基于傳質(zhì)特性研究油種類對煎炸薯條質(zhì)構(gòu)的影響

張 暉，李培燕，吳港城，楊 丹，趙晨偉，金青哲，王興國

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

薯條因其金黃的色澤、酥脆的外殼和誘人的風(fēng)味而備受消費者的青睞。通常薯條的品質(zhì)可由質(zhì)構(gòu)、色澤、風(fēng)味、水分含量和油含量來表征[1]。依據(jù)美國冷凍油炸薯條等級標準，質(zhì)構(gòu)占煎炸薯條質(zhì)量評分權(quán)重的 30%[2]，可見質(zhì)構(gòu)在薯條品質(zhì)屬性中的重要性。最近許多研究主要聚焦于薯條在煎炸過程中的吸油行為及控油方法上[3]，而關(guān)于薯條質(zhì)構(gòu)的研究相對較少。油是炸制薯條不可或缺的重要成分。不同類型的油或脂都可用于煎炸。據(jù)報道，煎炸用油的種類可顯著影響薯條的質(zhì)構(gòu)[4]。之前的研究多關(guān)注在油脂成分組成與薯條質(zhì)構(gòu)之間相關(guān)的層面上[5]，而未深入探究其影響的原因。薯條的質(zhì)構(gòu)主要由潮濕柔軟的核芯以及厚度約 1～2 mm的外殼組成[6]。有研究表明當薯條在170 ℃下油炸4 min后，其核芯區(qū)域的水分含量是外殼區(qū)域的8.66倍，外殼區(qū)域的孔隙率是核芯區(qū)域的 6倍[7]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)煎炸過程中表面形成的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物含量高于核芯區(qū)域[8]。盡管薯條的核芯和外殼區(qū)域的物化性質(zhì)差別很大，但關(guān)于此研究非常有限，尤其關(guān)于油種類對薯條外殼和核芯區(qū)域傳質(zhì)影響的研究更是鮮有報道。最重要的是整體水分含量已不能很好的解釋預(yù)炸時間對薯條質(zhì)構(gòu)的影響，而外殼的水分含量則能很好的解釋[6]。因此，很有必要從薯條的外殼和核芯兩部分的傳質(zhì)特性出發(fā)來研究煎炸用油的種類對薯條質(zhì)構(gòu)的影響。此研究將為更好的理解薯條的質(zhì)構(gòu)是如何受油種類的影響提供新思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

馬鈴薯（Netherlands shiwu）：山東濰坊；一級浸出大豆油、一級浸出米糠油和24度棕櫚油：上海益海嘉里有限公司；一級浸出高油酸葵花油：上海日清油脂有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DF 35A多用途電炸鍋：中山市韓科電器有限公司；馬鈴薯切條器：陽江市江城區(qū)佳昌五金制品廠；MesoMR23-060 V-I低場核磁共振成像分析儀：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；TA-XT Plus物性分析儀：英國Stable Micro Systems公司；D2 Phaser X射線衍射儀：德國布魯克AXS有限公司；SU8100冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本日立株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 薯條樣品準備

生馬鈴薯的預(yù)處理和漂燙薯條的制備參考Li等[5]的方法。將炸鍋溫度設(shè)置到170 ℃預(yù)熱1 h。然后把漂燙好的薯條瀝干水分后分別放入盛有不同油的炸鍋中，在170 ℃下分別炸5、10、30、60、120和180 s，樣品與油的比例為1∶20（w/w）[9]。油炸結(jié)束后，通過抖籃50次來瀝干薯條表面的油[10]。待油炸好的薯條冷卻至室溫時，對于未形成外殼的薯條，使用刮胡刀片沿著表面向內(nèi)切大約1 mm作為表面區(qū)域，剩下的部分被認為是核芯區(qū)域；對于形成外殼的薯條，使用刮胡刀片小心的移除黏連在外殼區(qū)域的軟層，得到外殼區(qū)域（也稱作表面區(qū)域）；剩下的部分被認為是核芯區(qū)域。實驗重復(fù)三次。

1.3.2 薯條質(zhì)構(gòu)的測定方法

使用物性分析儀測量樣品的質(zhì)構(gòu)。薯條的質(zhì)構(gòu)是在油炸后表面溫度冷卻到50 ℃時進行測定的[9]。使用配備 30 kg的感應(yīng)元和圓柱形平頭探頭 P/2的質(zhì)構(gòu)儀進行單循環(huán)穿刺實驗。測試條件為：測前、測中和測后速度分別是2、2和10 mm/s，穿刺深度為5 mm，觸發(fā)力為10 g。得到力-位移曲線中的第一個峰表示薯條樣品表面的硬度，第一個峰之后的平均力表示樣品的核芯硬度[11]。每個樣品穿刺3個位置（兩端和中間）來消除薯條的異質(zhì)性，最終樣品平行測定20次。

