《Food Science & Nutrition》：From Waste to Functional Snack: Drying Kinetics, Neural Network Modeling, and Utilization of Tomato Pomace in Cracker Formulation
本研究探究了番茄渣（tomato pomace, TP）这一重要工业副产物的可持续增值利用途径，将其加工为番茄渣粉（tomato pomace powder, TPP）并应用于饼干配方中，以支持循环经济发展。研究人员采用对流烘箱干燥（convective oven drying, CO；50°C、60°C、70°C）和微波（microwave, MW；240 W、400 W）两种方法对TP进行干燥处理。干燥动力学通过理论模型与半经验模型进行分析，其中Dincer和Dost模型对水分扩散的描述最为准确。Biot数（Bi）值处于0.1–100范围内，表明干燥过程处于内部阻力与外部阻力均存在的混合控制区，但外部对流传质阻力被识别为更具主导作用的因素。人工神经网络（artificial neural network, ANN）建模在本研究特定实验条件下表现出比Weibull分布模型更高的预测性能。关于生物活性物质的保留方面，研究观察到一种权衡关系：虽然400 W微波干燥在总酚类化合物（total phenolic compounds, TPC）和抗氧化活性（antioxidant activity, AA）保留方面表现最佳且能量效率最高，但70°C对流干燥因对类胡萝卜素（番茄红素和β-胡萝卜素）及色泽稳定性的优越保留而被确定为烘焙应用的最优方法。重要的是，所有干燥样品中均未检测到5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, HMF）。优化后的TPP以10%、20%和30%的添加水平掺入饼干中，这一处理使饼干转变为功能性食品——引入了对照组中不存在的番茄红素和β-胡萝卜素，同时显著提高了TPC和AA。衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR）分析证实了基质的物理改性及水分活度（water activity, aw）的降低。尽管30%替代水平使生物活性最大化，但主成分分析（principal component analysis, PCA）和感官数据表明10%和20%的替代水平为最优配方，在功能富集与感官可接受性之间实现了最佳平衡。
论文解读
研究背景与问题
番茄是全球种植最广泛的作物之一，富含番茄红素、酚类化合物和抗坏血酸等有益健康的生物活性成分。根据联合国粮食及农业组织（FAO）数据，全球番茄产量约为2.625亿吨，其中约三分之一用于加工，由此产生大量称为番茄渣的湿态废弃物。番茄渣由果皮、果肉和种子组成，以往多被填埋、用作廉价肥料或动物饲料。在循环经济背景下，零废弃 approach 要求将这些废弃物重新纳入生产循环。番茄渣至少与番茄本身具有同等价值，因其富含膳食纤维（可达干重的60%）、类胡萝卜素（尤其是番茄红素和β-胡萝卜素）及酚类化合物。然而，番茄渣的高水分含量使其极易腐败变质，因此干燥成为最实用的保藏方法。
干燥是涉及质量和热量传递的水分去除过程，主要目标包括维持微生物与化学安全性、减小体积以便运输储存。对流干燥是最常用的干燥方法，但存在干燥时间长、能耗高、品质差等弱点；微波干燥则具有干燥速率快、能效高和产品品质优等优势，其原理是通过电磁波穿透物料使分子振荡产生热能，从而实现快速水分蒸发。由于番茄渣复杂的细胞基质使其对热处理高度敏感，通过建模准确识别干燥行为对于减少热敏性生物活性物质的损失至关重要。现有文献中关于番茄渣干燥动力学的专门研究相对匮乏，且多侧重于基础干燥参数或营养概况，缺乏对复杂质量传递机制的深入探究。
研究目的与意义
本研究旨在填补上述空白，通过对流干燥（50°C、60°C、70°C）和微波干燥（240 W、400 W）处理番茄渣，系统分析干燥特性、能耗、生物活性物质保留、色泽属性及粉末性质，并建立数学模型与ANN模型。此外，研究通过主成分分析（PCA）筛选最优粉末，将其作为面粉替代品添加至饼干中（10%、20%、30%），评估饼干的生物活性、色泽、感官特性及ATR-FTIR光谱特征，以全面验证番茄渣在可持续废弃物增值与新产品开发中的潜力。该研究发表于《Food Science》，为番茄渣的循环利用提供了完整的技术框架。
