焦亚硫酸钾（KMS）预处理下香蕉片干燥动力学、有效水分扩散系数及热力学分析

《AgriEngineering》：Drying Kinetics, Effective Moisture Diffusivity, and Thermodynamic Analysis of Banana Slices Under Potassium Metabisulfite (KMS) Pretreatment

　　

本研究探讨了干燥温度与焦亚硫酸钾（potassium metabisulfite, KMS）预处理对青香蕉片干燥动力学、有效水分扩散系数、活化能、热力学性质及薄层干燥模型性能的影响。研究人员将香蕉片（厚度4 ± 0.5 mm）置于浓度为0（对照）、0.5%、1.0%和1.5%的KMS溶液中进行预处理，随后在40、50、60和70 °C的对流托盘干燥机中进行干燥。干燥过程主要表现为降速阶段。有效水分扩散系数范围为2.04 × 10^?10 至 4.35 × 10^?10 m²/s，并随干燥温度升高而增大。表观活化能从未处理对照的16.19 kJ/mol降至1.5% KMS条件下的13.46 kJ/mol。热力学分析得出焓值为10.61–13.59 kJ/mol，熵值为?209.15至?219.72 J/mol·K，吉布斯自由能值为76.35–87.73 kJ/mol。ΔG为正值表明在所研究条件下水分去除为非自发过程，需要外部热能输入。研究人员采用R²、RMSE和χ²评估了十种薄层模型；在所研究的温度和KMS浓度范围内，Midilli–Kucuk模型给出最佳整体拟合效果。由于各处理间的最终水分含量存在差异，干燥时间比较额外标准化至插值水分含量10% d.b.（干基）。

**研究背景、问题与研究目的**

香蕉（Musa spp.）是重要的热带水果作物，青香蕉因含水量高、生理活动旺盛而极易发生采后变质。将青香蕉加工为干片和面粉可延长产品利用率，香蕉面粉因其淀粉、膳食纤维和功能特性已被研究用于烘焙等食品领域。干燥是香蕉的成熟保鲜方法，可降低水分可利用性并便于处理、贮存和运输；但干燥过程能耗较高，若条件选择不当还会导致色泽、质构和营养品质的不良变化。基于扩散理论的对流干燥数学模型可表征水分迁移行为并估算有效水分扩散系数（Deff）。预处理可通过改变组织通透性、降低水分迁移阻力来调整干燥行为，同时有助于控制褐变。然而，现有综述表明，将预处理浓度与有效水分扩散系数、活化能、热力学参数及在相同对流干燥条件下系统比较多种薄层模型的研究相对较少。为此，研究人员开展了本项机理诠释性研究，将KMS浓度（0–1.5%）和干燥温度（40–70 °C）与干燥速率行为、表观有效水分扩散系数、活化能、热力学参数及十种薄层模型的比较评价相联系起来，为KMS辅助干燥青香蕉片提供基于传质和能量的解释，并建立比较干燥时间的共同水分基准。该论文发表在《AgriEngineering》。

**关键技术方法**

研究人员以印度拉贾斯坦邦乌代布尔Savina市场采购的Nendran品种青香蕉（成熟度2期）为原料，洗净、去皮后手工切片至4 ± 0.5 mm厚度。样品分别经0（对照）、0.5%、1.0%和1.5%的KMS溶液预处理10 min，随后在实验室托盘干燥机（风速2.5 m/s）中于40、50、60和70 °C下进行对流干燥，每种处理设三次独立重复。干燥动力学分析采用Fick无限平板扩散解，从ln(MR)长时间近似线性区域斜率估算表观有效水分扩散系数（Deff）；基于Arrhenius型方程由ln(Deff)对1/T的斜率计算表观活化能（Ea）；通过Eyring关系计算焓变（ΔH）、熵变（ΔS）和吉布斯自由能变（ΔG）；并以Page、Henderson–Pabis、Logarithmic、Newton、Two-term、Two-term exponential、Wang and Singh、Diffusion approximation、Verma et al.和Midilli–Kucuk十种薄层干燥模型对实验水分比数据进行非线性回归拟合，采用R²、均方根误差（RMSE）和降卡方（χ²）联合评估拟合优度。

