基于X射线微计算机断层扫描与晶格玻尔兹曼方法的真实面包微结构内部液体渗透行为及其结构特性影响研究

《Current Research in Food Science》：Effect of bread microstructure on internal liquid penetration using the lattice Boltzmann method combined with X-ray micro-computed tomography

为深入揭示面包复杂多孔结构对内部液体渗透行为的影响机制，研究人员整合了X射线微计算机断层扫描（micro-CT/μCT）成像技术与增强型晶格玻尔兹曼方法（LBM），在真实孔隙尺度上开展了流体动力学模拟。研究表明，仅靠孔隙率难以有效预测渗透性，而沿主流动方向的结构连通性（Connectivity）是控制渗透率的主导因素，中值孔径（D50）可作为流动能力的代表性指标。该研究为优化食品加工工艺、提升产品品质提供了关键的理论依据。

　　

涂抹酱汁是让三明治、糕点等食物更加美味的关键步骤。然而，酱汁在面包内部究竟是如何渗透和分布的？这不仅关系到最终成品的口感、风味释放和整体稳定性，也直接影响着消费者的接受度。不同的应用场景对渗透程度有着不同的要求。理解面包的内部结构（即其微结构）如何影响液体的流动路径、毛细作用力和流动阻力，对于优化食品配方和加工技术至关重要。传统的实验方法虽然常用，但想要在面包这样的复杂多孔食品基质中获取详细的孔隙尺度流体流动数据，不仅极具挑战，而且成本高昂，这在一定程度上限制了对食品结构与液体相互作用机理的深入理解。为了克服这些局限性，一项发表在《Current Research in Food Science》上的研究，创新性地将高精度的实验成像技术与先进的数值模拟方法相结合，为我们揭开了面包内部液体流动的秘密。

本研究主要采用了几个关键的技术方法组合。首先，研究团队使用了X射线微计算机断层扫描（micro-CT/μCT）对三明治面包样品进行高分辨率成像，以获取其真实的内部三维微结构。通过图像处理软件Fiji对获取的二维图像序列进行降噪、分割等处理，得到用于后续分析的二进制图像。接着，利用增强型晶格玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM），特别是基于图形处理器（GPU）加速的自研求解器Dena，对流体在这些真实微结构中的流动进行数值模拟。研究通过引入三个基准测试案例验证了模型的准确性，并最终将其应用于来自micro-CT扫描的真实面包结构，以研究其微观结构特性对液体渗透行为的影响。

结果

2.1. 代表性基本体积（REV）分析：为确保模拟结果的代表性和统计意义，研究首先对从面包中心获取的样本进行了代表性基本体积（Representative Elementary Volume, REV）分析。通过比较不同尺寸子体积的孔隙率，研究确定了当子体积边长达到约3毫米时，孔隙率趋于稳定。基于此，最终选择了一个边长为7.5毫米的立方体区域（400×400×400体素）作为后续模拟和分析的研究体积，以排除边缘效应和切割损伤的影响。

2.2. 基准测试验证：在将模型应用于复杂的面包结构之前，研究通过三个基准案例验证了所采用晶格玻尔兹曼求解器的正确性和准确性。首先，模拟了平板间的泊肃叶流动，数值解与理论解析解高度吻合。其次，模拟了圆柱绕流，所得阻力系数与文献经验公式结果一致。最后，模拟了通过规则排列球体填充床的流动，计算得到的渗透率与著名的Ergun方程预测值相符。这些验证表明，所采用的增强型LBM能够准确模拟包括多孔介质在内的复杂流动，为后续研究奠定了基础。

2.3. 二维结构特性分析与渗透性模拟：研究首先在二维层面对来自真实面包micro-CT切片的孔隙结构进行了系统分析。根据孔隙率，将切片分为P65、P67、P69、P71、P73五个组。通过分析二维模拟得到的渗透率与多个结构参数（孔隙率、连通性、中值孔径D₅₀、曲折度、节点数）之间的相关性，研究发现：渗透性与孔隙率之间没有观察到简单的相关性，表明仅依靠孔隙率或其有效值来预测渗透性是不充分的。相比之下，沿流动方向（x方向）的连通性与渗透性呈现出最强的正相关性，表明更高的连通性，特别是沿主流动方向的连通性，能为流体提供更多流动路径，是控制渗透性的主导因素。中值孔径（D₅₀）也被确定为流动能力的代表性度量。而曲折度和节点数（三叉点和四叉点）与渗透性的相关性则可以忽略不计。

2.4. 三维真实结构中的流动模拟与机理探究：为了更真实地反映三维空间中的流动行为，研究进一步对来自micro-CT扫描的三维面包样本（尺寸为400×400×400体素）进行了模拟。三维模拟的孔隙率为0.698。模拟结果清晰地展示了流体在复杂三维孔道中的速度分布和压力分布。通过分析三维流动的细节，研究进一步确认了二维结论，并提供了更深入的机理解释。研究发现，许多存在于孔道中的细小破碎孔洞会构成限制流体流动的“瓶颈”，显著影响整体的流动特征。这些瓶颈结构增加了局部流动阻力，是导致渗透性降低的重要因素之一。而具有更高连通性的结构，则能够通过提供替代的、更顺畅的流道来绕过这些瓶颈，从而维持较高的整体渗透性。

结论与讨论

本研究成功地将X射线微计算机断层扫描（micro-CT/μCT）成像技术与增强型晶格玻尔兹曼方法（LBM）相结合，在真实的面包微结构尺度上，系统探究了其结构特性对内部液体渗透行为的影响。研究的主要结论和重要意义可归纳如下：

1. 1.
   揭示了主导渗透性的关键结构参数：研究明确了在面包这类复杂的固溶胶结构中，沿主流动方向的连通性是预测和控制其液体渗透性的最关键因素，而非传统的单一孔隙率指标。这挑战了仅依靠孔隙率评估多孔介质输运性能的常规认知。
2. 2.
   提供了孔隙尺度流动的直观证据：通过三维数值模拟，研究首次在真实的面包微结构图像中可视化了孔隙尺度的流动细节（速度场、压力场），明确指出细小的破碎孔洞形成的“瓶颈”效应是限制流动、影响全局渗透特征的重要机制。中值孔径（D₅₀）被确立为表征流动能力的有效指标。
3. 3.
   建立了“结构-性能”的定量关系桥梁：该工作超越了传统的经验或半经验模型（如扩展的卡曼-科泽尼方程），通过直接的物理模拟，在面包的真实、非均匀微结构与其宏观渗透性之间建立了更可靠的、基于机理的联系。
4. 4.
   对食品工业的实践指导意义：该研究成果对于优化食品加工技术具有直接的应用价值。例如，在开发新的面包配方或调整生产工艺（如醒发、烘烤条件）时，可以有目的地调控面团的微结构，特别是增强其在预期液体填充方向上的连通性，并减少有害的微小破碎孔洞的形成，从而精确控制最终产品中酱汁、馅料的渗透深度和分布均匀性，以达到理想的口感和货架期。
5. 5.
   方法论上的贡献：本研究验证了增强型LBM结合micro-CT成像研究复杂食品多孔介质流动问题的有效性和优势。所采用的自研GPU加速求解器展现了处理大规模真实结构模拟的能力，为食品科学领域研究微观传输现象提供了一套强大、可推广的研究范式。

总之，这项工作不仅增进了对面包-液体体系相互作用的基础科学理解，也为食品制造业通过微观结构设计来提升产品品质和加工效率开辟了新的途径。