不同干燥方法、加盐处理及形状对太阳能干燥番茄的储存稳定性、微生物品质及能量性能的影响

《The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology》：Storage stability, microbial quality, and energy performance of solar-dried tomato as affected by drying method, salting, and geometry

　　阿卜杜拉·埃尔沙瓦德菲·埃尔瓦基尔|霍萨姆·S·埃尔贝尔塔吉
埃及阿斯旺市阿斯旺大学农业与自然资源学院农业工程系，邮编81528

**摘要**
在户外太阳辐射强度不稳定的情况下，要生产出品质稳定的番茄干产品，就需要一种既能有效去除水分，又能保证产品在储存期间品质的干燥系统。本研究设计并评估了一种温度响应型直射太阳能干燥机，用于番茄干燥，并在埃及阿斯旺半多云条件下将其性能与传统的露天干燥法进行了比较。研究采用了因子实验设计，结合了两种干燥方法、两种盐处理方式以及三种番茄切割形状：6毫米厚切片、四等分块和二等分块。该温度响应型干燥机通过实时监测箱内温度自动调节气流，而干燥过程的性能则通过干燥时间、能源效率及能量势效率来评估。干燥后的样品在密闭的聚乙烯包装中储存120天，其储存稳定性通过含水量、水分活度、颜色参数、总色差、番茄红素含量、总菌落计数、酵母和霉菌数量以及复水率等指标进行检测。通过主成分分析明确了不同处理方式之间的差异，同时通过经济指标分析了该技术的实际应用可行性。研究表明，与传统露天干燥法相比，这种温度响应型干燥机在所有处理条件下都能缩短干燥时间，其能源效率和能量势效率分别达到了57.38%和15.82%。在储存过程中，采用该干燥机处理的番茄干品质优于传统露天干燥法的产物，其中经过盐处理的切片在120天后的储存品质最为优异。主成分分析解释了99.2%的总变异量，表明干燥方法和储存品质指标之间存在明显差异。经济分析也表明，在现有假设条件下，该技术具有较高的实用价值，成本效益比高于1.0，投资回收期在4.11至13.35年之间。总体而言，温度响应型直射太阳能干燥技术、盐处理以及合适的番茄切割方式相结合，提升了番茄干产品的干燥效果、储存稳定性及品质保持能力。

**引言**
番茄（Solanum lycopersicum）是全球范围内种植和消费最广泛的蔬菜之一（Hanson, 2016），因其富含多种营养成分而备受重视，这些成分包括各种维生素、矿物质以及番茄红素和β-胡萝卜素等抗氧化物质（Irina et al., 2024）。然而，番茄的含水量通常在93–95%之间，这一高含水率使得它们极易变质，尤其是在缺乏适当保鲜设施的地区，会导致严重的产后损失（Amr and Raie, 2022; Elwakeel et al., 2025b）。干燥是一种传统且有效的延长番茄保质期的方法，通过降低其含水量，从而抑制微生物生长和酶的活性（Elwakeel et al., 2024, 2025c; Mahmoud and Elwakeel, 2021）。全世界有多种干燥方法，包括露天干燥、太阳能干燥以及工业干燥系统。每种方法在效率、成本、营养成分保留程度以及产品品质方面都有各自的优缺点（Bhatkar et al., 2021; Elavarasan et al., 2022; Kumar et al., 2015; Natarajan et al., 2024; Pravitha et al., 2024）。

露天干燥，也就是日晒干燥，是最传统且应用最广泛的干燥方法，尤其是在发展中国家。虽然这种方法成本低廉且所需的基础设施最少，但它也存在诸多问题（Elavarasan et al., 2020; Natarajan et al., 2023; Pravitha et al., 2024; Suraparaju et al., 2024）。干燥过程严重依赖天气条件，因此容易因降雨或高湿度而中断。此外，番茄还会受到灰尘、昆虫和动物等环境污染物的影响，进而影响干燥产品的卫生状况和品质。有研究指出，在热带和亚热带地区，通过传统露天干燥方式，多达70%的农产品会变质（Eissa et al., 2024; Elangovan and Natarajan, 2022, 2023a; Gohain et al., 2026; Shimpy et al., 2022b）。而且，由于无法控制干燥参数，往往会导致干燥不均匀，从而降低产品品质（Elangovan and Natarajan, 2023b; Inyang et al., 2017; Natarajan and Elavarasan, 2019; To?rul and Pehlivan, 2004）。工业干燥系统，如热风干燥、真空干燥和冷冻干燥，能够精确控制干燥参数，从而生产出高品质的番茄干产品（Elwakeel et al., 2022）。不过，这类系统能耗较高，需要大量的资金投入，因此小型农户和加工企业难以使用（Bhanu et al., 2021; Elangovan and Natarajan, 2021; Elavarasan et al., 2021; Jangam et al., 2011; Kemp, 2012; Kumar Natarajan et al., 2019）。

