鍋具傳熱特性對中式烹飪操作控制的影響

彭 靜鄧 力王 磊何聰穎余冰妍林 錦崔 杰

(1. 貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 無限極﹝中國﹞有限公司，廣東 廣州 510000)

鍋具是家庭必備的烹飪工具[1]。鍋具種類繁多，其中炒鍋占據中國鍋具主要市場，并且家庭炒鍋擁有率超過150%[2-3]。同時，中式烹飪的現代化、標準化、自動化的發展，對炒鍋的研究設計也提出新要求[4]。因此，炒鍋性能的好壞不僅影響烹飪效果、自動化烹飪發展，也直接關系到每個家庭的營養健康生活。

目前，鍋具研究集中于鍋具自身傳熱規律[5-6]、傳熱影響因素[7-9]、鍋具與熱源間的熱效率[10-11]等方面，缺乏對鍋具傳熱特性對烹飪成熟和烹飪操作影響的研究，并且研究對象主要為西式平底鍋，用于煮、煎[12-13]。而中式烹飪以圓底凹面炒鍋或電磁爐用平底凹面炒鍋為主，用于過程激烈復雜的油炒工藝[3,14]，因而難以直接引用現有成果來研究中式炒鍋傳熱特性對油炒烹飪的影響。

鍋具制作最主要目的是獲得快速升溫及均勻鍋底溫度分布，以使食品顆粒受熱均勻和快速烹飪[5-7]。然而，烹飪過程中鍋具底部受非穩態加熱，導致與食物接觸的鍋壁面很難獲得均勻的溫度[11,15]。文獻[16～18]中研究發現鍋具制作材料均會產生熱阻，熱阻較大的不銹鋼升溫慢、溫度分布不均勻，熱阻較小的銅和鋁升溫快、溫度分布較均勻，所以鍋具的熱阻系數可作為反映鍋具傳熱特性的關鍵參數。

烹飪的最終目的是通過加熱使食物成熟，文獻[1,19]中建立了中式烹飪過程中鍋具及液體-食品顆粒的傳熱控制方程，提出了烹飪成熟值理論，指出油炒烹飪過程中食品顆粒表面至中心的傳熱為非穩態過程，當顆粒中心達到成熟時表面已被過度加熱，導致品質不均勻，如肉類表面發生焦糊褐變，如何使烹飪食品達到成熟值的同時過熱值最小是烹飪操作控制的關鍵。文獻[20]通過數值模擬分析了油脂預熱溫度、攪拌頻率、炒鍋傳熱面積等油炒工藝控制參數對烹飪品質的影響，但未進行實驗驗證。文獻[21]中指出單層鍋厚度薄，熱量沿厚度方向上傳遞快，易形成熱點導致食物焦糊；多層復合鍋厚度大，熱量沿直徑方向上傳遞快，鍋底溫度分布均勻，但未分析鍋具熱阻系數對烹飪操作的影響，也未進行鍋具烹飪品質變化的實驗驗證。因此，有必要研究炒鍋傳熱特性與烹飪操作控制之間的規律，以獲得較好的烹飪品質。

肉類烹飪研究中常通過檢測肉的中心溫度[22-23]、表面顏色變化[24-25]等指標判斷烹飪終點。但油炒過程伴隨著強烈攪拌，很難獲得肉的中心溫度，因此選擇表面顏色變化作為豬里脊肉烹飪終點的判斷指標，進一步研究炒鍋傳熱特性與烹飪操作對豬里脊肉烹飪終點的影響。

綜上，本試驗選用3種中式炒鍋，以豬里脊肉為烹飪原料，以不同預熱油溫及攪拌頻率為試驗條件，測定分析炒鍋熱阻系數與油炒豬里脊肉成熟及焦糊時間的關系，探究鍋具傳熱特性對中式烹飪操作控制的影響，以期為中式烹飪的研究積累基礎數據，為鍋具的生產加工和使用提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬里脊肉：貴陽花溪區星力超市；

