添加不同成分的外裹糊魚塊深度油炸過程中的傳質動力學

袁子珺，陳季旺,2,*，曾 恒，夏文水,3，胥 偉,2，熊幼翎,2

油炸外裹糊食品具有金黃色、特殊風味和酥脆口感的外殼，同時，包裹在外裹糊中的食品多汁、柔嫩，是廣受消費者喜愛的一大類風味食品。然而，外裹糊食品油炸過程中形成的殼吸收大量的油脂，過高的油脂含量會引起肥胖癥、心血管疾病等[1]。因此，降低外裹糊食品深度油炸過程中油脂的吸收已成為近年來研究的熱點之一。

外裹糊中分別加入親水膠體、動植物蛋白和膳食纖維可明顯提高外裹糊食品的裹糊率，減少油炸外裹糊食品的油脂含量并改善口感、質構[2-3]。Hsia等[4]發現在外裹糊中分別添加瓜爾豆膠、黃原膠和羧甲基纖維素增加了外裹糊雞塊的裹糊率。Myers等[5]研究表明，在外裹糊中添加雞蛋蛋清粉明顯減少了油炸外裹糊雞肉餡餅的油脂含量。Chen等[6]發現在外裹糊中添加1%羧甲基纖維素或1%羥丙基甲基纖維素可明顯提高油炸外裹糊魚塊的水分含量，減少油脂含量。Brannan等[7]的研究結果顯示在含有雞蛋蛋清粉的外裹糊中添加較低含量（1%）的玉米纖維或燕麥纖維可以減少油炸外裹糊雞塊的油脂含量。

目前，有關外裹糊食品深度油炸過程中傳質動力學的報道較少。Ngadi等[8]認為深度油炸過程中外裹糊雞塊的水分損失和油脂吸收呈線性關系，并采用菲克第二定律和阿倫尼烏斯方程建立了外裹糊雞塊深度油炸過程中的傳質模型。Adedeji等[9]研究了微波預蒸煮對外裹糊雞塊深度油炸過程中的傳質動力學的影響，并采用一級動力學方程建立了外裹糊雞塊水分蒸發動力學模型和外殼油脂吸收動力學模型。Nasiri等[10]探討了外裹糊配方（外裹糊中分別添加大豆粉和玉米淀粉）、油炸溫度和時間對外裹糊蝦塊深度油炸過程中傳質的影響。結果顯示，外裹糊配方、油炸溫度和時間明顯影響了水分損失和油脂吸收，外裹糊中添加10%大豆粉的蝦塊在190 ℃油炸后的油脂含量最低，采用菲克第二定律建立的水分蒸發動力學模型擬合度高。

本課題組前期研究顯示，在外裹糊中分別添加大豆纖維（質量分數2%）、黃原膠（質量分數0.4%）和乳清蛋白（質量分數4%）明顯減少了油炸外裹糊魚塊的油脂質量分數，改善了外裹糊魚塊口感及品質。但是外裹糊魚塊深度油炸過程中的傳質動力學還不清楚。本實驗采用分別添加大豆纖維、黃原膠和乳清蛋白的外裹糊制作外裹糊魚塊，在170 ℃大豆油中油炸30、60、90、120、150、180 s，分別測定油炸外裹糊魚塊的水分及油脂、表面油脂和表面滲透油脂質量分數，采用菲克第二定律和一級動力學方程分析深度油炸過程中的傳質動力學，利用蘇丹紅染色實驗模擬油脂的吸收途徑，探討3 種添加成分對外裹糊魚塊深度油炸過程中傳質動力學的影響機制，為低脂油炸外裹糊魚塊的生產提供科學指導和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮草魚（Ctenopharyngodon idellus，1.5 kg左右）購于武漢市武商量販常青花園店；大豆油 嘉里糧油（中國）有限公司；中筋小麥粉 武漢市太陽行食品有限責任公司；玉米淀粉（淀粉質量分數90.1%） 山東金城股份有限公司；面包糠 無錫金皇花食品有限公司；食鹽湖北鹽業集團有限公司；雙效泡打粉（碳酸氫鈉、葡萄糖酸-α-內酯、磷酸二氫鈉、碳酸鈣、玉米淀粉和檸檬酸） 安琪酵母股份有限公司；乳清蛋白（蛋白質量分數80%） 河南盛之德商貿有限公司；黃原膠 淄博中軒生化公司；大豆膳食纖維（不溶性膳食纖維質量分數65.8%，100 目） 陜西慈緣生物科技有限公司；無水乙醚（分析純） 天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