太阳能干燥机为番茄干燥提供了更为可控的环境，有效解决了露天干燥带来的诸多问题（Fang et al., 2023; Pravitha et al., 2024; VijayaVenkataRaman et al., 2012; Wang et al., 2022）。封闭结构可以保护番茄免受环境污染物和恶劣天气的影响，从而确保干燥过程的卫生性（Elwakeel et al., 2025a; Khater et al., 2026; Zhang et al., 2026）。此外，可控的环境还能保持稳定的干燥温度和气流，从而使番茄干干燥更加均匀，同时更好地保留其营养价值和感官品质（Ghanem et al., 2025; Metwally et al., 2026; Younis et al., 2025）。基于这些研究成果，已有不少研究针对不同的太阳能干燥配置和操作条件下的番茄干燥进行了探讨。例如，有研究指出，使用被动式或混合模式干燥机对番茄切片进行太阳能干燥后，其最终含水量可降至12–14%，且微生物安全性优于传统日晒干燥（Owureku-Asare et al., 2022）。另外，比较研究还发现，优化后的太阳能干燥机配置能够显著缩短干燥时间，这进一步证明了干燥机设计对干燥速率的重要影响（Nabnean et al., 2016）。此外，预处理技术和样品形状也被认为是影响番茄干燥效果的关键因素。使用氯化钠进行渗透预处理可以提升水分扩散效率，加快水分去除速度，从而缩短干燥时间并提高产品稳定性（Azumah et al., 2024a）。同样，减小番茄切片厚度也能显著提升干燥速率，因为这样能增加表面积，减少内部传质阻力，在可控气流条件下，薄层样品的干燥速度会更快（Elwakeel et al., 2024a）。从技术层面来看，近年来用于番茄干燥的太阳能干燥系统在提高能源利用效率和过程控制方面取得了进展。那些配备热储存装置或太阳能追踪功能的混合式太阳能干燥机，在气候条件多变的情况下，其能源效率和产品质量都有显著提升（César et al., 2020c; Elwakeel et al., 2024a; Mokhtarian et al., 2022）。尽管有了这些发展，目前大多数关于番茄干燥的研究仍然采用固定的气流条件，缺乏能够应对太阳辐射强度变化的自适应控制机制。

能源分析和能量势分析对于评估和提升太阳能干燥系统的性能具有重要意义，尤其是在可持续性方面（Yogendrasasidhar and Setty, 2018）。这些分析有助于了解不同干燥技术的效率及其对环境的影响，从而为开发更可持续、更具成本效益的解决方案提供指导（Elwakeel et al., 2026d, 2026b, 2026c; Hadibi et al., 2022; A. Lingayat et al., 2020a）。能源分析和能量势分析是评估太阳能干燥机性能以及识别运行过程中能量转换损失的有效工具（Azeddine et al., 2024）。例如，有一项针对集成铜管作为换热器的混合式太阳能-生物质干燥机的研究显示，在有阳光照射时，该干燥机的能量势效率在5.6%到95.13%之间。其可持续性指数则在2.3到6.11之间，这表明该干燥过程的改进空间和可持续性潜力很大（Ndukwu et al., 2020）。更为先进的能量势分析进一步提升了我们对太阳能干燥机性能的理解。在一项针对太阳能混合式食品脱水机的研究中，通过先进能量势分析找到了效率低下的原因，并评估了实际的改进可能性。研究结果表明，优化加热源的运行条件可以显著降低效率，在某些加热模式下，能量势效率甚至可达到97.41%（Amjad et al., 2022）。

