热脉冲制度对热风干燥菠萝片干燥动力学及能–?性能的影响

《Measurement: Food》：Influence of Thermal Pulse Regimes on Drying Kinetics and Energy–Exergy Performance of Hot-Air Dried Pineapple Slices

　　

本研究评价了热脉冲制度对菠萝片热风干燥过程中干燥动力学、热力学性能及物理品质变化的影响。研究人员开发了一种改进型间歇热风干燥（Intermittent Hot-Air Drying, IHAD）策略，即在维持60°C恒定基础气温的同时，以不同脉冲频率周期性施加短时热脉冲。干燥行为采用薄层模型（thin-layer models）描述，所有模型均与实验数据表现出极佳的吻合度（R2 > 0.996），其中Midilli模型拟合效果最优。干燥主要发生在降速干燥阶段（falling-rate period），脉冲辅助操作增强了干燥动力学。在所测试条件中，TPR8表现出最高的干燥速率常数及最快的水分去除速率。热力学性能通过能利用比（Energy Utilization Ratio, EUR）和?效率（exergy efficiency, η_ex）进行评估。与连续干燥相比，脉冲辅助制度显著改善了这两项指标。最大EUR从81.98%提升至89–91%，而η_ex从6.56%提升至约10.0–10.6%。累积?性能以TPR10最高。物理品质评价表明，热脉冲干燥在一定程度上影响了收缩率，而色泽变化在各处理间保持统计学相似。收缩率值范围为70.59%至82.46%，总色差（?E）值范围为24.77至27.03。仅收缩率存在显著差异，TPR8表现出最低值，而各干燥条件下的色泽变化无显著差异。这些结果表明，间歇热脉冲改善了干燥动力学和热力学性能，且未对色泽品质产生不利影响，尽管其对收缩率的影响有限但可测量。总体而言，所提出的脉冲辅助干燥策略在改善干燥动力学和热力学效率的同时保持了可接受的物理品质，证明了其作为提升热风干燥系统性能有效方法的潜力。

该研究发表于《Measurement: Food》期刊，聚焦于农产品干燥领域的能效提升与品质调控问题。研究背景方面，菠萝作为泰国重要的经济作物，其鲜食与加工产业面临季节性过剩、价格波动及采后货架期有限等挑战，亟需有效的加工技术以提升产品稳定性与附加值。热风干燥（Hot-Air Drying, HAD）因其操作简便、设备投资低且适应性强，成为果品保藏最常用的工业化技术之一。然而，该过程本质上属于高能耗操作，且常导致色泽劣变、质地退化及营养损失等 undesired quality deterioration。从热力学角度，干燥性能可通过基于热力学第一定律的能量分析及基于第二定律的?分析进行评价；能量分析可量化总能耗，而?分析则能深入揭示能量品质、系统不可逆性及过程低效环节，为优化提供依据。传统HAD通常在恒定气温下运行，但物料内部温度与水分分布随干燥过程动态演变，导致传热传质效率低下，尤其在降速干燥阶段内部扩散主导水分迁移时更为突出。为应对这一局限，间歇干燥策略被广泛研究，其通过周期性调控干燥条件（如温度、气流或能量输入）以增强内部水分迁移、降低热应力并提升整体干燥效率。然而现有研究多依赖完全中断加热、阶梯式温度调整或结合微波、红外等辅助能源，对于在恒定基础干燥温度上叠加短时热脉冲的策略关注有限，且脉冲频率（以关闭时段持续时间定义）对干燥动力学与热力学性能的耦合影响尚缺乏系统研究。

针对上述问题，研究人员提出了一种改进型间歇热风干燥策略，在维持60°C恒定基础气温的同时，周期性施加20秒高温热脉冲，脉冲关闭时段分别设为8 min（TPR8）、10 min（TPR10）及12 min（TPR12），以连续干燥（TPR0）为对照，系统研究了不同热脉冲制度对菠萝片干燥特性的影响。研究得出以下核心结论：Midilli模型能最优描述干燥动力学；脉冲辅助干燥显著提升了干燥速率与热力学性能，最大能利用比由81.98%提升至89–91%，最大?效率由6.98%提升至约10.0–10.6%；TPR10具有最优累积?性能；物理品质方面，TPR8收缩率显著低于连续干燥，但各处理间色泽无显著差异。该研究的意义在于为高能效热风干燥系统的设计与优化提供了新的实验依据，证明在维持恒定基础温度的同时施加可控热扰动可有效提升对流干燥性能。

