Mathematical modelling of thin-layer drying kinetics of Matricaria pubescens leaves

技術要約：Matricaria pubescens 葉の薄層乾燥動力学の数学的モデリング

問題提起
アルジェリアの乾燥および半乾燥地域に自生する薬用植物である Matricaria pubescens (Desf.) Sch.Bip. は、ポリフェノール、フラボノイド、縮合タンニンを含む重要な植物化学的価値を有しており、これらは抗酸化、抗糖尿病、および抗高血圧作用を示します。しかし、本植物は通常、高い含水状態で収穫されるため、微生物による汚染や生理活性化合物の酵素的分解を防ぐために、迅速な乾燥が不可ло必須です。M. pubescens の植物化学的特性については十分に文書化されていますが、その乾燥動力学に関する文献には決定的な空白が存在します。乾燥プロトコルが最適化されない限り、植物材料の品質と治療効果が損なわれるリスクがあります。本研究は、M. pubescens の乾燥挙動に関するデータの欠如に対処し、特に空気温度と風速が乾燥動力学に与える影響を調査し、プロセス予測に最も適した数学的モデルを特定することを目的としています。

方法論
研究は、制御された条件下でラボ用風洞（Gunt-Hambuer型装置、CE130）を用いて実施されました。新鮮な M. pubescens の葉は、2024年初頭にアルジェリアのベシャール地域から採取されました。初期含水率は約4%（乾物基準）でした。

実験設計は、以下の変数を用いた薄層乾燥アプローチを採用しました。

• 温度： 30°C、40°C、50°C
• 風速： 0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s

含水率はデジタル天秤を用いて継続的に監視され、平衡に達するまで10秒間隔で測定されました。乾燥プロセスは、水分比（MR）対時間、乾燥速度対時間、および乾燥速度対含水率のプロットによって分析されました。

乾燥動力学をモデル化するために、7つの薄層乾燥モデル（Newton、Page、Henderson and Pabis、Logarithmic、Two-term、Wang and Singh、およびMidilli and Kucuk）を非線形回帰（Curve Expert 1.6）を用いて評価しました。モデルの選択は、統計パラメータである決定係数（$R^2$）、減少カイ二乗値（$\chi^2$）、および平方根平均二乗誤差（RMSE）に基づいて行われました。

さらに、本研究ではフィックの第二拡散法則を用いて有効水分拡散係数（$D_{eff}$）を算出し、アレニウス式を用いて活性化エネルギー（$E_a$）を決定しました。また、特性乾燥曲線（CDC）のアプローチも採用し、乾燥速度の多項式方程式を導出しました。

主な結果

1. 乾燥挙動： 乾燥プロセスは完全に下降速度期で行われ、これは内部水分拡散が律速段階であることを示しています。空気温度の上昇は総乾燥時間を大幅に短縮しました。例えば、風速が1 m/sで一定の場合、温度を30°Cから50°Cに上げると、乾燥時間は約3分の2減少しました。逆に、風速の変化（0.5から1.5 m/s）は、乾燥動力学や水分変化に対して統計的に有意な影響を与えず、外部の物質移動抵抗が内部抵抗と比較して無視できることを示唆しています。
2. モデルの選択： テストされた7つのモデルすべてが、実験データに対して良好な適合を示しました（$R^2$ 値は0.970から0.999の範囲）。しかし、Midilli and Kucuk モデルが、すべての条件下で最高の $R^2$（最大0.9999）および最小の $\chi^2$ と RMSE を示したことから、M. pubescens の乾燥特性を予測する上で最も適切なモデルとして特定されました。
3. 拡散係数と活性化エネルギー： 有効水分拡散係数（$D_{eff}$）の値は $2.29 \times 10^{-11}$ から $30.60 \times 10^{-11}$ m²/s の範囲でした。$D_{eff}$ は温度とともに増加しましたが、風速との関係は複雑でした。具体的には、高温時において、$D_{eff}$ は高い風速（1.0および1.5 m/s）において、低い風速と比較して減少しました。活性化エネルギー（$E_a$）は、風速0.5 m/sで64.98 kJ/mol、1.0 m/sで80.18 kJ/mol、1.5 m/sで62.57 kJ/molと算出されました。風速1.0 m/sで観察された80.18 kJ/molという比較的高い活性化エネルギーは、乾燥動力学が強く温度依存的であり、内部拡散によって制御されていることを示しています。
4. 特性乾燥曲線： CDCアプローチは、特定の乾燥条件に依存することなく、正規化された乾燥速度を正規化された含水率と二次の多項式を用いて正常に相関させました。

意義および主張
本論文は、Matricaria pubescens 葉の乾燥動力学に関する初の体系的な評価を提供すると主張しています。Midilli and Kucuk モデルが乾燥プロセスを正確に記述し、内部拡散が支配的なメカニズムであることを確立することで、本研究は乾燥条件を最適化するための基礎的な枠組みを提供します。著者らは、これらの知見がこの薬用植物の保存を標準化し、その生理活性化合物の保持を確実にし、乾燥プロセス中の品質劣化を防ぐために極めて重要であると断言しています。乾燥効率の主要な駆動力が風速ではなく温度であるという特定は、この種の工業的および実験室規模の乾燥操作に対して実用的な指針を与えるものです。