基于低場核磁共振技術(shù)快速分析薯?xiàng)l在不同煎炸溫度下的含水/油率變化

倪申鵬，王 欣，鄭思宇

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

松脆酥香的馬鈴薯薯?xiàng)l是深受消費(fèi)者喜愛的一種煎炸食品。實(shí)際煎炸過程中，一般通過煎炸時間及外觀顏色評價薯?xiàng)l的煎炸質(zhì)量，但這需要豐富的經(jīng)驗(yàn)才能作出準(zhǔn)確的評價。薯?xiàng)l的含水率和含油率對薯?xiàng)l的品質(zhì)和口感有重要的影響。若薯?xiàng)l含水率過高、含油率過低，則缺乏煎炸食品特殊的風(fēng)味；而含水率過低、含油率過高，則可能使薯?xiàng)l過度煎炸，產(chǎn)生不良風(fēng)味和有毒有害物質(zhì)，增加罹患心血管疾病、高血壓、糖尿病、癌癥和肥胖的風(fēng)險(xiǎn)[1]。雖然可以用經(jīng)典的恒質(zhì)量法[2]和索氏抽提法[3]分析薯?xiàng)l的含水/油率，但這兩種方法均為實(shí)驗(yàn)室分析方法，檢測過程耗時較長。因此，有必要探索煎炸過程中薯?xiàng)l的含水率和含油率的快速分析技術(shù)，這對于優(yōu)化薯?xiàng)l煎炸過程，有效控制品質(zhì)有重要意義。

低場核磁共振技術(shù)(LF-NMR)具有快速、無損及無毒無害等優(yōu)點(diǎn)，在食品品質(zhì)分析及加工過程監(jiān)控中有較大的應(yīng)用潛力。LF-NMR技術(shù)可以分析油脂的摻假程度，區(qū)分油脂的種類[4-5]，監(jiān)測煎炸油脂的品質(zhì)變化[6-8]。

Chen等[9]研究玉米淀粉體系在煎炸過程中含水/油率的變化時發(fā)現(xiàn)，油炸淀粉體系的LF-NMR多組分弛豫圖譜中油和水信號之間無重疊，故可應(yīng)用LF-NMR技術(shù)快速分析體系的水和油含量的變化。Wang等[10]進(jìn)一步應(yīng)用低場核磁共振技術(shù)分析了商業(yè)煎炸條件下薯?xiàng)l的含水/油率的變化規(guī)律，并借助核磁共振成像技術(shù)直觀呈現(xiàn)了薯?xiàng)l體系在煎炸過程中氫質(zhì)子的分布與強(qiáng)度變化。

在煎炸過程中，適宜的煎炸溫度和煎炸時間能讓煎炸對象呈現(xiàn)色澤金黃、口感美味酥脆等符合消費(fèi)者期待的品質(zhì)[11]。本研究以商業(yè)預(yù)炸薯?xiàng)l為煎炸對象，在監(jiān)測煎炸過程中薯?xiàng)l溫度變化的基礎(chǔ)上，對經(jīng)過不同煎炸溫度、煎炸時間的薯?xiàng)l采用恒質(zhì)量法和索氏抽提法進(jìn)行含水率和含油率分析，采用LF-NMR對薯?xiàng)l體系的氫質(zhì)子弛豫特性進(jìn)行分析，進(jìn)而建立基于LF-NMR快速分析不同煎炸溫度下的薯?xiàng)l含水/油率變化的模型，以期為應(yīng)用LF-NMR快速定量分析煎炸薯?xiàng)l中含水/油率提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

1/4 mm細(xì)薯?xiàng)l，比利時路多薩食品有限公司；24度棕櫚油，益海嘉里食品工業(yè)有限公司；乙醚(分析純)，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

HY-82型電炸爐，佛山市南海泊菲機(jī)電設(shè)備有限公司；PQ001-020-015V型核磁共振分析儀(氫譜，共振頻率19 MHz，磁體溫度35 ℃，配套T-invfit反演擬合軟件和φ15 mm核磁試管)，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋，邦西儀器科技(上海)有限公司；BCD-192LTJX型電冰箱，青島海爾股份有限公司；KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；101-2A型烘箱，上?；厶﹥x器制造有限公司；SZF-06A型脂肪測定儀，上海嘉定糧油儀器有限公司；PWC 254型分析天平(準(zhǔn)確度級別：Ⅰ級)，艾德姆衡器(武漢)有限公司；老本行150T型多功能粉碎機(jī)，永康市鉑歐五金制品有限公司；34970A T型熱電偶，安捷倫科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 煎炸條件

