食品を乾かしていると、最初は水分が比較的早く減るのに、後半になるほど乾燥が進みにくくなります。これは、乾燥の途中で水分移動の「律速段階」が変わるためです。
乾燥初期には、食品表面に比較的移動しやすい水があり、その水が蒸発する速さは主に外部の温度、湿度、風速などで決まります。ところが乾燥が進むと表面の水が減り、今度は食品内部の水が表面まで移動してこなければ蒸発を続けられません。
つまり後半ほど乾燥が遅くなるのは、表面蒸発よりも内部から表面への水分移動が遅くなり、それが全体の乾燥速度を支配するようになるからです。
乾燥は「表面から蒸発する」だけではない
食品乾燥では、外部から食品へ熱が入り、そのエネルギーを使って水が蒸発します。同時に、食品内部の水は表面へ向かって移動します。
したがって乾燥速度は、表面で水を蒸発させる速さと、内部から表面へ水を供給する速さの両方で決まります。
日本食品科学工学会誌の総説でも、食品乾燥は伝熱と物質移動が同時に進む現象として整理されています。
乾燥初期は表面に水が多く、蒸発しやすい
乾燥を始めたばかりの食品では、表面近くに比較的自由に移動できる水が多くあります。
十分な熱と乾いた空気があれば、表面の水は連続的に蒸発します。この段階では、内部から表面へ水が供給される速さが蒸発速度に追いついているため、乾燥速度は比較的高く保たれます。
理想化した乾燥では、この時期を定率乾燥期間と呼ぶことがあります。ただし実際の食品は収縮や内部構造の変化が起こるため、はっきりした定率期間を示さない場合も多くあります。
表面の水が減ると「減率乾燥期間」へ移る
乾燥が進むと、食品表面の水は次第に不足します。
すると、内部から表面へ運ばれる水の量が、表面で蒸発できる量より少なくなります。ここから乾燥速度は徐々に低下します。
この段階は減率乾燥期間と呼ばれます。食品ではこの期間が乾燥時間の大部分を占めることが多く、後半の乾燥を理解する中心になります。
後半は内部拡散が律速になりやすい
減率乾燥期間では、食品内部の水が表面まで移動することが乾燥速度を制限します。
水分移動には、液体の拡散、水蒸気の拡散、毛細管移動、圧力差による移動など複数の仕組みが関与します。
海外の乾燥レビューでも、減率乾燥期間では内部水分移動抵抗が主要な律速要因となり、表面蒸発より内部拡散の影響が大きくなると整理されています。
なぜ内部の水は表面水より動きにくいのか？
食品内部の水は、すべて同じ状態ではありません。
細胞間隙や毛細管に比較的自由に存在する水もあれば、たんぱく質、でんぷん、多糖、糖、塩などと強く相互作用している水もあります。
乾燥が進むにつれて、移動しやすい水から先に失われます。残る水ほど食品成分と強く結びついていたり、深い場所に存在したりするため、移動に時間がかかります。
水分勾配が内部移動の駆動力になる
食品表面が乾き、内部にまだ水が多い状態になると、内部と表面の間に水分濃度の差が生じます。
この差が水分移動の駆動力になります。単純化したモデルでは、こうした水分移動をFickの拡散則に近い形で表します。
ただし食品は均一な材料ではなく、細胞、孔、繊維、ゲル、脂質相などが入り組んでいるため、実際の移動は単純な分子拡散だけではありません。
食品が縮むと内部水分はさらに動きにくくなる
乾燥で水が抜けると、食品組織は収縮します。
収縮すると空隙が狭くなり、水や水蒸気の移動経路が変化します。場合によっては構造が密になり、内部から表面への移動抵抗が増えます。
2021年の乾燥レビューでも、収縮と有効拡散係数は乾燥速度を左右する主要な要因として扱われています。
表面硬化が起こると後半の乾燥がさらに遅くなる
高温・強風で表面だけ急速に乾くと、表面層が硬く収縮することがあります。
この硬い層が内部水分の移動を妨げると、内部には水が残っているのに表面から水が出にくくなります。
これがいわゆる表面硬化やケースハードニングで、乾燥後半を長引かせる原因になります。
温度を上げれば後半も同じように速くなるとは限らない
温度を上げると蒸発は速くなり、内部拡散も一般に速くなります。しかし、表面だけを過度に乾燥させると、収縮や表面硬化によって内部移動が妨げられることがあります。
そのため、乾燥後半では単に高温にするだけでなく、内部水分移動と表面蒸発のバランスを取る必要があります。
風速の効果が後半では小さくなることがある
