油炸溫度與時間對白公干魚傳質特性及品質的影響

陳康明 劉曉麗 許艷順 夏文水

(1. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3. 江蘇省食品安全與質量控制協同創新中心，江蘇 無錫 214122)

公干魚屬海生魚類，是一種盛產于中國廣西及越南等沿海地區的水產小魚仔，分為尖頭(青公干魚)和圓頭(白公干魚)，其具有蛋白質含量高、脂肪含量少、口感好和營養豐富的特點[1]。白公干魚一般為3～7 cm，通常將其作為原料加工成休閑類產品而深受消費者青睞。加工過程中，通過油炸工藝不僅可改善產品外觀、顏色，還可使其更加酥脆可口，增進食欲[2]。長期攝取油炸類食品會引起肥胖、高血脂癥和導致各種心血管疾病[3-4]。因此，如何在保證產品品質和感官特性的前提下，獲得進一步降低油炸后白公干魚吸油量的方法，從而提高油炸休閑魚類食品的健康性，已成為目前研究油炸休閑魚類產品的一大熱點[5]。

目前，油炸過程中的傳質動力學研究主要集中于外裹糊食品[6-8]，而對直接油炸此類小魚仔的傳質動力學研究還未見報道。試驗擬以白公干魚為原料，研究不同油炸溫度和時間對其水分含量和吸油量的影響，同時采用特定指數方程對油炸過程中的相關動力學過程進行曲線擬合，進一步探討油炸溫度和時間對白公干魚油炸過程中水分損失和吸油量增加的影響機制。通過檢測不同油炸條件下白公干魚的色澤和質構變化，并結合感官評定篩選出白公干魚的最適油炸條件，為企業生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白公干魚：湖南華文有限公司；

一級大豆油：中糧食品營銷有限公司；

石油醚：沸程30～60 ℃，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

搪瓷內膽電炸鍋：DF25A型，廣東斯樂得有限公司；

電熱鼓風干燥箱：DHG-9070型，德國Binder公司；

水分活度儀：Lab Swift-aw型，瑞士Novasina公司；

自動索氏抽提儀：C3AL-01型，上海洪紀儀器設備有限公司；

物性分析儀：TA-XT2i型，英國Stable Micro公司；

色彩色差計：CR-400型，日本ONICA MINOLTA株式會社；

電子天平：AX224ZH/E型，常州奧豪斯儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

冷凍白公干魚→自來浸泡解凍、脫鹽→瀝水、自然風干→油炸→自然冷卻→裝處自封袋備用

(1) 冷凍白公干魚：將原料鹽漬去頭，貯藏于-18 ℃冰箱，使用時按需取出。

(2) 自來水浸泡解凍、脫鹽：根據合作企業前期生產經驗，按原料白公干魚體∶自來水=1∶5 (g/mL)浸泡10 h可有效脫鹽復水，此時白公干魚體初始水分含量為(66.1±2.0)%。

(3) 瀝水、自然風干：將浸泡水及水中的懸浮雜質倒出，將白公干魚體平鋪于金屬細網絲上，自然風干至魚體表面無明顯附著水滴。

(4) 油炸：向2.5 L搪瓷內膽電炸鍋內倒入新鮮一級大豆油約2 L，使得油剛好到達電炸鍋內最低刻度線位置，旋轉指針至指定溫度進行預熱并用溫度計進行驗證，保證油體溫度控制在指定溫度±1 ℃。剔除少數明顯偏大或偏小的白公干魚體，挑選長×寬×厚為(57.8～60.8) mm×(11.6～13.8) mm×(6.6～7.0) mm的魚體100 g使其平鋪于篩缸內，并用秒表準確計時。每次煎炸完后立即將油位補充至最低刻度線，以保證料液比的恒定。

(5) 自然冷卻及裝入自封袋備用：煎炸完即刻取出，在篩缸內自然冷卻至表面不再滴油，裝入自封袋中備用。

1.3.2 水分含量及水分活度的測定 按GB 5009.3—2016執行。

1.3.3 油脂含量的測定 按GB 5009.6—2016執行。

1.3.4 傳質動力學研究 油炸過程中水分含量的蒸發和含油率的吸收實質是擴散控制過程，水分擴散過程的推導式如式(1)所示。

(1)

假設最初試驗樣品的水分和溫度分布均勻、傳質過程發生于樣品的兩面，并且這種樣品可看成是無限小的平板[9]?？蓪⑹?1)表達為：

(2)

當油炸過程達到平衡狀態時，水分含量一般很小，可忽略不計，即Me=0，則式(2)可表達為：

(3)

式中：

M——t時刻水分含量，%；

MO——初始水分含量，%；

Mr——水分含量比；

Mr’——平衡時水分含量比；

Lr——樣品厚度的1/2，m；

k——速率常數，s-1；

D——有效水分擴散率，m2/s；

t——油炸時間，s。

油炸是脫水和吸油同時發生的過程，包括傳熱和傳質兩個部分。傳質過程除了水分蒸發還有吸油量的增加，Krokida等[10]提出采用一級動力學方程來描述油炸過程中的油脂吸收：

Fc=Oeq(1-e-kt)，

(4)

