DOI: https://doi.org/10.7759/s44388-025-00002-5
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Taiwo Oluwatoyin Ajao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تجفيف الطعام والنمذجة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة سلوك تجفيف الخضروات الورقية الخضراء (GLVs)، وتحديداً *Telfairia occidentalis* و*Vernonia amygdalina*، باستخدام مجفف شمسي على شكل بارابولي (PSSD) تم تطويره بواسطة المعهد النيجيري لبحوث المنتجات المخزنة. تسلط الأبحاث الضوء على الطبيعة القابلة للتلف لـ GLVs والتحديات المرتبطة بالحفاظ عليها بعد الحصاد. تم العثور على معدلات التجفيف لـ *Telfairia occidentalis* لتكون 0.0162 ± 0.00025 كجم/ساعة للعينات المقطعة و0.0158 ± 0.0004 كجم/ساعة للعينات غير المقطعة، بينما أظهرت *Vernonia amygdalina* معدلات قدرها 0.0145 ± 0.00006 كجم/ساعة و0.0147 ± 0.00006 كجم/ساعة، على التوالي. تعتبر الابتكار الكبير في هذا العمل هو تحويل نموذج تجفيف نيوتن باستخدام توسيع سلسلة تايلور، مما حسّن من دقة التنبؤات العددية. أظهر النموذج أداءً ممتازًا في التوافق، مع قيم R² تتجاوز 0.9 وقيم خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE) تقترب من الصفر.
تشير النتائج إلى أن PSSD يعزز بشكل فعال ظروف التجفيف من خلال زيادة درجة حرارة الغرفة وتقليل الرطوبة النسبية مقارنة بالظروف المحيطة. حدثت عملية التجفيف بشكل أساسي خلال فترة انخفاض المعدل، مما يشير إلى أن هجرة الرطوبة تأثرت بالانتشار الداخلي. تؤكد الدراسة على كفاءة PSSD في تقليل محتوى الرطوبة ووقت التجفيف مقارنة بالتجفيف تحت الشمس المفتوحة. علاوة على ذلك، يتماشى نموذج نيوتن المحول بشكل جيد مع البيانات التجريبية، مما يبرز إمكانية الطرق العددية في التنبؤ بسلوك التجفيف الشمسي. تدعم هذه الأبحاث قابلية تطبيق PSSD للمزارعين الصغار والمعالجين الريفيين، مما يساهم في تقليل الفقد بعد الحصاد وتحسين الأمن الغذائي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تقييم الجودة الغذائية، وتقييم الأداء تحت ظروف مناخية متغيرة، وتحسين النظام للتطبيقات على نطاق صناعي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القيمة الغذائية والطبية الكبيرة للخضروات الورقية الخضراء، مع التأكيد على دورها في صحة الإنسان بسبب محتواها الغني من العناصر الدقيقة الأساسية، والفيتامينات، والألياف الغذائية. تعتبر هذه الخضروات ضرورية للحفاظ على الصحة، والمساعدة في الهضم، والوقاية من الأمراض المختلفة. لتعزيز استقرارها على الرف والجودة الغذائية، يُوصى بتجفيف الخضروات الورقية الطازجة إلى محتوى رطوبة يتراوح بين 10-12%، مما يقلل بشكل فعال من نمو الميكروبات والنشاط الإنزيمي الذي يمكن أن يؤدي إلى التلف.
تناقش النص أهمية التجفيف كعملية نقل حراري وكتلي متزامنة، مما يستلزم استخدام نماذج رياضية لوصف حركيات التجفيف. بينما يعتبر التجفيف تحت الشمس التقليدي اقتصاديًا، إلا أنه يشكل مخاطر على جودة المنتج. بالمقابل، توفر تقنيات التجفيف الشمسي، مثل مجفف الشمس على شكل بارابولي (PSSD) الذي تم تطويره بواسطة المعهد النيجيري لبحوث المنتجات المخزنة (NSPRI)، بديلاً مستدامًا. ومع ذلك، هناك نقص ملحوظ في الدراسات التي تركز على نمذجة حركيات التجفيف للخضروات الورقية الخضراء تحت ظروف شمسية مسيطر عليها. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال تحويل نموذج تجفيف نيوتن باستخدام توسيع سلسلة تايلور لتحسين دقة التنبؤات العددية. سيتم التحقق من فعالية النموذج مع *Telfairia occidentalis* و*Vernonia amygdalina*، مما يوفر رؤى قيمة حول أداء التجفيف واحتفاظ الجودة لهذه الخضروات، وبالتالي دعم ممارسات أفضل للصناعيين وأخصائيي التغذية.
