热风干燥过程中带壳杏仁水分扩散特性与收缩演变的机理研究及其应用价值

为解决带壳杏仁热风干燥过程中水分传递机制不清、干燥效率低的问题，研究人员系统研究了45-75°C下杏仁外壳(hull)、内壳(shell)和果仁(kernel)的干燥动力学特性，首次建立了基于Fick扩散定律的三阶多项式水分扩散系数(Deff)模型（调整R2>0.926），揭示了非各向同性收缩规律，为优化杏仁采收后干燥工艺提供了理论依据。

　　

杏仁作为全球重要的经济作物，其加工过程中的干燥环节直接影响产品品质和能耗。传统地面采收法存在微生物污染风险，而新兴离地采收技术虽能解决卫生问题，却导致杏仁初始含水量显著升高。这给后续干燥工艺带来严峻挑战——如何平衡干燥效率与品质保持成为产业痛点。更关键的是，带壳杏仁独特的"外壳-内壳-果仁"三层结构使得水分传递呈现复杂的分区特征，但现有研究多孤立分析各组分，缺乏对完整果实干燥过程中多域耦合传质的系统认知。

针对这一技术瓶颈，美国加州大学戴维斯分校的研究团队在《LWT》发表创新成果。研究采用实验室级热风干燥系统（1.4 m/s风速），在45°C、60°C和75°C条件下对离地采收的Fritz品种带壳杏仁进行干燥实验。通过定时取样测量三维尺寸变化和含水量，结合椭圆几何因子(E)校正的Fick第二定律解析方法，首次实现了外壳、内壳和果仁水分扩散系数(D_eff)的同步测定。

【干燥动力学特征】

研究发现外壳和内壳呈现典型的农产品干燥曲线，而果仁表现出显著滞后效应：在45°C下其含水量保持稳定达720分钟，60°C和75°C下则在180分钟后才开始显著脱水。干燥速率分析表明，高温可能导致外壳"硬壳效应"，反而抑制内部水分迁移，这解释了60°C干燥效率优于75°C的反常现象。

【收缩演变规律】

通过立方体采样法首次量化了三组分收缩差异：外壳体积缩减4.7-6.8%，果仁达5.3-11.4%，而内壳因富含纤维素（38.5%）仅收缩1.2%。值得注意的是，果仁厚度方向收缩率（8.0-17.0%）显著高于其他维度，这种非各向同性收缩会增大果仁与内壳间的气隙，增加传质阻力。三次多项式模型能最佳拟合收缩率与水分比(MR)的关系（R²>0.975）。

【水分扩散特性】

建立的D_eff三阶多项式模型显示：外壳D_eff最高（9.70×10^-10-2.05×10^-9 m²/s），果仁最低（5.82×10^-11-1.45×10^-10 m²/s）。Arrhenius方程分析发现果仁活化能(E_a=32.25 kJ/mol)显著高于外壳(24.29 kJ/mol)，证实果仁是限制干燥速率的控制因素。研究首次量化了形状与收缩的耦合影响——忽略椭圆几何和收缩会使果仁D_eff计算值偏高31.6%。

这项研究的意义在于：建立了首个包含多组分耦合传质的带壳杏仁干燥理论框架，提出的分段变温干燥策略（前期高温脱外壳水分+后期适度温度保果仁品质）可降低40%能耗。数据证实去除高含水量的外壳可节省60%干燥能源，为开发新型预处理工艺指明方向。更深远的是，开发的椭圆几何校正方法和收缩-扩散耦合模型，为其他多层结构农产品的干燥优化提供了普适性研究方法。

研究团队特别指出，传统将杏仁简化为球体的假设会引入显著误差，而内壳的刚性特征使其在干燥模型中可作为固定边界条件处理。这些发现不仅修正了学术界长期存在的模型简化误区，也为工业级干燥设备的参数优化提供了精确的数学描述工具。未来研究可进一步探索微波预处理破坏外壳屏障效应的可行性，以突破当前多层物料干燥的能效瓶颈。