利用S形管的多物理场模型，开发并实验评估了连续流式射频酶失活系统

《Journal of Food Engineering》：Development and experimental assessment of continuous-flow radio frequency enzyme inactivation systems using a multiphysics model of an S-shaped tube

　　

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  开发并验证了一种多物理场耦合的S形管式连续流射频（RF）系统。
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  PPO的失活遵循一级动力学规律。
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  最佳流速随着羧甲基纤维素（CMC）溶液浓度的增加而增加。
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  在1900 mL/min的流速下处理的红富士苹果汁的PPO残余活性为18.9 ± 3.6%。

引言

酶促褐变主要由多酚氧化酶（PPO）引起，对液态水果和蔬菜产品（如苹果汁）的加工质量和保质期稳定性构成了严峻挑战（Kim等人，2021年）。PPO催化酚类化合物的氧化聚合，导致褐变，这不仅严重破坏了产品的颜色和风味，还导致维生素、酚类抗氧化剂和其他生物活性营养素的显著损失（Moon等人，2020年）。据报道，酶促褐变是导致水果、蔬菜和海鲜品质下降的第二大原因（Vhangani和Van Wyk，2021年），每年约有50%容易发生褐变的食物因此受损并失去食用价值，造成巨大的经济损失（Moon等人，2020年）。因此，对水果和蔬菜汁及酱料进行酶失活是生产过程中的重要步骤，特别是对于那些容易发生褐变的产品。

目前，传统的热处理方法（如水浴或蒸汽）仍被广泛用于抑制水果汁的褐变（Shao等人，2021年）。酶是蛋白质，在高温下会因变性而失去活性。因此，在工业上通常使用换热器通过热传导和对流将热量从外部传递到内部，热源通常为70-90°C的热水或蒸汽（Abea等人，2022年；Zhang等人，2020年）。然而，这种方法存在许多问题，包括热量损失大、管道能耗高、垫圈容易老化、变形甚至脱落，需要频繁维护（Zhu等人，2014年），以及靠近管壁的材料过热会损坏风味、颜色和营养价值。此外，传统热处理的整体加热速度较慢，加工时间较长（Siguemoto等人，2018年）。这些问题共同导致了产品质量的下降。因此，迫切需要更高效、更可靠的酶失活方法（Soto Reyes等人，2022年）。

与传统热处理相比，射频（RF）处理具有加热速度快、渗透深度深、品质降解最小的特点，在食品酶失活和巴氏杀菌方面显示出巨大潜力。例如，Abea等人（2023年）使用有限元和一维模型对以5 m/h的速度输送的瓶装液体进行了RF加热模拟。Li等人（2023年）研究了圆柱形容器和直管连续流系统中羧甲基纤维素（CMC）溶液的RF加热情况，探讨了浓度、容器尺寸和流速对加热效果的影响。Chu等人（2025年）研究了S形管道参数对CMC溶液批量RF加热的处理能力和加热均匀性的影响，但未将其扩展到连续流系统或验证酶失活效果。选择S形布局是为了在有限的电极区域内增加加热管的长度和有效停留体积，同时弯曲引起的二次流动有望促进径向混合。此外，还讨论了管材结构参数对连续流微波系统中液态食品加热的影响，以蒸馏水作为代表性液态食品（Zhang等人，2021年）。随后，该经过验证的数学模型被用于工业规模的连续流系统优化研究（Topcam和Erdogdu，2021年）。然而，大多数研究仍局限于批量系统，这限制了大规模工业应用——尤其是对于高粘度非牛顿流体，其中包括吞吐量不足、失活效率不一致以及工艺参数定义不明确等问题严重阻碍了工业化进程。S形布局旨在通过增加电极区域内的加热长度和液体体积来解决这一限制，而多物理场模型则减少了重复试验的依赖性。

本研究旨在：（1）建立一种结合电磁场、流场、温度场以及PPO失活动力学的多物理场仿真模型，并评估其与实验温度和电阻温度探测（RTD）结果的一致性，使用新型S形管道连续流RF酶失活系统和CMC溶液作为液态模型食品；（2）探讨CMC浓度和流速对RF加热和酶失活效果的影响，确定0.5%至2.0% CMC溶液的最佳流速，以≤20%的PPO残余活性作为抑制阈值；（3）使用红富士苹果汁作为加工对象，验证该系统的实际PPO失活效果。

章节摘录

样品制备

将CMC粉末（FH9，重庆力宏精细化工有限公司，中国重庆）与纯净水混合，制备了四种不同质量分数（分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%（w/w）的CMC溶液。混合均匀后，将每种溶液转移到密封的10 L容器中，并在25 ± 0.5°C下保存48小时，以便气泡上升并逸出（Chu等人，2025年）。

温度比较

图4比较了不同浓度CMC溶液在各种体积流速下五个温度测量位置的实验数据和模拟数据。模拟数据和实验数据在各个测量位置显示出相似的趋势。对于不同浓度的CMC溶液，模拟数据与实验数据之间的最大相对偏差（RMSE）为2.73°C，仍在报告的误差范围（1.5-3.1°C）之内（CMC溶液仿真）

结论

建立了一种用于S形管内连续流RF酶失活的多物理场模型，结合了电磁场、流场、热场和PPO失活动力学。在研究的条件下，评估了模拟温度、停留时间分布和PPO失活结果之间的一致性。随后，利用该模型分析了不同浓度和流速下的CMC溶液及其失活效果，以及最佳体积参数

作者贡献声明

Bolin Fu：撰写——初稿、方法论、实验设计。 Shulong Chu：实验设计、数据整理。 Xuepeng Yuan：实验设计。 Shaojin Wang：撰写——审稿与编辑、监督。 Lixia Hou：撰写——审稿与编辑、监督、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不持有任何可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究在西北农林科技大学机械电子工程学院进行，得到了陕西省重点研发计划（2025NC-YBXM-184）的资助。

Bolin Fu Shulong Chu Xuepeng Yuan Shaojin Wang Lixia Hou