电阻加热（OH）作为一种关键技术，在食品加工中因其快速体积加热和能源效率而受到重视，尤其适用于热敏感产品（Sakr & Liu, 2014）。然而，对于含有多种成分的食品，由于加工材料的热学和电学性质分布不均，加热过程中的温度分布并不均匀（Astráin-Redín et al., 2024; Jaeger et al., 2016）。此外，材料的形状和设计也给实现均匀加热带来了额外挑战。不规则的食品形状使得传统平板电极的使用变得复杂，因为电极与样品之间的接触问题会导致电场分布不均，进而影响电流流动。例如，在没有电极接触的区域，电流路径中断会导致没有热量产生；而在有接触的区域，则会出现过高的电流密度，从而导致局部过热（Jun and Sastry, 2005; Wattanayon et al., 2021）。
近期文献中报道了几项关于电阻加热的技术改进，例如通过施加阶梯电压来避免局部过热（Jiang et al., 2025; Pereira et al., 2016），以及使用钛电极以减少金属污染（Cappato et al., 2017）。还有一些方法旨在优化电极设计，以改善样品与电极之间的有效接触。例如，Sakr和Liu（2014）总结了适用于液态材料的几种电极配置（平行杆设计、共线设计和交错杆排列）；Jun和Sastray（2005）为鸡肉面条汤和黑豆混合物的加热开发了带有三层金属箔电极的柔性包装。
实现均匀的温度分布是食品加工中的关键目标，因为产品的安全性和质量保存取决于整个加热循环中“冷点”的热失活动力学以及“热点”的热敏感降解过程（Atuonwu & Tassou, 2018; Awuah et al., 2007; Bornhorst et al., 2017; Kamonpatana et al., 2013; Wattanayon et al., 2021）。Jaeger等人（2016）建议根据产品形状调整电极几何形状以获得尽可能均匀的加热效果，并指出用于电阻加热的电极应在整个加热过程中牢固地附着在样品表面，以确保电流均匀传导，从而在样品内部产生热量。尽管有一些研究考虑了特殊形状的电极，如柔性包装中的金属箔电极（Jun & Sastry, 2005; Wattanayon et al., 2021）、由外部静态电极和内部旋转电极组成的系统（Mok et al., 2019），以及不同配置的平板电极（Sakr & Liu, 2014），但尚未实现食品材料的均匀温度分布。尽管有研究表明针电极在电子制造等领域可以提供精确的局部加热（Huang et al., 2009; Lamba et al., 2024），但关于针电极在食品加热中的应用在文献中报道较少。最近的一些应用包括使用不同数量的针电极（1至4个单元）对西葫芦片进行干燥（Nasrabadi et al., 2023），将不锈钢针电极应用于具有一定体积的长方体反应腔（Mi et al., 2023），以及使用六个镀银不锈钢针（每个直径2毫米）对柑橘汁进行电阻杀菌（Basak et al., 2025），以及将六个不锈钢针（每个直径3毫米）插入土豆片中作为传统空气干燥的辅助方法（Turgut et al., 2021）。然而，据作者所知，目前尚无关于针对不规则表面固体食品的针电极系统的系统研究，包括通过计算机仿真进行优化。
因此，为了解决传统平板电极在电阻加热过程中与不规则表面食品保持可靠电接触的固有局限性，本研究使用了一个沿电流方向具有厚度梯度的模型样品，来代表在多种重力驱动针电极系统下的不规则表面固体食品（每个电极都能垂直移动以适应表面不规则性并确保与样品的稳定电接触）。通过实验和计算机仿真模型评估了不同的配置和优化方法。本研究的具体目标如下：
- 1.
测试两种针电极原型系统对不规则表面食品样品的电阻加热效果，并监测不同厚度区域的温度分布。
- 2.
建立3D仿真模型来预测样品在电阻加热过程中的热行为，并使用实验测量的温度分布验证模型准确性。
- 3.
利用开发的模型微调电压和处理温度，并可视化样品在电阻加热过程中的温度和电流密度分布。
- 4.
通过添加动态方法（电极移动条件）到针电极设计中，利用计算机仿真来优化温度分布的均匀性。