研究样本来源于泰国Nakhon Pathom当地市场的成熟菠萝（Ananas comosus L.），果实平均质量1.54 ± 0.35 kg，总可溶性固形物含量14.25 ± 2.54 °Brix，pH值4.5 ± 0.5，初始干基含水率7.45 ± 0.76 g水/g干物质。样品切成1.5 × 1.5 × 1.0 cm的块状，4 × 4阵列排布于干燥托盘。

研究所采用的主要技术方法包括：（1）基于薄层干燥方程的干燥动力学建模，选用Lewis、Page、Logarithmic及Midilli–Kucuk四种经验模型，采用非线性回归估计参数，以决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和约化卡方（χ2）评价拟合优度；（2）基于有限差分法的干燥速率计算；（3）基于稳态流动控制体模型的能量–?热力学分析，包括能利用比（EUR）与?效率（η_ex）的计算，其中湿空气热力学性质采用ASHRAE（2017）推荐关联式；（4）信号平滑处理，采用Savitzky–Golay滤波器（三阶多项式，窗口大小61个数据点）处理EUR与?效率时间序列数据以提取特征参数，包括最大值（EUR_max, η_ex,max）、变化速率（r_d,EUR, r_u,ηex, r_d,ηex）、峰值时间（t_peak）及曲线下面积（Area Under Curve, AUC）；（5）物理品质评价，采用数字游标卡尺测量三维尺寸以计算体积收缩率（%S），采用CIE L*a*b*色空间系统测定色泽参数并计算总色差（?E）；（6）统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）结合Duncan多重比较检验（p < 0.05）。

研究结果部分，"干燥曲线与模型选择"小节表明，四种薄层模型在所有热脉冲制度下均表现出高拟合优度（R2 > 0.996），基于R2、RMSE及χ2的综合评价，Midilli模型被选为最优模型。该模型兼具指数项与线性项，对间歇加热条件下的复杂水分传输具有更强的灵活性。预测干燥曲线呈现典型的指数下降趋势，初始快速失水后进入 prolonged falling-rate period，证实了内部扩散主导的水分去除机制。脉冲间隔缩短对应更高的干燥常数（k），TPR8具有最高值，表明更频繁的热循环增强了水分迁移；方差分析证实TPR8显著高于TPR10和TPR12，而TPR0显著低于所有间歇制度。

"干燥速率特性"小节显示，所有条件下的干燥速率曲线呈现相似趋势：初始快速上升后持续下降至接近零，未观察到恒速干燥阶段，验证了扩散控制的干燥机制。间歇干燥显著影响干燥动力学，TPR8具有最高干燥速率和最快水分去除，其次为TPR10和TPR12。这一改善归因于周期性空气–物料界面的更新，增强了传质推动力。

"能量利用比（EUR）"小节中，EUR时间曲线在所有处理中呈现一致模式：初始高值后随干燥进程逐渐下降，反映可用水分减少及蒸发速率降低。间歇制度显著提高了最大能量利用比（EUR_max），TPR0最低（81.98 ± 0.19%），而TPR8（89.53 ± 0.84%）、TPR10（89.45 ± 1.37%）及TPR12（91.12 ± 0.06%）均显著提高，TPR12达到最高。EUR衰减率（r_d,EUR）在间歇条件下亦增加，从TPR0的18.64 ± 0.18 s?1增至TPR12的20.55 ± 0.06 s?1。EUR–含水率关系进一步表明，短时脉冲制度能更有效地在较低含水率下维持较高EUR水平，顺序为TPR8 > TPR10 > TPR12。