关键技术方法
本研究用到的主要关键技术方法包括：干燥处理方面采用对流烘箱干燥（50°C、60°C、70°C，自然对流条件）和微波干燥（240 W、400 W），样品铺层厚度2 mm；干燥动力学建模采用Crank解、异常扩散模型和Dincer & Dost方法计算有效水分扩散系数（D
eff）、Biot数和传质系数，并运用Weibull分布等六种薄层干燥模型及ANN（tansig传递函数、6个神经元、60:20:20数据集划分）进行预测建模；生物活性分析包括Folin-Ciocalteu法测定TPC、DPPH法测定AA、2,6-二氯?酚法测定抗坏血酸（ascorbic acid, AscA）、溶剂萃取-分光光度法测定番茄红素和β-胡萝卜素、比色法测定HMF；理化性质测定涵盖色泽（L*、a*、b*）、水分活度、持水力、堆密度、Carr指数和Hausner比；光谱分析采用ATR-FTIR（400–4000 cm
?1，分辨率2 cm
?1）；统计与多元分析包括方差分析（ANOVA）、Duncan事后检验和PCA；感官评价由20名半训练评价员采用5点快感标度完成。
研究结果
干燥特性与能耗：所有样品最终水分含量约为0.05 g水·g
?1干物质，水分活度0.42–0.43。干燥时间随温度或功率升高而缩短：对流干燥从50°C的810 min降至70°C的390 min，微波干燥从240 W的46 min降至400 W的23 min。干燥能力（S）、传质系数（h
m）和有效扩散系数随温度升高而增大。Dincer和Dost模型预测精度最高（R
2更高、RMSE更低）。Biot数接近混合控制区下限（~0.1），表明外部对流传质阻力为主导因素。比能耗（specific energy consumption, SEC）方面，微波干燥约为对流干燥的四分之一，400 W能效最高。
番茄渣干燥建模：六种薄层干燥模型中，Midilli和Kücük模型与Weibull分布模型拟合最佳（R
2 > 0.9987）。ANN模型表现出更高的预测精度和更低的误差率，且未出现过拟合（训练、验证和测试趋势一致），证明其为可靠的干燥行为表征工具。
粉末性质：持水力（water holding capacity, WHC）范围848.33%–1105.56%，50°C对流干燥最高，240 W微波干燥最低。Carr指数（CI）和Hausner比（HR）表明微波干燥显著改善粉末流动性，而较高功率略有降低。
色泽特性：干燥后L*值显著升高（38.30升至56.98–59.39），可能与粒度减小导致的光散射增强及热处理引发的色素异构化-氧化漂白有关。a*值因色素浓缩而升高，但400 W微波处理的a*值显著较低，提示高热功率导致热敏性色素降解。b*值呈上升趋势，同样受物理浓缩效应驱动。总色差ΔE为20.65–24.05。
TPC、AA和AscA含量：新鲜样品TPC为399.54 mg GAE·100 g
?1干物质，AA为1.88 mmol TE·100 g
?1干物质，AscA为274.86 mg·100 g
?1干物质。干燥后TPC范围154.21–427.81 mg GAE·100 g
?1干物质，400 W微波干燥与新鲜样品无显著差异；AA范围0.76–1.63 mmol TE·100 g
?1干物质，400 W微波干燥损失最小；AscA损失显著，240 W微波干燥保留最高（143.75 mg·100 g
?1干物质），50°C对流干燥损失最大。较高温度或功率减少TPC和AA损失，可能与结合态酚类释放有关。
番茄红素和β-胡萝卜素含量：新鲜番茄红素909.51 mg·100 g
?1干物质，干燥后432.83–559.86 mg·100 g
?1干物质，各处理间无显著差异；新鲜β-胡萝卜素83.54 mg·100 g
?1干物质，干燥后44.40–51.16 mg·100 g
?1干物质，70°C对流干燥保留最高。主要降解机制为热处理下的异构化和氧化反应。
HMF含量：所有样品均未检测到HMF，推测与榨汁过程中还原糖被大量去除有关，确保了化学安全性。
ATR-FTIR分析：对流干燥粉末（50°C–70°C）在多糖（~3330 cm
