基于红外热成像与不可逆热力学的黄金莓对流干燥过程监测与模型构建

研究人员针对黄金莓(Physalis peruviana)高水分含量导致的易腐问题，创新性地结合红外热成像(IR)技术与不可逆热力学模型，开发了非破坏性干燥监测系统。通过60°C、1.0 m/s风速条件下13小时干燥实验，量化了水分通量(JW)、化学势梯度(Δμw)等关键参数，首次揭示了机械能储存与释放对干燥动力学的影响。该研究为热带高水分水果干燥工艺优化提供了新工具，发表于《Journal of Food Engineering》。

　　

黄金莓(Physalis peruviana)作为营养丰富的安第斯山脉特色水果，因其高达85%的含水量而面临严峻的保鲜挑战。传统干燥技术难以平衡脱水效率与品质保持的矛盾，且缺乏对水分迁移机制的深入认知。针对这一产业痛点，西班牙瓦伦西亚理工大学(Universitat Politècnica de València)食品工程研究所的研究团队开创性地将红外热成像技术与不可逆热力学理论相结合，在《Journal of Food Engineering》发表了突破性研究成果。

研究团队设计了一套集成红外热像仪(Optris PI? 160)、精密天平和热电偶的监测系统，对去皮黄金莓样品进行60°C、1.0 m/s风速条件下的13小时干燥实验。通过GAB(Guggenheim-Anderson-de Boer)模型拟合吸着等温线，结合差示扫描量热法(DSC)测定比热容，建立了包含机械能项的热力学模型。

3.1 黄金莓干燥动力学

干燥曲线显示样品从初始含水量4.102 kg_w/kg_t降至0.298 d.b.，质量损失74.55%。体积收缩实验揭示组织收缩率仅68%，显著低于理论值95%，表明干燥过程中形成了气隙结构。水分通量(J_W)在诱导期后达到峰值0.01831 kmol_W/m² s，证实了组织结构的异质性对水分迁移的阻碍作用。

3.2 红外热成像监测

表面发射率(ε)从初始0.95降至0.834，与水分蒸发导致的分子激发态变化直接相关。通过Stefan-Boltzmann定律计算的热辐射平衡显示，干燥后期ε回升至0.889，反映温度升高增强了红外辐射效率。

3.3 吸着等温线

GAB模型参数显示单层水分(X_w0)为0.067 kg_w/kg_dm，Guggenheim常数(C=4.678)表明水分子与果肉基质存在中等强度结合，这为理解干燥过程中的水分结合状态提供了量化依据。

3.4 热力学建模

基于Gibbs自由能方程构建的模型成功分离了机械能项(v_wΔP)，发现干燥初期机械能储存达1556 J/mol，对应组织收缩；中期(100-600分钟)出现零机械能平台期，反映细胞质壁分离过程；末期机械能释放(2280 J/mol)导致组织结构重组。Onsager关系揭示 phenomenological系数(L_W)与水分通量呈线性相关(R²=0.92)。

这项研究通过多尺度监测手段，首次量化了黄金莓干燥过程中的机械能存储-释放循环，为理解高水分水果的脱水机制提供了新视角。开发的非破坏性监测系统可实时优化干燥参数，对保留功能成分、降低能耗具有重要应用价值。研究建立的"发射率-热力学"耦合模型，为食品干燥领域提供了新的分析范式。