预处理驱动的青芒果干燥调控：动力学、能耗、技术功能性与环境可持续性

《Food Science & Nutrition》：Pretreatment-Driven Modulation of Green Mango Drying: Kinetics, Energy Consumption, Techno-Functionality, and Environmental Sustainability

　　

芒果是一种季节性营养水果，因其丰富的营养和植物化学成分而广受认可。由于不利的环境因素和缺乏加工技术，每年有大量青芒果腐烂变质。本研究旨在分析不同预处理和温度对热风干燥青芒果切片的干燥行为、产品质量和环境性能的影响。四个样本组（包括对照组、1%柠檬酸（CA）处理组、热水热烫（HWB）组和蒸汽热烫（SB）组）分别在60°C、65°C和70°C下进行干燥。提高温度加速了所有处理组的水分去除速率，而热烫显著缩短了干燥时间，其中HWB表现出最高的干燥速率和最短的总持续时间。研究采用了几种薄层模型来描述干燥动力学，其中Midilli模型对对照组样本的拟合最好，而改进的Midilli I模型对所有预处理样本的描述最准确（R² > 0.99）。预处理还影响了干燥样本的能源性能和功能特性，其中热烫处理最为有效。感官评价表明，所有预处理样本在颜色和风味上均优于对照组。研究进行了从门到门的生命周期评估以确定环境足迹，并确定HWB为所评估系统边界内影响最小的预处理方法。总体而言，本研究为开发基于粉末的功能性成分过程中的青芒果高值化利用提供了有价值的见解。

青芒果具有较强的营养价值和独特的风味，但极易腐烂变质，每年因处理不当和储存条件不佳造成大量浪费。热风干燥因其成本效益高且易于扩展，在果蔬保藏中被广泛采用，但长时间的高温暴露易导致酶促和非酶促褐变、营养流失及色泽劣化。前期研究多聚焦于熟芒果的干燥或单一预处理对常规品质的影响，对青芒果干燥过程中的能效、环境可持续性及其他综合特性的比较研究依然缺乏。为减少青芒果的产后损失并指导其高值化利用，研究人员在《Food Science》上发表了本文，旨在全面评估不同预处理（包括对照组、1%柠檬酸（CA）浸泡、热水热烫（HWB）和蒸汽热烫（SB））和干燥温度（60°C、65°C和70°C）对青芒果切片干燥行为、热力学特性、能源性能、技术功能特性（即物料在加工和保藏中表现出的物理化学性质）以及环境足迹的综合影响。

本研究的原料样本队列来自孟加拉国拉杰沙希（24.2833° N 88.7750° E）某当地果园采摘的成熟青芒果（品种为BARI Aam-9）。在主要的研究技术方法上，研究人员首先将青芒果切片并在设定的条件下进行预处理，随后利用对流热风干燥箱进行薄层干燥实验。通过非线性回归将18种薄层数学模型与实验数据进行拟合，以评估干燥动力学。基于菲克第二定律确定了有效水分扩散率（D_eff）（表示水分在物料内部迁移的速率），并结合阿伦尼乌斯方程（描述反应速率对温度依赖性的方程）计算了活化能（E_a）等热力学参数。在能源评估中，测量了热效率（即有效热能与总输入热能之比）和特定能耗（SEC）等指标。对于功能特性和总酚含量（TPC），研究人员采用Folin-Ciocalteu法（用于测定抗氧化总酚含量的比色法）与离心分离技术进行了分析。此外，采用九点享乐量表（一种感官评价的标准量表）表对粉末色泽和风味展开感官评价，并运用生命周期评估（LCA）（量化产品全周期环境影响的方法）在ReCiPe 2016（H）方法下系统比较了从门到门（即仅考虑特定生产加工阶段）的环境影响。

Effect of Temperature and Pretreatment on Drying Characteristics
通过热风干燥实验得出，在所有处理组中，升高干燥温度均能加速水分去除，表现为水分比（MR）在干燥初期迅速下降，随后缓慢降低。热烫预处理有效缩短了总干燥时间，其中HWB相较于对照组分别减少了3小时（60°C）和2小时（65°C及70°C）的干燥时间。干燥速率呈现初期急剧升高随后持续降低的规律，HWB在早中期的干燥速率最高，这主要归因于高温破坏导致细胞通透性增加及内部传质阻力降低。

