薄食品膜 Electrohydrodynamic (EHD) 干燥动力学：麦芽糊精与淀粉体系的机理建模及 Ohmic heating 贡献评估

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Drying kinetics of thin food ingredient films in Electrohydrodynamic drying – experimental and mechanistic modelling

　　

电流体动力学（Electrohydrodynamic，EHD）干燥是常规干燥方法的有前景替代方案，可降低能耗和操作温度。这些特征使其特别适合热敏性材料，例如食品。该技术依赖将高电压施加于尖锐发射电极所产生的电晕风（corona wind），以从置于收集电极上的湿产品中去除水分。为支持EHD干燥的规模化实施，可靠预测模型至关重要。本研究提出了用于薄食品膜EHD干燥的机理模型，以麦芽糊精和淀粉作为代表性体系。麦芽糊精模型基于聚合物溶液中的水分传递，而淀粉模型考虑了多孔介质中的有效水分扩散。两个模型均纳入质量与热量传递原理，并在后期将欧姆加热（Ohmic heating）的可能贡献纳入模型。其预测性能经实验数据验证和比较，对流质量传递系数和内部扩散系数通过最小二乘最小化进行参数拟合估计。所有模型均准确预测了实验观察到的干燥行为。模拟表明，对于未糊化淀粉浆料，欧姆加热效应在膜厚 >1 cm 时更为明显。对于较薄膜，如研究人员实验中所研究者，欧姆加热效应可忽略。因此，使用不含欧姆加热的简化模型足以用于预测目的，可降低复杂性、数据需求和计算成本。

干燥是食品生产中的关键步骤，但能耗很高。为寻找更高效、可持续的替代干燥技术，电流体动力学（Electrohydrodynamic，EHD）干燥受到关注。EHD干燥利用施加高电势差于尖锐发射电极所产生的电晕风（corona wind，高压电极放电诱导的气流），将电能直接转化为电晕风，较风扇产风更高效，并可在较低温度下增强水分传递，适合热敏食品。然而，EHD干燥尚未工业化，主要因对其干燥性能及质热传递机理理解不完整。预测模型是放大设计的关键工具。EHD干燥包含电晕风产生和干燥过程两个主要现象。产品处于电场中，电场可能通过局部欧姆加热（Ohmic heating，电场中电阻性耗散产热）、提高水分活动性或电渗等增强干燥。此前研究已开发电晕风产生模型和产品膜残余电位量化模型，但缺少预测干燥性能的动态模型。因此，本研究开发EHD干燥动态模型。干燥动力学涉及膜内扩散/传导和向周围空气的对流，EHD中对流由电晕风增强。研究人员基于物理模型，以经典 Lewis 质量与热量传递方程为基础，耦合 Fourier 热方程（Fourier's heat equation）和 Fick 扩散方程（Fick's diffusion equation），应用于麦芽糊精（maltodextrin）溶液和淀粉（starch）悬浮液。麦芽糊精溶液代表均相溶液，内部水分传递由浓缩聚合物基质中的扩散控制；未糊化淀粉悬浮液代表颗粒固体悬浮液，水分传递描述为颗粒床中的有效扩散（effective diffusion，D_eff），考虑颗粒内传输和颗粒间孔隙蒸汽传输。模型先假设纯对流干燥，后加入欧姆加热（仅淀粉浆）。通过实验数据验证，并用模型量化欧姆加热贡献。结论是模型能准确预测干燥行为；12 kV约4倍增强；17 kV无显著进一步增强；欧姆加热仅在膜厚>1 cm时明显，薄膜模式可忽略。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员制备质量3 g、初始含水70%（w/w）的麦芽糊精DE-12和马铃薯淀粉薄膜，置于线-板EHD干燥装置，在0、12、17 kV（对应0、6、30 μA）及20.5 °C、20%相对湿度下干燥，实验重复两次。收集电极连接天平在线监测质量，光纤温度传感器测膜温，箱内空气温湿度记录。淀粉粉末解吸等温线用动态水蒸气吸附（Dynamic Vapor Sorption，DVS）测定。采用COMSOL Multiphysics? v6.2构建二维多物理场模型，使用传输稀释物质和传热模块，PARDISO（PARallel Direct sparse SOlver Interface）直接求解，优化模块以最小二乘最小化拟合对流质量传递系数（k_cov）和淀粉内部扩散系数（D_s）；以R²（决定系数）、RMSE（均方根误差，Root Mean Squared Error）和RAE（相对绝对误差，Relative Absolute Error）评价性能。材料来源为Roquette Frères, France和Sigma-Aldrich, Germany。

4.1 淀粉粉末的解吸等温线：通过DVS测定淀粉颗粒解吸等温线，并用GAB模型（Guggenheim-Anderson-de Boer，GAB）拟合。GAB模型拟合极好，R²=0.999，RAE=0.012；参数X_m=0.165±0.0167 g-water/g-solid，C=11.323±1.132，k=0.569±0.050。该等温线用于干燥模型。

