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

保存收获的成果是人类最古老的挑战之一，特别是在热带地区，新鲜水果在阳光下极易变质。干燥仍然是延长食物寿命最可靠的方法之一，它能将易腐烂的农产品转化为稳定的原料，以便在季节过后仍能长期储存、运输和享用。然而，干燥不仅仅是施加热量的问题；它是一个复杂的物理过程，水分从水果内部向表面移动，然后蒸发到空气中。为了使这一过程变得高效，科学家们研究不同水果在特定条件下的表现，寻找能够精确描述其失水速度的数学模式。这些知识使工程师能够设计出更好的干燥机，并预测一批水果的处理时间，从而确保最终产品在保持品质的同时，不会浪费能源或时间。

在此背景下，尼加拉瓜的研究人员将注意力转向了南科果（nance），这是一种产于热带的小型黄橙色水果。南科果以其细腻的果肉和独特的酸甜风味而闻名，富含维生素 C 和抗氧化剂，使其成为制作果酱、果汁和其他食品的宝贵原料。尽管具有烹饪潜力，但这种水果在过熟时往往会被浪费。为了找到一种更好的保存方法，一支化学工程师团队研究了南科果果肉的干燥行为。他们希望了解果肉干燥的精确机制，确定预测该过程的最佳数学工具，并测量去除水分所需的能量。他们的工作集中在一种特定的干燥装置上：一个实验室规模的隧道，热空气稳定地吹过一层薄薄的果肉。

研究人员通过将南科果果肉放入浅盘中，并暴露在流速为每秒 2.0 米的稳定气流中来进行实验。他们测试了三种不同的温度：60、70 和 80 摄氏度。随着热空气流经果肉，团队仔细监测了样品的重量随时间的变化，以追踪水分是如何离开水果的。他们观察到，果肉的干燥速度并非恒定；相反，随着过程的进行，失水速率持续减慢。这表明整个干燥事件都发生于所谓的下降速率阶段，即水分从果肉中心向表面的移动成为了限制因素。他们还注意到，果肉在失去水分的过程中发生了物理收缩，这是一个常见但重要的细节，会影响材料的行为。

为了理解这些观察结果，团队将他们的实验数据与科学家常用的六种不同的数学模型进行了对比。这些模型本质上是试图根据温度和其他因素来预测水分含量随时间变化的方程。在运行数据后，研究人员发现由 Midilli 及其同事以及 Alonso 及其同事开发的两个特定模型比其他模型更符合实际数据。这两个模型能够准确预测干燥曲线，捕捉到南科果果肉失水的细微差别。这些模型的成功表明，它们考虑到了果肉在干燥过程中发生的特定物理变化，例如收缩。

除了仅仅预测干燥需要多长时间之外，团队还计算了水分通过南科果果肉的难易程度。这种被称为有效水分扩散系数的性质，衡量了水分子在材料中移动的速度。他们发现，这种速度随着温度的升高而增加。在测试的最低温度下，水分的移动速率约为 2.48 × 10⁻⁹ 平方米/秒，而在最高温度下，速率加快到了约 4.04 × 10⁻⁹ 平方米/秒。这种增加是因为更高的温度赋予了水分子更多的能量，使它们能够更自由地移动并更快地从水果中逃逸。研究人员还确定了该过程的活化能，即启动干燥反应所需的最低能量。他们计算出的这一数值为 23.62 千焦/摩尔，这一数值有助于工程师了解干燥过程的能量效率。

研究证实，干燥南科果果肉是一个受下降速率阶段支配的过程，其中内部扩散控制着水分移除的速度。通过确定最准确的数学模型并量化水分的移动，研究人员为这种水果的加工提供了一份清晰的路线图。他们的研究结果表明，虽然果肉会发生收缩且干燥过程会随时间减慢，但通过特定的方程可以可靠地预测该过程。这项工作为那些希望将新鲜南科果果肉转化为稳定、长效食品的工业界提供了实用的基础，确保能够更高效地保存这种水果独特的风味和营养价值。