菠萝切片在等温与常规热风干燥下的干燥动力学、能源效率及?性能的对比研究

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Comparative Drying Kinetics, Energy Efficiency, and Exergy Performance of Pineapple Slices Under Isothermal and Conventional Hot Air Drying

　　

热敏性水果的热风干燥通常受限于能源利用低效、处理时间长，以及由不受控传热传质引起的热力学不可逆性，这些问题共同导致过程效率下降与品质劣变。尽管大量研究致力于改善干燥性能，但多数调查分别评估动力学、品质与热力学行为，在表面温度受控（等温）干燥条件下将这些方面纳入统一框架的研究仍然有限。为弥补该空白，研究人员建立统一动力学—品质—?框架，系统评价成熟菠萝切片在50°C–70°C下常规干燥(CD)与等温干燥(ID)中的行为。该方法可直接耦合水分扩散行为、品质演变与熵产分析，既往研究很少涉及。与CD相比，ID使干燥时间缩短40%–42%，有效水分扩散率提高15%–18%，并呈现更低表观活化能，表明稳定热条件下水分传输更高效。然而收缩率降低15%–17%，同时ID下热诱导色变更明显，总色差(ΔE)增加95%–100%，显示结构保持与热降解之间的权衡。热力学上，ID达到更高峰值能源利用，而CD呈现更优累计?性能，表明不同不可逆路径。?效率在两种模式间也表现相反温度依赖性。总体而言，没有任何单一条件同时优化所有指标；但50°C的ID在动力学、能源效率、?行为与品质保持间最平衡。结果表明，等温干燥促进更高效水分传输，却加剧热力学不可逆性与热诱导色变，为多目标食品干燥系统优化提供系统依据。

研究背景方面，菠萝(Ananas comosus L.)因高水分含量易腐败，热风干燥(HAD, hot-air drying)虽简单可放大，但常规恒气温干燥存在时间长、能耗高、收缩与色变等品质劣化，根源在于供热能大量耗散于加热介质而非蒸发，热力学不可逆性高。既有水果干燥多聚焦葡萄或以?比较为主，菠萝研究又多偏向微波、红外与混合干燥，等温干燥(ID, isothermal drying)这种以产品表面温度恒定为核心的控制策略在高水分、高糖、多孔热带水果中的适用机制尚不清楚。因此研究人员在完全相同温度水平下对比常规干燥(CD, conventional drying)与ID，以分离温度控制策略本身的影响。

该研究发表于《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》，研究人员以泰国Nakhon Pathom本地市场成熟菠萝为样本，切为1.5×1.5×1.0 cm切片，在50°C、60°C、70°C下分别实施CD与ID热风干燥，集成干燥曲线、有效水分扩散率(D_eff, effective moisture diffusivity)、活化能(E_a, activation energy)、收缩率(%S)、CIE L^*a^*b^*色空间与总色差(ΔE)、能量利用率(EUR, energy utilization ratio)及?效率(η_ex, exergy efficiency)分析，构建动力学—品质—?统一框架。

主要关键技术方法概括：研究人员采用泰国本地成熟菠萝切片样本，以1.0 m s^-1风速在定制亚克力干燥腔内进行CD与ID两种模式试验；ID用非接触红外传感器反馈使样品表面温度恒定，CD仅恒空气温度、样品温度自然变化；通过载荷单元按60 s记录质量，温湿度传感器获取进排气状态，用Fick第二定律无限平板解析解估算D_eff，Arrhenius方程求E_a；品质上用色差仪与数显卡尺测颜色与体积收缩；热力学上基于稳态控制体与第一定律及湿空气焓、湿度比等空调(ASHRAE)关系算EUR，并以环境为死态用湿空气比?算蒸发?与η_ex；再用Savitzky–Golay滤波提取峰值、衰减率、达峰时间与曲线下面积(AUC, area under curve)，以ANOVA与Duncan检验比较。

3.1 干燥动力学：研究人员由水分比(MR, moisture ratio)与干燥速率曲线发现所有条件均无恒速段，属下落速率内部扩散控制；ID把总时间从10.49–11.12 h降到6.23–6.33 h，D_eff由2.84–3.01×10^-9升至3.39–3.44×10^-9 m² s^-1，提高约15%–18%；Arrhenius得CD的E_a为2.65 kJ mol^-1、ID为0.78 kJ mol^-1，说明ID下水分扩散对温度敏感度更低、内部热环境更稳定，高糖基质表面结皮与浓度障碍较弱。

3.2 物理品质变化：3.2.1 收缩：CD收缩75.35%–83.17%，ID为63.36%–69.89%，降低14%–17%；研究人员认为ID湿度梯度更均匀、细胞塌陷应力分散，宏观变形减小，但不代表微观细胞结构被电镜级保存。3.2.2 颜色分析：所有处理L^*下降、a^*与b^*上升；CD的ΔE为18.92–22.11，ID为39.57–42.93，高出约95%–100%；ID早期表面温升更快，非酶褐变与热色发育更强，黄色色素因脱水更显眼而非漂白色素。

3.3 能量与?分析：EUR随时间单调衰减，ID的EUR_max更高但衰减率(r_d,EUR)远大于CD，说明等温控制提升前期热能用于蒸发的比例，但水分快速脱除使高效期缩短。?效率呈先升后降再衰减；CD的η_ex,max随温度升至11.15%，ID在ID-50达10.33%后反降，说明高温等温带来更大不可逆性。AUC上CD-50最高，表明CD累计?表现更优；ID峰值能源利用高但累计?破坏更多，两条不可逆路径不同。

讨论部分总结：研究人员指出干燥时间、扩散率与收缩率改善来自等温表面温控降低了瞬态加热与糖浓缩障碍，但稳定高温也放大热色变；能量侧ID前期更高效，?侧CD更耐累计损失，因此不存在单条件全优。50°C ID在动力学、EUR、η_ex与品质间最平衡。该框架证明温度控制策略本身即可改变水果干燥的热力学与品质轨迹，对工业干燥器控制逻辑有设计价值。

结论部分翻译：总体而言，没有任何单一干燥条件同时优化所有被评价指标；然而，50°C下的等温干燥在动力学、能源效率、?行为与品质保持之间提供了最平衡的性能。这些发现表明，等温干燥在促进更高效水分传输的同时，会加剧热力学不可逆性与热诱导色变，从而为食品干燥系统的多目标优化提供系统依据。