对流干燥优化与多变量建模：提升鳄梨果皮生物活性化合物保留率与工艺可持续性

《Applied Food Research》：Preserving bioactive compounds in avocado peel through convective drying: RSM-based optimization and multivariate modeling

为解决鳄梨加工副产物（果皮）中高价值生物活性化合物因高水分及氧化酶活性导致的易腐败、难保存问题，研究人员通过响应面法（RSM）优化对流干燥工艺（温度、气流、厚度），结合主成分分析（PCA）与期望函数进行多目标优化。研究发现样本厚度是干燥动力学的主控因素，Page模型成功描述干燥过程（R2> 0.995），并在高温短时（75 °C, 3 mm, 1.5 m·s-1）条件下绿原酸保留最高（181.53 μg·g-1）。研究为通过节能、可放大的干燥策略实现废弃物高值化利用提供了理论依据，符合循环经济原则。

　　

在全球范围内，鳄梨因其高营养价值而备受推崇。然而，在其深加工（如制作鳄梨酱、鳄梨油）过程中，会产生大量的副产物——果皮和种子。这些看似“无用”的部分，实际上蕴藏着丰富的宝藏：它们富含多酚类、黄酮类、单宁和儿茶素等生物活性化合物，展现出抗氧化、抗菌和抗炎的潜在功能。此外，鳄梨果皮还含有大量的膳食纤维、矿物质（如钾、镁）和维生素（E和C），是一种潜在的功能性食品配料。作为世界领先的鳄梨生产国，墨西哥贡献了全球超过40%的供应量，年产量超过700万吨。如此庞大的产量，也带来了巨量的副产物，这些通常被丢弃的资源，其高值化利用成为实现可持续发展与循环经济目标的关键一环。

然而，这些副产物高水分含量和氧化酶（如多酚氧化酶PPO和过氧化物酶POD）的强烈活性，使其极易发生微生物腐败和快速的生物化学降解，限制了其利用价值和货架期。因此，开发一种经济、高效且能最大限度保留其功能性成分的稳定化技术至关重要。在众多保藏技术中，干燥因其实用性和可扩展性而脱颖而出。尽管冷冻干燥和微波-超声波辅助干燥等方法能提供较高的化合物保留率，但其高昂的运营成本和能源需求限制了其在拉丁美洲等发展中地区的应用。相比之下，对流干燥提供了一种经济有效的替代方案。此前文献表明，当优化后，该技术可以在各种水果基质中保留显著水平的生物活性化合物。

本研究假设特定的对流干燥条件（温度、气流和厚度）会显著影响鳄梨果皮中酚类化合物和抗氧化能力的降解动力学，并且存在一个优化区域，能够在工艺效率和最大功能性保留之间取得平衡。因此，这项工作的目标是结合数学建模、主成分分析和期望函数分析的组合方法，研究干燥过程对鳄梨果皮生物活性保留的影响，以开发一种高价值的配料。这项研究发表在《Applied Food Research》期刊上。

为开展此项研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：首先，采用基于Box-Behnken设计的响应面法，系统研究干燥温度（45至75 °C）、气流速度（0.5至2.5 m·s^-1）和样本厚度（3至9 mm）三个独立变量对干燥动力学和产物品质的影响。其次，使用包括Page模型在内的六种薄层干燥数学模型来拟合和描述干燥过程，并计算有效水分扩散率（D_eff）和对流传质系数（h_m）等传输性质。第三，对干燥后的样品进行系统的生物活性评价，包括使用Folin-Ciocalteu法测定总酚含量（TPC），采用DPPH和ABTS法评估抗氧化能力，并通过高效液相色谱（HPLC）定量分析绿原酸、对香豆酸、阿魏酸、芦丁和槲皮素等五种特定酚类化合物。最后，运用主成分分析（PCA）探索各变量间的内在关联与模式，并通过期望函数分析进行多目标优化，寻找同时最大化多个生物活性指标的工艺条件。研究所用的哈斯鳄梨果实于2024年4月采自墨西哥米却肯州Atapan的一家加工厂。

研究结果

3.1. 干燥动力学和模型评价

干燥动力学受工艺变量，特别是样本厚度和温度的显著影响。样本厚度是干燥时间的主控调节器：3 mm样品干燥最快（100–270分钟），而6 mm样品则因水分路径不一致表现出极大的变异性（165–810分钟）。在测试的六种薄层干燥模型中，Page模型以最低且最一致的残差（R²> 0.995）成功描述了干燥动力学。响应面分析表明，干燥常数k对温度、厚度、气流速度及其交互作用均有显著响应，而指数n主要随厚度变化，反映了材料依赖行为。

