过热木瓜片（Carica papaya L. cv. Sunrise）对流干燥过程中的各向异性收缩行为：干燥动力学与玻璃化转变的关联研究

《ACS Omega》：Anisotropic Shrinkage Behavior of Overripe Papaya Slices (Carica papaya L. cv. Sunrise) during Convective Drying

该综述深入研究了过热“日出”品种木瓜（Carica papaya L.）薄片在对流干燥过程中的收缩行为及其对干燥动力学的影响。工作揭示了温度（50°C与60°C）差异导致的各向异性（面积与高度）收缩规律，并阐述了收缩行为与玻璃化转变温度（Tg）的关系。研究发现，忽略收缩会高估有效水分扩散系数（Deff），强调了将收缩模型整合到干燥动力学建模中的重要性，为优化食品干燥工艺、提升能源效率提供了科学依据。

　　

1. 引言

干燥是食品工业中广泛应用以提高产品稳定性的关键工艺，但能耗巨大。其中，对流干燥是最常见的方法，通过热空气流动进行传质传热。评估食品在干燥过程中的行为至关重要，因为这关系到其质地、基质结构或风味的变化。通过研究水分吸附等温线，可以理解样品水分含量与水分活度（a_w）之间的关系，并预估干燥时间。在干燥过程中，最重要的物理变化之一是体积减小。这种收缩受到干燥条件和食品基质（如果蔬的细胞结构刚性、孔隙率等）的显著影响，并会改变产品的复水能力。因此，收缩现象是确定工艺条件、模拟干燥速率（后者与表面积密切相关）时必须考量的关键因素。

2. 材料与方法

本研究的原料为过热的“日出”品种木瓜（Carica papaya L. cv. Sunrise）果肉。研究首先对原料进行了物性表征（硬度、水分含量、a_w、pH、可溶性固形物）。然后测定了木瓜片在25、35、45°C下的蒸汽吸附等温线，并用BET（Brunauer–Emmett–Teller）、修正BET、GAB（Guggenheim–Anderson–de Boer）及双幂等模型进行拟合分析。接着，在可控的试验规模对流干燥箱中，于相对湿度（RH）为20%、风速为4 m·s^–1、温度分别为50°C和60°C的条件下进行干燥实验。为实时监测干燥过程，研究人员通过干燥箱顶部的石英窗，利用立体显微镜连续拍摄样品图像，并通过图像处理软件计算其面积变化。同时，在平行实验中定期使用测微计测量样品高度。研究采用了刘易斯（Lewis）、扩展刘易斯、佩奇（Page）、修正佩奇及亨德森-帕比斯（Henderson–Pabis）等模型来描述干燥动力学。为分析收缩行为，研究评估了垂直、各向同性、组合、线性基础以及线性、幂律、二次方等经验模型。

3. 结果与讨论

3.1. 蒸汽吸附等温线

木瓜片的蒸汽吸附等温线属于III型，这与高糖含量食品的典型特征相符。在所有测试模型中，双幂模型的拟合度最高，但考虑到GAB模型在文献中的广泛使用及其便于进行热力学分析的优势，最终选用GAB模型来描述实验数据。GAB模型参数成功预测了50°C和60°C干燥温度下的平衡水分含量（X_eq）。

3.2. 对流干燥与动力学

干燥后，样品水分含量从初始的（6.7 ± 0.1）kg water·kg^–1干基（d.b.）分别降至50°C时的（0.05 ± 0.01）和60°C时的（0.03 ± 0.01）kg water·kg^–1d.b.。所有干燥动力学模型都表现出良好的拟合度，其中刘易斯模型因其参数最少且拟合效果出色，被选用于描述50°C和60°C下的干燥动力学。

3.3. 收缩行为

木瓜片在干燥中表现出明显的各向异性收缩。在50°C下，面积（A）和高度（H）分别减少了（15 ± 3）% 和（76 ± 5）%；而在60°C下，分别减少了（26 ± 7）% 和（87 ± 3）%。研究发现，面积收缩在两个温度下均在约2.5小时后停止；而高度收缩在50°C下持续进行，在60°C下则在约4.5小时后趋于稳定。基础收缩模型（如垂直、各向同性模型）无法准确描述此行为，仅经验相关性模型有效：两个温度下的面积收缩均呈线性关系；50°C下的高度收缩符合幂律关系；60°C下的高度收缩符合二次方关系。

研究进一步分析了水分损失体积与样品体积减少量之间的关系。在50°C时，该关系偏离线性约10%；而在60°C时，偏离度小于5%，接近理想收缩。这种差异可能与样品温度和其玻璃化转变温度（T_g）之间的差距有关。在60°C时，样品可能更长时间处于高弹态（橡胶态），允许基质充分塌陷，从而实现接近线性的收缩。

3.4. 干燥速率与有效水分扩散系数

干燥速率（??˙$\dot{R}$）的计算考虑了恒定面积和收缩面积两种情况。在50°C下，未观察到恒速干燥期，仅有一个降速期。在60°C下，观察到一个短暂的恒速干燥期（X_w* 在0.97至0.8之间），随后是两个降速期。尽管考虑了面积修正，但两个温度下的干燥速率趋势相似，这可能是由于观察到的面积收缩幅度相对较小。

研究计算了有效水分扩散系数（D_eff）。若不考虑高度收缩，D_eff会被高估。例如在60°C下，不考虑收缩时第二降速期的D_eff值高于第一降速期，这与干燥末期扩散减弱预期不符。而考虑收缩后的计算值则更符合物理规律，且60°C下的D_eff值高于50°C。这凸显了在干燥动力学模型中纳入收缩行为的重要性。

4. 结论

本研究系统探究了过热木瓜片在对流干燥中的收缩与干燥行为。木瓜片表现出各向异性收缩，其行为模式与温度密切相关，经验模型能较好地进行描述。样品温度与玻璃化转变温度之间的差异影响了收缩的“理想”程度。干燥速率分析表明，尽管面积收缩幅度有限，但将其纳入模型进行计算是必要的。最重要的是，忽略高度收缩会导致有效水分扩散系数被显著高估，从而扭曲对干燥机制的理解。因此，这项工作强调了在食品干燥建模中必须整合收缩行为，以提高模型预测准确性、优化工艺并提升能源效率。