1.3.3 薯條表面和核芯中水油含量測定

樣品的水分含量采用烘箱干燥法測定，油含量通過索氏抽提法測定[5]。

1.3.4 煎炸過程中薯條表面和核芯區(qū)域失水吸油動力學(xué)模型

一級動力學(xué)方程可用于描述煎炸過程中薯條的傳質(zhì)現(xiàn)象[12]。水分損失和吸油的傳質(zhì)動力學(xué)模型可用下式進行描述：

式（1）表示失水動力學(xué)模型，式（2）表示吸油動力學(xué)模型。W表示煎炸時間為t時薯條中的水分含量（%，干基）；Kw表示水分損失速率常數(shù)（s-1）；We表示無限煎炸時間下的水分含量（%，干基）；O表示煎炸時間為t時薯條中的油含量（%，干基）；Ko表示吸油速率常數(shù)（s-1）；Oe表示無限煎炸時間下的油含量（%，干基）。初始條件是當煎炸時間為0時，水分含量為W0，油含量被認為是 0；對式（1）和（2）進行積分，并將初始條件帶入得到下式[13]：

其中，O*為油含量（被定義為給定時間下的油含量與初始油含量的差值）[14]；此外當煎炸時間很長時，We可忽落不計[15]，式（3）可寫為下式：

1.3.5 薯條中水分空間分布的測定

采用低場核磁共振成像分析儀對樣品進行檢測。將樣品放入直徑為25 mm的核磁管中，隨后置于磁體箱中射頻線圈的中心位置，采用自旋回波SE序列獲得樣品的T2加權(quán)像。測試參數(shù)如下：儀器的磁場強度為0.5 T，永磁體的溫度是32 ℃，儀器主頻SF為21.1 MHz，回波時間TE為30 ms，重復(fù)時間TR為500 ms。通過調(diào)節(jié)儀器自帶的軟件進行偽彩并分析樣品中氫質(zhì)子信號強度。

1.3.6 薯條表面和核芯中晶體結(jié)構(gòu)的測定

冷凍干燥后的樣品用研杵進行研磨，并過100目篩。然后將樣品放置在相對濕度為75%的飽和氯化鈉溶液的環(huán)境中平橫水分一周后測量。取少量平衡好的樣品填滿圓形樣品槽，用載玻片壓實并確保樣品表面平整并修整邊緣。將制好樣的樣品臺放入 X-射線衍射儀中，在步長為 0.02°和掃描速度為 2°/min下從 3°到 35°（2θ）掃描樣品。實驗中使用電壓40 kV和電流30 mA的Cu-Kα輻射源（波長=0.154 2 nm）。樣品的相對結(jié)晶度計算為結(jié)晶區(qū)衍射峰面積與總面積的比值。

1.3.7 薯條微觀結(jié)構(gòu)的觀察

通過冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡以 3 kV的加速電壓捕獲薯條的微觀結(jié)構(gòu)。將脫水脫脂的薯條切成大約1 mm厚的薄片，并用雙面導(dǎo)電膠帶將樣品的橫截面固定在樣品臺上，然后在真空條件下濺射噴金后，放入樣品艙進行拍攝。樣品的放大倍數(shù)為100×。

1.4 數(shù)據(jù)分析

除特殊說明外，所有實驗至少重復(fù)三次，結(jié)果表示為平均值±標準差。使用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行均值分析和單因素方差分析，隨后對樣品進行鄧肯事后檢驗來分析樣品之間的差異性。此外，使用Origin軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 油種類對薯條表面和核芯區(qū)域質(zhì)構(gòu)的影響

煎炸過程中油種類對薯條表面硬度和核芯硬度的影響如圖1所示。對于表面硬度來說（圖1A），隨著煎炸時間的延長，薯條的表面硬度下降，這主要歸因于淀粉凝膠化、蛋白變性、中間束層的溶解和孔隙的形成[16]。在整個煎炸過程中不同油炸制薯條的表面硬度有顯著性差異（P＜0.05）。使用棕櫚油炸制薯條的硬度顯著的高于高油酸葵花油。這可能是由于在煎炸的前期棕櫚油的傳熱速率快于高油酸葵花油，使得棕櫚油炸制薯條的表面脫水速率高于高油酸葵花油，使棕櫚油炸制的薯條提前出現(xiàn)了外殼，隨著油炸時間的延長，外殼逐漸增加，增加了穿刺阻力，使得表面硬度較高。為了證實這一猜想，不同油炸制薯條的表面水分含量隨煎炸時間的變化將在后續(xù)實驗中詳細闡述。

