通过蒸汽分压（steam partial pressure）、水分结合能（moisture binding energy）及收缩率（shrinkage）揭示热风干燥中油茶壳（Camellia oleifera shell, COS）的水分迁移特征

《Food Production, Processing and Nutrition》：Revealing moisture migration characteristics of Camellia Oleifera shell in hot air drying through steam partial pressure, moisture binding energy, shrinkage

　　

油茶壳（Camellia oleifera shell, COS）的水分迁移特征对热风干燥下油茶果的爆壳（shell explosion）具有重要影响。为揭示COS的水分迁移特征，研究人员搭建了干燥实验装置，给出了COS的平衡含水率（equilibrium moisture content, EMC）方程，并探讨了EMC、收缩率（shrinkage rate, SR）、爆壳率（shell explosion rate, SER）及水分迁移参数的演变规律。结果表明，采用修正Henderson模型拟合得到的EMC方程系数A、B及n分别为6.424×10–4、38.8和1.213。COS表面蒸汽分压（steam partial pressure on material surface, pg）随干燥时间延长呈先升高后降低的趋势。当含水率（dry basis, d.b.）≥70%时，水分结合能（moisture binding energy, F）趋近于零，故将70%（d.b.）含水率作为调整干燥工艺参数的参考点。在45～85 ℃下干燥至含水率15%（d.b.）时，COS的收缩率为43.1%～65.3%。50 ℃下的爆壳率仅为70 ℃下的8.3%，且70 ℃下油茶果爆壳起始时间较50 ℃提前44%。

《通过蒸汽分压、水分结合能及收缩率揭示热风干燥中油茶壳的水分迁移特征》论文解读

该研究发表于Food Production, Processing and Nutrition。油茶（Camellia oleifera）是我国重要的木本油料作物，油茶果由油茶壳（Camellia oleifera shell, COS）包裹种子构成。传统日晒爆壳法劳动强度大、效率低且受气候限制，热风干燥爆壳是更优替代方案，其本质是果壳与干燥介质间的传热传质过程，COS内部水分梯度引发收缩应力集中从而导致沿表面裂纹开裂（shell explosion）。然而目前关于COS水分迁移特征（包括平衡含水率equilibrium moisture content即EMC、表面蒸汽分压steam partial pressure on material surface即p_g、水分结合能moisture binding energy即F、收缩率shrinkage rate即SR）缺乏系统性深入研究，制约了热风爆壳工艺及智能装备的优化设计，因此研究人员开展了此项研究以揭示COS在热风干燥中的水分迁移特性及其对爆壳的影响。

主要关键技术方法：

研究人员选用江西"长林4号"油茶果（初始含水率140.12% d.b.），沿纵向剖分为均一小块COS（厚2.5～4 mm）。自建热风干燥装置（温度20～90 ℃、相对湿度RH 30%～80%、风速1.9 m/s），结合红外测温与气体置换式真密度仪测定温度、质量及体积变化。采用薄层干燥指数模型拟合干燥常数k，以修正Henderson模型拟合EMC并获取系数A、B、n；基于热力学推导表面蒸汽分压p_g及水分结合能F计算公式；以气体置换法测体积计算收缩率SR＝(1－V_θ/V₀)×100%；爆壳率SER按完全脱落种子数占果内总种子数的比例统计；扫描电镜（SEM）观察不同含水率下COS横截面微观结构；非线性回归结合R²与RMSE验证模型可靠性。

研究结果：

Variation characteristics of moisture content of Camellia oleifera shell（COS含水率变化特征）：

通过监测干燥过程中COS干基含水率随时间的下降曲线发现，干燥速率初期最大随后逐渐减小，属降速干燥阶段；提高热风温度或降低相对湿度均可缩短干燥时间，升温可延长快速脱水段并促进内部水分向表面扩散。

