香菇脆片真空油炸過(guò)程中傳熱規(guī)律研究

任愛(ài)清，唐小閑，*，段振華

（1.賀州學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，廣西賀州542899；2.賀州學(xué)院廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西賀州542899；3.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西賀州542899）

真空低溫油炸技術(shù)利用水分沸點(diǎn)隨著壓力減小而降低的原理，實(shí)現(xiàn)食品在較低的溫度環(huán)境下短時(shí)間內(nèi)迅速脫水。真空油炸與常壓油炸技術(shù)相比，由于具有低氧、低溫的特點(diǎn)，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和油脂的氧化[1-2]；保存產(chǎn)品的自然色澤和風(fēng)味[3]；減少丙烯酰胺生成[4]和減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失[5]；降低產(chǎn)品含油率[6]。香菇是世界消費(fèi)量第二大的食用菌，并且營(yíng)養(yǎng)豐富，是具有多種保健功能的食用菌，適合用真空油炸來(lái)生產(chǎn)即食香菇脆片[6-7]。

油炸是一個(gè)復(fù)雜的脫水過(guò)程，它同時(shí)存在質(zhì)量傳遞和熱量傳遞現(xiàn)象。油炸過(guò)程中，油脂作為傳熱介質(zhì)，熱量從油脂向物料內(nèi)部傳遞；物料內(nèi)部的水分受熱蒸發(fā)，向物料表面?zhèn)鬟f；同時(shí)，作為加熱介質(zhì)的油脂也會(huì)被物料表面吸附，然后向物料內(nèi)部滲透[8]，這些現(xiàn)象對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)和安全控制極為重要。關(guān)于常壓油炸過(guò)程中的傳熱規(guī)律研究較多[8-10]，這些研究，為真空油炸過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律奠定了較好的基礎(chǔ)，但是真空油炸與常壓油炸的傳熱系數(shù)存在差異，Mir-Bel等比較了在相同溫度下常壓和真空（19.5 kPa～25.9 kPa）條件下圓柱形馬鈴薯的平均傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)真空條件下的傳熱系數(shù)更高[11]。

目前，關(guān)于真空油炸傳熱傳質(zhì)方面的研究較多，主要是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或非經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)真空油炸過(guò)程中的熱量傳遞[11-14]。但是，影響傳熱系數(shù)的因素非常復(fù)雜，它不僅取決于幾何形狀和粗糙程度等表面特征，還受到加工條件等其他因素的影響[15]。目前還未見(jiàn)香菇片真空油炸傳熱方面的研究報(bào)道。本試驗(yàn)以新鮮香菇為原料，研究了溫度、真空度和預(yù)處理方式對(duì)真空油炸香菇脆片傳熱的影響，并探討其傳熱特性，建立傳熱模型，以期為香菇脆片真空油炸過(guò)程中的品質(zhì)控制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮香菇：市售；?；逝谱貦坝停虦囟?4℃）：益海嘉里糧油公司；麥芽糊精（DE16-20）：山東西王糖業(yè)有限公司；羧甲基纖維素鈉（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BL310電子天平：德國(guó)SARTORIUS公司；VFII真空油炸機(jī)：煙臺(tái)海瑞食品設(shè)備有限公司；DHG-9240A干燥箱：上海圣科儀器設(shè)備有限公司；SZC-B脂肪測(cè)定儀：上海纖檢儀器有限公司；K型熱電偶：上海自動(dòng)化儀表六廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

挑選菇蓋較厚的新鮮香菇，去柄，用不銹鋼圓形刀片切成厚度為6 mm，直徑為20 mm的圓形香菇片，清洗后立即漂燙。漂燙溫度90℃時(shí)間3 min。為了考察香菇片真空油炸過(guò)程中的傳熱模型和預(yù)處理對(duì)其傳熱過(guò)程的影響，將漂燙后的香菇片分成2組：（1）漂燙后用濾紙吸干物料表面的水分，不進(jìn)行預(yù)處理，直接真空油炸，油炸前香菇片含水率為5.69±0.02（干基含水率），厚度和直徑分別為5.2 mm和18.8 mm；（2）漂燙后用50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）麥芽糊精溶液25℃浸漬70min，然后在0.6%羧甲基纖維素溶液25℃浸泡15 min。用濾紙吸干物料表面的水分，然后真空油炸。油炸前香菇片含水率為2.71±0.02（干基含水率），厚度和直徑分別為4.8 mm和17.9 mm。