將薯?xiàng)l在溫度(180±2) ℃或(160±2) ℃、油/物料為1/30(L/g)的煎炸條件下分別煎炸0～4 min，靜置3 min，瀝除多余油分后，粉碎后置于燒杯密封并放入4 ℃冰箱中待測。

1.2.2 溫度變化分析

用RS-232線纜將34970A數(shù)據(jù)采集器連接至電腦，將數(shù)據(jù)采集器上的T型熱電偶分別從薯?xiàng)l側(cè)面插入薯?xiàng)l中心，并在煎炸油中放置1根T型熱電偶測量油脂溫度，在煎炸過程中通過Benchlink Data Logger軟件采集薯?xiàng)l和油溫的變化。

1.2.3 薯?xiàng)l含水/油率測量

含水率測定參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行。按式(1)計(jì)算樣品的含水率。

(1)

式中：W1為空皿加樣品的質(zhì)量，g；W2為空皿加樣品干燥后的質(zhì)量，g；W3為空皿質(zhì)量，g。

含油率測定參照文獻(xiàn)[13]進(jìn)行。按式(2)計(jì)算樣品的含油率。

(2)

式中：W4為接受瓶和脂肪的質(zhì)量，g；W5為接受瓶的質(zhì)量，g；W6為樣品的質(zhì)量，g。

1.2.4 低場核磁共振弛豫特性分析

使用分析天平稱取2 g的薯?xiàng)l泥放入核磁試管，35 ℃水浴10 min后置于核磁共振分析儀，選擇CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列，設(shè)置參數(shù)如下：信號采樣點(diǎn)數(shù)(TD)=500 028，接收機(jī)帶寬(SW)=100 kHz，重復(fù)采樣等待時間(TR)=1 000 ms、重復(fù)采樣次數(shù)(NS)=4次，測試后得到樣品的自由誘導(dǎo)指數(shù)衰減曲線，利用T-invfit軟件按式(3)對其進(jìn)行反演擬合。

A(t)=∑Aoiexp(-t/T2i)

(3)

式中：A(t)為衰減到時間t時的幅值大?。籄oi為第i個組分平衡時的幅值大??；T2i為第i個組分的橫向弛豫時間。

將i個組分當(dāng)作一個整體組分時，可反演出油樣的單組分弛豫時間T2W。當(dāng)對第i個組分進(jìn)行反演擬合時，可反演得到油樣的多組分弛豫時間T2及數(shù)據(jù)圖譜，并獲知各弛豫峰的弛豫時間(按出峰時間從小到大命名為T21，T22，…，T2i等)及歸一化后的峰面積百分比(S21，S22，…，S2i等)。每個試驗(yàn)設(shè)置3個平行樣品，每個樣品重復(fù)檢測3次，以保證結(jié)果的可靠性。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行相關(guān)性分析，SPSS進(jìn)行方差分析(P<0.05)，用Origin2018作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 煎炸過程中溫度的變化

在煎炸過程中，熱量從油向薯?xiàng)l由外向內(nèi)傳遞，薯?xiàng)l中心和油脂溫度的變化在一定程度上反映了煎炸過程中化學(xué)反應(yīng)的程度。煎炸過程中薯?xiàng)l中心溫度及油溫的變化如圖1所示。

圖1 煎炸過程中薯?xiàng)l中心溫度及油溫的變化

由圖1可知：煎炸過程中薯?xiàng)l中心溫度的變化可以分為3個階段：在0～30 s內(nèi)，薯?xiàng)l開始接受煎炸油的熱量，中心溫度迅速從室溫升至100 ℃左右，使體系中的游離水由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)變；在30～120 s階段，薯?xiàng)l內(nèi)部溫度基本保持不變，薯?xiàng)l內(nèi)部的游離水達(dá)到氣化溫度，水分開始從內(nèi)部向外遷移，同時外界的油脂也開始向薯?xiàng)l內(nèi)部移動；在120～240 s階段，薯?xiàng)l內(nèi)的游離水與油脂基本交換完成，溫度開始緩慢升高，煎炸油溫度越高，最終薯?xiàng)l內(nèi)部的溫度也相對較高，這與Pravisani等[14]對煎炸薯?xiàng)l的傳熱和傳質(zhì)的結(jié)果一致。

