基于降尺度多尺度建模的植物性食品干燥过程中细胞内水(ICW)传输机制研究

本研究针对植物性食品材料(PBFMs)干燥过程中细胞内水(ICW)动力学被现有模型忽视的难题，开发了能主动降尺度分析ICW传输的多尺度模型。通过47°C和64°C两种干燥温度下的实验验证，模型对平均含水量的预测相对误差(MRE)分别低至3.62%和8.38%，首次揭示了细胞壁破裂阈值对ICW迁移的影响机制，为优化食品干燥工艺提供了理论工具。

　　

在食品加工领域，植物性材料的干燥过程犹如一场微观世界的"脱水马拉松"——细胞内的水分需要穿越复杂的多孔结构才能逸出。然而当前大多数计算模型将细胞视为"黑箱"，忽略了细胞内水(ICW)这一关键角色的动态变化。这种简化导致模型预测偏差，特别是当温度升高引发细胞结构变形时。昆士兰科技大学的研究团队在《Journal of Food Engineering》发表的研究，通过创新的降尺度多尺度建模技术，首次实现了对ICW运输路径的精准追踪。

研究采用两阶段建模策略：宏观尺度模拟整体热质传递，微观尺度解析细胞变形与ICW迁移。关键技术包括X射线μCT三维重构、多物理场耦合算法，以及基于澳大利亚研究理事会资助项目(DP220103668)开发的动态降尺度接口。通过47°C和64°C对比实验，结合KG-Q研究中心的显微成像设备验证模型。

【细胞变形】显示温度升高导致细胞壁破裂阈值提前，64°C干燥时细胞收缩率较47°C增加37%。【宏观干燥动力学】模型预测与实验数据高度吻合，64°C下含水量MRE为8.38%。【ICW运输】首次量化三个特征位点(P1-P3)的ICW通量差异，发现细胞壁纳米孔隙的瞬态堵塞现象。

该研究突破传统模型的静态假设，证明ICW动态对中温干燥(64°C)预测精度影响显著。Vindya Thathsaranee Weligama Thuppahige等提出的降尺度框架，为食品干燥工艺优化提供了新范式，其方法论可延伸至制药、生物组织工程等领域。正如Azharul Karim教授指出，这项研究"实现了从细胞尺度到宏观尺度的双向对话"，为理解多孔介质传质机制树立了新标杆。