基于随机多孔介质框架的面包烘焙多物理场建模：热质传递-结构形变-品质演变的耦合分析

这篇研究开创性地采用泊松颗粒模型（Poisson grain）构建随机多孔介质框架，首次将孔隙几何分布纳入面包烘焙的多物理场耦合模型。通过整合传热传质（HMT）、粘弹性力学（Kelvin-Voigt模型）与数据驱动的品质预测模型（L*/ΔE色度、硬度等），揭示了孔隙拓扑结构对水分迁移、膨胀形变及感官品质的调控机制，为食品加工数字化提供了新范式。

　　

Highlight

本研究首次将随机多孔介质方法（泊松颗粒模型）应用于面包烘焙的机理建模，通过分离描述孔隙（气相）与固体基质（干物质-水混合物）的几何特征，突破了传统连续介质模型的局限。这种创新框架成功捕捉了孔隙网络对热质传递（HMT）、结构形变（Kelvin-Voigt模型）及品质参数（L*/ΔE色差、咀嚼性等）的动态影响。

Model description and assumptions

模型几何由蓝色孔隙区（水蒸气/CO₂）与灰色固体区（面团基质）构成（图3）。孔隙区采用Navier-Stokes方程描述气体流动，固体区耦合了非平衡态热力学方程与水分扩散方程。关键假设包括：1) 孔隙随机分布服从泊松过程；2) 淀粉凝胶化（gelatinization）与蛋白质变性（denaturation）为一级动力学反应；3) 体积膨胀受粘弹性本构方程（constitutive equation）控制。

Validation of moisture and temperature predictions

模型在4个测温点（T1-T4）的预测结果与实验数据高度吻合（图5-6）。干基含水量（m_db）的归一化标准估计误差（NSEE）<0.15，温度曲线R²>0.92。特别值得注意的是，孔隙重分布敏感性分析显示：当孔隙协调数（coordination number）增加30%时，水分扩散速率提升22%，这印证了孔隙互连性对传质的决定性作用。

Conclusion

随机多孔介质框架成功解耦了烘焙过程中孔隙演化与固体基质的相互作用，首次实现了从介观尺度预测质地（硬度/咀嚼性）与色泽（L*值）的动态变化。该方法为食品多孔材料的多尺度建模提供了新工具，未来可拓展至3D打印食品或药物缓释载体的优化设计。