圖1 油種類對薯條表面（A）和核芯（B）硬度的影響Fig.1 Effects of oil types on surface (A) and core (B) hardness of potato strips

對于核芯硬度來說（圖1B），隨著煎炸時間的延長，核芯的硬度也下降，這一趨勢與表面硬度相似。在煎炸的前10 s，不同油炸制薯條的核芯硬度沒有顯著性差異（P＜0.05）。當煎炸時間為30 s時，棕櫚油炸制薯條的核芯硬度顯著地高于高油酸葵花油（P＜0.05），這可能是由于棕櫚油的對流傳熱系數(shù)高于高油酸葵花油，使得棕櫚油炸制薯條內(nèi)部的水分不斷的向表面遷移，水分快速損失，薯條內(nèi)部的淀粉糊化受限，結(jié)構(gòu)破壞不嚴重，因此內(nèi)部硬度略高。煎炸時間超過60 s后，除高油酸葵花油炸制的薯條外，其它油炸制薯條的核芯硬度之間沒有顯著性的差異（P＜0.05）。

2.2 油種類對薯條表面和核芯區(qū)域水油含量的影響

煎炸過程中不同油對薯條表面（圖2A）和核芯區(qū)域（圖2B）水分含量的影響如圖2所示。對于表面區(qū)域來說（圖2A），在整個煎炸過程中，使用棕櫚油炸制薯條的表面水分含量低于其它三種油。這可能是由于棕櫚油的傳熱速率高于其它三種油，表面的水分迅速蒸發(fā)，引起表面水分下降。Segnini等[17]報道了薯片的峰值力隨著水分含量的增加而下降。對于核芯區(qū)域來說（圖2B），在煎炸的前60 s，棕櫚油和米糠油炸制薯條的核芯水分含量低于大豆油和高油酸葵花油；煎炸時間超過60 s后，與前60 s核芯水分含量的變化趨勢相反。這可能是由于煎炸60 s后，由于棕櫚油和米糠油炸制薯條的外殼厚度高于高油酸葵花油和大豆油，水分向表面遷移的速率變慢，導(dǎo)致滯留在核芯的水分增加。

圖2 油種類對薯條表面和核芯水油含量的影響Fig.2 Effects of oil types on moisture and oil content and its ratio of surface and core of potato strips

煎炸過程中不同油對薯條表面（圖2C）和核芯（圖2D）區(qū)域油含量的影響如圖2所示。在整個煎炸過程中，米糠油和棕櫚油炸制薯條的表面含油量高于高油酸葵花油和大豆油，而不同油炸制薯條核芯區(qū)域油含量與表面含油量的趨勢相反。這可能是由于在煎炸的前60 s，棕櫚油和米糠油炸制薯條的中心溫度比高油酸葵花油和大豆油炸制薯條升溫快，在薯條內(nèi)部形成了很大的蒸汽壓，使油很難進入薯條的內(nèi)部。而當煎炸時間超過60 s后，可能由于米糠油和棕櫚油炸制薯條比高油酸葵花油和大豆油炸制薯條的外殼厚，孔隙小，使得滲入核芯的油較少。

2.3 油種類對薯條表面和核芯區(qū)域失水吸油動力學(xué)的影響

不同油炸制薯條表面和核芯區(qū)域中失水和吸油的動力學(xué)參數(shù)見表1。可以看出，所有的R2均在0.819和0.992之間，這表明該模型與實驗值的擬合優(yōu)度較好。

表1 不同油炸制薯條表面和核芯區(qū)域失水和吸油的一級動力學(xué)模型參數(shù)Table 1 Parameters of first-order kinetic model of moisture loss and oil absorption on the surface and core regions of fries fried in different oils

