《Current Opinion in Food Science》：Bridging Rheology and Large-Deformation Mechanics: Emerging Frameworks for Modelling Edible Soft Matter
编辑推荐：
食品材料的结构化依赖于类流体与类固体状态之间的转变，这些转变在喷雾干燥、烘焙、油炸、挤压和3D食品打印中得到应用。描述这些转变仍具挑战性，因为这需要调和流体力学与固体力学的视角。软物质物理学的最新进展揭示了粘弹性流体模型与大变形固体力学之间的紧密联系，提供了一
食品材料的结构化依赖于类流体与类固体状态之间的转变，这些转变在喷雾干燥、烘焙、油炸、挤压和3D食品打印中得到应用。描述这些转变仍具挑战性，因为这需要调和流体力学与固体力学的视角。软物质物理学的最新进展揭示了粘弹性流体模型与大变形固体力学之间的紧密联系，提供了一个基于构型（柯西-格林）张量（Cauchy–Green tensor）的公共热力学框架。
固体力学自然捕捉了变形与水分传输之间的耦合，如膨胀水凝胶所示。研究人员认为，类似的耦合在复杂食品流中也具有相关性，例如在肉类类似物挤压过程中，应力驱动的相分离和水分迁移可导致润滑层和脱水收缩现象。同时，基于（触变性）弹-粘-塑性模型（(Thixotropic) Elasto-Visco-Plastic models）的流变学方法仍然是描述面团等材料中屈服和与历史相关行为的关键。
桥接流变学与大变形力学，并将多物理场耦合纳入本构模型，为食品结构化过程的预测性建模开辟了新机遇。此类整合性框架将成为连接加工条件与经历流体到固体转变的食品中质构和功能性的关键。
Introduction
食品材料（包括番茄酱、调味酱、蛋黄酱、酸奶和人造黄油）通常被视为介于粘性液体与弹性固体之间的复杂流体。实践中，它们常被当作屈服应力流体处理，即在临界应力以下表现为粘弹性类固体，在临界应力以上则作为剪切变稀液体流动。在食品科学中，屈服应力流体通常用经典Herschel-Bulkley模型描述，但该模型不足以涵盖食品加工中遇到的全部结构化现象。食品结构化的定义性特征是流体与固体状态之间的有意调控，使之成为喷雾干燥、烘焙、油炸、肉类类似物挤压和3D食品打印等工艺的基石。所有这些情况中，材料必须首先流动以实现塑形和结构化，随后通过固化维持结构。固化的机制包括凝胶化、玻璃化转变或重新低于屈服应力，通常由压力、剪切应力、温度或水分含量的降低诱导。这种流体到固体的转变是控制食品质构和功能性的核心，但其潜在机制常以纯唯象方式处理。从微观结构视角看，屈服应力食品材料可视为瞬态网络，强剪切破坏网络结构以允许流动，而静止条件下的结构重建则恢复固态。从流变学角度，该行为常用弹-粘-塑性模型（Elasto-Visco-Plastic，EVP）描述，但在食品科学中应用有限。食品流变学长期依赖粘塑性模型描述屈服应力材料，主要关注流动行为，而对类固体响应的探索不足，导致食品材料固态建模发展缓慢。直到最近，大变形固体力学框架才开始进入该领域，借鉴了软物质力学和孔隙力学（poromechanics）的进展。这种交叉融合对于理解食品材料固态行为至关重要，但由于变形与水分传输之间的强多物理场耦合，其实现具有内在挑战性。本视角旨在推动超越基础屈服应力流变学、采用物理基础建模方法，以一致地描述食品在类流体与类固体状态之间的转变。描述此类转变需要调和流体力学与固体力学关于粘弹性的传统分离视角。尽管两者均源自Maxwell模型，但随时间推移已分化为不同框架，使用不同术语和建模方法。流体力学通常采用欧拉描述（Eulerian framework），固定空间坐标描述流动演化，适合液体；固体力学则依赖拉格朗日描述（Lagrangian framework），追踪物质元素运动与变形。二者的分离阻碍了统一模型的建立。近期工作揭示了高级流变模型与固体力学公式之间的结构相似性，为无缝捕捉类流体与类固体行为提供了可能。
Large deformation mechanics in food