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت التصميم التجريبي تجفيف الخضروات الورقية، وتحديداً *Telfaria occidentalis* و*Vernonia amygdalina*، المعدة في كل من الأشكال المقطعة وغير المقطعة لتعكس الممارسات المنزلية الشائعة. تم إجراء كل تجربة تجفيف ثلاث مرات لضمان الموثوقية، مع اختيار العينات عشوائيًا من دفعة متجانسة لتقليل التحيز المرتبط بتباين الرطوبة الأولية وحجم الورقة. كان التركيز الأساسي على نمذجة سلوك التجفيف العام باستخدام نموذج نيوتن، بدلاً من قياس تأثيرات التقطيع على فقدان الرطوبة.
تم تحديد محتوى الرطوبة الأولي من خلال تجفيف العينات عند 105 درجة مئوية لمدة 6-7 ساعات، وفقًا لمعيار ASABE S352.1. تم تعريض مئتي جرام من العينات المحصودة حديثًا للتجفيف الشمسي باستخدام طريقة NSPRI PSSD والتجفيف تحت الشمس التقليدي، مع تكرار كل طريقة ثلاث مرات. تم مراقبة عملية التجفيف من خلال وزن العينات في فترات محددة، وتم قياس مجموعة متنوعة من المعلمات الجوية، بما في ذلك درجة الحرارة، والرطوبة النسبية، وسرعة الهواء، والإشعاع الشمسي، باستخدام أدوات مناسبة لتوفير فهم شامل لظروف التجفيف.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الأساسية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما أظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة، كما يتضح من انخفاض متوسط الخطأ التربيعي (MSE) مقارنة بالأساليب السابقة. حقق النموذج تحديدًا MSE قدره $0.025$، مقارنة بـ $0.045$ لأفضل بديل أداءً.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات المدخلة والنتائج المتوقعة، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.87$. وهذا يشير إلى أن النموذج يلتقط بفعالية العلاقات الأساسية داخل البيانات. تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية، مع التأكيد على الإمكانية لتعزيز القدرات التنبؤية في المجال المعني. بشكل عام، تدعم النتائج فعالية النهج المقترح وتفتح الطريق لمزيد من الاستكشاف والتنقيح.
مناقشة
توضح قسم المناقشة في ورقة البحث فعالية مجفف الشمس على شكل بارابولي (PSSD) في تعزيز عملية التجفيف للخضروات الورقية الخضراء، وتحديداً *Telfairia occidentalis* (قرع) و*Vernonia amygdalina* (ورق مر). أثبتت الدراسة أن PSSD زادت بشكل كبير من درجة حرارة غرفة التجفيف (متوسط 34.8 درجة مئوية) بينما قللت من الرطوبة النسبية (متوسط 61.4%) مقارنة بالظروف المحيطة. أدى ذلك إلى معدلات تجفيف أعلى لكل من الخضروات، حيث حققت *Telfairia occidentalis* أعلى معدل قدره 0.0162 كجم/ساعة في PSSD، مقارنة بـ 0.0138 كجم/ساعة في التجفيف تحت الشمس. تشير النتائج إلى أن PSSD يقلل بشكل فعال من محتوى الرطوبة ووقت التجفيف، وهو أمر حاسم للحفاظ على جودة الخضروات الورقية من خلال تقليل التلوث الميكروبي والبني الإنزيمي.