YZ-3032-BC油炸鍋 廣東友田電器有限公司；101-1-BS電熱恒溫鼓風干燥箱 上海躍進醫療器械廠；XSP-BM-4C光學顯微鏡 上海彼愛姆（BM）光學儀器制造有限公司；RW20.n精密攪拌機 德國IKA公司；UV-2100紫外分光光度計 上海尤尼柯儀器公司；SZF-06C脂肪測定儀 浙江托普儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 油炸外裹糊魚塊制備工藝流程

1.3.2 魚塊的制作

表1 外裹糊配方Table 1 Batter formulations

流水解凍及漂洗修整：將購買的新鮮草魚去除頭、內臟、魚鱗和魚皮等，清洗干凈，冷凍貯藏。把冷凍好的草魚在流水中解凍，然后切塊，將魚塊修整至大小厚薄基本一致（4.2 cm×1.7 cm×1.7 cm）。脫腥腌制：用2%的綠茶液以固液比1∶1浸泡脫腥2 h，然后加入質量分數3%的食鹽腌制0.5 h。調制外裹糊：外裹糊按照表1配方進行調制。裹糊油炸：取處理好的魚塊放入混合均勻的糊中，保證魚塊外表與糊全部接觸，浸沒10 s后緩慢取出，稍淋15 s，再放入糊中進行二次裹糊和三次裹糊。取出魚塊，待糊不成股滴下，放入面包糠中，使面包糠均勻覆蓋在魚塊表面。使用新鮮的大豆油在170 ℃條件下油炸30、60、90、120、150、180 s，將油炸好的外裹糊魚塊放入不銹鋼濾網中自然瀝去表面多余的油脂。室溫下冷卻60 min，將油炸外裹糊魚塊外殼與魚塊分離并粉碎后分別測定其水分和油脂質量分數。

1.3.3 水分質量分數的測定

參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》[11]。

1.3.4 油脂質量分數的測定

參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[12]。

1.3.5 傳質動力學研究

油炸操作是一個脫水過程，包括了傳熱和傳質兩個部分[8-10]。傳質過程以食品損失水分和吸入油脂為特征，本實驗采用菲克第二定律來描述油炸過程中的水分損失[10]。油炸過程中的水分損失被認為是擴散控制過程，水分擴散方程如式（1）。

式中：M為瞬時水分含量/（g/g）；t為時間/s；Deff為有效水分擴散系數/（m2/s）；x為樣品位置坐標。

油炸外裹糊魚塊由外殼與內部魚塊組成，是一個復合結構，且外裹糊魚塊最初的水分含量與油炸后的溫度分布不均勻，不滿足菲克第二定律適用條件，因此將外殼單獨用菲克第二定律擬合。

將油炸外裹糊魚塊的外殼假設成無限平板，樣品初始溫度和水分分布均勻，平板兩端濃度不受擴散影響，忽略外部傳質阻力，從試樣兩側傳質[8,13]。上述偏微分方程可表示為式（2）。

式中：Mr為水分比/（g/g）；M0為初始水分含量/（g/g）；Me為平衡水分含量/（g/g）；L為樣品的半厚度/cm。

當油炸過程達到平衡態的時候，平衡水分含量Me非常小，假設平衡水分含量忽略不計，為了計算水分擴散系數k/s－1，等式（2）可表達為式（3）。

Krokida等[14]提出采用一級動力學方程來描述油炸過程中的油脂吸收，如式（4）。

式中：FC為瞬時油脂含量/（g/g）；Oeq為平衡油脂含量（即最大油脂含量）/（g/g）；k為油脂吸收的傳質系數/s-1。

1.3.6 表面油脂和表面滲透油脂含量測定

表面油脂的測定參照Bouchon等[15]的方法稍做修改。在250 mL的燒杯中加入150 mL的石油醚，將待測油炸外裹糊魚塊放入溶劑中沖洗10 s，再轉入250 mL恒質量m1/g的圓底燒瓶中，蒸發溶劑至恒質量m2/g，表面油脂的質量m＝m2-m1。