多物理场模型耦合大变形力学在食品科学中的早期应用可追溯至Datta等人，他们开创性地使用非线性孔隙力学描述烘焙、油炸等多孔食品的强加热过程。该框架至今仍有应用，例如纸杯蛋糕烘焙研究。与流变EVP模型不同，大变形力学明确考虑了变形与水分传输之间的耦合，这是许多食品材料的关键特征，而标准流变描述未能捕捉。典型范例是水凝胶，其变形由溶剂吸收驱动。膨胀凝胶模型基于Flory–Rehner理论，并由Suo等人进一步发展。Datta的孔隙力学框架与Suo框架的关键区别在于水的热力学处理：Datta将水视为独立相，用毛细压力表征；Suo采用单相描述，使用聚合物-溶剂混合物的单一化学势。后者已扩展至烘焙、干燥、烹饪和4D打印等食品过程。由于水与生物聚合物结合，许多食品材料支持单相描述，但如烹饪肉类等系统则表现出结合水与毛细水的共存。合并这些框架是描述潮湿食品材料大变形的必要条件。Takhar等人区分了油炸、挤压、冷冻和干燥等过程中的毛细水与结合水，但模型限于小变形。将此类多相描述扩展至大变形仍是一个开放性挑战。多数食品材料表现出粘弹性，但仅有少数研究在变形框架内纳入粘弹性。进展受限于变形梯度乘法分解的数学复杂性以及热力学一致流动规则的制定。综述补充材料中的表1总结了在大变形力学中食品材料的代表性应用，突出了关键多物理场耦合与本构选择。
EVP rheology models of food
描述屈服应力和粘弹性的经典流变模型是Saramito模型，该模型在屈服应力以下描述胡克弹性固体，在屈服应力以上描述遵循Oldroyd–Prager形式的剪切变稀粘弹性流体。然而，屈服应力处的转变是不连续的，限制了其物理真实性。因此提出了多种替代模型，包括Souza–Mendes模型、Kamani–Donley–Rogers模型以及研究者近期的模型。尽管公式不同，这些模型共享两个关键特征：一是松弛时间依赖于剪切速率和/或弹性变形；二是将应变分解为可恢复与不可恢复部分，在数学上等价于固体力学中的变形梯度乘法分解。此外，这些模型均承认构型张量与柯西-格林张量（Cauchy–Green tensor Be）的等价性。EVP模型在食品科学流动问题中的应用仍有限，仅有少数研究涉及流变测量流动。相比之下，EVP模型在更广泛的软物质文献中应用更广，尤其涉及挤压和3D打印等食品加工相关流动。补充材料中的表2提供了这些模型及其应用的概述。对于许多食品材料，屈服应力具有历史依赖性，反映了微观结构的缓慢破坏与重建。标准EVP模型未考虑这种触变性，因此触变性EVP模型（Thixotropic Elasto-Visco-Plastic，TEVP）引入标量结构参数λ描述材料结构演化，使EVP模型参数依赖于λ。TEVP模型已针对食品材料开发，但应用仍限于流变测量条件。
Coupling of mechanical stresses and moisture migration
固体与流体力学粘弹性材料的统一框架自然引出以下问题：在流动过程中机械应力是否也与水分传输耦合？在肉类类似物挤压等过程中，有假设认为流动诱导应力驱动了（i）水富集域与蛋白富集域之间的相分离，以及（ii）水分向壁面迁移，形成润滑层并导致表观壁滑移。建模此类现象需要将纳维-斯托克斯方程（Navier–Stokes equations）与描述水分相分离的Cahn–Hilliard相场描述耦合。早期模型假设水的旋节线分解，但该机制在肉类类似物中不太可能。相反，相分离更可能由弹性应力驱动，类似于粘弹性相分离。这些应力也与咀嚼过程中的水分排出相关。此类方法一致依赖于自由能公式，将其与软物质大变形模型联系起来。类似的迁移现象在多种复杂流体中观察到，包括血液、混凝土、硬球悬浮液、乳液和粘土。这常被视为分散相迁移，但也同样存在反方向的液体迁移。对于食品系统，这类行为已在二元悬浮液中采用非平衡自由能方法建模，基于早期的颗粒压力模型。这种迁移的常见后果是在固体边界附近形成薄液体润滑层，导致表观壁滑移。该效应在肉类类似物通过冷却模具的挤压中尤为显著，并预期在3D打印喷嘴中的食品墨水挤压中发挥作用。
Conclusion
EVP流变学与大变形力学的汇聚为推进食品材料流体-固体转变建模提供了独特机遇。流变框架捕捉粘弹性、屈服和触变性，而固体力学强调了变形与水分传输之间的强耦合，这是许多结构化过程的核心。将这两个视角结合，使我们能够超越唯象描述，迈向具有坚实热力学基础的预测性、机理模型。测试这些多物理场模型需要借助现代断层成像方法进行详细的原位实验。未来进展将依赖于将软物质物理学的进展转化为食品科学，特别是将应力驱动相分离、粘弹性弛豫和溶剂迁移纳入统一本构框架。此类发展对于描述挤压、烘焙和4D食品打印等加工操作至关重要，其中流动、变形和水分传输内在耦合。更广泛而言，采用这些方法将实现食品结构的更理性设计，直接将加工条件与质构和功能性联系起来。