乾燥初期では、風を強くすると表面の湿った空気が除かれ、蒸発が速くなります。
しかし後半に内部拡散が律速になると、表面から水蒸気を除く能力をさらに高めても、内部から表面へ届く水の量そのものが少ないため、風速を上げた効果は小さくなることがあります。
これは、律速段階が外部移動から内部移動へ切り替わったためです。
薄く切ると後半の乾燥も速くなる
食品を薄くすると、中心部の水が表面まで移動する距離が短くなります。
内部移動が律速になる後半では、この距離の短縮が大きな効果を持ちます。
そのため、スライス厚を薄くそろえることは、単に表面積を増やすだけでなく、内部拡散距離を短くして後半の乾燥時間を短縮する意味があります。
内部移動を速めるための乾燥技術もある
乾燥後半の内部拡散を改善するため、マイクロ波、赤外線、超音波、減圧、間欠加熱などを組み合わせる方法が研究されています。
これらは食品内部へエネルギーを与えたり、内部構造や水分移動を変えたりして、内部から表面への水分移動を促進することを狙っています。
近年のレビューでも、乾燥後半の内部移動抵抗を下げることが、乾燥時間とエネルギー消費の低減に重要とされています。
間欠乾燥で「休ませる」と速くなることがあるのはなぜ？
一定時間加熱した後に加熱を止める間欠乾燥では、休止中に内部の水分が表面側へ再分布します。
その後に加熱を再開すると、表面へ移動した水が蒸発しやすくなります。
内部拡散が律速になっている食品では、この「内部移動のための時間」を設けることで、連続加熱より効率よく乾燥できる場合があります。
乾燥は平衡含水率へ近づくほど遅くなる
食品を一定の温度・湿度の空気中へ置くと、最終的にはその環境に対応する平衡含水率へ近づきます。
乾燥が進んで食品の水分状態が平衡に近づくほど、食品から空気へ水を移す駆動力は小さくなります。
そのため、最後の少量の水を取り除くには長い時間と多くのエネルギーが必要になることがあります。
乾燥後半を無理に速めると品質が落ちることがある
乾燥後半で高温を長時間かけ続けると、食品はすでに水分が少ないため温度が上がりやすくなります。
その結果、色素分解、香気損失、脂質酸化、メイラード反応、硬化などが進むことがあります。
したがって、乾燥後半では「速く水を抜く」ことだけでなく、品質を保ちながら内部水分を移動させることが重要です。
まとめ：食品の乾燥は、後半になると内部水分移動が律速になるため遅くなる
食品の乾燥初期では、表面にある比較的移動しやすい水が蒸発するため、乾燥速度は高くなりやすくなります。
しかし乾燥が進むと表面の水が不足し、内部の水が表面まで移動してくる速度が乾燥全体を支配するようになります。
さらに、残る水ほど食品成分と強く結びつき、収縮や表面硬化も内部移動を妨げます。平衡含水率へ近づくにつれて水分移動の駆動力も小さくなります。
つまり、食品の乾燥が後半ほど遅くなるのは、律速段階が表面蒸発から内部拡散・水分移動へ切り替わり、その内部移動抵抗が次第に大きくなるためです。
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主な参考資料
- 相良泰行・粉川美踏「食品乾燥の基礎知識と実用技術への応用」日本食品科学工学会誌、2022年。
- “Research Progress Regarding Heat and Mass Transfer Characteristics of Agricultural Products Under Different Drying Methods, and Associated Applications: A Review.” 2026.
- “Shrinkage, effective diffusion coefficient, surface transfer coefficients and their factors during solar drying of food products – A review.” Solar Energy, 2021.
- “Intermittent drying of bioproducts—an overview.” Bioresource Technology, 2003.
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