表面滲透油脂的測定參照Bouchon等[15]的方法稍做修改。1）將不同質量濃度（0.40、0.50、0.55、0.60、0.70 g/L）的蘇丹紅油溶液用石油醚以體積比稀釋20 倍，在510 nm波長處測其吸光度。以質量濃度為縱坐標，吸光度為橫坐標做標準曲線，根據標準曲線計算蘇丹紅油液的質量濃度ρ1/（g/L）。2）用溶劑萃取法提取已經除去表面油脂的油炸外裹糊魚塊的油脂質量m0/g，將油脂用石油醚以體積比稀釋20 倍，在510 nm波長處測吸光度。根據標準曲線算出對應的蘇丹紅油液的質量濃度ρ2/（g/L），得出表面滲透油脂的質量m/g。計算公式如式（5）。

1.3.7 蘇丹紅染色實驗

蘇丹紅B試劑是一種脂溶性染料，不溶于水，可以隨煎炸油一起滲透到油炸食品[16-17]。在油炸鍋中加入1.5 L大豆油，然后加入0.75 g蘇丹紅B試劑，將油加熱至60 ℃，維持4 h，使染料和油充分混合均勻。將干燥后的外裹糊魚塊放入染色油中油炸，自然冷卻后將魚塊剖開，切成薄片，用光學顯微鏡觀察染色結果，放大倍數為4[18]。

1.4 數據統計分析

2 結果與分析

2.1 油炸外裹糊魚塊的水分質量分數變化

表2 170 ℃油炸時3 種外裹糊魚塊的水分質量分數Table 2 Moisture contents of three BBFNs fried at 170 ℃

3 種外裹糊魚塊在170 ℃大豆油中深度油炸后的魚塊和外殼的水分質量分數見表2。油炸0～30 s，外裹糊魚塊的表面水分迅速蒸發，開始形成外殼，同時，魚塊中的水分逐漸轉變成為水蒸氣，遷移到外殼，導致魚塊水分質量分數降低；油炸30～60 s時，油炸過程主要是對流換熱，外殼溫度較魚塊高，使得外殼與魚塊之間形成負的壓強差（數據未顯示），一部分水分由于負壓的作用遷移到魚塊，使得魚塊水分質量分數增加；隨著油炸過程的進行，魚塊與外殼的溫度達到一致，負壓消失，魚塊內部自由水轉變為水蒸氣經外殼蒸發，自由水質量分數逐漸減少，導致魚塊水分質量分數在油炸60～180 s時降低[18-19]。

油炸0～30 s時乳清蛋白組魚塊的水分質量分數較黃原膠組和大豆纖維組高。乳清蛋白具有良好的凝膠能力，有利于在外殼中形成牢固的蛋白膜結構，可有效減少油炸外裹糊魚塊中的水分損失；黃原膠分子中含有大量的羰基和羧基，是一種親水性的高分子化合物，凝膠能力強，可形成防止水分蒸發的屏障，且具有良好的持水能力；大豆纖維中的羰基和羥基也能結合一定量的自由水。但可能在這一階段（油炸0～30 s）乳清蛋白易凝膠形成膜，阻礙水分的蒸發，導致乳清蛋白組水分質量分數較高[2,20-22]。

油炸60～180 s時乳清蛋白組水分質量分數下降最快，這是因為在中性條件下，魚塊中心溫度已經超過乳清蛋白變性溫度，致使乳清蛋白形成的凝膠膜破裂，水分質量分數迅速下降[21-22]。黃原膠是由3 種不同單糖（D-甘露糖、D-葡萄糖和D-葡萄糖醛酸）構成的高分子雜多糖，由于自身負電荷間的相斥性，分子內無法形成氫鍵，極易與淀粉分子間相互作用形成氫鍵，使得分子鏈間的纏結點增加，表現出更高的增稠性。此外，淀粉糊化后能形成具有一定彈性和強度的凝膠，黃原膠的添加使得淀粉凝膠的強度增大，有效地阻礙了魚塊中水分的蒸發[2,20,23-24]。大豆纖維具有良好的持水性和膨脹性，增加了面筋網絡結構的膨脹能力，減少了水分的損失，但大豆纖維粗的粒徑可能增加了外殼表面粗糙度，且持水能力較黃原膠差[2,7,25]，導致油炸終止時（油炸180 s），黃原膠組的水分質量分數最高，其次是大豆纖維組，乳清蛋白組的水分質量分數最低。