"?效率（η_ex）"小节中，?效率呈现特征性瞬态行为：快速上升至峰值后随干燥进程下降。间歇制度显著提高了最大?效率（η_ex,max），TPR0最低（6.56 ± 0.34%），而TPR8（10.58 ± 0.17%）、TPR10（10.42 ± 0.31%）及TPR12（10.01 ± 0.53%）均显著提高。上升速率（r_u,ηex）在TPR10最高（222.40 s?1），衰减率（r_d,ηex）在间歇条件下较高（约49–53 s?1）。累积热力学性能（AUC）在间歇条件下从TPR0的9.43 × 10? %·s增至1.33–1.41 × 10? %·s，TPR10达到最高值，表明中等脉冲间隔可能提供了能量输入与不可逆性之间的更有利平衡。

"收缩率"小节显示，收缩率值范围为70.59%至82.46%，TPR8具有最低均值（70.59 ± 5.17%），显著低于TPR0；TPR10和TPR12呈中间值，但与TPR0或TPR8均无显著差异。高脉冲频率下较低的收缩率可能与间歇关闭期间临时性水分再分布及内部应力部分松弛有关，但因缺乏直接微观结构或应力测量，该解释尚属推测。

"色泽分析"小节中，总色差（?E）值范围为24.77至27.03，所有处理间无显著差异（p > 0.05）。TPR10具有最低均值但未达到统计显著。色泽变化的相似性可能归因于间歇关闭期间减少了产品基质内的持续热积累，限制了长时间高温暴露，或因TPR8较快的水分去除缩短了有效热暴露时间。

"整体热力学性能"小节总结了EUR与?效率的互补分析，指出间歇干燥在所有指标上均优于连续干燥，但最优制度因指标而异：TPR12产生最高EUR_max，TPR8实现最高η_ex,max，TPR10获得最高AUC，证明能量利用改善与热力学效率提升并非直接对应，多准则评价对全面评估干燥性能至关重要。

讨论与结论部分，研究人员指出该研究的主要贡献包括：（1）开发了恒定基础温度下的脉冲辅助IHAD系统；（2）系统评价了脉冲频率对干燥动力学的影响；（3）整合EUR与?效率以同时评估能量利用的数量与品质；（4）评价了热脉冲条件下的关键物理品质响应。研究结果明确表明，间歇热脉冲策略可在维持可接受物理品质的同时增强对流干燥中的能量利用与热力学性能。然而，研究也存在局限性：实验仅在单一干燥温度（60°C）和单一风速（1.0 m·s?1）下进行，限制了结果向其他操作条件及工业化规模应用的推广性；缺乏内部温度与水分分布测量，限制了对耦合传热传质过程的机理阐释。

研究结论部分翻译如下：该研究调查了热脉冲制度对菠萝片热风干燥过程中干燥动力学、热力学性能及物理品质变化的影响。Midilli模型对实验数据提供了最佳整体拟合，证实了所有条件下水分去除主要发生在降速干燥阶段。与连续操作相比，间歇干燥通常改善了能量与?性能：最大能利用比从81.98%提高至89–91%，最大?效率从6.56%提高至约10.0–10.6%。累积?性能（AUC）进一步表明间歇操作下热力学有效性增强，其中TPR10达到最高值（1.41 × 10? %·s），提示在所测试条件下能量输入与不可逆性之间存在最优平衡。物理品质评价显示，处理间收缩率存在显著差异，而与连续干燥相比色泽变化无显著差异。收缩率值范围为70.59%至82.46%，总色差（?E）值范围为24.77至27.03。尽管TPR8表现出显著低于TPR0的收缩率，但其余脉冲条件呈中间值，与TPR0或TPR8均无显著差异。这些发现表明，间歇热脉冲可能在特定脉冲条件下减少结构收缩，同时维持可比的视觉品质。然而，结论受限于狭窄的实验域，因实验仅在单一干燥温度（60°C）和单一风速（1.0 m/s）下进行，限制了结果向其他操作条件和工业化规模应用的推广性。因此，研究发现应被理解为受控实验室规模见解，而非普适性设计或放大准则。总体而言，该研究提供了有用的实验证据，证明热脉冲策略可在受控干燥条件下增强对流干燥中的能量利用与热力学性能。