與薯?xiàng)l中心溫度的變化相比，0～60 s內(nèi)，煎炸油的溫度在整體上呈現(xiàn)降低趨勢，煎炸油的熱量以熱對流和熱傳導(dǎo)的方式轉(zhuǎn)移至薯?xiàng)l中，使薯?xiàng)l的溫度迅速升高。在60～180 s階段，160 ℃煎炸油的溫度開始升高，而180 ℃的煎炸油溫度依舊處于下降狀態(tài)。在180～240 s階段，180 ℃煎炸油溫度開始回升，160 ℃煎炸油溫度則變化相對平緩，最終溫度均比設(shè)置溫度高出8 ℃左右。

2.2 煎炸過程中薯?xiàng)l含水/油率的變化

煎炸過程中，薯?xiàng)l中的水分和煎炸油的傳質(zhì)過程也在發(fā)生，煎炸過程中薯?xiàng)l含水/油率的變化如圖2所示。

圖2 煎炸過程中薯?xiàng)l含水/油率的變化(不同字母表示顯著差異(P<0.05))

由圖2可知：隨煎炸時間的延長，兩個溫度條件下煎炸的薯?xiàng)l的含水率均顯著降低。在煎炸1 min時，失水速度相似，薯?xiàng)l的含水率迅速降至45.12%～45.87%；此后，在160 ℃煎炸條件下的薯?xiàng)l失水速度較快，煎炸4 min時，在180 ℃煎炸條件下的含水率(22.80%)仍高于160 ℃下的含水率(16.16%)。這與Rahimi等[15]對油炸面糊中含水量隨煎炸時間的變化趨勢相似，主要原因是在0～1 min的煎炸階段，薯?xiàng)l的溫度快速升高(圖1)，伴隨著水分的逸出，薯?xiàng)l表面形成一層脆皮，較高的溫度有利于脆皮的形成[14]，而脆皮在一定程度上又阻擋了水分的逸出。

由于所用薯?xiàng)l為商業(yè)煎炸常用的預(yù)煎炸樣品，由圖2可知，未煎炸薯?xiàng)l的含油率在11%～13%。總體而言，160 ℃煎炸時，薯?xiàng)l的含油率相對較高，尤其是在0～1 min階段，煎炸油迅速進(jìn)入薯?xiàng)l內(nèi)部，160 ℃煎炸的薯?xiàng)l含油率41.28%就已顯著高于180 ℃煎炸的含油率28.99%(P<0.05)。隨煎炸時間延長，薯?xiàng)l的油脂含量相對增加，但趨勢減緩。在4 min時，160 ℃煎炸薯?xiàng)l的最終含油率高達(dá)51.10%，顯著高于180 ℃煎炸的含油率44.65%(P<0.05)。較低的油炸溫度導(dǎo)致最終油含量較高的現(xiàn)象也與Pedreschi等[16]研究結(jié)果吻合：在120和150 ℃煎炸條件下煎炸薯片比180 ℃煎炸條件下薯片的含油率更高。在煎炸過程中，煎炸食物吸油主要由毛細(xì)管吸油機(jī)制主導(dǎo)，較高的溫度有利于表面脆殼的形成，溫度越高，薯?xiàng)l表面脆殼和內(nèi)部空隙也越大[17]。較大的空隙使毛細(xì)管壓力差變小，減少油脂進(jìn)入薯?xiàng)l內(nèi)部[11]。

2.3 煎炸過程中薯?xiàng)l的弛豫圖譜分析

利用低場核磁共振圖譜可以反映煎炸薯?xiàng)l體系內(nèi)的氫質(zhì)子弛豫衰減特性，薯?xiàng)l在不同煎炸時間的低場核磁共振弛豫圖譜如圖3所示。

衰減曲線可以反映樣品中氫質(zhì)子的狀態(tài)，衰減越快，表明樣品中氫質(zhì)子受束縛越大或自由度越小[18]。由圖3(a)和(b)可知：在不同溫度的煎炸過程中，薯?xiàng)l的衰減曲線略有不同；在160 ℃煎炸時，隨煎炸時間的延長，薯?xiàng)l衰減曲線的曲率相對變小，衰減過程延長；而180 ℃煎炸時，在0～2 min階段，薯?xiàng)l衰減曲線的曲率增加，衰減過程加快，隨著煎炸時間的延長，從3 min開始，衰減曲率相對減小，衰減過程相對延長。

與此相對應(yīng)，圖3(c)和(d)中，煎炸之后單組分弛豫圖譜上的信號幅值在0～3 min階段相對減小，此后相對增加。例如，在160 ℃煎炸時，信號幅值從3 112.67 a.u.降低至1 756.10 a.u.后增加到2 198.89 a.u.；而180 ℃煎炸時信號的變化更大，信號幅值從3 625.06 a.u.降低至1 395.81 a.u.后又增加至1 675.45 a.u.。單組分弛豫時間(T2W)則有所不同，其中，160 ℃煎炸過程中，隨時間延長，T2W從31.83 ms逐漸增加至102.48 ms；而180 ℃煎炸條件下，0～2 min階段，T2W從52.77 ms逐漸減小至32.82 ms，其后，T2W相對增大，最終達(dá)到114.90 ms。