食用調和油：廣西惠禹糧油工業有限公司；

炒鍋A、炒鍋B、炒鍋C、炒鍋D、炒鍋E：市售，炒鍋結構示意圖及基本物理參數見圖1和表1。

圖1 中式炒鍋基本結構圖

炒鍋材質鍋底厚度d/cmA不銹鋼復合鍋0.298B鑄鐵鍋(單層鍋)0.158C鐵皮鍋(單層鍋)0.090D不銹鋼復合鍋0.290E不銹鋼復合鍋0.216

1.2 儀器與設備

熱成像儀：PI200型，德國歐普力公司；

烹飪傳熱學及動力學數據采集分析系統：參照文獻[26]組裝；

切片機：BL658型，深圳市博萊電子電器有限公司；

鹵素水分測定儀：MB35型，奧豪斯國際貿易有限公司；

數顯式肌肉嫩度儀：C-LM3B型，東北農業大學工程學院；

電子天平：MS12002TS型，梅特勒-托利多國際貿易(上海)有限公司；

電磁爐：C21-HK2103型，廣東美的生活電器制造有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 炒鍋熱阻系數的測定 熱阻系數是導熱系數與物體的幾何形狀相結合而體現的該形狀物體的導熱能力，按式(1)計算[27]：

(1)

式中：

R——鍋具熱阻系數，(m2·K)/W；

Ln——鍋具各層材料厚度，m；

kn——鍋具各層材料導熱系數，W/(m·K)。

選取炒鍋底面中心部分裁剪出方形樣品(1 cm×1 cm)，利用導熱系數測定儀采用激光閃射法測定炒鍋樣品導熱系數，具體測量原理及方法參見文獻[28]，然后由式(1)計算得到熱阻系數。

1.3.2 烹飪原料預處理 將原料豬里脊肉切分后放置于-18 ℃ 冰箱中冷凍4～5 h，用切片機將冷凍肉切割成2.5 cm×2.5 cm×0.25 cm(長×寬×高)的肉片，靜置，恢復至室溫以備用。

1.3.3 炒鍋傳熱特性與豬里脊烹飪品質變化速率關系探究

(1) 豬里脊肉烹飪成熟到焦糊過程中品質變化終點的判斷：選用炒鍋A，稱取豬里脊肉片100 g和食用油25 g，預熱油溫和攪拌頻率分別控制為160 ℃和1 Hz，使用電磁爐(開啟最大功率2.1 kW)炒制豬里脊肉片至表面完全焦糊，炒制過程中間隔5 s取樣，樣品置于冰水混合物中冷卻1 min，取出用吸水紙擦干表面水分，按照1.3.4節方法測定肉片的顏色、水分含量、剪切力，對比分析獲得豬里脊肉片由成熟到焦糊階段的烹飪品質變化。同一組試驗做3次平行。

(2) 炒鍋傳熱特性與烹飪操作對豬里脊肉品質變化速率的影響：選用炒鍋A、B、C，使用電磁爐(開啟最大功率2.1 kW)在不同預熱油溫(70，100，160 ℃)和攪拌頻率(0.2，1.0 Hz)兩兩組合條件下，分別炒制100 g豬里脊肉片(豬里脊肉與食用油的質量比為4∶1[14])，并用秒表記錄豬里脊肉的成熟時間和開始焦糊時間，每個條件設置3個平行。分析獲得熱阻系數、預熱油溫及攪拌頻率對豬里脊肉成熟時間、開始焦糊時間及間隔時間的影響。

1.3.4 豬里脊肉品質指標的測定

(1) 水分含量：采用鹵素水分測定儀測定。每組樣品進行3次測量并求平均值。

(2) 顏色：參照Rubio等[29]的方法，根據CIEL*a*b*顏色標準采用色差儀于室溫條件下測定。按式(2)計算白度[30]。

(2)