3.2. 水分传输特性

有效水分扩散率（D_eff）在测试条件下从2.79 × 10^-10增加到2.25 × 10^-9m²·s^-1（增加了约700%），而其对流传质系数（h_m）范围在5.90 × 10^-9到3.59 × 10^-8m·s^-1之间。D_eff主要受温度和厚度的线性效应驱动，反映了内部扩散阻力；而h_m则显著受气流速度和温度影响，并存在显著的温度与厚度交互作用，表明外部边界层条件主导的传输机制。

3.3. 干燥对生物活性化合物的影响

对流干燥条件显著影响生物活性化合物的保留。总酚含量（TPC）在3.06至6.49 mg GAE·g^-1db之间变化，其中AC1处理（45 °C， 3 mm， 1.5 m·s^-1）保留了最高的TPC。样本厚度对TPC的影响最为显著，薄样本（3 mm）比厚样本（9 mm）多保留了1.3倍的酚类物质。抗氧化能力（DPPH和ABTS）与TPC趋势基本一致。在五种特定酚类化合物中，绿原酸是主要成分，其在AC2处理（75 °C， 3 mm， 1.5 m·s^-1）中达到峰值181.53 μg·g^-1。高温（75 °C）虽然可能导致热降解，但也能快速热灭活导致酚类氧化的酶（如PPO和POD），并可能通过破坏细胞壁结构增强结合酚酸的提取性（释放效应）。阿魏酸在AC4处理（75 °C， 9 mm， 1.5 m·s^-1）中浓度最高（26.45 μg·g^-1），甚至超过了冻干对照，进一步支持了热诱导释放效应的假设。相比之下，糖苷化的芦丁表现出一定的热稳定性，而热不稳定的苷元槲皮素则在高温处理中含量显著下降。

3.4. 主成分分析

主成分分析将数据方差分解为三个主要成分。第一主成分解释了46.6%的方差，将抗氧化指标（TPC， DPPH， ABTS）与绿原酸和槲皮素归为一组，表明这些变量共同定义了干燥鳄梨果皮的抗氧化特征，且其保留与较短的干燥时间相关。第二主成分解释了16.5%的方差，揭示了干燥动力学（如干燥时间）与生物活性保留之间的权衡关系。第三主成分解释了15.6%的方差，凸显了阿魏酸独特的行为模式。

3.5. 多目标优化

通过期望函数分析进行多目标优化，以同时最大化多种生物活性化合物（绿原酸、对香豆酸、芦丁、阿魏酸、槲皮素）和抗氧化能力（TPC， ABTS， DPPH）的保留。优化结果表明，温度为45 °C、厚度为3 mm、气流速度为1.85 m·s^-1的条件能获得最高的整体合意度（0.724），在生物活性完整性和工艺效率之间实现了最佳平衡。

结论与意义

本研究通过系统的响应面设计、数学模型、多变量分析和优化，深入探究了对流干燥工艺条件对鳄梨果皮干燥动力学、水分传输特性及关键生物活性化合物保留的影响。研究证实样本厚度是主导干燥过程的关键因素，Page模型能精准描述其动力学。研究揭示了不同酚类化合物对干燥条件的响应各异：绿原酸和阿魏酸在高温短时条件下可能因酶失活和细胞壁破坏导致的释放效应而得到较好保留，而槲皮素等热不稳定化合物则更易降解。主成分分析清晰呈现了抗氧化特征与干燥时间负相关、以及动力学与保留率之间的内在权衡关系。

最重要的是，通过多目标优化，研究确定了能够平衡生物活性保留与工艺效率的最佳干燥条件（45 °C， 3 mm， 1.85 m·s^-1）。这些发现为将鳄梨加工副产物（果皮）转化为高价值功能性食品配料提供了科学依据和可操作的工艺方案。该方案采用经济可行的对流干燥技术，通过优化实现了接近高端干燥方法的生物活性保留效果，同时显著降低了能耗和成本。这项工作不仅为鳄梨产业的废弃物资源化利用开辟了新途径，其结合数学模型、多变量分析和优化策略的研究框架，也为其他农产品副产物的高值化加工提供了方法论借鉴，有力地支持了减少食物浪费、促进循环经济的全球可持续发展目标。