由表2還可以看出，大豆纖維組、黃原膠組和乳清蛋白組外殼的水分質量分數在油炸0～180 s時隨油炸時間延長呈線性降低，這與Bud?aki等[26]的研究結果類似。油炸終止時外殼水分質量分數從高到低依次為黃原膠組、大豆纖維組和乳清蛋白組，表明外裹糊中添加成分影響了水分損失速率。油炸初期（油炸0～30 s），由于水蒸氣的逸出，多孔通道很快形成，外殼中水分逐漸轉變為水蒸氣，不斷地從外殼的氣孔、裂縫等向外涌出，導致油炸0～30 s時外殼水分損失速率較快，水分質量分數迅速降低；油炸30～60 s時，水蒸氣劇烈蒸發，外殼表面氣孔變大、增多，使得外殼中水分蒸發速度加快，水分損失速率與油炸0～30 s時相比較低。這是由于高溫條件下，外裹糊中的淀粉糊化、蛋白質凝膠等使得外殼層增厚，對自由水的蒸發起到了一定的阻礙作用，且魚塊蒸發到外殼的水分一部分可能滯留在外殼區，導致外殼水分質量分數降低趨勢減緩；油炸60～180 s時，外殼中的自由水質量分數大量減少，水分損失的速率減小，外殼水分質量分數呈緩慢降低趨勢[1,27]。

一般情況下，原料初始水分質量分數越高，油炸后最終水分質量分數越高。而表2中數據顯示，黃原膠組魚塊在初始水分質量分數較低的前提下，最終水分質量分數（油炸180 s）較大豆纖維組和乳清蛋白組高，這說明黃原膠在本實驗中具有更強的持水性和成膜穩定性。

2.2 油炸外裹糊魚塊外殼的油脂質量分數變化

表3 170 ℃油炸時3 種外裹糊魚塊外殼的油脂質量分數Table 3 Oil content of the crust of three BBFNs fried at 170 ℃

3 種外裹糊魚塊在170 ℃油炸后外殼的油脂質量分數見表3。油炸0～30 s時，外殼水分劇烈蒸發，油脂一部分進入外殼水分蒸發后留下的孔隙，一部分附著在外殼表面，使得油脂吸收的速率較快，油脂質量分數迅速升高；油炸30～60 s，魚塊和外殼水分大量蒸發，致使外殼表面形成大量的氣孔、裂縫，外殼水分損失加劇，滲入外殼油脂增多，油脂質量分數升高；油炸60～120 s時，淀粉糊化、蛋白質凝膠等因素使外殼層厚度增加，油脂質量分數緩慢增加；油炸120～180 s時，一方面因傳質系數和傳質速率隨油炸時間逐漸減小，水蒸氣對油脂進入魚塊的阻力減小，且蛋白質凝膠作用形成的凝膠膜的破裂也減小了油脂進入魚塊（內部）的阻礙，導致滲入魚塊的油脂增加；另一方面可能是油脂極性、黏度的增大，附著在外殼表面的油脂阻礙了油脂進入外殼，總的油脂質量分數沒有明顯增加，而油脂的吸收主要發生在外裹糊魚塊從熱油中取出到冷卻的階段，由于負壓的作用經外殼氣孔、裂縫滲入魚塊水分蒸發后留下的孔隙中，使得外殼油脂質量分數減小[1,27-28]。

