基于数值建模与人工智能的洋葱干燥过程质量预测及传质活化能研究

本研究针对农产品干燥过程中能耗高、品质难控制的问题，采用红外-对流联合干燥技术，结合人工神经网络(ANN)和薄层方程模型，系统研究了干燥条件(红外强度1500-5500 W/m2、风速0.3-1.0 m/s、温度40-60°C)对洋葱切片干燥动力学及理化性质的影响。研究发现Midilli-Kucuk模型能最佳描述干燥过程，有效水分扩散系数达5.05×10-10 m2/s，活化能为18-28.95 kJ/mol。该研究为优化干燥工艺参数、提升能效和产品品质提供了创新解决方案。

　　

干燥技术的革新挑战
农产品因其高水分特性易腐败变质，传统干燥方法存在能耗高、营养损失大等痛点。洋葱作为典型高水分作物(初始含水率85.8±0.1%)，其干燥过程中常面临色泽劣变、维生素C降解等问题。现有研究多局限于实验室条件，对红外-对流复合干燥中传质机制与品质调控的关联认知不足。

宿迁学院机械与电子工程学院联合江苏大学能源与动力工程学院的研究团队在《Scientific Reports》发表论文，通过结合数值模拟与机器学习，揭示了红外干燥洋葱切片的多尺度作用机制。研究创新性地构建了包含11种薄层方程的预测模型，并采用自组织映射(SOM)算法优化干燥参数，为食品工业节能提质提供了新范式。

关键技术方法
实验采用三因素三水平设计(红外强度1500-5500 W/m²、风速0.3-1.0 m/s、温度40-60°C)，通过Fick第二定律计算有效水分扩散系数(D_eff)，Arrhenius方程求取活化能(E_a)。采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C，色差仪量化ΔE值。ANN模型含12个神经元的两层隐藏层，通过Levenberg-Marquardt算法训练，数据集按7:3分为训练集与测试集。

干燥动力学解析
在"干燥时间"研究中发现，5500 W/m²红外强度下风速增至1.0 m/s时，干燥时间反增37%，这与常规热风干燥规律相悖。通过建立的预测方程(式29)表明，时间与红外强度呈负相关，与风速呈正相关。计算模型验证显示Midilli-Kucuk模型的预测精度最高(R²>0.998)，其系数k与红外强度正相关(式30)，与风速负相关。

传质特性研究
"有效水分扩散系数"分析显示，D_eff在3500 W/m²时达峰值6.11×10^-10 m²/s。值得注意的是，高风速(1.0 m/s)导致D_eff降低34%，这是由于强制对流冷却效应削弱了红外辐射的穿透深度。活化能计算值(18-28.95 kJ/mol)处于典型农产品范围，证实了红外辐射可降低水分迁移的能垒。

品质指标突破
"水分活度"部分显示所有样品a_w<0.6，满足长期储存要求。5500 W/m²处理组a_w最低(0.40±0.82)，较对照组降低18%。"色泽变化"研究发现ΔE值随红外强度增加而上升，5500 W/m²处理组ΔE达18.17±1.93，主要源于美拉德(Maillard)反应加剧。

结构特性演变
"复水比"在5500 W/m²+0.3 m/s条件下达最大值5.11±0.89，红外辐射产生的微通道结构提升了水分渗透效率。"收缩率"分析显示，高风速(1.0 m/s)导致收缩率增加20%，而高红外强度可使收缩率降至0.12±0.22。

营养保留优化
"维生素C"保留实验表明，1500 W/m²+40°C组合保留率最高(23.21±1.00 mg/g)，较5500 W/m²组高38%。ANN预测显示维生素C保留与温度呈显著负相关(R²=0.911)。

研究启示与展望
该研究通过多尺度建模揭示了红外-对流耦合干燥的协同机制：红外辐射主导内部水分迁移，而对流条件调控表面蒸发平衡。提出的SOM优化方案可将能耗降低26%同时维持品质指标。未来研究可拓展至其他高水分农产品，并开发基于ANN的实时控制系统。这项工作为智能干燥装备研发提供了理论基石，对实现联合国可持续发展目标(SDG)中的"负责任的消费与生产"具有实践意义。