1.3.2 真空油炸

在真空油炸設(shè)備中加入50 L棕櫚油，開(kāi)啟蒸汽加熱閥門(mén)，加熱至設(shè)定溫度，打開(kāi)油炸鍋的密封門(mén)，將處理好的500 g香菇片放入油炸籃中，關(guān)閉密封門(mén)和真空閥門(mén)，開(kāi)啟真空泵抽真空，當(dāng)真空表顯示真空度達(dá)到設(shè)定真空度后，放下油炸籃，然后開(kāi)始真空油炸，設(shè)定油炸時(shí)間。油炸至設(shè)定的時(shí)間后，電機(jī)會(huì)自動(dòng)將油炸籃提升至脫離油面，脫油轉(zhuǎn)速300 r/min，脫油3 min。脫油結(jié)束后，打開(kāi)真空閥門(mén)，打開(kāi)密封門(mén)，將產(chǎn)品取出冷卻，及時(shí)包裝待測(cè)。為了研究不同溫度下的香菇脆片真空油炸過(guò)程中的傳熱規(guī)律，設(shè)定真空度0.095 MPa，油炸溫度分別為 80、90、100℃。為了研究不同真空度下的香菇脆片真空油炸過(guò)程中的傳熱規(guī)律，設(shè)定油炸溫度為90℃，真空度分別為0.075、0.085、0.095 MPa。

1.3.3 對(duì)流傳熱系數(shù)的確定

每批樣品分別油炸 2、4、6、8、10、15、20、25、30、35、40、45 min，油炸后將樣品取出進(jìn)行含水率測(cè)定。

將3個(gè)熱電偶探頭分別插入香菇脆片表面下，略低于表面，實(shí)時(shí)記錄其溫度變化，取3組數(shù)據(jù)的平均值[16]。

油炸時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)h是油炸系統(tǒng)模擬和計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，熱量傳遞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特征的形成非常關(guān)鍵[17-18]。實(shí)際上，從油到產(chǎn)品的對(duì)流所傳遞的總熱量等于樣品受熱時(shí)吸收的能量和水蒸發(fā)所消耗的能量之和。假設(shè)產(chǎn)品吸收的所有熱量?jī)H用于蒸發(fā)物料中的水分，真空油炸過(guò)程中的對(duì)流傳熱系數(shù)h可以表示為[11]：

式中：-dm/dt為失水速率，kg/s；t為油炸時(shí)間，s；A為樣品表面積，m2；Δhvap為水的汽化熱，J/kg；T0為油溫，K；Ts為樣品表面溫度，K。

1.3.4 表面溫度變化

真空油炸香菇片表面溫度和時(shí)間的關(guān)系可以用下列方程進(jìn)行描述[11]：

式中：t為油炸時(shí)間，s；A、Tf為方程擬合系數(shù)；B 為方程擬合系數(shù)，s-1；Ts為樣品表面溫度，℃；Tf為樣品的最終溫度，℃。

1.3.5 失水速率

根據(jù)干燥速度公式和定義可知，干燥過(guò)程中的失水速率可表達(dá)為：

式中：dm/dt為失水速率，kg/s；G為絕干物料質(zhì)量，kg；M 為物料干基含水率，kg/kg；t為干燥時(shí)間，s。

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間干燥，產(chǎn)品的平衡含水率Me遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M（0初始含水率）和M，幾乎接近于0，可以近似看作Me=0，則水分比可化簡(jiǎn)為：

對(duì)于片狀物料的擴(kuò)散過(guò)程，可以用簡(jiǎn)化的方程來(lái)表示片狀物料薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型[11]：

式中：C、D 為干燥常數(shù)。根據(jù)公式（3）、（4）和（5），可求出：

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 含水率測(cè)定

按照GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定，采用電熱恒溫干燥箱直接干燥法。真空油炸后的香菇脆片用研缽磨碎，稱取5 g左右研碎的香菇脆片，在烘箱中，（102±3）℃的條件下烘至恒重。本文所有含水率都用干基表示g水/100g干樣品（g/100g db），重復(fù)3次試驗(yàn)，取3次平均數(shù)。