從表1中可以看出，表面水分損失速率常數(shù)遠高于核芯水分損失速率常數(shù)。其中棕櫚油炸制薯條的表面水分損失速率最高為0.053 6 s-1，其次是米糠油，而高油酸葵花油炸制薯條的表面水分損失速率最低為0.021 6 s-1。這與圖2A的結(jié)果一致。這可能是促使棕櫚油炸制薯條優(yōu)先形成外殼的原因。對于核芯區(qū)域水分來說，使用棕櫚油炸制薯條的水分損失速率（0.003 2 s-1）低于高油酸葵花油炸制薯條的水分損失速率（0.005 3 s-1），這可能是由于煎炸過程中棕櫚油炸制的薯條先形成了外殼，阻礙了水分向外擴散，從而降低了水分損失。對于表面油吸收速率來說，表面吸油速率高于核芯吸油速率。棕櫚油炸制薯條的表面吸油速率最高（0.093 8 s-1），而大豆油炸制薯條的表面吸油速率最低（0.038 7 s-1）；對于核芯油吸收速率來說，使用高油酸葵花油和大豆油炸制薯條的吸油速率相似且高于米糠油和棕櫚油炸制薯條的吸油速率，這與圖2C和2D的結(jié)果一致。

2.4 油種類對薯條中水分空間分布的影響

為了使煎炸過程中薯條的水分可視化，不同油炸制薯條的T2加權(quán)像如圖3所示。紅色越深表示薯條中水質(zhì)子密度越高，藍色越深表示薯條中水質(zhì)子密度越低。隨著煎炸時間的延長，薯條表面區(qū)域的水分逐漸減少。當油炸時間為 5 s時，從薯條的縱截面可以看出，使用高油酸葵花油和大豆油炸制薯條中的水分主要分布在薯條的中心區(qū)域，而兩端的水分比較少；而使用米糠油和棕櫚油炸制薯條的水分分布比較均勻。這可能是因為米糠油和棕櫚油炸制薯條內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞嚴重，導(dǎo)致了薯條內(nèi)部水分的重新分布。在油炸的前30 s，使用高油酸葵花油和大豆油炸制薯條的內(nèi)部水分含量高于米糠油和棕櫚油，而不同油炸制薯條表面區(qū)域的水分含量沒有明顯差異。當煎炸時間超過60 s時，使用米糠油和棕櫚油炸制薯條的表面水分含量明顯低于高油酸葵花油和大豆油，而核芯區(qū)域的水分含量明顯高于高油酸葵花油和大豆油。這可能是由于使用米糠油和棕櫚油炸制薯條的外殼較厚且緊密，降低了內(nèi)部水分擴散到表面的速率。

圖3 油種類對薯條水分空間分布的影響Fig.3 Effects of oil types on spatial distribution of water in French fries

2.5 油種類對薯條表面和核芯區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)的影響

不同油炸制薯條表面和核芯區(qū)域中相對結(jié)晶度隨時間的變化如圖4所示。對于表面區(qū)域而言，隨著煎炸時間的延長，淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量逐漸增加。在煎炸的前60 s，不同油炸制薯條中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量沒有明顯的差異。煎炸60 s后，棕櫚油和米糠油炸制薯條中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量明顯高于高油酸葵花油和大豆油（圖4A）。研究表明與不飽和脂肪酸相比，淀粉更傾向于與飽和脂肪酸絡(luò)合，這可能是由于不飽和脂肪酸中雙鍵的存在使得脂肪酸分子具有更高的彎曲度，增加了空間位阻，使得不飽和脂肪酸與淀粉形成脂質(zhì)復(fù)合物較為困難[18]。而棕櫚油中的飽和脂肪酸含量遠高于高油酸葵花油，這可能是棕櫚油炸制薯條中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物高于高油酸葵花油的原因。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的存在會影響產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)[19]。De Pilli等[20]報道了擠壓大米基食物的質(zhì)構(gòu)較硬是由于生成了較高的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物。Yan等[21]發(fā)現(xiàn)蒸煮過程中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成改善了面條的硬度。這解釋了米糠油和棕櫚油炸制薯條表面硬度高于其它兩種油的原因。

圖4 油種類對薯條表面區(qū)域（A）和核芯區(qū)域（B）相對結(jié)晶度的影響Fig.4 Effects of oil types on relative crystallinity of surface region (A) and core region (B) of potato strips

對于薯條的核芯區(qū)域來說（圖4B），隨著煎炸時間的延長，淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量在不斷增加。棕櫚油炸制薯條中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量最高，而高油酸葵花油炸制薯條中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量最低，米糠油和大豆油炸制薯條中淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物含量居中。與表面區(qū)域相比，薯條核芯區(qū)域形成的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物較低。這與前人的研究[22]一致。總的來說，不管是核芯還是外殼區(qū)域，棕櫚油炸制薯條的總相對結(jié)晶度含量以及淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物含量都比高油酸葵花油炸制薯條中的晶體含量高。這進一步解釋了高油酸葵花油炸制薯條的硬度比棕櫚油炸制薯條硬度軟的原因。