Thin-Layer Model Fitting
通过将实验MR数据拟合至18种数学模型，研究人员发现所有模型的决定系数（R²）均大于0.97。在中期，Midilli模型最适合描述未处理对照组的干燥行为，而改进的Midilli I模型对所有预处理样本表现出最佳拟合度（R² > 0.99），这是因为该类模型能同时描述初期的水分快速去除和后期的扩散控制阶段。

Effective Moisture Diffusivity and Thermodynamic Parameters
通过Fick第二定律线性化及阿伦尼乌斯模型计算得出，D_eff随温度升高而增加，并均在HWB处理中取得最高值（最高达2.03 × 10^-10 m²s^-1）。研究发现，HWB的D_eff表现最高且E_a达到最大值（39.72 kJ mol^-1），表明其水分扩散对温度变化极其敏感；相反，SB的E_a最低（21.82 kJ mol^-1），表现出较弱的温度敏感性。热力学参数表明，脱水过程是一个吸热过程（ΔH > 0）且属非自发过程（ΔG随温度由142增至146 kJ mol^-1左右）。此外，熵变（ΔS）的负值随温度升高而进一步下降，说明水分去除期间形成了一个更具有序性的过渡态。

Energy Efficiency and Specific Energy Consumption
通过记录干燥过程中的时间与能耗数据，结果显示升高温度显著提高了热效率并降低了特定能耗（SEC）。各组别的能源效率随着温度从60°C升至70°C而显著提升，预处理样本的MER（水分提取速率）和SMER（特定水分提取速率）均高于对照组。在70°C时，HWB在能源效能方面表现最优，达到了最高的能量效率η（25.4%）、SMER（0.3905 kg kWh^-1）以及最低的SEC（2.56 kWh kg^-1）。

Techno-Functional Properties and Total Phenolic Content
通过离心和物理化学分析结合，研究人员发现干燥温度和预处理对青芒果粉末的特性有显著影响。体积密度在不同处理区间差异不显著（0.65–0.86 g cm^-3）。水吸收容量（WAC）（表示粉末结合水的能力）受显著影响，在70°C时HWB处理粉末的WAC达到最高（1.70 g water g^-1 powder），而对照组在油吸收容量（OAC）上表现最优，热烫处理导致的细胞表面疏水性减弱是OAC降低的原因。总酚含量（TPC）随温度升高呈下降趋势，但预处理缓解了热降解。SB在60°C时最大化保留了总酚含量（143.83 ± 10.33 mg GAE/100 g DW），因为热烫迅速钝化了引起酚类降解的多酚氧化酶（PPO）且减少了水接触导致的溶出流失。

Sensory Analysis
通过感官主观打分评价得出，所有经预处理后的样本在颜色上均显著优于对照组，其中CA处理获得了最高的色泽评分。对于风味评价，CA样本依然保持最高分，这得益于有机酸通过降低pH值有效防止了酶促褐变。对照组由于未经保护而发生严重的酶促和氧化褐变，导致色泽暗淡且风味评分最低。

Life Cycle Assessment
基于SimaPro软件及ReCiPe 2016（H）层次评估方法的分析表明，在最佳能效的70°C条件下，HWB展现出最低的环境足迹。HWB在全球变暖潜势（3.87 kg CO₂ eq）、陆地酸化、一直延伸至人体致癌毒性等方面的中级影响指标均达到最低，这主要得益于其极短的干燥周期和较低的耗电量。相比之下，CA样本所需的上游化学原料生产等环节导致其在平流层臭氧耗竭和矿物资源稀缺性等类别表现出最高环境影响负担。

研究结论表明，青芒果的干燥过程高度依赖于预处理方式和热风温度。提升干燥温度与热烫处理能显著加快水分去除速率。虽然热烫漂烫（HWB）在加热环节对温度更为敏感，但其大幅缩短了干燥时间并取得了最高的热效率与扩散率，同时提炼出的粉末具有较高的水保持力。蒸汽热烫（SB）则在水溶性植物化学物质保留上表现最佳。作为常规化学抑制剂的柠檬酸（CA）处理在维持色泽和风味感官评价上得分最高。基于“从门到门”系统边界评估的生命周期（LCA）指出，生产和使用化学酸化剂的上游环境负担导致CA的环境危害最高；相反，HWB凭借极大降低的耗电量及其最短的干燥周期，其整体环境影响降至最低。综合分析认为，在实验室尺度上，HWB为最具可持续性且高效的预处理技术，能在保持具有竞争力的粉末特性的同时，显著降低青芒果加工中的能源需求与环境负担，从而为包括速溶汤料和功能性食品添加剂在内的高附加值果粉产品开发提供了实质性理论支持依据。