。
3.2 副产物粉末生产的比能耗
通过脱水动力学比较和能耗计算，研究人员发现冷压显著影响副产物脱水行为，三种副产物平衡水脱附能力不同：芦笋平衡去水量最高，洋蓟最低，西兰花中间。全副产物热脱水排序与同一研究组早先研究一致，Ayub et al. 的洋蓟残渣水分值与当前全洋蓟副产物可比。差异归因于组织结构：芦笋组织更多孔、薄壁组织比例高，持水更强，干燥效率较低；洋蓟残渣含较多结构多糖和木质素，可能贡献较低平衡水分；西兰花茎含薄壁组织和维管束及结构多糖，水分传输介于两者之间。两个脱水试验间存在差异，芦笋更明显，反映不同生产批次原料自然异质性而非实验不确定性。模型拟合平均相对偏差模量为1.95–5.74，拟合满意。能耗分析显示脱水是主导耗能步骤，其余步骤能耗至少低一个数量级。加入冷压显著降低三种副产物总比能耗（p<0.05），因降低进入脱水器初始水含量，减少必须蒸发水量。总比能耗与初始水含量关系非线性，以大于线性速率增加；省略冷压会使所有研究副产物比能耗增加超过300%，芦笋超过400%。这些结果支持冷压脱水作为节能预处理的潜力。
讨论部分总结
讨论强调，所提集成方法能同时生成粉末和液体分数，但固体和液体中生物活性浓度不能用于建立单个化合物在两流间回收或分配；也未定量糖、矿物质、维生素等，因此液体营养相关性有限。冷压固体残渣保留营养价值和功能潜力，适合作为富含纤维配料；洋蓟液体分数显示回收高价值成分机会。基质依赖响应与解剖组织、细胞壁组成和水分分布有关。未来需质量平衡、化合物特异性分析、技术感官研究、技术经济和生命周期评估及中试验证。
研究结论翻译
本研究证明，将冷压脱水与热脱水整合可成为副产物增值的有效策略。所提方法能够同时生产粉末和含宝贵水溶性生物活性化合物的液体分数。结果强调，对集成过程的响应强烈受加工生物质内在特征影响。芦笋、西兰花和洋蓟副产物表现出不同脱水效率和干燥行为，反映其不同解剖组织和理化组成。尽管存在这些基质依赖差异，所提过程对所有研究副产物均有效，确认其适用于异质蔬菜残渣。从组成角度，冷压脱水后固体残渣保留营养价值。同时，洋蓟提取液体分数表明机械脱水可作为回收高价值成分的机会。能量分析清楚识别脱水是整个过程中最耗能操作，因为水蒸发所需能量。包括冷压脱水步骤通过减少进入干燥阶段水量，显著降低三种研究副产物总比能耗。此外，总比能耗与初始水分含量关系呈非线性，能量需求以大于水分含量比例速率增加。因此，省略冷压脱水步骤将使所有研究副产物比能耗增加超过300%，芦笋超过400%。这些发现提供有说服力证据，初步机械脱水可能是蔬菜副产物能量高效回收关键使能技术，尽管全面技术经济和生命周期评估以及中试验证，将为评估工业可行性和集成机械脱水-脱水策略具体环境效益提供有价值信息。未来研究还应调查此方法对更广泛具有不同解剖结构和水分分布的果蔬副产物的适用性。进一步研究还应关注优化冷压操作条件以最大化水去除和生物活性化合物回收，以及将回收液体分数整合到功能食品、饮料或天然配料配方中。