2.6 油種類對薯條微觀結(jié)構(gòu)的影響

生薯條、漂燙薯條以及不同油炸制薯條的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。從生薯條的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中可以看出不同大小的橢圓或球形淀粉填充在薄壁細胞中，這些不規(guī)則的馬鈴薯淀粉顆粒堆積緊密，導(dǎo)致了較硬且具有凝聚力的結(jié)構(gòu)。沸水漂燙后，馬鈴薯組織內(nèi)部已觀察不到完整的淀粉顆粒，這是由于凝膠化引起的馬鈴薯淀粉吸水溶脹以及破裂所導(dǎo)致[10]。此外高溫漂燙會使起著粘合細胞作用的果膠物質(zhì)發(fā)生β-消除反應(yīng)分裂果膠鏈結(jié)構(gòu)，削弱細胞壁的粘附性，使細胞間的結(jié)合力降低，細胞分離（橢圓），組織軟化[23]。

圖5 油種類對薯條核芯與表面之間的界面（A）和核芯（B）微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effects of oil types on the microstructure of the interface region between core and surface(A) and core region (B) of potato strips

對于煎炸薯條的界面區(qū)域來說（圖5A），不同油炸制薯條的界面微觀結(jié)構(gòu)顯著不同。高油酸葵花油和大豆油炸制薯條的表面形成的孔洞和裂縫最多，而棕櫚油炸制薯條的表面形成的孔洞和裂縫較少。這可能是由于棕櫚油內(nèi)部水分遷移速率減慢的緣故。當煎炸時間 180 s時，使用高油酸葵花油炸制薯條的外殼酥松多孔，而使用棕櫚油炸制薯條的外殼緊實致密。這為進一步理解棕櫚炸制薯條的硬度高于高油酸葵花油提供了幫助。

對于薯條的核芯區(qū)域來說（圖5B），隨著油炸時間的延長，馬鈴薯組織細胞發(fā)生嚴重的收縮變形，細胞壁結(jié)構(gòu)也消失不見。當煎炸時間為10 s，薯條核芯區(qū)域與漂燙薯條的微觀形貌相似，內(nèi)部也存在許多細胞分離的現(xiàn)象（橢圓）。當煎炸時間為60 s時，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯凹陷、皺縮、孔洞以及細胞分離（橢圓），這使得薯條內(nèi)部硬度進一步降低。當煎炸時間為 180 s時，薯條核芯區(qū)域的組織細胞發(fā)生嚴重收縮變形，這些組織細胞的結(jié)構(gòu)變化可能是引起硬度進一步下降的原因。與棕櫚油炸制的薯條相比，高油酸葵花油炸制薯條的內(nèi)部組織細胞皺縮、塌陷和變形比較嚴重。該現(xiàn)象支持了高油酸葵花油炸制薯條的核芯水分損失程度高于棕櫚油炸制薯條的核芯水分損失程度（圖2B）的結(jié)果。同時核芯區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的差異使我們更直觀的理解了為什么不同油炸制薯條的質(zhì)構(gòu)之間有明顯地差異。

3 結(jié)論

本研究通過調(diào)查油種類對薯條表面和核芯質(zhì)構(gòu)、水油含量、失水吸油動力學(xué)常數(shù)、水分空間分布、晶體結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)的影響得出：薯條的質(zhì)構(gòu)顯著的受油種類的影響（P＜0.05），棕櫚油和米糠油炸制薯條的表面硬度高于其它兩種油。煎炸過程中，棕櫚油和米糠油表面水分含量低于高油酸葵花油和大豆油，并且水分損失動力學(xué)表明了棕櫚油炸制薯條的表面損失損率是高油酸葵花油的2.48倍。核磁共振影像也進一步證明了米糠油和棕櫚油炸制薯條的外殼氫質(zhì)子密度低于大豆油和高油酸葵花油。此外，與其它兩種油相比，棕櫚油和米糠油炸制薯條中不僅淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物含量高而且表面的孔隙少且致密。由此可知，煎炸過程中的水分損失快慢、淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物含量的的多少以及表面的致密程度共同影響了薯條的質(zhì)構(gòu)。這為更深入的揭示煎炸食品質(zhì)構(gòu)是如何受油種類的影響奠定了理論基礎(chǔ)。