基于X射线CT与有限元建模的正反分析测定叶菜各向异性热机械特性及其应用价值

为解决叶菜类蔬菜在冷却、储存和干燥过程中热质传递与结构变形的精确调控难题，研究人员通过X射线CT扫描结合有限元建模（FEM）的正反分析，量化了菠菜、小白菜和菜心叶片与叶柄组织的各向异性热导率与弹性模量。研究发现热导率在叶片Y方向和叶柄Z方向更高，弹性模量则与孔隙率呈负相关，并建立了孔隙率-性能的指数模型（R2>0.92）。该研究为叶菜采后品质精准控制提供了微观结构-性能关系的理论依据，推动食品工程数字化发展。

　　

叶菜类蔬菜因其质地柔软、结构异质性显著，在采后冷链和加工过程中易因热机械应力导致品质劣变。传统有限元模型(FEM)常依赖假设参数，难以精确预测其宏观热质传递与结构变形行为。尤其叶片与叶柄的孔隙分布、细胞排列等微观特征差异，使得各向异性热导率(λ)和弹性模量(E)的量化成为行业痛点。为此，华南理工大学孙大文团队在《Journal of Food Engineering》发表研究，创新性地将X射线计算机断层扫描(CT)与FEM正反分析结合，首次系统揭示了菠菜、小白菜和菜心的微观结构-性能关系。

研究采用高分辨率CT(1μm/voxel)获取叶片和叶柄三维结构，通过统计相关函数量化孔隙各向异性；结合代表体元(REV)分析和网格独立性验证，确定最优建模尺度；基于瞬态平面热源法和万能试验机实测数据，分别开展正向热传导模拟和逆向力学参数反演。关键技术创新在于：通过灰度-孔隙率关联实现低分辨率图像的属性可视化，并建立孔隙率-性能的指数与半经验模型。

3.1 实测性能差异

实验显示小白菜叶片Y方向热导率最高(0.4655±0.01754 W/(m·K))，菠菜叶柄Z方向弹性模量(18.11±2.600 MPa)显著高于其他品种，证实组织类型主导性能差异。

3.2 微观结构特征

高分辨率CT揭示叶片中不规则细胞间隙(孔隙率>30%)与叶柄致密结构(孔隙率<10%)的鲜明对比。统计函数表明小白菜叶片孔隙连通性最佳，而菠菜叶柄呈现独特的窄孔径分布(30-40μm)。

3.4 热传导机制

正向热模拟发现叶片Y方向λ_Y/λ_X>1.0，叶柄则Z方向占优。Brailsford模型完美拟合孔隙率-λ关系(R²=0.9851)，证实取向排列的栅栏细胞促进纵向传热。

3.5 力学响应规律

逆向分析估算出叶片基质弹性模量(1.82-1.93 MPa)相近，而菠菜叶柄基质模量(18.84 MPa)是其他品种2倍。Phani模型(R²=0.9585)揭示孔隙率每增加10%，E下降约35%。

3.6 属性空间异质性

基于36μm/voxel的整叶扫描，重建显示小白菜叶片λ分布(0.4429-0.5763 W/(m·K))与实测误差<5%，验证了模型可靠性；弹性模量图谱清晰区分叶柄(5.38-19.81 MPa)与叶片(0.74-1.44 MPa)的力学边界。

该研究首次实现叶菜多尺度热机械属性的精准映射，建立的孔隙率-性能模型为优化冷链工艺参数提供了量化工具。未来可进一步耦合水分迁移方程，预测干燥过程中的应力开裂行为，推动采后处理向数字孪生方向发展。尤其值得注意的是，逆向分析法突破了植物组织微区力学测试的技术瓶颈，该方法可拓展至其他多孔农产品品质调控研究。