**研究结果**

**干燥特性与预处理的影响。** 水分含量在干燥初期迅速下降，随后趋于平缓，整个干燥过程呈以降速期为主的曲线形态（无可测恒速期）。终点干燥时间为270–480 min，最终水分含量为5.95–8.95% d.b.。由于各处理终点水分含量不同，研究人员额外在插值水分含量10% d.b.下进行统一比较，该时间范围为227.0–437.6 min。0.5% KMS处理一般产生最短的干燥轨迹，而浓度增至1.0%和1.5%时未出现成比例的进一步缩短，表明预处理效应具有条件依赖性而非浓度的单调函数。

**干燥速率。** 干燥速率曲线显示干燥主要发生在降速期。温度升高提高干燥速率；在70 °C下，0.5% KMS处理表现出最高初始干燥速率，与先前报道的约0.046 g water/(g dry matter·min)一致。随干燥进行，自由水分减少、内部基质水分迁移阻力增大，干燥速率持续下降，表明内部水分迁移在干燥后期提供重要阻力。

**水分扩散系数与活化能。** 表观Deff范围为2.04 × 10^?10–4.35 × 10^?10 m²/s，随温度升高而增大。方差分析（ANOVA）表明，干燥温度和KMS预处理均在1%显著性水平上显著影响表观水分扩散系数。活化能计算显示，未处理对照的Ea最高（16.19 kJ/mol），KMS浓度增至0.5%、1.0%和1.5%时分别降至15.06、14.43和13.46 kJ/mol，表明预处理降低了水分迁移的表观能量壁垒。

**热力学性质。** 热力学分析得出ΔH为10.61–13.59 kJ/mol，随温度升高（40→70 °C）而略微下降；ΔS为负值（?209.15至?219.72 J/mol·K），表明活化态构型有序度增加；ΔG为正值（76.35–87.73 kJ/mol），表明所研究条件下水分去除为非自发过程，需外部热能输入。这些参数均为由干燥模型导出的表观热力学量。

**薄层干燥建模。** 十种模型的R²范围为0.9567–0.9991，RMSE为0.0112–0.07219，χ²为0.00016–0.00573。Midilli–Kucuk模型在联合准则下给出最佳整体拟合，但该结论仅限于所研究的温度和KMS浓度范围，不应解释为所有干燥条件下的普遍优越性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，所有模型均在同一个实验数据集上完成拟合与评估，R²、RMSE和χ²仅作为拟合优度的描述性指标而非独立验证统计量；Deff为表观参数，其数值取决于线性化区域的选择和无限平板近似，且由于修订稿中未提供重复级原始干燥曲线，衍生参数未报告标准差，这一局限被明确承认而非从平均曲线估算。研究的主要局限性包括：未直接测量平衡水分含量、采用表观无限平板扩散近似、缺乏电能消耗和运行成本的直接测量。结论部分表明：干燥温度与KMS预处理的联合效应证明，青香蕉片的水分去除主要受降速行为控制；表观有效水分扩散系数在2.04 × 10^?10至4.35 × 10^?10 m²/s范围内随温度升高而增大；表观活化能从未处理对照的16.19 kJ/mol降至1.5% KMS条件下的13.46 kJ/mol；热力学分析给出ΔH为10.61–13.59 kJ/mol、ΔS为?209.15至?219.72 J/mol·K、ΔG为76.35–87.73 kJ/mol，表明该过程为非自发过程，需外部热能输入；达到插值10% d.b.水分含量的时间范围为227.0–437.6 min，为处理比较提供了比不同终点干燥时间更合适的基准；在评估的十种模型中，Midilli–Kucuk模型在所研究范围内给出最佳整体拟合优度，但其优越性应视为条件特异性的。未来工作应将KMS预处理与能量/?分析、产品质量评估、重复级不确定性量化及中试规模下共同目标水分含量的验证相结合。