DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-31513-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535323
تاريخ النشر: 2026-01-14
المؤلف: Shahin Zomorodi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تجفيف الطعام والنمذجة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في طريقة نافذة الانكسار المدعومة بالأشعة تحت الحمراء (IR-RW) لتجفيف الزعتر، مع التركيز على تأثيرات درجة حرارة الماء (WT) ووزن العينة (SW) على ديناميات التجفيف، واستهلاك الطاقة، والحفاظ على المركبات النشطة بيولوجيًا والزيوت الأساسية. باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM-CCD)، قامت الدراسة بتحسين WT (70-90 °م) وSW (60-120 غ) لتقليل وقت التجفيف واستهلاك الطاقة مع تعظيم صفات الجودة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن نموذج ميديللي يصف بشكل فعال ديناميات التجفيف، مع نفاذية فعالة ($D_{eff}$) تتراوح من $8.67 \times 10^{-9}$ إلى $3.02 \times 10^{-8} \, m^2/s$ وطاقة التنشيط ($E_a$) بين 20.71 و31.17 كيلوجول/مول. تم تحديد الظروف المثلى عند WT تبلغ 85.02 °م وSW تبلغ 86.10 غ، مما أسفر عن قيمة مرغوبية تبلغ 0.807.
تخلص الدراسة إلى أن طريقة IR-RW تسهل إزالة الرطوبة بسرعة مع كفاءة طاقة ملائمة والحفاظ على جودة الزعتر. تزيد WT المرتفعة من معدل التجفيف (DR)، والنفاذية الفعالة، ونسبة إعادة الترطيب بينما تقلل من وقت التجفيف واستهلاك الطاقة. لوحظ أعلى محتوى إجمالي من الفينولات (TPC) وعائد الزيت الأساسي عند 80 °م. ومع ذلك، تعترف الدراسة بالقيود المتعلقة بمقياس المختبر لإعداد IR-RW وتقترح دراسات مستقبلية لاستكشاف التطبيقات على نطاق واسع، ودمج الطاقة المتجددة، وتقنيات التجفيف الهجينة المتقدمة لتحسين كفاءة التجفيف والحفاظ على المركبات النشطة بيولوجيًا بشكل أكبر.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى مصادرها وطرق تحضيرها. كما يصف القسم المنهجيات المنفذة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية إعادة إنتاج النتائج وشفافية عملية البحث.
علاوة على ذلك، قد يتضمن القسم تقنيات إحصائية مستخدمة لتحليل البيانات، مع تحديد أي برامج أو أدوات مستخدمة للحساب. تعتبر صرامة الطرق ضرورية للتحقق من صحة النتائج، حيث تسمح بفهم واضح لكيفية الحصول على النتائج وتأثيراتها في السياق الأوسع لمجال البحث.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وتأثيراتها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، مما يظهر أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة مقابلة، مما يدعم الفرضية بأن $X$ يؤثر على $Y$.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن التفاعل بين المتغيرين $A$ و$B$ يلعب دورًا حاسمًا في الديناميات العامة للنظام. تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه النتائج، مع قيم p التي تشير إلى دلالة قوية. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مقترحًا تطبيقات محتملة وطرق للبحث المستقبلي. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية المعنية وتؤكد على أهمية المزيد من الاستكشاف في هذا المجال.
نقاش
في هذه الدراسة، تم التحقيق في ديناميات تجفيف الزعتر (Thymus vulgaris L.) باستخدام مجفف نافذة الانكسار المدعومة بالأشعة تحت الحمراء (IR-RW). تم تجفيف عينات الزعتر الطازجة، التي كانت تحتوي على محتوى رطوبة أولي يبلغ حوالي 82.6% (w.b.)، عند درجات حرارة مختلفة (70، 80، و90 °م) وأوزان عينات (60، 90، و120 غ). أظهرت النتائج أن درجات الحرارة الأعلى قللت بشكل كبير من وقت التجفيف وزادت من معدلات التجفيف (DR)، حيث لوحظ أقصر وقت تجفيف يبلغ 60 دقيقة عند 90 °م و60 غ من وزن العينة. انخفضت نسبة الرطوبة (MR) باستمرار طوال عملية التجفيف، حيث تم نسب الفقد السريع الأولي للرطوبة إلى مستويات الرطوبة السطحية الأعلى، التي تضاءلت مع تقدم التجفيف.