黃原膠組的外殼表面較光滑、結構緊密、氣孔小且數量少，同時具有一定的凝膠特性，增強了外裹糊中蛋白質的凝膠強度，使外裹糊具有較大的彈性，有效地減少了外殼中油脂的吸收。大豆纖維雖具有良好的膨脹性，增加了面筋網絡結構的膨脹能力，減少了油炸過程中油脂的吸收；但在冷卻過程中面筋網絡結構的氣體溢出，外殼表面附著的油脂滲入內部，導致外殼油脂質量分數較高。乳清蛋白組外裹糊蛋白質質量分數較高，具有一定的凝膠能力，但過高的溫度縮短了蛋白質變性和凝膠破裂的時間，致使外殼結構疏松、孔隙較多[2,20,24]。而食物外殼微觀結構決定油炸外裹糊食品中的油脂質量分數，因此乳清蛋白組平衡油脂（最高油脂）質量分數最高，黃原膠組的平衡油脂質量分數最低[29-30]。

2.3 水分蒸發動力學

表4 170 ℃油炸時3 種外裹糊魚塊的水分擴散模型參數Table 4 Model parameters for moisture evaporation of three BBFNs fried at 170 ℃

將水分比（Mr）代入到公式（2），通過Origin數據軟件擬合3 種外裹糊魚塊水分擴散模型參數的結果見表4。菲克第二定律擬合的大豆纖維組、黃原膠組和乳清蛋白組的水分擴散系數k分別為0.003 8、0.003 3 s-1和0.003 9 s-1，擬合度R2分別為0.87、0.86和0.86，顯示水分蒸發動力學模型的擬合度較高，菲克第二定律模型可以較好地描述深度油炸過程外殼中的水分蒸發動力學。

水分擴散系數k越大，說明外殼中水分蒸發的速率越快。由表4還可以看出，黃原膠組的水分擴散系數k最小，乳清蛋白組最大，大豆纖維組稍低于乳清蛋白組，與表1顯示的水分質量分數變化規律一致。大豆纖維粒徑較粗，添加到外裹糊中形成的外殼表面較粗糙，而乳清蛋白的變性溫度較低，170 ℃深度油炸時乳清蛋白形成的凝膠膜破裂易破裂，可能導致大豆纖維組和乳清蛋白組的水分擴散系數k高于黃原膠組[2,7,25]。

2.4 油脂吸收動力學

表5 170 ℃油炸時3 種油炸外裹糊魚塊的油脂吸收模型參數Table 5 Model parameters for oil absorption of three BBFNs fried at 170 ℃

將實驗得到的外殼油脂質量分數（FC）代入到公式（4）中，通過Origin數據軟件擬合3 種外裹糊魚塊油脂吸收模型參數的結果見表5，k為油脂吸收的傳質系數。一級動力學方程擬合的大豆纖維組、黃原膠組和乳清蛋白組的油脂吸收的傳質系數分別為0.062、0.059 s-1和0.061 s-1，擬合度R2分別為0.96、0.95和0.97，顯示油脂吸收動力學模型的擬合度高，一級動力學方程可以很好地描述深度油炸過程外殼中油脂吸收的動力學。

油脂吸收的傳質系數越大，說明外殼中的油脂吸收的速率越快。由表5還可以看出，黃原膠組的油脂吸收傳質系數最小，其次是乳清蛋白組，大豆纖維組最大。黃原膠具有一定的凝膠特性，增強了外裹糊中蛋白質和淀粉的凝膠強度，使外殼表面光滑、結構緊密、氣孔小且數量少，同時黃原膠具有良好的持水性，有效地減少了外殼中油脂的吸收，導致黃原膠組的油脂吸收系數明顯低于大豆纖維組和乳清蛋白組[2,20,24]。

2.5 表面油脂和表面滲透油脂質量分數變化

表面油脂為冷卻后附著在外殼表面的油脂，表面滲透油脂主要是冷卻過程中因負壓導致滲入外殼和魚塊的油脂，即冷凝吸油。油炸結束后附著在食品表面的油脂越多，冷卻過程就越容易滲入到外殼和魚塊內部[13,31]。

表6 170 ℃油炸時3 種外裹糊魚塊的表面油脂和表面滲透油脂質量分數Table 6 Surface oil and penetrated surface oil contents of three BBFNs fried at 170 ℃

