低水分食品中抗菌气体流动的孔隙尺度建模：基于X射线显微CT和计算流体力学的罗勒床渗透性研究

本研究针对低水分食品表面病原体污染问题，创新性地采用X射线显微CT成像结合孔隙网络模型(PNM)和计算流体力学(CFD)技术，首次揭示了干燥罗勒叶床的微观结构特征与抗菌气体传输机制。研究发现床层总孔隙率达65.4%，径向渗透性比轴向高64%，为优化食品非热杀菌工艺提供了重要理论依据。

　　

在食品安全领域，干燥香草和香料等低水分食品(LMFs)的病原体污染一直是重大挑战。尽管低水分环境抑制微生物生长，但沙门氏菌等致病菌仍能长期存活。传统热杀菌技术会破坏热敏性成分，而辐照处理可能影响食品感官品质。美国香料贸易协会(ASTA)报告显示，零售干燥香草中沙门氏菌检出率达1.1%，近年多次因污染召回事件更凸显问题的紧迫性。

针对这一行业痛点，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois, Urbana-Champaign)农业与生物工程系的研究团队创新性地将材料科学领域的孔隙尺度建模技术引入食品工程领域，在《Journal of Food Engineering》发表重要研究成果。研究人员选择具有代表性的干燥罗勒叶为模型，通过多尺度表征与模拟相结合的方法，首次系统阐明了抗菌气体在低水分食品多孔结构中的传输机制。

研究采用三大关键技术：高分辨率X射线显微CT(分辨率10.5μm)获取三维孔隙结构；Avizo软件进行图像分割和孔隙网络建模；Comsol Multiphysics开展CFD模拟(处理4.32×10⁷自由度)。特别创新地保留了真实食品的不规则孔隙结构，而非采用简化几何模型。

【微观结构表征】

三维重构显示罗勒床具有0.654的高孔隙率，其中99.4%为连通孔隙。孔隙网络模型(PNM)定量揭示平均孔隙体半径436.7μm，喉道半径191.4μm，配位数8.2的复杂拓扑结构。径向曲折度(1.4)显著低于轴向(1.8)，这为后续渗透性各向异性提供了结构解释。

【流体动力学分析】

CFD模拟发现：在7.94×10⁴ Pa/m压力梯度下，气体平均速度达7.24 m/s，但存在明显速度波动(最高29.7 m/s)。压力场分析显示小喉道区域压降剧烈，符合Hagen-Poiseuille方程预测。通过2D模拟对比四种流场配置，证明双入口设计可减少17%的盲孔不可及区域。

【渗透性各向异性】

PNM计算显示径向渗透率(3.14×10^-9 m²)比轴向高64%，这与曲折度差异高度吻合。CFD结果(4.76×10^-9 m²)与PNM具有良好一致性，验证了模型的可靠性。

该研究首次建立了低水分食品孔隙结构-气体传输效率的定量关系，突破性地指出：动态改变气流方向可使抗菌气体覆盖率提升40%；径向流动配置能显著提高处理效率。这些发现为食品工业优化臭氧、二氧化氯等气体杀菌工艺提供了理论依据，对保障香草、坚果等低水分食品安全具有重要实践意义。技术方法还可推广至食品干燥、冷冻等涉及多孔介质传输的过程优化，展现了跨学科研究方法在食品工程中的强大潜力。