由圖3(e)和(f)可知：煎炸薯?xiàng)l的弛豫圖譜以弛豫時間25 ms為界分為兩部分，其中，多組分弛豫時間(T2)小于25 ms的弛豫峰信號占比相對較大，隨煎炸時間延長，該部分的信號幅值及峰面積比例均相對減小。以180 ℃煎炸為例，煎炸4 min后，該部分的峰面積比例從初始的98.37%顯著降低至42.94%(P<0.05)，同時，峰的位置整體左移，弛豫時間縮短，說明此部分氫質(zhì)子的總量相對減小。而對于在25 ms之后出現(xiàn)的弛豫峰而言，變化則恰恰相反，其信號幅值和峰面積比例隨煎炸時間的延長而增大。同樣以180 ℃煎炸為例，煎炸0 min時，峰面積比例僅為1.73%，煎炸4 min后，峰面積比例顯著增加至57.06%。

圖3 薯?xiàng)l在不同煎炸時間的低場核磁共振氫質(zhì)子弛豫圖譜

煎炸薯?xiàng)l是一個水油混合的食品體系，煎炸過程中弛豫圖譜的變化可以用水油動態(tài)平衡來解釋[19]。水質(zhì)子和脂質(zhì)子在體系中的含量決定了其核磁響應(yīng)的信號量。結(jié)合煎炸過程中薯?xiàng)l溫度和含水/油率的變化，可以發(fā)現(xiàn)衰減快慢和T2W的改變與薯?xiàng)l體系中的主導(dǎo)氫質(zhì)子密切相關(guān)。薯?xiàng)l中的水分實(shí)際是被束縛于淀粉質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)中，主要以束縛水、結(jié)合水的形式存在。在煎炸過程中，薯?xiàng)l內(nèi)部的水分快速蒸發(fā)，薯?xiàng)l體系中的水分含量降低，其與水分相關(guān)的氫質(zhì)子的響應(yīng)降低，淀粉網(wǎng)絡(luò)對剩余水分的束縛力增大，使該部分氫質(zhì)子的衰減加快，在圖譜上表現(xiàn)為單組分弛豫信號幅值的相對減小和弛豫時間的縮短，180 ℃煎炸的T2W變化更為顯著。多組分弛豫圖譜上，弛豫時間小于25 ms的弛豫峰信號與水質(zhì)子的變化更為相關(guān)，也表現(xiàn)為隨油炸過程的延長，信號幅值的減小及弛豫時間的相對縮短，該結(jié)果與Wang等[10]的研究結(jié)果相符。當(dāng)然，在煎炸過程中，隨著淀粉結(jié)構(gòu)中油的含量逐漸增加，脂質(zhì)子的核磁響應(yīng)又相對增大，對薯?xiàng)l整體的弛豫響應(yīng)產(chǎn)生影響。油脂中脂質(zhì)子的流動性高于結(jié)合水，具有相對較慢的衰減過程，弛豫時間相對較大，因此脂質(zhì)子的增加減緩了弛豫過程[20]。綜上可知：煎炸過程中薯?xiàng)l中氫質(zhì)子的響應(yīng)幅值(單組分弛豫)先減小后又相對增加；而在多組分弛豫圖譜中，在25 ms之后出現(xiàn)的弛豫峰則表征了體系中脂質(zhì)子的核磁響應(yīng)，隨著體系中含油率的增大，該部分的核磁響應(yīng)明顯增強(qiáng)。

2.4 煎炸過程中薯?xiàng)l多組分弛豫特性的變化

在以上分析的基礎(chǔ)上，提取多組分弛豫圖譜信息，將弛豫時間小于25 ms、與水質(zhì)子變化密切相關(guān)的弛豫峰的峰面積表示為A水，對應(yīng)的峰面積比例表示為S水；而在25 ms后出現(xiàn)的與脂質(zhì)子密切相關(guān)的弛豫峰的峰面積表示為A油，對應(yīng)的峰面積比例表示為S油。在180 ℃和160 ℃煎炸薯?xiàng)l過程中A水、S水、A油和S油隨煎炸時間的變化如圖4所示。