Variation characteristics of temperature in Camellia oleifera shell（COS温度变化特征）：

COS温度随干燥进行持续上升并逐渐趋近热风温度，因前期水分剧烈蒸发消耗内能而温升缓，后期蒸发减弱积热使温升明显。

Microstructure analysis of COS（COS显微结构分析）：

SEM显示高含水率时COS细胞排列紧密、结构完整；干燥至低含水率（如5.4% d.b.）时细胞皱缩破裂、孔隙显著增大、呈蜂窝状，系长时间热质传递致过度失水引起。

Construction and analysis of the equilibrium moisture content model of COS（COS平衡含水率模型构建与分析）：

基于指数干燥模型与非线性回归，获得不同温湿度条件下的EMC实测值，代入修正Henderson模型拟合得A＝6.424×10^–4，B＝38.8，n＝1.213，COS的EMC方程为M_e＝[－ln(1－Φ_e)/(6.424×10^–4×(38.8＋t_a))]^1/1.213，R²＝0.9901，RMSE＝0.3647；验证组R²＝0.993，RMSE＝0.2244。同温下EMC随RH升高而增大，同RH下EMC随温度升高而降低。

Analysis of steam partial pressure on the surface of COS（COS表面蒸汽分压分析）：

由EMC模型与饱和蒸汽压公式联立导出p_g表达式。高含水率时COS表面覆水膜，p_g接近饱和蒸汽压呈水平线段；低于某临界含水率后p_g随含水率降低而下降；恒温下p_g随温度升高而增大。实际干燥中p_g先升后降——初期吸热升温、内部水分向外扩散使表面水汽增多致p_g上升，后期表面形成干层阻碍迁移且含水率降低致p_g下降。

Moisture binding energy analysis of Camellia oleifera shell（COS水分结合能分析）：

基于Gibbs–Helmholtz自由能理论与理想气体状态方程导出F＝－R(273.15＋t_g)·ln[1－exp(1－Mⁿ×A×(B＋t_g))]。高含水率（M≥70% d.b.）时F≈0，说明水分近似自由水易脱除；随含水率降低F增大，说明结合强度增强难蒸发；同含水率下升温则F减小，高温利于水分脱附扩散。据此确定70%（d.b.）为工艺参数调整的临界含水率。

Shrinkage rate analysis of Camellia oleifera shell（COS收缩率分析）：

45～85 ℃下干燥至15%（d.b.）时SR为43.1%～65.3%，且SR随温度升高而增大（高温致细胞塌陷加剧）；干燥初期SR增速快（表面蒸发>内扩散产生毛细应力），后期渐缓（内外梯度和水分减少）。

Shell explosion analysis of Camellia oleifera fruit under hot air drying（热风干燥下油茶果爆壳分析）：

初期COS收缩不足不裂，随干燥进行SR增大促使表面裂纹张开，SER逐渐上升。70 ℃下420 min时SER达100%，50 ℃下SER仅为70 ℃时的8.3%；70 ℃爆壳起始时间较50 ℃提前44%。升温使p_g、蒸发速率及SR增大，F减小，从而加速爆壳。

讨论与结论翻译：

研究人员成功构建了高拟合度（R²＝0.993，RMSE＝0.2244）的COS平衡含水率模型，并基于该模型给出了COS表面蒸汽分压及水分结合能的计算公式。低含水率下COS细胞严重受损皱缩且孔隙增加。COS表面蒸汽分压随温度升高而增大，随干燥时间呈先升后降趋势，且随含水率升高而增大。COS水分结合能与含水率及温度成反比，当含水率≥70%（d.b.）时水分结合能趋于零。在45～85 ℃干燥至15%（d.b.）时COS收缩率为43.1%～65.3%。在50～70 ℃干燥温度范围内，50 ℃下爆壳率仅为70 ℃下的8.3%，70 ℃下油茶果爆壳起始时间较50 ℃提前44%。研究表明调整干燥工艺参数可改变COS水分迁移特征进而影响油茶果爆壳效果，揭示COS水分迁移特征对优化热风爆壳工艺及提升爆壳率具有重要意义。