电水动力学干燥留兰香（Mentha pulegium）：动力学、能量、?、品质属性及生物活性化合物稳定性

《Applied Food Research》：Electrohydrodynamic Drying of Pennyroyal ( Mentha pulegium): Kinetics, Energy, Exergy, Quality Attributes, and Bioactive Compound Stability

　　

在干燥过程中保存留兰香（Mentha pulegium）等植物的药用价值面临一个根本挑战：传统热干燥方法不可避免地降解构成植物有益特性的相当比例的挥发性及热敏性化合物。受此局限性的推动，研究人员考察了电水动力学（EHD）干燥这一非热且节能的技术。为此，评估了两个操作参数——外加电压（14、17和20 kV）与电极间距（2、3和4 cm）——对干燥速率、比能耗（SEC）、?效率、物理品质属性及生物活性化合物的影响。实验结果表明，提高电压同时减小电极间距可加速水分脱除速率并缩短整体处理时间。有效水分扩散系数（Deff）介于2.21×10-10至4.31×10-10 m2/s之间，较高电压使其提升11.5%至22.3%。最低SEC与最高?效率记录于20 kV与2 cm电极间距条件下。在2 cm间距下将电压由14 kV升至20 kV，SEC降低9.9%至22.7%，而?效率由17.52%升至32.21%。增强的电晕放电及其产生的离子风破坏了叶片周围边界层，从而促进试样的水分传递。中等电场强度为光合色素（总叶绿素与类胡萝卜素，呈一致趋势）提供最大保护，而最大电极间距（4 cm）在保留总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）和抗氧化活性（AA）方面最为有效。这种差异凸显酚类与黄酮类化合物比色素更易受氧化与化学降解。此外，采用TOPSIS法的多准则优化纳入三种权重情景下的11项性能指标，确定20 kV与3 cm电极间距为均衡情景首选条件（Ci=0.593），节能优先时推荐20 kV与2 cm（Ci=0.803），品质导向应用时17 kV与4 cm更优（Ci=0.716）。这些发现为基于特定应用优先级选择EHD操作参数提供了实用决策支持框架。

研究背景与立项依据

留兰香（Mentha pulegium）作为芳香药用植物，其精油富含单萜及酚类、黄酮类成分，在食品、制药与功能产品中地位显著。干燥是降低水分活度、延长货架期的关键单元操作，但传统热风干燥因时间-温度关系、氧暴露与酶活会导致褪色、叶绿素降解及酚类修饰，对薄荷属芳香植物尤为突出。非热、低温且强化传质的电水动力学（EHD）干燥通过电晕放电产生离子风破坏物料边界层、降低传质阻力，可在低温下以低能耗运行。然而已有EHD研究多具基质依赖性，针对留兰香尚未见同时整合干燥动力学、有效水分扩散系数（D_eff）、比能耗（SEC）、?效率、复水比、色泽、TPC、TFC、DPPH自由基清除活性、叶绿素a/b及总类胡萝卜素的系统多准则评价。研究人员因此以留兰香为对象，在受控因子设计中考察电压（14、17、20 kV）与电极间距（2、3、4 cm）的影响，并借TOPSIS法给出决策框架。该文发表于《Applied Food Research》。

主要关键技术方法

研究人员购自伊朗阿尔达比勒当地市场的鲜留兰香，4±0.5 ℃冷藏，初水分基（干基）6.95±0.05。采用自研台式EHD干燥机（针-板电极，60根不锈钢针极，0–35 kV可调高压电源），薄层装样100 g，在24±1 ℃、28±2%相对湿度下，按3×3因子（电压×间距）各独立重复3次；离子风速度由皮托管配微压计测定（20、17、14 kV分别对应0.28、0.18、0.1±0.01 m/s）。水分比（MR）按初值、平衡值与瞬时值计算，干燥速率（DR）由差分商得，D_eff由Fick第二定律解析解（一维无限平板近似）求算；SEC定义为单位脱水量耗电，?效率由输入电?与蒸发?之比获得。品质端测定复水比、CIE色泽、TPC（Folin–Ciocalteu法）、TFC（NaNO₂-AlCl₃法）、DPPH清除率及叶绿素a/b、总类胡萝卜素（分光法）。多准则决策采用TOPSIS，集成11项指标、三种权重情景。

研究结果

1. 1.
   干燥动力学与有效水分扩散
   提高电压、缩小间距使MR下降更快、DR峰值更高、总干燥时间缩短。D_eff在2.21×10^-10–4.31×10^-10 m²/s，20 kV较14 kV提升11.5%–22.3%；离子风速度随电压增大（0.1→0.28 m/s），边界层破坏增强为机理。
2. 2.
   能量与?分析
   SEC随电压升高、间距缩小而下降；20 kV/2 cm处SEC最低，较14 kV/2 cm降低9.9%–22.7%。?效率同趋势上升，由14 kV/2 cm的17.52%增至20 kV/2 cm的32.21%。EHD以表面传质强化替代体积加热，减少不可逆性与高动能气流需求。
3. 3.
   物理品质
   复水比随处理强度变化温和；色泽（绿度?a、黄蓝b）在中等电场强度（如17 kV/3 cm）保留最佳，过高场强或过小间距引发轻微褐变。
4. 4.
   生物活性化合物保留
   光合色素（总叶绿素、类胡萝卜素）在中等电场强度下损失最小；TPC、TFC与DPPH抗氧化活性在最大间距4 cm（尤其17 kV/4 cm）保留最高，说明酚/黄酮更易受氧化-化学降解而非热漂变。电压过高、间距过窄虽快干但促氧化。
5. 5.
   TOPSIS多准则优化
   11指标（含时间、SEC、?效率、ΔE、复水比、TPC、TFC、AA、叶绿素、类胡萝卜素）在均衡权重下20 kV/3 cm最优（C_i=0.593）；节能权重下20 kV/2 cm居首（C_i=0.803）；品质权重下17 kV/4 cm居首（C_i=0.716）。

讨论与结论翻译

讨论指出，EHD干燥留兰香时“速干-节能”与“酚类/黄酮保留”存在参数背离：传质强化需高场强/窄间距，而抗氧化组分保护需弱场强/宽间距，色素则偏好中场强。这源于离子风剪切与局部臭氧/活性氧随场强上升，对酚羟基与黄酮骨架的氧化压力超过热应力下降的收益。TOPSIS框架把工程指标与品质指标置于同一尺度，使操作人员按产品定位（精油价重、抗氧化剂重或能耗重）选点。

结论（译自原文结论意旨）：在留兰香EHD干燥中，电压14–20 kV与间距2–4 cm范围内，升电压缩间距可提升D_eff与?效率、降SEC，但中等场强利色素、宽间距利酚/黄酮；TOPSIS确认20 kV/3 cm为均衡最优，20 kV/2 cm为节能最优，17 kV/4 cm为品质最优。该研究首次为留兰香给出EHD多准则参数决策表，证明EHD可作热风干燥的低温节能替代，且参数须依目标定制。