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

収穫物の恩恵を保存することは、人類にとって最も古い課題の一つであり、特に熱帯地域では、新鮮な果物が太陽の下ですぐに傷んでしまうため、その傾向が顕著です。乾燥は、食品の寿命を延ばすための最も信頼できる方法の一つであり、傷みやすい農産物を、季節が過ぎ去った後でも保存、輸送、そして楽しむことができる安定した食材へと変貌させます。しかし、乾燥は単に熱を加えるだけの問題ではありません。それは、水分が果実の内部から表面へと移動し、その後、空気中へと蒸発していくという複雑な物理的プロセスです。このプロセスを効率的に行うために、科学者たちは、異なる果物が特定の条件下でどのように振る舞うかを研究し、それらがどれほどの速さで水分を失うかを正確に記述する数学的なパターンを探求しています。この知識により、エンジニアはより優れた乾燥機を設計し、果物のバッチ（一回分）の処理にどれくらいの時間がかかるかを予測することができ、エネルギーや時間を無駄にすることなく、最終製品の品質を維持することを可能にします。

このような背景から、ニカラグアの研究者たちは、熱帯原産の小さく黄色がかったオレンジ色の果実であるナンセに注目しました。クリーミーな果肉と独特の甘酸っぱい風味で知られるナンセは、ビタミンCと抗酸化物質が豊富であり、ジャム、ジュース、その他の食品製品の貴重な原料となります。その食文化的な可能性にもかかわらず、この果実は熟しすぎるとしばしば廃棄されてしまいます。これを保存するためのより良い方法を見つけるため、化学工学者のチームは、ナンセ果肉の乾燥挙動を調査しました。彼らは、果肉がどのように乾燥するかという正確なメカニズムを理解し、プロセスを予測するための最適な数学的ツールを特定し、水の除去に必要なエネルギーを測定したいと考えました。彼らの研究は、熱風が薄い層状の果肉の上に一定に吹き付ける、実験室規模のトンネルと呼ばれる特定の乾燥装置に焦点を当てました。

研究者たちは、ナンセの果肉を浅いトレイに入れ、毎秒2.0メートルの一定速度で流れる空気の流れにさらすことで実験を行いました。彼らは、60、70、80度という3つの異なる温度をテストしました。熱風が果肉の上を通過する際、チームはサンプルの重量を時間の経過とともに注意深く監視し、どれだけの水が果実から離れていくかを追跡しました。彼らは、果肉が一定の速度で乾燥するのではなく、プロセスが進むにつれて水分の減少率が継続的に低下することに気づきました。これは、乾燥現象全体が、いわゆる「減率乾燥期」において発生していることを示しており、この時期には、果肉の中心部から表面への水分の移動が制限要因となります。また、彼らは、水分を失うにつれて果肉が物理的に収縮することも観察しましたが、これは一般的ではあるものの、材料の挙動に影響を与える重要な詳細です。

これらの観察結果を理解するために、チームは、乾燥を記述するために科学者が一般的に使用する6つの異なる数学的モデルと比較しました。これらのモデルは、温度やその他の要因に基づいて、水分含有量が時間の経過とともにどのように変化するかを予測しようとする方程式です。計算を行った結果、研究者たちは、ミディッリ（Midilli）らによって開発されたモデルと、アロンソ（Alonso）らによって開発されたモデルの2つの特定のモデルが、他のモデルよりも実世界のデータによく一致することを発見しました。これら2つのモデルは、乾燥曲線（水分が失われていく過程のグラフ）を正確に予測し、ナンセ果肉がどのように水分を失うかという微妙な変化を捉えることができました。これらのモデルの成功は、乾燥中の果肉に起こる収縮などの特定の物理的変化を、それらが考慮に入れていることを示唆しています。

単に乾燥に要する時間を予測するだけでなく、チームは、ナンセ果肉を通じてどれほど容易に水が移動するかを計算しました。有効水分拡散係数として知られるこの特性は、水分子が材料内をどれほどの速さで移動するかを測定するものです。彼らは、この速度が温度の上昇とともに増加することを発見しました。最も低い温度では、水は約2.48 × 10⁻⁹ m²/sの速度で移動していましたが、最も高い温度では、約4.04 × 10⁻⁹ m²/sまで加速しました。この増加は、高温になることで水分子がより多くのエネルギーを得て、より自由に動き、果実からより速く逃げ出せるようになるために起こります。研究者たちはまた、乾燥反応を開始するために必要な最小限のエネルギーである、このプロセスの活性化エネルギーも決定しました。彼らは、この値を23.62 kJ/molと算出し、この数値はエンジニアが乾燥プロセスのエネルギー効率を理解するのに役立ちます。

本研究は、ナンセ果肉の乾燥が、内部拡散が水分の除去速度を制御する「減率乾燥期」に支配されたプロセスであることを裏付けています。最も正確な数学的モデルを特定し、水の移動量を定量化することで、研究者たちはこの果物を加工するための明確なロードマップを提供しました。彼らの知見は、果肉が収縮し、乾燥が時間の経過とともに遅くなる一方で、プロセスは特定の数式を用いて信頼通りに予測できることを示しています。この研究は、新鮮なナンセ果肉を安定した長持ちする食品へと変えたいと考えている産業に対し、その独特の風味と栄養価をより効率的に保存するための実践的な基礎を提供するものです。