?1、1200–900 cm
?1）、脂质（~2920、2850、1740 cm
?1）和蛋白质（~1630–1650 cm
?1）区域呈现特征峰，无峰位移表明化学骨架未显著改变，但随温度升高吸光度系统性增强，可能与表面接触质量有关。微波干燥保持一致的化学轮廓，240 W的O-H强度较高反映残留水分较多，400 W的多糖区域信号较强与高效脱水导致的相对浓度效应有关。
PCA分析：前两个主成分解释87.0%方差。PC1区分干燥方法：微波处理与更高抗氧化能力相关，对流干燥与物理稳定性及类胡萝卜素含量相关。PC2与色泽相关。70°C对流干燥被选为烘焙应用最优候选，因其兼顾类胡萝卜素保留与红黄色泽。
饼干色泽特性：TPP添加使L*值从74.48降至43.75（30%组），a*值从11.46升至超过36.09，b*值在10%和20%组达最大。颜色变化源于TPP的深红色素及烘焙中非酶褐变反应增强。
饼干生物活性：TPC从19.75升至138 mg GAE·100 g
?1，AA从0.1升至0.76 mmol TE·100 g
?1，AscA从22.5升至38.38 mg·100 g
?1，番茄红素和β-胡萝卜素在对照组中未检出，添加组分别达0–130.42 mg·100 g
?1和0–15.45 mg·100 g
?1。水分活度随TPP添加显著降低。
ATR-FTIR分析：TPP添加后出现~1740 cm
?1肩峰（果胶和脂质的C=O伸缩振动），证实TPP成功整合。随TPP比例增加，多糖特征峰吸光度系统性降低，这与纤维性TPP增加表面粗糙度、削弱ATR晶体接触有关。该结果与水分活度降低相关，高纤维含量通过氢键结合游离水，增强货架稳定性和脆性。
感官分析：10%和20% TPP配方在各参数中得分最高且无显著差异，30%组显著下降。高纤维含量过量时破坏面团结构完整性，导致质地致密坚硬、口感粗糙。
PCA分析：PC1（53%）为"生物活性富集与色泽轴"，PC2（44.9%）为"感官可接受性与质地轴"。20% TPP配方处于左上象限（负PC1、正PC2），成功结合显著生物活性富集与高感官接受度，为最优平衡点。
讨论与结论总结
研究表明，TP可有效升级为功能性食品配料，直接支持循环经济和零废弃倡议。干燥动力学揭示水分去除主要由外部对流阻力控制，表面蒸发为速率限制步骤。传统模型虽能提供满意预测，但ANN方法具有更优的稳健性和灵活性，是工业干燥实时过程控制的高效工具。
干燥方法存在策略性权衡：400 W微波干燥虽最大化能效和抗氧化物保留，但70°C对流干燥因对番茄红素、β-胡萝卜素及特征红色素的优越保留而更适合作烘焙应用。所有处理均未检出HMF，化学安全性得到确认。
TPP掺入饼干显著增强营养 profile，使普通零食转变为膳食纤维和必需色素的来源。ATR-FTIR分析表明高纤维负荷可能物理性改性基质，有效结合游离水并增强货架稳定性。尽管更高替代水平最大化生物活性，20% TPP配方 emerged as 最优"平衡点"，在提供 substantial 功能益处的同时不损害评价员偏好的感官接受度、脆性和风味特性。这些发现表明TPP是一种可行、可持续且促进健康的增值零食产品开发添加剂。
研究结论翻译：
本研究表明，TP能够被有效地升级利用为功能性食品配料，直接支持循环经济和零废弃倡议。干燥动力学研究揭示，水分去除主要由外部对流阻力控制，表面蒸发为速率限制步骤。虽然传统模型提供了令人满意的预测，但ANN方法具有更优的稳健性和灵活性，证明是工业干燥中实时过程控制的高效工具。
关于干燥方法存在策略性权衡：虽然400 W微波干燥最大化了能效和抗氧化物保留，但70°C对流干燥因其对番茄红素、β-胡萝卜素和特征红色素的优越保留而被发现是最适合烘焙应用的方法。所有处理生产的粉末的化学安全性通过HMF的完全缺失得到确认。
将TPP掺入饼干显著增强了其营养 profile，将一种标准零食转变为膳食纤维和必需色素的来源。ATR-FTIR分析表明，高纤维负荷可能物理性地改性了基质，有效结合了游离水并增强了货架稳定性。虽然更高的替代水平最大化了生物活性，但20% TPP配方 emerged as 最优"平衡点"，提供了实质性的功能益处，同时不损害评价员偏好的感官接受度、脆性和风味特性。这些发现表明，TPP是一种可行、可持续且促进健康的添加剂，可用于开发增值零食产品。