式中：

W——白度值；

L*——亮度值；

a*——紅度值；

b*——黃度值。

每個樣品取上表面均勻分布的3處不同位置進行測量并求平均值。

(3) 剪切力：采用肌肉嫩度儀進行測定。每個樣品取表面均勻平整的3處不同位置，切割成1 cm×1 cm×0.25 cm(長×寬×高)的片狀，置于肌肉嫩度儀載樣臺，記錄探頭刀片切斷樣品的剪切力值，每組試驗條件設置3個平行。

2 結果與分析

2.1 炒鍋熱阻系數測定結果

由表2可知，炒鍋A、D、B、E、C的導熱系數、熱阻系數等總體依次減小，且炒鍋A和D、炒鍋B和E的熱阻系數接近，5種炒鍋的熱阻呈現差異可能與鍋底厚度有關[7]。同時，初試驗使用5種測試炒鍋炒制豬里脊肉時，發現炒鍋A和D、炒鍋B和E的成熟時間及開始焦糊時間相近。因此，后續研究選用炒鍋A、B、C。

表2 炒鍋熱阻系數測定結果

2.2 豬里脊肉烹飪至焦糊過程中品質變化與時間關系

2.2.1 顏色變化 由圖2可知，隨著烹飪時間的延長，豬里脊肉片先成熟后焦糊，在烹飪成熟過程(0～25 s)中，肉片由紅變白，亮度值L*和白度值W增大，紅度值a*先增大后減小，黃度值b*增大；繼續烹飪時，肉片發生焦糊(焦糊過程50～65 s)，表面由于美拉德反應產物的積累形成黃褐色硬殼，肉片的L*和W減小，a*和b*增大[31]39-53[32]。烹飪過程中肉片中心溫度升高，導致血紅蛋白和肌紅蛋白發生變性[31]65，使肉的顏色改變，成熟過程中的顏色變化趨勢與黃明等[22]的研究結果相同。

圖2 豬里脊肉烹飪至焦糊過程中顏色變化

2.2.2 水分含量變化 由圖3可知，隨著烹飪時間的延長，豬里脊肉的水分含量持續減少，并且在烹飪成熟的過程中水分含量損失速率慢，焦糊的過程中水分含量損失速率加快，原因是高溫烹飪過程中肉片表面存在水分蒸發使水分持續損失，焦糊過程中由于肉片中心溫度升高，加快了蒸發速率[20,33]。

圖3 豬里脊肉烹飪至焦糊過程中水分含量變化

2.2.3 剪切力變化 由圖4可知，隨著烹飪時間的延長，豬里脊肉的剪切力持續增大，肉的嫩度減小，并且在烹飪成熟的過程中剪切力變化速率慢，焦糊的過程中剪切力變化速率加快，成熟過程剪切力變化與黃明等[22]的研究結果基本一致。豬里脊肉烹飪至焦糊的過程中肌原纖維蛋白和膠原蛋白發生熱變性，且水分含量一直減少，焦糊過程中表面形成硬殼，從而導致剪切力增大[20,33]。

油炒過程對烹飪成熟終點的控制非常關鍵，烹飪時間偏短時豬里脊肉片未完全成熟，肉色偏紅，肉質較軟，風味不佳；烹飪時間過長會導致品質劣變甚至產生焦糊，肉類焦糊物質中含有雜環胺致癌成分對人體有極大危害[25,34]。由圖2～4綜合分析得到，豬里脊肉成熟和焦糊時顏色、水分含量、剪切力等變化明顯，可作為豬里脊肉成熟終點與焦糊開始的判斷，結合實際烹飪選擇顏色作為豬里脊肉成熟終點和焦糊開始的直觀判斷指標。