由表6可以看出，大豆纖維組、黃原膠組和乳清蛋白組的表面油脂質量分數隨時間的延長均呈現先升高后降低的趨勢，但幅度呈明顯差異。油炸30～120 s，乳清蛋白組的增加幅度最大，表面油脂質量分數從1.99%增加到4.83%，增加了2.84%；其次是黃原膠組，增加了2.18%；大豆纖維組的增加幅度最小，僅增加了1.39%。油炸120～180 s，大豆纖維組的表面油脂質量分數下降最慢，僅下降了1.34%；黃原膠組和乳清蛋白組的下降量接近，分別下降了1.88%和2.15%。表6中數據還顯示，3 種油炸外裹糊魚塊的表面滲透油脂質量分數隨時間的延長均呈升高趨勢，且增幅差異顯著，分別增加了9.21%（大豆纖維組）、8.55%（黃原膠組）和10.12%（乳清蛋白組）。此外，黃原膠組和乳清蛋白組的表面滲透油脂質量分數在油炸30～90 s時增加較慢，油炸90～120 s時增加較快；大豆纖維組油炸30～60 s時增加較慢，油炸60～150 s時增加較快。表明外裹糊中分別添加大豆纖維、黃原膠和乳清蛋白顯著影響了外裹糊魚塊深度油炸過程中的水分蒸發和油脂吸收，導致其傳質系數差異顯著。

2.6 蘇丹紅染色實驗

圖1 170 ℃油炸時3 種外裹糊魚塊的蘇丹紅染色圖Fig. 1 Images of three BBFNs fried at 170 ℃ in Sudan red-dyed oil

光學顯微鏡下觀察的3 種外裹糊魚塊油脂吸收結果如圖1所示，外裹糊魚塊的紅色部分（圖中未能顯示）主要分布在外殼，在魚塊與外殼交界處也有少量紅色，這說明油脂的吸收主要是在外殼以及外殼與魚塊的交界處，較少進入到魚塊中心部分。隨著油炸時間的延長，染色油滲透到外殼和魚塊的厚度增加，類似于Lalam等[18]在油炸外裹糊雞塊的實驗結果。油炸30～60 s 3 組外裹糊魚塊的蘇丹紅染色幅度差異不顯著；油炸90～180 s，乳清蛋白組染色幅度最深，其次是大豆纖維組，黃原膠組的最淺。

3 種油炸外裹糊魚塊的外殼、魚塊及外殼和魚塊交界處的染色幅度變化與外殼中水分和油脂質量分數的分析一致，進一步表明外裹糊中分別添加大豆纖維、黃原膠和乳清蛋白顯著影響了油炸外裹糊魚塊的微觀結構，進而顯著影響了外裹糊魚塊深度油炸過程中的水分蒸發和油脂吸收，導致其傳質系數差異顯著。

3 結 論

大豆纖維組、黃原膠組和乳清蛋白組的外殼水分質量分數均隨油炸時間的延長而降低，而魚塊水分質量分數先降低后升高再降低；油炸0～120 s時，大豆纖維組、黃原膠組和乳清蛋白組的外殼油脂質量分數均升高，油炸120～180 s時降低。表面油脂和表面滲透油脂質量分數變化及蘇丹紅染色實驗結果顯示，外裹糊中分別添加大豆纖維、黃原膠和乳清蛋白影響了外裹糊魚塊深度油炸過程中的水分蒸發和油脂吸收動力學。

菲克第二定律和一級動力學方程的擬合結果顯示，黃原膠組油脂傳質系數最小，其次是乳清蛋白組，大豆纖維組的油脂傳質系數最大。深度油炸過程中，魚塊的中心溫度超過乳清蛋白變性溫度，乳清蛋白形成的凝膠膜易破裂，導致乳清蛋白組油脂傳質系數最大；黃原膠分子中含有大量的羰基和羧基，能結合大量的自由水。另外，黃原膠與蛋白質、淀粉分子間相互作用形成高強度的凝膠膜，熱穩定強，因此黃原膠組的油脂傳質系數最小；大豆纖維中的羰基和羥基也能結合一定量的自由水，且增加了面筋網絡結構的膨脹能力和強度，但是較粗粒徑導致外裹糊的光滑度下降，因此傳質系數高于黃原膠組。

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