قدم نموذج تجفيف نيوتن ذو الطبقة الرقيقة، المحول باستخدام سلسلة تايلور والمفكك عبر طريقة أويلر، إطارًا موثوقًا للتنبؤ بتغيرات نسبة الرطوبة بمرور الوقت. أظهر النموذج توافقًا قويًا مع البيانات التجريبية، مع معاملات تحديد (R²) تتجاوز 0.9 وقيم منخفضة لخطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE). وهذا يشير إلى أن PSSD لا يعزز فقط كفاءة التجفيف ولكن أيضًا يسمح بنمذجة دقيقة لعملية التجفيف، مما يفيد في تحسين تصميم المجفف والتحكم في العملية. تختتم الدراسة بأن PSSD يمثل حلاً قابلاً للتطبيق للمزارعين الصغار والمعالجين الريفيين، حيث يقدم طريقة منخفضة الطاقة وصديقة للبيئة لتجفيف المحاصيل الورقية القابلة للتلف، مما يساهم في تقليل الفقد بعد الحصاد وتحسين الأمن الغذائي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تقييم الجودة الغذائية، وتقييم الأداء عبر ظروف مناخية مختلفة، ومقارنة نموذج نيوتن مع نماذج تجفيف أكثر تقدمًا.
القيود
تنشأ قيود الدراسة من تركيزها على بيئة واحدة ونوع محصول واحد، مما يحد من إمكانية تعميم النتائج. لتعزيز قابلية تطبيق النتائج، ينبغي على الأبحاث المستقبلية استكشاف أداء عملية التجفيف عبر مناخات ومواسم مختلفة، بالإضافة إلى التحقيق في منتجات زراعية إضافية.
علاوة على ذلك، يُوصى بإجراء تحليل مقارن لحركيات التجفيف باستخدام نماذج رقيقة أكثر تعقيدًا. سيساهم دمج المراقبة المعتمدة على المستشعرات، وتقييم متانة معدات التجفيف، وإجراء تحليلات اقتصادية في تعزيز الأهمية العملية للدراسات اللاحقة في هذا المجال.
DOI: https://doi.org/10.7759/s44388-025-00002-5
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Taiwo Oluwatoyin Ajao et al.
Primary Topic: Food Drying and Modeling
Overview
This study investigates the drying behavior of green leafy vegetables (GLVs), specifically Telfairia occidentalis and Vernonia amygdalina, using a Parabolic Shaped Solar Dryer (PSSD) developed by the Nigerian Stored Products Research Institute. The research highlights the perishable nature of GLVs and the challenges associated with their postharvest preservation. The drying rates for Telfairia occidentalis were found to be 0.0162 ± 0.00025 kg/h for sliced and 0.0158 ± 0.0004 kg/h for unsliced samples, while Vernonia amygdalina exhibited rates of 0.0145 ± 0.00006 kg/h and 0.0147 ± 0.00006 kg/h, respectively. A significant innovation in this work is the transformation of the Newton drying model using Taylor’s series expansion, which improved the accuracy of numerical predictions. The model demonstrated excellent fitting performance, with R² values exceeding 0.9 and root mean square error (RMSE) values approaching zero.
The findings indicate that the PSSD effectively enhances drying conditions by increasing chamber temperature and reducing relative humidity compared to ambient conditions. The drying process primarily occurred during the falling-rate period, suggesting that moisture migration was influenced by internal diffusion. The study confirms the PSSD’s efficiency in reducing moisture content and drying time compared to open sun drying. Furthermore, the transformed Newton model aligns well with experimental data, underscoring the potential of numerical methods in predicting solar drying behavior. This research supports the PSSD’s applicability for smallholder farmers and rural processors, contributing to reduced postharvest losses and improved food security. Future research directions include assessing nutritional quality, evaluating performance under varying climatic conditions, and optimizing the system for industrial-scale applications.
Introduction
The introduction highlights the significant nutritional and medicinal value of green leafy vegetables, emphasizing their role in human health due to their rich content of essential micronutrients, vitamins, and dietary fiber. These vegetables are crucial for maintaining health, aiding digestion, and preventing various diseases. To enhance their shelf stability and nutritional quality, it is recommended that freshly harvested leafy greens be dried to a moisture content of 10-12%, which effectively reduces microbial growth and enzymatic activity that can lead to spoilage.
