在追求植物基和培养肉替代品精准复刻传统肉类感官体验的背景下，理解烹饪过程中动物肉的力学和热力学行为已成为关键挑战。肌肉纤维的收缩和胶原蛋白变性如何调控质地演变、持水性及结构变化，是当前研究的焦点。然而，真实肌肉肉的力学行为远比传统各向同性模型所描述的复杂，其 hierarchical（多层次）微观结构——从单根肌纤维到与肌腱相连的整块肌肉——决定了质地和热响应。以往模型多忽略机械方面，特别是肉的收缩，且将力学行为视为各向同性，这对于碎肉（如汉堡肉饼）尚可接受，但对整块肌肉切割（如牛排）则不尽合理，因为各向异性扮演着重要角色。为此，发表在《Current Research in Food Science》上的这项研究，旨在开发一个能够捕捉肉类烹饪实际力学行为的先进模型。研究团队通过建立耦合水分质量传递、热能输运和大应变固体力学的有限元模型，首次将各向异性、大变形与水分排出过程相结合，显著推进了对烹饪过程中肉类物理起源的理解。为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：基于Flory-Rehner理论的热力学本构模型，用于描述水分与蛋白质的相互作用；有限元法（Finite Element Method, FEM）求解耦合的力学平衡、质量守恒和能量守恒偏微分方程组；考虑横向各向同性的超弹性应变能函数（其自变量包括变形梯度张量的第一不变量I1和第四不变量I4）来表征纤维增强效应；以及通过化学势梯度驱动的各向异性水分扩散模型（扩散系数沿纤维方向D∥和垂直方向D⊥不同）来模拟水分迁移。计算在COMSOL Multiphysics软件中实现，并针对理想化的汉堡肉饼（各向同性）和牛排（各向异性）几何形状进行了模拟。数学框架与状态变量研究定义了描述肉类状态的关键变量：位移场u(X,t)、水浓度cd(X,t)、反应压力p(X,t)和温度场T(X,t)。模型从完全干燥状态Bd出发，通过等温溶胀达到自由溶胀状态B0，作为加热阶段的初始构型。加热导致蛋白质变性，引发结构收缩和水分排出。本构关系自由能密度函数Ψ由混合能Ψmix、机械能Ψmech和由拉格朗日乘子p施加的体积不可压缩约束组成。混合能基于Flory-Huggins理论，引入了与温度相关的Flory-Huggins相互作用参数χ(T)以考虑蛋白质变性。机械能采用横向各向同性模型，依赖于雅可比行列式J、第一不变量I1和伪不变量I4（表征纤维方向的拉伸）。由此推导出水的化学势μw和第一Piola-Kirchhoff应力P的本构方程。水分通量Jw由化学势梯度驱动，其迁移率张量M考虑了沿纤维和垂直纤维方向的各向异性扩散。平衡定律模型控制了力学平衡（准静态假设下的∇⋅P=0）、质量守恒（参考构型中的∂cd/∂t = -∇⋅Jw）和能量守恒。能量平衡考虑了热传导（傅里叶定律）和对流热通量（由水分迁移引起）。热导率张量k也是各向异性的，依赖于当前的纤维方向。边界条件处理了与煎锅的接触传热、表面蒸发以及由于水分超过持水能力φeq而产生的滴漏损失。初始与边界条件初始自由溶胀状态通过化学平衡条件确定，使得初始构型中的柯西应力张量所有主分量均为零。干燥状态作为参考构型，初始溶胀比J0等于初始蛋白质体积分数φs,0的倒数。烹饪过程中的边界条件包括与煎锅的接触传热、表面蒸发（由空气相对湿度RHair驱动）以及滴漏通量。计算结果数值模拟揭示了各向异性对变形和水分损失的显著影响。