1.4.2 含油率測(cè)定

按照GB 5009.6-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。香菇脆片用研缽磨碎后，采用索氏抽提法進(jìn)行香菇脆片中脂肪含量的測(cè)定。本文所有含油率都用干基表示g油/100 g干樣品（g/100 g db），重復(fù)3次試驗(yàn)，取3次平均數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 香菇片表面溫度變化

真空油炸香菇片表面溫度變化和模擬如圖1所示。

從圖1中可以看出，在剛開(kāi)始油炸階段，香菇片表面溫度隨著油炸時(shí)間延長(zhǎng)幾乎直線增加，大約過(guò)了100 s后，香菇片表面溫度升高變緩，大約500 s后香菇片表面溫度基本穩(wěn)定，直到接近油溫。真空油炸和常壓油炸不同，由于常壓油炸過(guò)程中，水的沸點(diǎn)為100℃，當(dāng)物料溫度達(dá)到100℃后，會(huì)在這個(gè)溫度保持較短時(shí)間，吸收的熱量全部用來(lái)蒸發(fā)物料中的水分，使得物料的溫度保持穩(wěn)定，過(guò)一段時(shí)間才會(huì)繼續(xù)升高[18]。而在本試驗(yàn)的真空油炸過(guò)程中，真空度0.075 MPa壓力下，水的沸點(diǎn)為65℃左右，當(dāng)真空度達(dá)到0.095 MPa后，水的沸點(diǎn)約為33℃。香菇片真空油炸時(shí)，香菇脆片表面溫度很快就會(huì)超過(guò)該壓力下水的沸點(diǎn)溫度，所以沒(méi)有看到類似常壓油炸過(guò)程中達(dá)到水沸點(diǎn)溫度后物料溫度保持穩(wěn)定的這個(gè)階段。

圖1 香菇片表面溫度變化曲線Fig.1 Experimental and fitted surface temperature of shiitake slices

從圖1可以看出，在相同的壓力下，不同油炸溫度產(chǎn)品的表面溫度趨勢(shì)是相似的；油炸溫度越高，香菇片的表面溫度升高越快；漂燙的香菇片和漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片溫度趨勢(shì)相似，但是，在升溫階段，經(jīng)過(guò)漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片溫度略比僅經(jīng)過(guò)漂燙的香菇片升溫慢，當(dāng)油炸溫相同，兩種處理的表面最終溫度幾乎相同。在相同的溫度下，不同真空度油炸香菇片的表面溫度趨勢(shì)也相似；真空度越高，香菇片的表面溫度升高越快；在升溫階段，經(jīng)過(guò)漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片溫度略比僅經(jīng)過(guò)漂燙的香菇片升溫慢，但是，由于油炸溫度相同，不同真空度和不同處理的香菇片表面最終溫度幾乎相同。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用公式（2）對(duì)其進(jìn)行擬合，模型系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 方程（2）的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for equation（2）

由表1可知，確定系數(shù)R2幾乎都比較接近1，說(shuō)明該模型可以較好地模擬各種油炸條件和不同預(yù)處理的香菇片真空油炸過(guò)程中表面溫度的變化。

2.2 失水速率

真空油炸香菇片水分比M/M0隨油炸時(shí)間如圖2所示。

香菇脆片真空油炸過(guò)程中的水分比M/M0隨油炸時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，根據(jù)公式（5）可獲得不同油炸條件和不同預(yù)處理的香菇片的含水率變化，擬合方程系數(shù)如表2所示。

圖2 香菇片水分比變化曲線Fig.2 Experimental and fitted dimensionless moisture content of shiitake slices

表2 M/M0的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters for M/M0

從表2中可以看出，確定系數(shù)R2幾乎都大于0.99，說(shuō)明該模型可以較好地模擬各種油炸條件和不同預(yù)處理的香菇片真空油炸過(guò)程中水分含量的變化。將表2中的參數(shù)代入公式（6）即可求出失水速率。

2.3 對(duì)流傳熱系數(shù)

前面確定了真空油炸香菇脆片的表面溫度Ts，dm/dt；0.095 MPa真空度下水的汽化熱為2 422 kJ/kg，0.085 MPa真空度下水的汽化熱為2 372 kJ/kg，0.075 MPa真空度下水的汽化熱為2 345 kJ/kg；將這些數(shù)據(jù)代入方程（1）可以獲得對(duì)流傳熱系數(shù)h，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不同溫度油炸香菇片對(duì)流傳熱系數(shù)Fig.3 Heat transfer coefficient of shiitake slices with different frying temperature