圖4 豬里脊肉烹飪至焦糊過程中剪切力變化

2.3 炒鍋熱阻系數對豬里脊肉品質變化速率的影響

由圖5可知，當烹飪預熱油溫及攪拌頻率相同時，豬里脊肉的成熟時間、開始焦糊時間及兩者間隔時間均隨炒鍋熱阻系數的增大而增大；當攪拌頻率相同時，豬里脊肉的成熟時間、開始焦糊時間及間隔時間隨預熱油溫的升高而減小，原因是油溫越高時豬里脊肉中心升溫快，使烹飪至成熟的時間縮短[35]；當預熱油溫相同時，豬里脊肉的成熟時間隨攪拌頻率的增大而減小，而豬里脊肉開始焦糊時間及間隔時間隨攪拌頻率的增大而增大，攪拌頻率越大時油脂與食品顆粒的對流換熱強度越大，從而加快食品顆粒升溫和品質變化過程[36]。

圖5 不同預熱油溫及攪拌頻率條件下豬里脊肉成熟時間、開始焦糊時間及間隔時間與熱阻系數間的關系

Figure 5 Relationship between pork tenderloin maturity time, start scorching time and interval time and thermal resistance coefficient at different oil preheating temperature and stirring frequency

由圖5進一步分析得到，使用3種測試炒鍋，在不同預熱油溫及攪拌頻率下，油炒豬里脊肉由成熟到表面完全焦糊過程時間為25～99 s，成熟時間與開始焦糊的間隔時間為5～52 s。對于熱阻系數較大的炒鍋，豬里脊肉成熟與焦糊兩個階段間隔時間長，烹飪操作相對容易控制；但對于熱阻系數較小的炒鍋，豬里脊肉成熟與焦糊兩個階段的間隔時間短，且預熱油溫越高或攪拌頻率越小時豬里脊肉品質變化速率越快，焦糊現象發生越早，導致烹飪成熟終點控制困難。由此可見炒鍋的傳熱特性對中式烹飪操作有很大影響。

同時，結合烹飪傳熱過程分析可知，鍋具溫度影響食品體系吸熱升溫，最終影響食品顆粒的烹飪品質[1,20]。當加熱條件一定時，鍋具溫度與鍋具自身傳熱性質相關，鍋具熱阻系數小、傳熱速率大[7]，如鐵皮鍋，其鍋內壁升溫快，食品顆粒成熟所需時間短，成熟終點控制困難，對烹飪操作技巧要求高，適合專業廚師使用；反之，烹飪操作相對容易把控的鍋具，適合非專業家庭烹飪者使用。不同鍋具的烹飪操作控制見表3。

表3 鍋具傳熱特性與烹飪操作控制之間的關系

Table 3 Relationship between heat transfer characteristics of cooking utensils and control of cooking operations

項目熱阻系數成熟/焦糊時間烹飪操作控制適合烹飪人員鍋具傳熱及烹飪控制程度 大長易非專業家庭烹飪者小短難專業廚師

3 結論

通過研究熱阻系數不同的中式炒鍋在不同預熱油溫及攪拌頻率條件下油炒豬里脊肉的成熟時間、開始焦糊時間及間隔時間的變化，獲得了炒鍋傳熱特性與烹飪操作控制間的關系，從而構建了一種中式炒鍋性能評價的方法。研究結果表明，豬里脊肉烹飪至成熟和表面焦糊時顏色、水分含量和剪切力變化明顯，其中顏色可作為烹飪成熟終點和焦糊開始的直觀判斷指標；熱阻系數越小的炒鍋，當烹飪預熱油溫越高或攪拌頻率越小時豬里脊肉品質變化速率越快，易出現焦糊，烹飪操作困難；而熱阻系數越大的炒鍋，烹飪成熟時間、焦糊時間及間隔時間越長，烹飪操作容易，有利于非專業人員實施烹飪，對中式炒鍋的設計與選擇具有重要意義。但中式油炒過程中，烹飪操作還涉及熱源功率、食品顆粒傳熱特征尺寸、油料比等，而且炒鍋烹飪操作對食品品質變化的影響如何，仍需要進一步探究，從而獲得鍋具相適的優化烹飪操作。