秋葵（Abelmoschus esculentus L.）干燥动力学建模：样品几何形状、渗透预处理和干燥方法的影响

《Food and Bioproducts Processing》：Modelling Drying Kinetics of Okra ( Abelmoschus esculentus L.): Effects of Sample Geometry, Osmotic Pretreatment and Drying Method

　　

## 摘要

秋葵采收后因含水量高且组织脆弱而极易腐坏。本研究考察了盐溶液或糖溶液的渗透预处理以及四种样品形态（即水平切、斜切、纵切或整荚）对冻干和烘箱干燥动力学的影响。以每8小时为间隔记录水分含量和水分比（MR），并使用Page模型描述干燥行为。糖预处理延缓了干燥过程中的保水性：糖处理的整荚在冻干过程中MR始终高于0.70，烘箱干燥40小时后达到0.34。盐预处理则加速了水分去除，尤其是斜切和水平切片，其MR在40小时内接近0.05。水分活度（aw）初始范围为0.85–0.95，在干燥过程中逐步下降，大多数未经处理和经盐处理的切片在24–32小时内降至aw<0.60，而糖处理的整荚则需要更长的干燥时间。样品形态对干燥速率有显著影响，薄片比整荚干燥更快。方差分析表明干燥方法、预处理和样品形态均具有显著效应（P<0.05）。Page模型能充分描述干燥动力学，决定系数（R2）在0.97–0.99之间。

## 引言

秋葵（Abelmoschus esculentus）在热带和亚热带地区被广泛食用，以其多糖、膳食纤维、维生素、矿物质和生物活性化合物而闻名（Dantas等，2021）。它也被联合国粮农组织（FAO）列为"未来智能食品"，作为一种未来粮食作物，它具有气候适应性、营养密度高和经济用途广泛的特点。尽管潜力巨大，秋葵因含水量极高（通常在80%–90%之间）而极易变质，这会加速采收后微生物繁殖、酶促反应和组织软化（Blessing & Richard，2022）。这些特性导致了相当大的采后损失，特别是在缺乏冷藏设施的地区。因此，干燥是一种必要的保藏技术，可以降低水分活度、延长货架期，并保持秋葵等高度易腐作物的产品质量（Kaur，2022；Rybak等，2021）。

干燥效率和产品质量保持受食品基质的物理特性和预处理策略的强烈影响。先前的研究已证明样品尺寸对秋葵干燥的重要性。Pendre等（2012）报道不同秋葵切片尺寸（1、2、3和4 cm）显著影响干燥特性，而Torubeli等（2021）发现较薄的秋葵样品（5 mm）表现出比厚样品（10和15 mm）更强的水分迁移，这与较短的水分传质距离有关。Zhang & Zhang（2018）研究了秋葵的切割方向，横切产生短段或星形切片，纵切产生楔形或条状切片并暴露秋葵荚的内部组织，并推荐横切以改善整荚的传统干燥方式。这些发现表明，样品尺寸和形态的变化可以改变暴露的表面积和内部水分传质路径，从而影响干燥速率和均匀性。

渗透预处理是将食品浸泡在糖溶液或盐溶液等高渗溶液中，广泛用于改变水分扩散并改善后续干燥过程中的传质。对苹果、芒果和木瓜等水果渗透脱水的先前研究表明，溶质类型显著影响干燥速率，强调了干燥前选择适当预处理条件的重要性（Jain等，2011；Khuwijitjaru等，2022；Paradkar & Sahu，2018）。高渗糖溶液引起部分脱水和溶质渗透，导致内部粘度增加并形成阻碍水迁移的屏障（Langari & Movagharnejad，2015）。相反，盐溶液倾向于通过增加膜渗透性并降低内部水分扩散阻力来促进更快的水分迁移（Asghari等，2024）。这些不同的传质机制突出了溶质选择在调节脱水行为和能量效率中的关键作用。Olaniyan & Omoleyomi（2013）和Olaniyan等（2018）关于秋葵蔗糖基渗透预处理及后续热风干燥的研究仍然局限于干燥温度和蔗糖浓度的影响，未涉及切割形态或渗透溶质类型。

