基于模型的研究：库普阿苏（Theobroma grandiflorum L.）浆料中水分脱附现象及其红外光谱特性

《Applied Food Research》：Model based investigation of water desorption and infrared spectral properties in cupuassu ( Theobroma grandiflorum L.) pulp

　　本文通过动态露点法测定25℃下Cupuassu果肉水分脱附等温线，结合ATR-FTIR光谱和主成分分析（PCA），揭示其干燥能量需求及不同生长区的化学特性差异。研究显示Oswin模型（R2adj=99.3%）最佳，吉布斯自由能ΔG为320.33 kJ/kg，且红外光谱指纹可有效区分不同产区的果肉成分。摘要长度：98字。

　　本研究聚焦于一种在亚马逊地区广泛种植的热带水果——杯椰（Theobroma grandiflorum L.）的果肉，旨在探索其作为可持续再利用食品原料的潜力。作为其加工过程中产生的主要副产品，杯椰果肉富含水分，通常含有约84%的水分、12%的糖分（包括葡萄糖、果糖和蔗糖）以及少量的果胶、半纤维素、纤维素和木质素。此外，它还含有0.7%的柠檬酸和0.025–0.035%的维生素C，从而赋予其较低的pH值（3.3–3.9）。这些特性使得杯椰果肉在食品工业中具有重要价值，尤其在开发功能性食品和饮料方面。然而，由于其高水分含量和高水活性（a_w），杯椰果肉的干燥过程对保持其稳定性和品质至关重要。

为了更好地理解杯椰果肉的干燥需求，研究团队首先通过实验确定了其水解吸等温线，并使用数学模型进行分析。水解吸等温线描述了材料在恒定温度下，水分含量与周围环境湿度之间的关系。通过动态露点（DDI）方法，在25°C的条件下，研究者获得了水活动范围从0.1到0.99的实验数据。这些数据不仅有助于精确估算干燥所需的能量，还为食品工业中干燥工艺的优化提供了理论依据。研究发现，Oswin模型能够最佳地拟合杯椰果肉的水解吸等温线，其调整后的决定系数（R²_adj）高达99%以上，这表明该模型能够准确预测不同水活动条件下的水分含量变化。

同时，研究团队通过吉布斯自由能分析评估了杯椰果肉的干燥能量需求。结果显示，将水分含量从6.62 kg/kg（干基）降至0.09 kg/kg（干基）的过程中，每单位质量的果肉需要约320.33 kJ的干燥能量。这一能量需求与多种农业副产品（如香蕉废弃物、胡萝卜组织、豆类种子和向日葵种子）的干燥能量水平相近，进一步验证了该研究结果的实用性。此外，通过数据驱动的数学模型，研究者能够准确地预测吉布斯自由能的变化趋势，从而为干燥工艺的能源管理和过程优化提供理论支持。

在化学特性方面，研究团队采用中红外光谱技术（ATR-FTIR）对来自不同种植区的杯椰果肉样本进行了分析。中红外光谱能够提供分子层面的信息，有助于识别果肉中的功能性基团。通过对光谱数据进行主成分分析（PCA），研究者发现不同种植区的杯椰果肉样本在光谱特征上存在显著差异。这些差异主要来源于果肉中的脂类、碳水化合物和甲基黄嘌呤（如茶碱和可可碱）等成分的分布不同。PCA模型不仅能够有效区分不同种植区的果肉样本，还为杯椰果肉的化学特征分析提供了可靠的工具，从而支持其在食品工业中的再利用价值。

研究中还发现，杯椰果肉的水分含量、酸度和脂类含量在不同种植区之间存在显著差异。例如，种植区2的酸度最高（2.6%），而种植区3的酸度最低（2.0%）。这些差异可能与土壤肥力、有机质含量以及微气候条件（如降雨量、温度和湿度）有关。此外，种植区的海拔高度也可能对果肉的化学组成产生影响。然而，pH值和可溶性固形物（°Brix）在所有种植区之间变化较小，表明这些特性在不同地区具有较高的稳定性。这种稳定性对于确定果肉的干燥条件和发酵时间具有重要意义。

研究结果还表明，杯椰果肉的水分含量和酸度变化对干燥过程的能量需求和时间具有直接影响。因此，在工业应用中，需要根据具体的果肉特性选择合适的干燥策略。例如，高脂含量的果肉可能更适合用于糖果和功能性食品的生产，而低脂含量的果肉则更适合用于需要长期保存的饮料产品。此外，研究还强调了区域差异在食品加工和产品开发中的重要性，指出在设计标准化的干燥和加工流程时，应充分考虑这些差异，以实现最优的资源利用和产品品质保障。

通过结合水解吸等温线分析和中红外光谱技术，研究团队为杯椰果肉的干燥工艺和化学特性分析提供了全新的视角。这种多维度的分析方法不仅有助于精确估算干燥所需的能量，还能够通过光谱指纹识别技术实现果肉的可追溯性，从而提升其在食品、营养补充剂和药品行业的应用价值。未来的研究可以进一步探索不同温度条件对水解吸过程的影响，以更全面地理解其热力学行为。此外，通过扩大样本量并结合色谱分析技术（如气相色谱-质谱联用技术GC-MS和高效液相色谱HPLC），可以建立更精确的统计化学模型，以区分不同种植区的果肉样本，并评估其生物活性成分的保留情况。

总的来说，这项研究不仅为杯椰果肉的干燥工艺提供了科学依据，还通过光谱分析揭示了其化学成分的区域差异。这些发现对于推动杯椰果肉的可持续利用具有重要意义，同时也为食品工业中的干燥和加工流程优化提供了新的思路。通过综合应用数学模型和光谱分析技术，研究团队为杯椰果肉的再利用提供了可靠的工具，有助于提升其在食品工业中的应用价值和市场竞争力。