《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Controlling surface temperature in Intermittent Microwave Drying of potato slices using evaporative cooling: An experimental study
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研究提出间歇微波干燥中通过人工表面湿润控制温度的新方法，实验显示在60°C阈值下湿润可降低表面温度16%，提高维生素C含量14.2%和颜色质量13.4%，同时增加干燥时间和能耗40%。
穆罕默德·乌萨马（Muhammad Usama）|扎伊布·阿里（Zaib Ali）|阿希尔·伊克巴尔（Aashir Iqbal）|麦克马努斯·C·恩杜夸（Macmanus C. Ndukwu）
美国德克萨斯州奥斯汀市德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin, Austin, TX, United States）
摘要
本研究提出了一种在间歇微波干燥（IMWD）过程中控制生物质表面温度的新方法。这种基于反馈的干燥方法通过在干燥过程中重新湿润食品表面来将其温度维持在某一阈值以下。为了验证该方法的有效性，我们在不同的阈值温度下对土豆片进行了人工重新湿润处理。将温度控制在较低水平有助于提升食品的感官品质和营养价值。实验结果表明，当土豆片温度超过60°C时对其进行人工重新湿润，可以使平均表面温度降低16%。虽然这会导致干燥时间和单位能耗增加40%，但与对照组相比，干燥后的土豆片维生素C含量增加了14.2%，颜色质量也有所改善。此外，质地也得到了优化：表面温度较低的土豆片硬度提高了52.2%，并且保持了更高的内聚性，使得干燥后的土豆片更加坚硬且结构更稳定。研究表明，这种干燥方法显著提升了产品的营养价值、感官品质和质地。
引言
全球人口的增长给食品系统带来了巨大压力，这些系统需要适应不断增长的需求（Shipman等人，2021年）。为了实现食品系统的可持续发展，减少收获后的损失是一个关键目标（Shipman等人，2021年）。由于供需之间的季节性差异，大量农产品被浪费（Iizumi等人，2021年）。因此，延长食品的保质期对于保障食品安全至关重要。干燥是一种广泛采用的食品保存方法。然而，现有的干燥方法往往只能在能效或产品质量之间做出权衡（Zhao等人，2019年）。
大多数研究致力于开发能耗低、温度低、干燥时间短的生物质脱水技术。对于农村生产者生产的食品而言，产品质量是一个重要的衡量标准。产品质量通常通过观察食品颜色的变化以及维生素C的保留情况来评估，因为维生素C是高温下最早降解的微量营养素（Paddy等人，2023年）。
微波干燥（MWD）是目前最流行的干燥方法之一。与对流干燥（CD）相比，微波辐射能更快地去除生物质中的水分（Guiné，2018年），同时更好地保留了食品的颜色和营养成分，并能在更短时间内达到目标水分含量（MR）。Si等人（2016年）使用对流干燥和微波干燥对树莓进行了对比实验，发现微波干燥方法使花青素含量比对流干燥方法高出42.8%。然而，微波干燥仍无法完全避免食品的热损伤，在颜色保留方面至少落后于冷冻干燥（FD）16.33%（Cui等人，2008年）。
先前的研究表明，在低水分含量（MR）条件下，干燥过程中表面温度会显著升高，从而导致食品的颜色和营养成分下降（Usama等人，2023年；Zhao等人，2019年）。为了解决这一问题，研究人员提出了多种方法。Monteiro等人（2020年）通过调节微波功率成功控制了土豆片的加热温度，发现与恒功率干燥相比，表面烧焦的面积减少了87.5%。为了更精确地控制食品表面温度，可以采用间歇性微波干燥（IMWD）技术，研究发现该方法比连续干燥（Macedo等人，2021年）能提高81%的营养成分保留率。
通过重新湿润食品表面也可以缓解低水分含量条件下的温度升高问题。重新湿润可以为食品提供水分缓冲层，使其温度保持在可接受范围内，同时内部水分会向外扩散。有研究表明，在干燥过程中重新湿润表面可以防止食品过热（Pham等人，2019年）。在本研究中，我们提出通过人工重新湿润表面来将温度维持在特定阈值以下。表面添加的水分在加热过程中会产生蒸发冷却效应，从而在产品质量和能源效率之间实现更好的平衡，显著降低了现有方法的trade-off。图1(a)展示了典型的生物质干燥曲线（Luo等人，2021年；Ozkan等人，2007年）；图1(b)展示了干燥过程中温度如何保持在设定阈值以下。
方法论
本节详细描述了用于干燥土豆片的实验方法、用于测试关键干燥参数的设备、相关设备的不确定性、能源分析方法、颜色和营养成分的测量与评估方法，以及用于数学表示实验结果的薄层干燥模型。
结果与讨论
本节介绍了本研究获得的结果及其解释。研究结果与现有文献进行了对比。主要干燥参数见表4，图3展示了使用间歇微波干燥（IMWD）干燥土豆片前后的对比情况，其中一组未进行重新湿润处理，另一组在60°C的阈值温度下进行了重新湿润。
结论
在间歇微波干燥过程中重新湿润土豆片后，其颜色保留率提高了13.4%，维生素C含量增加了14.2%。尽管干燥时间和单位能耗增加了40%，但这些改进仍然显著提高了产品的品质。颜色和维生素C含量的提升归因于整个干燥过程中表面温度的降低。
作者贡献声明
穆罕默德·乌萨马（Muhammad Usama）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析。扎伊布·阿里（Zaib Ali）：撰写内容审核与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督、概念构思。阿希尔·伊克巴尔（Aashir Iqbal）：撰写内容审核与编辑、数据可视化、结果验证、资金筹集、概念构思。麦克马努斯·C·恩杜夸（Macmanus C. Ndukwu）：结果验证、项目监督、项目管理。
资金支持
作者感谢Bfreeze Pvt Ltd公司提供研究所需的设备，从而资助了这项研究。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