4.2 干燥动力学模拟与模型性能：先不考虑欧姆加热，二维多物理场模型求解膜内水分浓度。膜厚方向浓度梯度很小。总质量积分与实验比较。模型与麦芽糊精和淀粉实验干燥动力学吻合。最终膜质量约1 g，不同电压均收敛，符合平衡水分理论。除淀粉17 kV的R²为0.91外，其他R²>0.95，RAE为0.02–0.09，低于0.2阈值。实验存在变异，未显示系统误差趋势，说明装置可重复性有提升空间。

4.3 干燥速率与质量传递：通过模型得到干燥速率曲线，呈恒速期后降速期。麦芽糊精过渡平滑，表明基质连续；淀粉过渡尖锐，归因于孔形成及多相传输。EHD显著增强干燥。12 kV下麦芽糊精恒速干燥速率约23×10^-8 kg/s，自然对流约6×10^-8 kg/s；淀粉12 kV约25×10^-8 kg/s。拟合k_cov在0 kV为1.2×10^-3 m/s（麦芽糊精）和0.6×10^-3 m/s（淀粉），12 kV约4.5–4.6×10^-3 m/s，17 kV约5.1–5.6×10^-3 m/s。D_s约1.3×10^-10 m²/s。17 kV较12 kV仅略增，尽管电流显著增加，可能因Sherwood关系幂系数小于1，风速影响呈亚线性。当前EHD装置k_cov较低（1×10^-3至5×10^-3 m/s），低于工业需求；操作窗口约10–19 kV，限制更低或更高电压实验。

4.4 含欧姆加热的干燥动力学预测：将欧姆加热作为体积热源加入模型，仅用于淀粉。加与不加欧姆加热的薄膜预测无明显差异。热源分析显示，空气供热与蒸发速率相关，降速期下降；欧姆热随干燥因残余电位增加而增加，但被电阻增加部分抵消，仍远小于空气供热。模拟厚度2.17 mm仍不明显，到1.09 cm才可见恒速期干燥速率增强。表明欧姆热仅在较厚膜中显著，阈值约1 cm；受电极距离和电场限制；初始介电常数低的材料，如多孔或泡沫材料，可能更早受益。

4.5 敏感性分析：通过改变拟合参数重模拟。k_cov敏感，10%变化即可明显改变干燥曲线，麦芽糊精比淀粉更敏感；主要影响初始干燥速率，最终水分不变。D_s不敏感，即使0.1–10倍变化影响也小，仅在降速期弯曲处略见影响。说明基于本研究模型估计D_s并非最准确，DVS等可能更合适，但估计值足以预测干燥动力学。

讨论部分总结：研究人员认为，EHD干燥薄麦芽糊精和淀粉膜的机理模型得到实验验证。麦芽糊精基于聚合物体系水分扩散，淀粉基于多孔材料有效水分扩散；模型纳入质热传递。k_cov和D_s用0、12、17 kV实验数据估计。所有模型与实验干燥曲线强一致，R²高、RMSE和RAE低。实验和模型显示EHD增强薄膜干燥；12 kV约4倍增强速率和传质系数，k_cov约0.005 m/s，D_s约1.3×10^-10 m²/s，与文献典型值一致；增至17 kV无显著进一步增强。模型进一步评估欧姆加热：仅较厚膜，阈值约1 cm，效应明显；薄膜贡献可忽略。当前EHD设置传质系数低，工业放大仍受限，新几何需重新表征参数。

5. 结论翻译：研究人员开发并验证了薄麦芽糊精和淀粉膜EHD干燥动力学的机理模型。对麦芽糊精，模型基于聚合物体系中的水分扩散；对淀粉，模型基于多孔材料中的有效水分扩散。两个模型均纳入干燥过程中的质量与热量传递原理。使用这些模型和0、12、17 kV EHD干燥实验数据，估计了对流质量传递系数k_cov和淀粉颗粒内水分扩散系数D_s。所有模型与实验干燥曲线高度一致，表现为高R²以及低RMSE和RAE。实验和模型表明，与自然对流干燥相比，EHD增强了麦芽糊精和淀粉薄膜的干燥。施加12 kV电压使干燥速率和质量传递系数约提高四倍，估计k_cov约0.005 m/s，而内部扩散系数D_s约1.3×10^-10 m²/s，与文献报道的典型值一致。将施加电压增至17 kV未带来显著进一步增强。模型进一步用于评估EHD干燥过程中欧姆加热的影响。模拟表明，欧姆加热效应仅在较厚膜中变得明显，阈值约从1 cm厚度开始。对于较薄膜，如本研究通常使用者，欧姆加热贡献可忽略。因此，可得出结论：对于薄膜EHD干燥应用，可通过排除欧姆加热组分简化干燥模型，而不损害预测准确性。这种简化具有降低计算成本并保持可靠性能的优势。