基于数值模拟的蛋糕面糊电导率(EC)测量模型构建及其在欧姆加热(OH)工艺中的应用

本研究针对欧姆加热(OH)过程中因温度梯度导致的电导率(EC)测量不准确问题，开发了耦合淀粉糊化模型的数值方法，通过最小二乘法拟合实验与模拟温度数据，首次实现34.57 V/cm电场下蛋糕面糊EC的精准测定，为食品3D打印等精准控温技术提供关键参数支撑。

　　

在食品加工领域，欧姆加热(OH)技术因其高效均匀的加热特性备受关注，但其核心参数——电导率(EC)的测量却面临重大挑战。当测量过程中施加高电场时，电极附近产生的温度梯度会导致传统EC测量方法失效，而淀粉类食品（如蛋糕面糊）在加热过程中的糊化反应更使EC曲线呈现复杂非线性变化。这些问题严重制约了OH技术在3D食品打印等精准加工中的应用。

为解决这一难题，来自ONIRIS-GEPEA的研究团队在《Journal of Food Engineering》发表研究，创新性地提出耦合淀粉糊化模型的数值计算方法。该研究首先采用已知EC值的黄原胶和氯化钾溶液标定装置转换效率η_conv
为0.77，继而通过Nelder-Mead单纯形法反演计算，建立了能同时反映温度场非均匀性和淀粉糊化效应的EC预测模型。

关键技术包括：1）使用钛电极定制OH装置（电极间距40.5mm）；2）基于COMSOL Multiphysics? 5.6构建多物理场模型；3）采用逆问题求解策略，通过实验温度场反推EC参数；4）针对含29.5%小麦粉的蛋糕面糊，分析不同电场强度（最高34.57 V/cm）下的EC变化规律。

【Ohmic device】
研究团队设计的钛电极装置通过聚甲醛插件实现电绝缘，热电偶布置于电极中心及边缘以捕捉温度梯度。数值模拟显示电极-器壁交界处存在显著冷点效应，验证了温度场非均匀性对EC测量的影响。

【Validation of the efficiency】
使用氯化钾溶液验证时，采用0.77的η_conv
可使模拟与实验温度误差小于5%，证实该效率值能有效补偿法拉第反应导致的能量损失。

【Cake Batter recipe】
配方中22%水分与淀粉糊化的协同作用使EC曲线呈现三阶段特征：线性上升区（20-60°C）、糊化平台区（60-80°C）和二次上升区（>80°C），这与淀粉颗粒膨胀限制带电粒子运动的机制相符。

【Model development】
模型成功量化了电场强度阈值——当电场≥34.57 V/cm时，EC值趋于稳定，不再受电场变化影响。该发现为OH工艺参数优化提供了明确指导。

结论表明，该数值方法突破了传统EC测量在高温梯度场的局限，首次实现淀粉基食品在OH过程中的EC动态预测。特别值得注意的是，研究揭示的电场强度阈值效应为工业级OH设备设计提供了关键参数。正如作者Mamadou Lamine Niane指出，该成果对实现食品3D打印的精准固形控制具有直接应用价值，其方法论框架还可扩展至其他含淀粉食品的加工优化。研究获得欧盟FEDER基金支持（2020/FEDER/n°PL0019794），标志着食品加工领域向数字化、精准化方向的重要迈进。