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

Preservare l'abbondanza del raccolto è una delle sfide più antiche dell'umanità, particolarmente nelle regioni tropicali dove la frutta fresca deperisce rapidamente sotto il sole. L'essiccazione rimane uno dei metodi più affidabili per prolungare la vita degli alimenti, trasformando i prodotti deperibili in ingredienti stabili che possono essere conservati, trasportati e gustati molto tempo dopo la fine della stagione. Tuttavia, l'essiccazione non è semplicemente una questione di applicazione di calore; è un processo fisico complesso in cui l'acqua si muove dall'interno di un frutto verso la sua superficie e poi evapora nell'aria. Per rendere questo processo efficiente, gli scienziati studiano come diverse varietà di frutta si comportino sotto specifiche condizioni, cercando schemi matematici che descrivano esattamente la velocità con cui perdono umidità. Questa conoscenza permette agli ingegneri di progettare essiccatori migliori e di prevedere quanto tempo impiecerà un lotto di frutta per essere lavorato, garantendo che il prodotto finale mantenga la sua qualità senza sprecare energia o tempo.

In questo contesto, ricercatori in Nicaragua hanno rivolto la loro attenzione al nance, un piccolo frutto giallo-arancio nativo dei tropici. Noto per la sua polpa cremosa e il suo distintivo sapore dolce-acido, il nance è ricco di vitamina C e antiossidanti, il che lo rende un ingrediente prezioso per marmellate, succhi e altri prodotti alimentari. Nonostante il suo potenziale culinario, il frutto viene spesso sprecato quando diventa troppo maturo. Per trovare un modo migliore per preservarlo, un team di ingegneri chimici ha investigato il comportamento di essiccazione della polpa di nance. Volevano comprendere la meccanica precisa di come la polpa si asciughi, identificare gli strumenti matematici migliori per prevedere il processo e misurare l'energia necessaria per rimuovere l'acqua. Il loro lavoro si è concentrato su un tipo specifico di configurazione di essiccazione: un tunnel in scala di laboratorio dove l'aria calda soffia costantemente su uno strato sottile di polpa di frutta.

I ricercatori hanno condotto i loro esperimenti posizionando la polpa di nance in un vassoio poco profondo ed esponendola a un flusso d'aria che si muoveva a una velocità costante di 2,0 metri al secondo. Hanno testato tre diverse temperature: 60, 70 e 80 gradi Celsius. Mentre l'aria calda passava sopra la polpa, il team ha monitorato attentamente il peso del campione nel tempo per tracciare quanta acqua stesse lasciando il frutto. Hanno osservato che la polpa non si asciugava a una velocità costante; al contrario, la velocità di perdita d'acqua rallentava continuamente con il progredire del processo. Ciò indicava che l'intero evento di essiccazione avveniva durante quello che è noto come periodo di velocità decrescente (falling rate period), in cui il movimento dell'acqua dal centro della polpa alla superficie diventa il fattore limitante. Hanno anche notato che la polpa si restringeva fisicamente mentre perdeva acqua, un dettaglio comune ma importante che influenza il modo in cui il materiale si comporta.

Per dare un senso a queste osservazioni, il team ha confrontato i propri dati sperimentali con sei diversi modelli matematici comunemente usati dagli scienziati per descrivere l'essiccazione. Questi modelli sono essenzialmente equazioni che tentano di prevedere come il contenuto di umidità cambi nel tempo in base alla temperatura e ad altri fattori. Dopo aver elaborato i calcoli, i ricercatori hanno scoperto che due modelli specifici, sviluppati da Midilli e colleghi e da Alonso e colleghi, si adattavano meglio ai dati reali rispetto agli altri. Questi due modelli sono stati in grado di prevedere accuratamente la curva di essiccazione, catturando le sfumature di come la polpa di nance perdesse umidità. Il successo di questi modelli suggerisce che essi tengano conto dei cambiamenti fisici specifici, come il ritiro, che avvengono nella polpa durante l'essiccazione.

Oltre a prevedere semplicemente quanto tempo occorra per l'essiccazione, il team ha calcolato quanto facilmente l'acqua si muove attraverso la polpa di nance. Questa proprietà, nota come diffusività dell'umidità effettiva, misura la velocità con cui le molecole d'acqua viaggiano attraverso il materiale. Hanno scoperto che questa velocità aumentava al crescere della temperatura. Alla temperatura più bassa testata, l'acqua si muoveva a una velocità di circa 2,48 x 10⁻⁹ metri quadrati al secondo, mentre alla temperatura più alta, la velocità è salita a circa 4,04 x 10⁻⁹ metri quadrati al secondo. Questo aumento avviene perché le temperature più elevate conferiscono alle molecole d'acqua maggiore energia, permettendo loro di muoversi più liberamente ed uscire dal frutto più velocemente. I ricercatori hanno inoltre determinato l'energia di attivazione per il processo, ovvero la quantità minima di energia necessaria per avviare la reazione di essiccazione. Hanno calcolato questo valore pari a 23,62 kilojoule per mole, una cifra che aiuta gli ingegneri a comprendere l'efficienza energetica del processo di essiccazione.

Lo studio conferma che l'essiccazione della polpa di nance è un processo governato dal periodo di velocità decrescente, in cui la diffusione interna controlla la velocità di rimozione dell'acqua. Identificando i modelli matematici più accurati e quantificando il movimento dell'acqua, i ricercatori hanno fornito una tabella di marcia chiara per la lavorazione di questo frutto. Le loro scoperte dimostrano che, sebbene la polpa si restringa e l'essiccazione rallenti nel tempo, il processo può essere previsto in modo affidabile utilizzando equazioni specifiche. Questo lavoro offre una base pratica per le industrie che intendono trasformare la polpa fresca di nance in prodotti alimentari stabili e a lunga conservazione, assicurando che il sapore unico e il valore nutrizionale del frutto possano essere preservati con maggiore efficienza.