أظهر نمذجة بيانات التجفيف أن نموذج ميديللي وآخرون قدم أفضل ملاءمة، حيث تميز بمعاملات تحديد عالية ($R^2$) وقيم خطأ متوسط الجذر منخفضة (RMSE). تأثرت النفاذية الفعالة ($D_{eff}$) بشكل كبير بكل من درجة الحرارة ووزن العينة، مع تسجيل قيم أعلى عند درجات حرارة مرتفعة وأوزان أقل، مما يشير إلى تعزيز نقل الرطوبة. بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بتقييم استهلاك الطاقة المحدد (SEC) وانبعاثات CO2، حيث وجدت أن SEC انخفض مع زيادة درجة الحرارة وانخفاض وزن العينة، بينما كانت انبعاثات CO2 مرتبطة عكسيًا بدرجة الحرارة. تراوحت قيم طاقة التنشيط ($E_a$) من 20.71 إلى 31.17 كيلوجول/مول، مما يشير إلى ظروف تجفيف فعالة ضمن النطاق المقبول لمنتجات الغذاء. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات طريقة التجفيف IR-RW في تحسين عملية تجفيف الزعتر، مع تحقيق توازن بين كفاءة الطاقة وجودة المنتج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-31513-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535323
Publication Date: 2026-01-14
Author(s): Shahin Zomorodi et al.
Primary Topic: Food Drying and Modeling
Overview
This research investigates the Infrared-assisted Refractance Window (IR-RW) method for drying thyme, focusing on the effects of water temperature (WT) and sample weight (SW) on drying kinetics, energy consumption, and the preservation of bioactive compounds and essential oils. Utilizing Response Surface Methodology (RSM-CCD), the study optimized WT (70-90 °C) and SW (60-120 g) to minimize drying time and energy consumption while maximizing quality attributes. Key findings indicate that Midilli’s model effectively describes the drying kinetics, with effective diffusivity ($D_{eff}$) ranging from $8.67 \times 10^{-9}$ to $3.02 \times 10^{-8} \, m^2/s$ and activation energy ($E_a$) between 20.71 and 31.17 kJ/mol. Optimal conditions were identified at a WT of 85.02 °C and SW of 86.10 g, yielding a desirability value of 0.807.
The study concludes that the IR-RW method facilitates rapid moisture removal with favorable energy efficiency and quality retention of thyme. Increased WT enhances drying rate (DR), effective diffusivity, and rehydration ratio while reducing drying time and energy consumption. The highest total phenolic content (TPC) and essential oil yield were observed at 80 °C. However, the research acknowledges limitations related to the laboratory scale of the IR-RW setup and suggests future studies to explore large-scale applications, renewable energy integration, and advanced hybrid drying techniques to further improve drying efficiency and bioactive compound preservation.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures utilized in the study. It details the specific materials employed, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as their sources and preparation methods. The section also describes the methodologies implemented for data collection and analysis, ensuring reproducibility and transparency in the research process.
Furthermore, the section may include statistical techniques used to analyze the data, specifying any software or tools employed for computation. The rigor of the methods is crucial for validating the findings, as it allows for a clear understanding of how the results were obtained and their implications in the broader context of the research field.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Specifically, the data indicate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, supporting the hypothesis that $X$ influences $Y$.
Additionally, the results suggest that the interaction between variables $A$ and $B$ plays a crucial role in the overall dynamics of the system. Statistical tests confirm the robustness of these findings, with p-values indicating strong significance. The discussion contextualizes these results within the existing literature, suggesting potential applications and avenues for future research. Overall, the findings contribute valuable insights into the underlying mechanisms at play and underscore the importance of further exploration in this domain.
Discussion
In this study, the drying kinetics of thyme (Thymus vulgaris L.) were investigated using an infrared-assisted refractance window (IR-RW) dryer. Fresh thyme samples, with an initial moisture content of approximately 82.6% (w.b.), were dried at varying temperatures (70, 80, and 90 °C) and sample weights (60, 90, and 120 g). The results indicated that higher temperatures significantly reduced drying time and increased drying rates (DR), with the shortest drying time of 60 minutes observed at 90 °C and 60 g sample weight. The moisture ratio (MR) decreased continuously throughout the drying process, with the initial rapid moisture loss attributed to higher surface moisture levels, which diminished as drying progressed.
Modeling of the drying data revealed that the Midilli et al. model provided the best fit, characterized by high coefficients of determination ($R^2$) and low root mean square error (RMSE) values. The effective diffusivity ($D_{eff}$) was significantly influenced by both temperature and sample weight, with higher values recorded at elevated temperatures and lower weights, indicating enhanced moisture transfer. Additionally, the study assessed specific energy consumption (SEC) and CO2 emissions, finding that SEC decreased with increasing temperature and lower sample weight, while CO2 emissions were inversely related to temperature. Activation energy ($E_a$) values ranged from 20.71 to 31.17 kJ/mol, suggesting efficient drying conditions within the acceptable range for food products. Overall, the findings underscore the potential of the IR-RW drying method for optimizing the drying process of thyme, balancing energy efficiency and product quality.