尽管已有不少关于番茄太阳能干燥的研究，但以往的研究大多集中在干燥速率、最终含水量或太阳能干燥系统的热性能方面。而较少有研究关注干燥机运行与干燥后储存稳定性、微生物质量指标、颜色保持情况、番茄红素保留率以及长期储存时的复水行为之间的关系。此外，许多太阳能干燥研究都是在固定运行条件下进行的，而实际的太阳能干燥过程会受到太阳辐射强度和环境温度波动的显著影响。因此，本研究提出对一种经过设计的温度响应型直射太阳能干燥机进行综合评估，该干燥机能够根据箱内温度自动调节气流。本研究的主要贡献在于，同时分析了干燥方法、盐处理以及番茄切割形状对干燥性能、能源-能量势性能以及120天储存稳定性的影响。与那些仅单独研究干燥机性能或产品品质的研究相比，这种综合分析方式为选择适合番茄干生产的加工条件提供了更为全面的依据。

本研究旨在确定，将温度响应型直射太阳能干燥机与盐处理以及合适的番茄切割方式相结合，是否能够比传统露天干燥法更好地提升番茄干产品的干燥性能、热力学性能以及储存品质。具体研究目标包括：
? 评估干燥方法、盐处理以及番茄切割形状对干燥时间和水分去除效率的影响；
? 在半多云条件下，评估所设计的温度响应型干燥机的能源效率、能量势效率以及能量平衡情况；
? 在120天的储存期内，监测含水量、水分活度、颜色参数、总色差、番茄红素含量、总菌落计数、酵母和霉菌数量以及复水率等储存品质指标的变化情况；
? 比较采用该温度响应型干燥机与传统露天干燥法处理的番茄干产品的微生物质量指标及品质保持情况；
? 确定最适合的生产方案，以获得保质期更长、品质更高且微生物污染更少的番茄干产品；
? 运用因子统计分析以及基于主成分分析的多变量可视化方法，阐明不同处理方式对干燥性能、储存品质以及微生物质量指标的影响关系。

**所设计的温度响应型干燥机简介**
这款温度响应型干燥机是为在自然太阳辐射条件下干燥番茄而设计和制造的。如图1所示，该系统由干燥室、透明玻璃盖、波纹状黑色铝制吸热板、干燥托盘、直流通风风扇、测量与数据记录装置、光伏电源以及支撑金属框架组成。干燥机的整体尺寸为300厘米×100厘米×20厘米。干燥室采用3毫米厚的玻璃覆盖，以便让太阳辐射进入。

**环境与天气条件**
一系列受控的干燥实验于2025年2月22日至27日在埃及阿斯旺大学的农业学院进行。每项实验都在白天进行，即08:00至17:00，这一时段太阳辐射最为充足。实验时间被划分为多个连续的白天干燥阶段，每个阶段从08:00持续到17:00。

**太阳辐射、环境温度、风速以及干燥机进出口空气温度的时间变化情况**

**结论**
本研究在埃及阿斯旺半多云条件下，评估了一种温度响应型直射太阳能干燥机用于番茄干燥的适用性，并将其性能与传统露天干燥法进行了比较。该温度响应型干燥机能够根据箱内温度自动调节气流，从而为番茄提供更为受保护和可控的干燥环境，这使得它的干燥时间更短，能源效率和能量势效率也优于传统露天干燥法。研究结果表明，干燥方法、盐处理等因素都会对番茄干的干燥效果产生影响。

**局限性与未来研究方向**
本研究的结论应在其特定的实验条件下加以解读。所有干燥实验都是在埃及阿斯旺半多云天气下的六天内完成的，因此，如果在不同的季节和气候条件下进行进一步验证，将有助于提升该温度响应型干燥机的通用性。此外，目前的储存试验是在实验室的常温环境下、使用密闭的聚乙烯包装进行的，没有考虑其他可能的影响因素。

**资金支持**
本研究得到了沙特阿拉伯费萨尔国王大学科学研究处及研究生与科学研究副主席办公室的资助，项目编号为KFU263731。

**作者贡献说明**
阿卜杜拉·埃尔沙瓦德菲·埃尔瓦基尔：概念设计、数据整理、定量分析、资金申请、实验研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、实验监督、结果验证、数据可视化、初稿撰写及论文修改。霍萨姆·S·埃尔贝尔塔吉：概念设计、数据整理、定量分析、资金申请、实验研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、实验监督、结果验证、数据可视化、初稿撰写。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何利益冲突。

**致谢**
作者感谢沙特阿拉伯费萨尔国王大学科学研究处及研究生与科学研究副主席办公室对本次研究的支持。