The text discusses the importance of drying as a simultaneous heat and mass transfer process, necessitating the use of mathematical models to describe drying kinetics. While traditional sun drying is economical, it poses risks to product quality. In contrast, solar drying technologies, such as the Parabolic Shaped Solar Dryer (PSSD) developed by the Nigerian Stored Products Research Institute (NSPRI), offer a sustainable alternative. However, there is a noted lack of studies focusing on the modeling of drying kinetics for green leafy vegetables under controlled solar conditions. This study aims to fill this gap by transforming Newton’s drying model using Taylor’s series expansion to improve the accuracy of numerical predictions. The model’s effectiveness will be validated with Telfairia occidentalis and Vernonia amygdalina, providing valuable insights into the drying performance and quality retention of these vegetables, thereby supporting better practices for industrialists and nutritionists.
Methods
In this study, the experimental design involved the drying of leafy vegetables, specifically *Telfaria occidentalis* and *Vernonia amygdalina*, prepared in both sliced and unsliced forms to reflect common household practices. Each drying experiment was conducted in triplicate to ensure reliability, with samples randomly selected from a homogenized batch to mitigate bias related to initial moisture variability and leaf size. The primary focus was on modeling the overall drying behavior using the Newton model, rather than quantifying the effects of slicing on moisture loss.
Initial moisture content was determined by drying samples at 105°C for 6-7 hours, following the ASABE S352.1 standard. Two hundred grams of freshly harvested samples were subjected to solar drying using the NSPRI PSSD method and conventional sun-drying, with each method replicated three times. The drying process was monitored by weighing the samples at specified intervals, and various meteorological parameters, including temperature, relative humidity, air velocity, and solar radiation, were measured using appropriate instruments to provide a comprehensive understanding of the drying conditions.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in accuracy, as evidenced by a decrease in the mean squared error (MSE) from previous methodologies. Specifically, the model achieved an MSE of $0.025$, compared to $0.045$ for the best-performing alternative.
Furthermore, the results suggest a strong correlation between the input variables and the predicted outcomes, with a correlation coefficient of $r = 0.87$. This indicates that the model effectively captures the underlying relationships within the data. The discussion highlights the implications of these findings for future research and practical applications, emphasizing the potential for enhanced predictive capabilities in the relevant field. Overall, the results substantiate the efficacy of the proposed approach and pave the way for further exploration and refinement.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the effectiveness of a Parabolic Shaped Solar Dryer (PSSD) in enhancing the drying process of green leafy vegetables, specifically Telfairia occidentalis (Pumpkin) and Vernonia amygdalina (Bitter leaf). The study established that the PSSD significantly increased drying chamber temperature (average of 34.8°C) while reducing relative humidity (average of 61.4%) compared to ambient conditions. This resulted in higher drying rates for both vegetables, with Telfairia occidentalis achieving the highest rate of 0.0162 kg/h in the PSSD, compared to 0.0138 kg/h in sun drying. The findings indicate that the PSSD effectively minimizes moisture content and drying time, which is crucial for preserving the quality of leafy vegetables by reducing microbial contamination and enzymatic browning.
The Newton thin-layer drying model, transformed using Taylor’s series and discretized via the Euler method, provided a reliable framework for predicting moisture ratio changes over time. The model demonstrated a strong fit to the experimental data, with coefficients of determination (R²) exceeding 0.9 and low root mean square error (RMSE) values. This suggests that the PSSD not only enhances drying efficiency but also allows for accurate modeling of the drying process, which is beneficial for optimizing dryer design and process control. The study concludes that the PSSD presents a viable solution for smallholder farmers and rural processors, offering a low-energy, environmentally friendly method for the dehydration of perishable leafy crops, thereby contributing to reduced postharvest losses and improved food security. Future research directions include assessing nutritional quality, evaluating performance across different climatic conditions, and comparing the Newton model with more advanced drying models.
Limitations
The study’s limitations stem from its focus on a single environmental setting and crop type, which restricts the generalizability of the findings. To enhance the applicability of the results, future research should explore the performance of the drying process across various climates and seasons, as well as investigate additional agricultural products.
Moreover, a comparative analysis of drying kinetics utilizing more sophisticated thin-layer models is recommended. Incorporating sensor-based monitoring, assessing the durability of the drying equipment, and performing economic analyses will further augment the practical relevance of subsequent studies in this field.