真空热泵干燥的综合性性能评估：一种用于香蕉片干燥过程中能量与质量优化的多标准框架

《Sustainable Food Technology》：Integrated performance assessment of vacuum heat pump drying: a multi-criteria framework for energy-quality optimization in banana slice drying

　　本研究开发了一种整合热力学分析与多质量评估的综合性能评估框架（IPI），用于真空热泵干燥系统。通过实验室规模试验，在40-60°C和0-80kPa条件下，发现60°C和80kPa时IPI达到最高值0.796，平衡了能源效率（SMER=0.179kg水/kWh）、exergy效率（0.524）和产品质量（维生素C保留率46.6%）。响应面法和敏感性分析验证了优化条件的鲁棒性，为可持续食品加工提供了决策支持工具。

　　本研究围绕真空热泵干燥（VHPD）技术展开，旨在应对食品加工业在提升能效的同时保持产品品质的挑战。随着消费者对健康和可持续食品的需求不断增长，传统干燥技术因其高能耗和对食品品质的不利影响，已难以满足当前的市场与环境要求。为此，研究构建了一个集成的性能评估框架，结合热力学分析和多标准质量评价，为食品干燥工艺提供了一个全面的决策支持工具。该框架不仅能够评估干燥过程的能效，还涵盖了热力学效率与食品品质指标，从而实现对食品加工技术的综合优化。

实验采用实验室规模的VHPD系统，通过控制温度（40–60 °C）和真空压力（0–80 kPa）进行香蕉片的干燥实验。研究者对六种常用的薄层干燥模型进行了评估，发现Page模型在预测性能方面表现最佳，其决定系数（R2）达到0.9964，均方根误差（RMSE）仅为0.0150，表明该模型在描述干燥过程的动态变化方面具有高度准确性。同时，研究还计算了有效水分扩散系数（D_eff）和活化能（E_a），发现有效水分扩散系数在1.15 × 10?1?至1.98 × 10?1? m2/s之间，而活化能则在16.47–19.60 kJ/mol范围内。这些参数为后续的性能评估提供了基础。

为了实现综合评估，研究引入了一个创新的集成性能指数（IPI），将特定水分提取率（SMER）、热力学效率（exergy efficiency）、颜色保留率和维生素C保留率纳入考量。IPI的构建基于多标准决策分析，使研究者能够量化评估不同干燥条件下能效与品质之间的权衡关系。在所有实验条件下，IPI均能提供清晰的性能排序，表明其在指导干燥工艺优化方面的实用性。研究进一步通过响应面分析（RSM）确定了最佳的干燥区域，为实际应用提供了可操作的优化方案。这一框架首次将能量、热力学和品质参数整合为单一的决策支持工具，为食品加工的可持续发展提供了科学依据。

研究还强调了VHPD技术在减少能源消耗和热力学损失方面的优势。在实验条件下，SMER值达到0.179 kg水每kWh，比传统热风干燥技术显著提升。同时，真空环境显著改善了热力学性能，exergy效率从0.286提升至0.524，提升了83%。这种提升表明，通过优化温度和真空条件，可以有效减少能源浪费，同时提高系统的整体性能。此外，研究通过统计分析验证了温度和压力对干燥性能的显著影响，表明两者均对干燥时间、水分扩散速率和品质指标产生关键作用。

在食品品质方面，研究通过颜色分析和维生素C含量测定，评估了VHPD对香蕉片的保留效果。结果表明，真空条件下的香蕉片在视觉质量方面表现优异，ΔE（总色差）降低了40–50%，而颜色保留率（L*值）提升了15–30%。同时，维生素C的保留率在真空条件下达到46.6%，比传统干燥方法提高了约20%。这些结果表明，真空环境不仅加速了水分蒸发，还有效减少了氧化反应，从而在保持食品营养和感官特性方面具有显著优势。此外，研究还发现，真空干燥对抗氧化能力的保留具有积极作用，表明其在维持食品功能成分方面的潜力。

IPI的构建为多标准决策提供了关键支持，其在60 °C、80 kPa条件下达到最高值0.796，表明这一操作参数在实现高效与高质量的平衡方面具有重要意义。IPI的引入不仅提升了干燥工艺的优化效率，还为食品加工行业提供了一个全新的评估工具。通过将SMER、热力学效率、颜色保留和维生素C保留等指标进行标准化处理，并赋予相同的权重，IPI能够有效整合不同维度的性能数据，为食品干燥工艺的优化提供了量化支持。

研究还通过敏感性分析和控制策略开发，明确了温度和压力在系统操作中的关键作用。温度的敏感性系数达到0.67，而压力的敏感性系数为0.34，表明在优化操作条件下，温度的控制精度需高于压力。此外，研究还提出了具体的控制容忍度，如温度控制在±0.5 °C范围内，压力控制在±2 kPa范围内，以确保干燥过程的稳定性和可重复性。这些控制策略不仅提高了系统的操作效率，还为实际应用提供了明确的指导。

在经济分析方面，研究通过比较不同操作条件下的成本，发现优化后的VHPD系统可将加工成本降低40%，并且在“优秀”性能区域中，投资回报率（ROI）可达187%。这一结果凸显了VHPD在提升经济可行性方面的潜力，同时其低能耗和高品质特性也符合联合国可持续发展目标（SDG）中的多个关键指标，包括SDG 12（负责任的消费和生产）和SDG 13（气候行动）。此外，该技术在提升热带水果的保质能力方面也具有重要意义，有助于减少食品浪费，提高全球粮食安全。

通过与传统干燥技术的对比，研究进一步验证了VHPD的优势。例如，与热风干燥相比，VHPD在干燥时间、维生素C保留率和颜色变化方面均表现出显著改善。同时，与冻干技术相比，VHPD在能耗和设备成本方面更具优势，尽管在某些敏感指标上略逊一筹。这一发现为食品加工业提供了重要的技术选择依据，尤其是在追求高品质和经济性的应用中。

研究还提出了VHPD技术在实际应用中的实施指南，涵盖了系统设计、操作规程和质量控制等关键方面。例如，建议在干燥室中采用均匀的空气分布系统，以确保干燥过程的均匀性；在真空系统设计中，推荐使用双级旋片真空泵，以实现稳定的真空环境；同时，建议在干燥过程中采用实时监测技术，如近红外光谱（NIR）和微波传感器，以确保产品质量的一致性。这些指南为食品加工企业提供了从实验室到工业化生产的过渡路径，有助于技术的推广和应用。

展望未来，研究认为VHPD技术还有进一步优化的空间。例如，可以探索更先进的控制策略，如模型预测控制（MPC）和人工智能（AI）辅助优化，以提高系统的自动化水平和响应能力。此外，结合其他辅助技术（如超声波辅助干燥或脉冲电场预处理）可能进一步提升干燥效率和产品品质。在可持续发展方面，研究还建议将VHPD与可再生能源系统（如太阳能集热器或工业余热回收装置）相结合，以增强系统的环保性能，同时推动循环经济的发展。

本研究通过系统实验、建模和多标准分析，不仅揭示了VHPD技术在提升能效和品质方面的潜力，还为食品加工行业提供了一个科学、经济和环境三重考量的综合评估框架。这一框架的建立标志着食品干燥技术从单一性能指标评估向多目标优化的转变，有助于推动食品加工向更加可持续的方向发展。研究的创新点在于首次将热力学分析与品质指标整合，为食品干燥技术的优化提供了全新的视角，同时也为其他食品加工过程（如制药和生物工程）中的多目标优化提供了方法论上的参考。通过本研究的成果，食品加工行业有望在降低能耗的同时，提升产品质量，从而实现经济与环境的双赢。