干燥方法进一步影响水分去除动力学。冻干以低压低温下的升华为特征，已被广泛报道可保持水果和蔬菜的结构完整性、生物活性化合物和复水能力（Nowak & Jakubczyk，2020）。例如，Calín-Sánchez等（2020）报道，与对流干燥方法相比，冻干最小化了细胞塌陷并保持了多孔微观结构。尽管热风干燥通常比冻干具有更快的水分去除速度，但由于暴露于高温，它可能会促进更大的收缩和结构变化（Wang等，2023）。结构保保存在对高水分作物尤为重要，因为快速去除水分可能导致收缩和质量下降（Liang等，2024）。此外，Bekele & Ramaswamy（2010）、Kvapil等（2020）以及其他研究植物材料冻干的学者的研究表明，优化预处理条件和样品形态可以通过增强传质和降低内部阻力来显著提高干燥效率。然而，该技术伴随着较长的处理时间和较高的能耗。因此，在本研究中引入冻干可以实现质量导向型和效率导向型干燥方法之间的比较，从而对秋葵的脱水行为提供更全面的理解。相比之下，烘箱干燥因其简便性、较低成本和通过热驱动蒸发实现更快的水分去除而常用。对胡萝卜、南瓜和秋葵等切片蔬菜的先前研究表明，对流干燥显著缩短了干燥时间，同时强烈受样品厚度和形态影响（Babiker等，2026；?eremet等，2015）。Jiang等（2023）报道胡萝卜切片的薄层干燥实现了快速的水分减少，但由于热暴露也导致了结构收缩和质地变化。同样，关于秋葵干燥的研究表明，通过热风方法获得的较高干燥速率通常以牺牲产品质量为代价，尤其是在结构完整性和复水能力方面（Reid-Fitten等，2026）。尽管存在这些局限性，烘箱干燥由于其运行效率在工业应用中仍然高度相关，因此了解如何利用渗透预处理和样品形态等工艺变量来减轻质量损失同时保持干燥性能是至关重要的。

本研究的目的是评估渗透预处理和样品形态对冻干和烘箱干燥秋葵的水分活度、水分含量、干燥时间和水分比的影响。鉴于秋葵独特的黏液结构、内部异质性和高含水量，其反应可能与其他水果和蔬菜不同，因此了解形态的作用尤为重要。本研究旨在解决优化秋葵等高度易腐作物的干燥效率和产品稳定性的需求，因为不适当的加工条件会导致干燥时间延长。长时间暴露在干燥条件下可能会促进收缩和组织塌陷等结构变化，而水分去除不充分则可能导致产品稳定性差和货架期缩短。通过将预处理策略与形态改造相结合，并比较两种根本不同的干燥方法——以产品质量优先的冻干和以工艺效率为重点的烘箱干燥——本工作提供了对干燥行为的更全面理解。这种理解对于设计既适合工业应用又适合小规模应用的、具有成本效益且质量保真的干燥工艺至关重要。

## 各节概要

### 样品制备与渗透预处理

从批发市场获取新鲜秋葵（Abelmoschus esculentus L.）绿色荚果，品种为F1杂交种，最佳商业成熟期的平均尺寸约为12 cm×2 cm，并立即运至实验室。样品经清洗、按均匀性分级后，制备为四种形态，即斜切、水平切、纵切（荚果纵向剖开）和整荚，如图1所示。斜切和水平切样品切至厚度为……

### 冻干和烘箱干燥秋葵的水分活度

图2表明，水分活度（aw）在冻干和烘箱干燥两种方法下均显著下降。烘箱干燥的曲线更陡，表明下降速度更快，而冻干则更为平缓。热能与强制空气对流的结合促使食品表面快速蒸发，更快地减少自由水（Haydary等，2024）。8小时后，样品的aw值已在0.70–0.90之间，至24–32小时后……

## 结论

形态、渗透预处理和干燥方法的综合效应解释了秋葵样品达到5%水分含量所需干燥时间从32到80小时的巨大差异。水分活度值在所有处理中均稳步下降，并达到微生物学稳定水平以下（aw<0.6）。样品形态发挥了关键作用，其中斜切和水平切片表现最佳，整荚干燥效率最低。糖预处理始终延缓水分去除，因为……

## CRediT作者贡献声明

Yus Aniza Yusof：写作——审阅与编辑、监督、资源提供。
Mei Ching Tan：写作——审阅与编辑、监督、资源提供。
Nor Amaiza Mohd Amin：写作——审阅与编辑、监督、资源提供。
Muhammad Muhammad Abubakar：写作——原稿撰写、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据整理。
Nyuk Ling Chin：写作——审阅与编辑、监督、资源提供、方法学、资金获取、概念构思。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究由马来西亚博特拉大学资助，项目编号为Geran Putra IPS（GP-IPS/2025/9826500），并获博特拉大学食物配方与加工（IPPH）额外支持。

## 数据可用性

本研究产生和/或分析的数据集可从通讯作者处合理请求获取。

Muhammad Muhammad Abubakar | Nyuk Ling Chin | Yus Aniza Yusof | Nor Amaiza Mohd Amin | Mei Ching Tan

马来西亚博特拉大学工程学院食品与过程工程系，马来西亚雪兰莪州士布爹博特拉大学，邮编43400