创新的微波和混合干燥技术用于减少温室气体排放，对特定能耗、干燥动力学进行比较评估，并结合绿色菠萝蜜片的质量特性进行建模

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Innovative microwave and hybrid drying strategies for the reduction of GHG emissions, comparative evaluation of specific energy consumption, drying kinetics, and modeling with quality traits of green jackfruit slices

　　托比乌尔·侯赛因·艾哈迈德（Tobiul Hussain Ahmed）|马尤尔·克里希纳·达斯（Mayur Krishna Das）|马赫什·库马尔·加格拉伊（Mahesh Kumar Gagrai）|比普尔·达斯（Bipul Das） 印度阿萨姆邦乔尔哈特（Jorhat）785006，CSIR-东北科学和技术研究所（CSIR-North East Institute of Science and Technology）化学工程系 **摘要** 农业领域的干燥技术在减少温室气体（GHG）排放和缓解全球变暖方面发挥着至关重要的作用。本研究采用了针对不同阶段的干燥策略，对菠萝蜜切片进行了实验，比较了微波增强型干燥、微波最终干燥、两阶段微波干燥和热风干燥三种方法在12种操作条件下的性能。评估了这些方法在干燥时间、比能耗（SEC）、恒速干燥阶段、降速干燥阶段和整个干燥过程中的预计温室气体排放量、干燥动力学、建模以及产品质量属性等方面的表现。在天然气联合循环情景下，当功率为400–100瓦时，观察到最低的比能耗，以及相应的二氧化碳（CO2）排放量（5317克/千克）和氮氧化物（NOx）排放量（23克/千克）。与60°C的烤箱干燥相比，特定阶段的微波干燥（400–300瓦）策略使干燥时间减少了96.2%，且扩散率最高，达到1.48×10^-4米^2·秒^-1。降速干燥动力学可以用Midilli模型来描述热风烤箱干燥过程，而Henderson和Pabis模型可以描述微波干燥过程。在控制功率（100瓦）条件下进行的两阶段微波干燥最适合保持菠萝蜜的天然颜色，并获得最高的复水率（4.69）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了主要化合物（如碳水化合物和蛋白质）的一致存在。本研究通过结合动力学、能耗、排放量和质量属性，在定义的实验条件下对干燥策略进行了比较和筛选评估。 **引言** 菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus Lam.）在热带和亚热带地区广泛种植，主要生产中心位于印度[1][2]。据《阿萨姆统计手册》[3]统计，印度占全球产量的40–45%，其中仅阿萨姆邦2023–2024年的产量就达到了约241,998公吨。尽管如此，该行业仍面临诸多挑战，包括25–40%的产后损失，主要是由于冷藏设施不足、产品易腐性高、物流条件差以及加工能力有限[4]。增加对产后加工技术（尤其是干燥技术和价值链开发）的投资，可能会促进菠萝蜜在商业应用中的更广泛使用。绿色菠萝蜜具有低血糖指数和抗性淀粉，有助于控制血糖水平，并因其高纤维和低热量含量而对胃肠道健康和体重管理有益[5][6]。它还是一种潜在的植物性肉类替代品[7]。干燥可以减小产品的体积，从而提高储存和运输效率[8]，同时降低运输过程中的温室气体排放。了解干燥行为，特别是水分损失的动力学，对于设计高效的干燥系统、保持产品质量至关重要。 关于菠萝蜜干燥技术的文献涵盖了多种方法及其对干燥动力学、物理化学性质和感官质量的影响。研究探讨了各种干燥技术，包括对流干燥、带有超声波处理的红外干燥、反射窗干燥和冷冻干燥，这些技术都会影响干燥时间、水分含量、营养成分保留以及颜色、质地和风味等感官属性。Giraldo-Zu?iga等人[9]和Page的模型展示了数学建模在预测水分扩散率和干燥速率方面的有效性。总体而言，这些研究强调了根据菠萝蜜产品的特点调整干燥技术的重要性，以实现效率、营养成分保留和感官吸引力的平衡。 在工业生产单元中，干燥过程由于热效率低（25-50%）而消耗大量能源，并释放大量温室气体[10]。混合干燥系统可将与干燥相关的温室气体排放量减少50-80%[11]，同时保持食品安全和质量标准。预计到2030年，能源消耗将增加40%[12]。干燥过程占工业总能源使用的12-25%，大多数传统干燥器依赖化石燃料或燃煤电力，产生大量二氧化碳（CO2）和间接温室气体（如氮氧化物NOx和二氧化硫SO2）[13]。农业部门占全球能源使用的很大比例，约为总能量的30%，其中3.62%用于农产品的干燥。能源成本持续上升，因此必须通过推进干燥技术来降低成本。为克服这些障碍，必须科学地解决干燥过程中的能源消耗问题。 文献中，研究人员报告了使用各种类型干燥器对水果、蔬菜和其他农产品进行干燥时的比能耗（SEC）和温室气体排放量。综述研究表明，先进的干燥技术在减少温室气体排放和提高干燥能效方面发挥着关键作用，同时也关注了化石燃料和燃煤发电对环境的影响。Motevali等人[14]和Kaveh等人[15]一致指出，微波和混合干燥系统（包括热风-微波混合系统和光伏-热太阳能干燥系统）的比能耗和温室气体排放量低于传统干燥方法，可减少45-100%的二氧化碳排放[16]。Kumar和Kandpal[17]的研究发现，太阳能干燥通过替代化石燃料具有显著的二氧化碳减排潜力，混合模式太阳能干燥器实现了较高的燃料节省和经济可行性（例如，茶叶干燥的最低二氧化碳减排成本）。超声波、冷等离子体和脉冲电场预处理以及微波-对流干燥中的能量回收等创新技术[18]进一步降低了14.1-28.6%的排放量。总体而言，这些研究表明，微波、混合和太阳能辅助干燥技术具有应用于高水分食品干燥的潜力，有助于实现更清洁的能源转型。 与其他干燥方法相比，太阳能干燥是一种成本效益高且环保的技术。但在印度东北部地区，由于天气条件和独特的气候，太阳能干燥面临重大挑战。漫长而强烈的雨季严重限制了太阳能干燥的效果，因为高湿度和频繁的降水会干扰所需的持续阳光照射，从而影响水分的有效去除。因此，需要采用替代干燥技术来确保可靠的加工过程并减少产后损失。现有文献强调，微波和混合微波干燥是传统方法的潜在替代方案，在假设的电力生成情景下，它们可以降低比能耗（SEC）和减少温室气体排放[18][19]。