甘蔗汁榨取中基于机械特性制备指数(PI)的复合评估：提升制糖效率的关键建模基础

为解决甘蔗制糖过程中榨汁效率与能耗平衡的难题，研究人员通过单轴限制压缩、加载-卸载压缩、直接剪切及榨汁效率测试，系统探究了制备指数(PI)对甘蔗机械特性的影响。研究发现PI在92.14%-95.96%区间可实现82%的最高榨汁效率，同时提升纤维密实度（密度达482.68 kg/m3）与刚度（杨氏模量达163.18 MPa）。该研究为工业制糖的实时PI调控系统开发提供了关键理论支撑。

　　

在全球食糖需求持续增长的背景下，甘蔗作为80%糖分的来源，其加工效率直接影响供应链稳定。然而传统制糖工艺面临两大痛点：榨汁阶段的非线性力学行为导致应力分布不均，以及纤维-汁液交互作用引发的能量损耗与汁液回吸现象。印度尼西亚日惹加札马达大学的研究团队在《Food and Bioproducts Processing》发表的研究，首次建立了制备指数(PI)与甘蔗机械特性的量化关系模型，为破解这一行业难题提供了新思路。

研究采用四种核心技术：1) 单轴限制压缩测试量化体积密度与弹性参数；2) 加载-卸载循环测定杨氏模量(Young's modulus)变化；3) 直接剪切仪分析粘聚力与内摩擦角；4) 榨汁效率评估系统。所有实验在甘蔗收割后24小时内完成，样本来自印尼Wedomartani种植场的PS82-3208品种（白利度22%，纤维含量13%），按PI值分为85.95%、92.14%、95.96%三组。

【PI值对体积密度的影响】
通过压缩测试发现，PI提升显著增加纤维密实度：当PI从85.95%增至95.96%时，体积密度由460.48 kg/m³升至482.68 kg/m³。这种变化源于高PI样本中纤维排列更紧密，为后续刚度提升奠定基础。

【弹性参数变化规律】
泊松比(Poisson’s ratio)在0.091-0.120区间波动，高PI样本表现出更小的侧向变形。杨氏模量呈现指数级增长趋势——PI 85.95%时为41.62 MPa，而PI 95.96%时飙升至163.18 MPa，尤其在卸载阶段差异显著，证实高PI纤维网络具备更强的弹性恢复能力。

【剪切特性与流动行为】
直接剪切测试揭示矛盾现象：粘聚力随PI增加从12.08 kPa提升至29.15 kPa，但内摩擦角却从30.40°降至14.43°。这表明高PI材料虽更易粘结成型，但纤维间滑动阻力减小，这一发现为优化压榨辊间隙设计提供了关键参数。

【榨汁效率的突破】
在最优PI区间(92.14%-95.96%)实现了82%的榨汁效率，比低PI组提升约15%。显微结构分析表明，高PI样本的纤维断裂形态更有利于汁液通道形成，同时维持了足够的结构完整性以防止汁液回吸。

该研究首次构建了PI-机械特性-榨汁效率的三元关联模型，其价值体现在三方面：1) 为有限元仿真提供精确参数，特别是修正了传统Cam-Clay模型在甘蔗压缩模拟中的偏差；2) 提出动态PI调控概念，可通过实时监测杨氏模量变化反向优化预处理工艺；3) 揭示剪切特性与流动性的反比关系，解释了工业压榨中"高产出伴随低能耗"现象的本质机制。正如通讯作者Muhammad Akhsin Muflikhun强调的，这项成果将推动制糖工业从经验驱动向数据驱动的范式转变，为实现联合国SDG12（负责任消费与生产）目标提供技术路径。