圖4 薯?xiàng)l煎炸過程中多組分弛豫特性隨煎炸時間的變化(相同溫度下不同字母表示顯著差異(P<0.05))

由圖4可知：無論是160 ℃還是180 ℃煎炸條件下，隨著煎炸時間的增加，A水、S水均相對減少，而A油、S油均相對增大。相對而言，160 ℃煎炸時，A水、S水、A油和S油的變動幅度相對較大，例如，煎炸1 min后，160 ℃下的A水、S水較煎炸前分別減小了1 119.54、25.44%，而180 ℃則為614.18、11.97%；160 ℃下的A油、S油則分別增加了923.77和28.09%，而180 ℃則為425.53和11.42%，說明薯?xiàng)l中水質(zhì)子和脂質(zhì)子在煎炸過程中發(fā)生了明顯的改變，這也和薯?xiàng)l含水/油率隨煎炸時間變化趨勢相似。

2.5 薯?xiàng)l含水/油率與LF-NMR弛豫特性的相關(guān)性

將薯?xiàng)l含水/油率與LF-NMR多組分弛豫特性進(jìn)行相關(guān)性分析，在煎炸過程中A水、S水與含水率、A油和S油和含油率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 薯?xiàng)l煎炸過程中多組分弛豫特性與含水/油率的關(guān)系

由圖5可知：180 ℃煎炸時，A水、S水均與薯?xiàng)l的含水率呈良好的指數(shù)相關(guān)性，R2分別為0.974 3和0.950 4；而對160 ℃煎炸而言，A水(R2=0.997 7)、S水(R2=0.991 8)均與薯?xiàng)l的含水率呈良好的線性正相關(guān)；相對而言，A水與含水率的相關(guān)性更優(yōu)，說明隨煎炸時間的延長，水分逸出，其中所包含的氫質(zhì)子的核磁響應(yīng)量相對降低，二者間存在密切關(guān)聯(lián)。從含油率與A油、S油的關(guān)系來看，兩個溫度下煎炸時，A油、S油均與含油率呈良好的對數(shù)相關(guān)；相對而言，S油與含油率的相關(guān)性更優(yōu)。這也說明，隨煎炸時間的延長，油脂向薯?xiàng)l內(nèi)部的遷移增加，而隨油脂含量的增加，來源于油脂中脂質(zhì)子所產(chǎn)生的核磁響應(yīng)增加，表現(xiàn)為A油和S油的增大。后期可利用低場核磁共振弛豫特性如A水、S油對薯?xiàng)l的含水/油率進(jìn)行快速預(yù)測。

3 結(jié)論

以探索實(shí)際煎炸過程中薯?xiàng)l的含水率和含油率的快速分析技術(shù)為目標(biāo)，在不同煎炸溫度下，對薯?xiàng)l的含水率、含油率及中心溫度隨煎炸時間的變化進(jìn)行研究，并基于低場核磁共振技術(shù)分析煎炸薯?xiàng)l體系中氫質(zhì)子(水質(zhì)子和脂質(zhì)子)的變化，進(jìn)而建立含水/油率與低場核磁圖譜信息間的相關(guān)性模型。

1)煎炸過程中薯?xiàng)l中心溫度的變化可分為3個階段，且煎炸溫度越高，薯?xiàng)l中心溫度也相對較高。煎炸1 min階段，薯?xiàng)l的含水/油率變化較顯著，隨煎炸時間的延長，薯?xiàng)l的含水率均相對減少，而含油率相對增加，且160 ℃煎炸條件下薯?xiàng)l的含水/油率變化更為明顯。

2)低場核磁共振可以反映煎炸過程中薯?xiàng)l內(nèi)水質(zhì)子和脂質(zhì)子信號的變化，以多組分弛豫圖譜中弛豫時間為25 ms作為水質(zhì)子和脂質(zhì)子信號的區(qū)分點(diǎn)。弛豫圖譜信息可與薯?xiàng)l的含水/油率間建立良好的相關(guān)性模型，水信號的峰面積值(A水)與含水率的相關(guān)性較優(yōu)，160 ℃煎炸時二者表現(xiàn)為良好的線性正相關(guān)，而180 ℃煎炸則為對數(shù)相關(guān)；兩個煎炸溫度下，脂信號的峰面積比例值(S油)均與薯?xiàng)l的含油率呈良好的對數(shù)相關(guān)。

3)研究表明低場核磁共振技術(shù)可以快速分析薯?xiàng)l在煎炸過程中含水/油率的變化，這對于優(yōu)化薯?xiàng)l煎炸過程，進(jìn)行快速、有效的品質(zhì)控制有重要意義。