Mathematical modelling of thin-layer drying of nance pulp (Byrsonima crassifolia (L.) Kunth)

Die Bewahrung der Ernteerträge ist eine der ältesten Herausforderungen der Menschheit, insbesondere in tropischen Regionen, in denen frisches Obst unter der Sonne schnell verdirbt. Das Trocknen bleibt eine der zuverlässigsten Methoden, um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern, indem leicht verderbliches Erzeugnis in stabile Zutaten verwandelt wird, die gelagert, transportiert und lange nach der Saison genossen werden können. Das Trocknen ist jedoch nicht bloß eine Frage der Anwendung von Hitze; es ist ein komplexer physikalischer Prozess, bei dem Wasser aus dem Inneren einer Frucht an die Oberfläche wandert und dann in die Luft verdunstet. Um diesen Prozess effizient zu gestalten, untersuchen Wissenschaftler, wie sich verschiedene Früchte unter spezifischen Bedingungen verhalten, und suchen nach mathematischen Mustern, die genau beschreiben, wie schnell sie Feuchtigkeit verlieren. Dieses Wissen ermöglicht es Ingenieuren, bessere Trockner zu entwerfen und vorherzusagen, wie lange eine Charge Obst für die Verarbeitung benötigen wird, um sicherzustellen, dass das Endprodukt seine Qualität behält, ohne Energie oder Zeit zu verschwenden.

In diesem Zusammenhang richteten Forscher in Nicaragua ihre Aufmerksamkeit auf die Nance, eine kleine, gelb-orangefarbene Frucht, die in den Tropen heimisch ist. Bekannt für ihr cremiges Fruchtfleisch und einen charakteristischen süß-sauren Geschmack, ist die Nance reich an Vitamin C und Antioxidantien, was sie zu einer wertvollen Zutat für Marmeladen, Säfte und andere Lebensmittelprodukte macht. Trotz ihres kulinarischen Potenzials wird die Frucht oft verschwendet, wenn sie überreif wird. Um einen besseren Weg zu ihrem Erhalt zu finden, untersuchte ein Team von Chemieingenieuren das Trocknungsverhalten von Nance-Fruchtfleisch. Sie wollten die präzisen Mechanismen verstehen, wie das Fruchtfleisch trocknet, die besten mathematischen Werkzeuge identifizieren, um den Prozess vorherzusagen, und die für die Wasserentnahme erforderliche Energie messen. Ihre Arbeit konzentrierte sich auf einen spezifischen Typ von Trocknungsaufbau: einen Labor-Tunnel, in dem heiße Luft stetig über eine dünne Schicht des Fruchtfleisches bläst.

Die Forscher führten ihre Experimente durch, indem sie das Nance-Fleisch in ein flaches Tablett legten und es einem Luftstrom aussetzten, der sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2,0 Metern pro Sekunde bewegte. Sie testeten drei verschiedene Temperaturen: 60, 70 und 80 Grad Celsius. Während die heiße Luft über das Fruchtfleisch strömte, überwachte das Team sorgfältig das Gewicht der Probe im Zeitverlauf, um zu verfolgen, wie viel Wasser aus der Frucht entwich. Sie beobachteten, dass das Fruchtfleisch nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit trocknete; stattdessen verlangsamte sich die Rate des Wasserverlusts im Verlauf des Prozesses kontinuierlich. Dies deutete darauf hin, dass das gesamte Trocknungsereignis während der sogenannten fallenden Ratenperiode stattfindet, in der die Bewegung des Wassers vom Zentrum des Fruchtfleisches zur Oberfläche der limitierende Faktor wird. Sie stellten auch fest, dass das Fruchtfleisch physisch schrumpfte, während es Wasser verlor, ein häufiges, aber wichtiges Detail, das beeinflusst, wie sich das Material verhält.

Um diese Beobachtungen einzuordnen, verglich das Team seine experimentellen Daten mit sechs verschiedenen mathematischen Modellen, die Wissenschaftler üblicherweise verwenden, um das Trocknen zu beschreiben. Diese Modelle sind im Wesentlichen Gleichungen, die versuchen vorherzusagen, wie sich der Feuchtigkeitsgehalt über die Zeit basierend auf der Temperatur und anderen Faktoren verändert. Nach der Berechnung der Zahlen fanden die Forscher heraus, dass zwei spezifische Modelle, die von Midilli und Kollegen sowie von Alonso und Kollegen entwickelt wurden, die realen Daten besser abbildeten als die anderen. Diese beiden Modelle waren in der Lage, die Trocknungskurve genau vorherzusagen und die Nuancen erfassten, wie das Nance-Fruchtfleisch seine Feuchtigkeit verlor. Der Erfolg dieser Modelle deutet darauf hin, dass sie die spezifischen physikalischen Veränderungen, wie etwa die Schrumpfung, berücksichtigen, die während des Trocknens im Fruchtfleisch auftreten.

Über die bloße Vorhersage hinaus, wie lange das Trocknen dauert, berechnete das Team, wie leicht Wasser durch das Nance-Fruchtfleisch wandert. Diese Eigenschaft, bekannt als effektive Diffusionskonstante der Feuchtigkeit, misst, wie schnell Wassermoleküle durch das Material reisen. Sie fanden heraus, dass diese Geschwindigkeit mit steigender Temperatur zunahm. Bei der niedrigsten getesteten Temperatur bewegte sich das Wasser mit einer Rate von etwa 2,48 mal 10 hoch minus 9 Quadratmeter pro Sekunde, während es bei der höchsten Temperatur auf etwa 4,04 mal 10 hoch minus 9 Quadratmeter pro Sekunde beschleunigte. Diese Zunahme geschieht, weil höhere Temperaturen den Wassermolekülen mehr Energie geben, wodurch sie sich freier bewegen und schneller aus der Frucht entweichen können. Die Forscher bestimmten auch die Aktivierungsenergie für den Prozess, also die Mindestmenge an Energie, die benötigt wird, um die Trocknungsreaktion zu starten. Sie berechneten diesen Wert auf 23,62 Kilojoule pro Mol, eine Zahl, die Ingenieuren hilft, die Energieeffizienz des Trocknungsprozesses zu verstehen.

Die Studie bestätigt, dass das Trocknen von Nance-Fruchtfleisch ein Prozess ist, der durch die fallende Ratenperiode bestimmt wird, in der die interne Diffusion die Geschwindigkeit der Wasserentnahme kontrolliert. Durch die Identifizierung der genauesten mathematischen Modelle und die Quantifizierung der Wasserbewegung haben die Forscher eine klare Roadmap für die Verarbeitung dieser Frucht bereitgestellt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass das Fruchtfleisch zwar schrumpft und das Trocknen im Laufe der Zeit langsamer wird, der Prozess jedoch mit spezifischen Gleichungen zuverlässig vorhergesagt werden kann. Diese Arbeit bietet eine praktische Grundlage für Industrien, die bestrebt sind, frisches Nance-Fruchtfleisch in stabile, langlebige Lebensmittelprodukte zu verwandelt, um sicherzustellen, dass der einzigartige Geschmack und der Nährwert der Frucht mit größerer Effizienz bewahrt werden können.