圖4 不同真空度油炸香菇片對(duì)流傳熱系數(shù)Fig.4 Heat transfer coefficient of shiitake slices with different frying vacuum degree

從圖3、圖4中可看出，所有的試驗(yàn)處理的h值的變化趨勢(shì)是先增大，達(dá)到峰值之后開(kāi)始減??；達(dá)到峰值的時(shí)間都基本在300 s～600 s。油炸溫度越高，峰值越高；真空度越高，峰值越高；在真空油炸后期，油炸溫度和真空度越低的香菇脆片對(duì)流傳熱系數(shù)值越高。香菇片真空油炸過(guò)程中的對(duì)流傳熱系數(shù)與土豆片、紅薯片常壓油炸過(guò)程中的傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)一致[19]，也與土豆片真空油炸過(guò)程中的對(duì)流傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)一致[11]。Yagua等研究也證明土豆片在真空油炸后期，油炸溫度越低的香菇脆片對(duì)流傳熱系數(shù)值越高[20]。

從圖3可知，油炸真空度相同時(shí)，香菇片真空油炸過(guò)程中的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值隨著油炸溫度的增加而增加；油炸溫度為100℃漂燙處理香菇脆片的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值最高，為1 300 W/（m2·K），油炸溫度為80℃漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇脆片最大對(duì)流傳熱系數(shù)值最低，為200 W/（m2·K）；油炸溫度相同時(shí)，漂燙處理香菇脆片的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值高于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇脆片。從圖4可知，油炸溫度相同時(shí)，香菇片真空油炸過(guò)程中的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值隨著真空度的增加而增加；油炸真空度0.095 MPa漂燙處理香菇脆片的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值最高，為550W/（m2·K），油炸真空度0.075 MPa漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇脆片最大對(duì)流傳熱系數(shù)值最低，為150 W/（m2·K）；油炸真空度相同時(shí)，漂燙處理香菇脆片的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值高于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇脆片。

土豆片的對(duì)流傳熱系數(shù)受溫度、壓力、表面積/體積等因素影響。Mir-Bel等[11]研究得到的土豆片真空油炸過(guò)程中的最大對(duì)流傳熱系數(shù)在700 W/（m2·K）～1 600 W/（m2·K），Yagua等[20]研究得到的土豆片真空油炸最大對(duì)流傳熱系數(shù)為2200W/（m2·K）～2650W/（m2·K），本研究得到的香菇片對(duì)流傳熱系數(shù)比Mir-Bel等得到的土豆片真空油炸過(guò)程中的最大對(duì)流傳熱系數(shù)低，可能是由于多方面的原因，首先，本試驗(yàn)的香菇片油炸溫度低于其油炸溫度；其次，香菇原料的本身特性與土豆片也存在較大差異。土豆片真空油炸過(guò)程中的最大對(duì)流傳熱系數(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間在100 s～500 s，這與香菇片對(duì)流傳熱系數(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間基本相似。

3 結(jié)論

本文研究了真空度、油炸溫度、預(yù)處理（漂燙、漂燙+浸漬+涂膜）對(duì)香菇脆片真空油炸過(guò)程中對(duì)流傳熱系數(shù)的影響：（1）利用表面溫度變化模型對(duì)香菇脆片表面溫度進(jìn)行擬合，得到表面溫度的變化規(guī)律，并確定了模型系數(shù)；（2）利用脫水過(guò)程中的干燥模型對(duì)香菇片含水率變化進(jìn)行擬合，得到含水率變化規(guī)律，并確定了模型系數(shù)，并在干燥模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出失水率變化規(guī)律；（3）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合，得出h值的變化規(guī)律：h值的變化趨勢(shì)是先增大后減??；達(dá)到峰值的時(shí)間都基本在300 s～600 s；油炸溫度越高，峰值越高；真空度越高，峰值越高；在真空油炸后期，油炸溫度和真空度低的香菇脆片對(duì)流傳熱系數(shù)值高；油炸條件相同，漂燙處理香菇脆片的最大對(duì)流傳熱系數(shù)值高于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇脆片。