式中：

Fc——瞬時吸油量，%；

Oeq——最大吸油量，%；

k——油脂吸收的傳質系數，s-1。

1.3.5 色澤的測定 采用CR-10微型色差分析儀對油炸后白公干魚進行色差測定，每個測定取3塊魚干，測定魚身中心處的L*、a*、b*值(L*為亮度值；a*為紅值；b*為黃值)。并以浸泡后瀝干的白公干魚體顏色為對照，計算不同條件油炸后白公干魚的ΔE值。

1.3.6 質構的測定

(1) 硬度和咀嚼性：采用TAXT Plus型質構儀，P/35平底柱形探頭，選擇TPA測量模式，測試前、中、后速度均為1 mm/s，觸發點負載5 g，測試形變量80%，兩次測定時間間隔5 s。每個處理測試3塊，每塊魚干取魚身中心點。

(2) 表層硬度和韌性：采用TAXT Plus型質構儀，P/5單刀剪切形探頭，選擇Compression測量模式，測試速度1 mm/s，觸發點負載5 g，測試形變量90%。每個處理測試3塊，每塊魚干取魚身中心點。

1.4 數據處理

試驗均重復3次，用(平均數±均方差)表示。采用Excel 2007軟件進行數據分析，并用OringinPro 8.5軟件進行非線性或線性擬合。

2 結果與分析

2.1 油炸時間、溫度對白公干魚水分損失量的影響

2.1.1 水分含量對其感官性質的影響 由表1可知，當水分含量為24%時，油炸后白公干魚具有最好的品質。產品水分含量大，魚干表面潮濕且沒有油炸食品特有的風味、質地較軟且易變質；產品水分含量低，魚干顏色變焦變暗，外形嚴重收縮并失去魚肉特有的肉質感，變得酥脆、堅硬。與孫洋等[11]的結論不一致，可能是白公干魚屬于休閑小魚干，消費者對油炸風味的要求高于對肉質的要求，并且原料是鹽漬后復水導致其初始水分含量低于新鮮魚體，此外，企業生產對保藏性的要求更高。

2.1.2 水分含量的變化 由圖1可知，白公干魚的水分損失隨煎炸時間的增加而增大，水分損失速率由大變小，且同等條件下油炸溫度越高水分損失量越大，由于油脂溫度越高傳熱效果越好，白公干魚浸在熱油中其表面水分不斷蒸發，首先引發潮濕魚體表面水分受熱后蒸發，而后水蒸氣從魚體表面向周圍油脂擴散，此時表面濕含量低于魚體中心處，出現水分含量差異(即傳質推動力是水分梯度)。所以魚體中高水分區水分子向低水分區擴散或轉移(導濕現象)。另一方面，油炸溫度過高會使魚肉中的肌原纖維蛋白發生部分變性、縮短和聚集，肌球蛋白纖絲和肌動蛋白纖絲間空隙減小，肉的持水力降低，導致魚肉的持水力降低[12]。當水分含量為24%時，油炸后白公干魚具有最好的品質，可接受的水分含量為22%～26%，高于此范圍，產品將缺乏油炸食品特有的風味、質地且易變質，低于此范圍，產品口感太干癟、太脆、出品率低。160 ℃油炸180 s時，水分含量為40.3%，仍達不到低水分含量的要求，因此，若要達到煎炸小魚干水分含量的要求，200，180 ℃下需分別油炸100，180 s。研究[13-14]表明，油炸至同等水分條件下低溫長時油炸可能對食物的營養組成破壞更小，結合實際生產，建議采用180 ℃下油炸180 s為宜。

表1 油炸至不同水分含量的白公干魚體的感官描述

為了更好地擬合曲線，將方程設為M=ae-kt，得到更符合實際的擬合曲線，最終模擬出不同油炸溫度下，白公干魚水分含量隨油炸時間的擬合曲線：

(1) 200 ℃：M=66.29e-10.38×10-3t(R2=0.982 3)，

(5)

(2) 180 ℃：M=68.40e-6.13×10-3t(R2=0.988 8)，

(6)

(3) 160 ℃：M=64.35e-2.95×10-3t(R2=0.928 0)，

(7)

式中：

M——水分含量，%；

t——煎炸時間，s；

k——水分擴散系數，s-1。

200，180，160 ℃下對應的k值分別為10.38×10-3，6.13×10-3，2.95×10-3s-1。如具有較高的k值，說明相對應的水分擴散速率較快。因此，200 ℃下具有最高的水分擴散速率。

圖1 3種油炸溫度下白公干魚的水分含量隨煎炸時間變化及其模擬曲線

Figure 1 The variation of water content of White Business fish with frying time and its simulation curve under three frying temperatures

2.1.4 水分含量和水分活度的關系 由圖2可知，當油炸白公干魚水分含量>22%時，相應的水分活度>0.85，隨著水分含量的增加，水分活度的增長速率較慢，初始未油炸白公干魚(水分含量66%)水分活度最高(0.965)，相對于44%的水分含量增加量增加了0.115的水分活度。魚肉細胞體系中體相水由于受到物理截留而使宏觀流動受到阻礙，但其他方面的性質類似于自由水，可以被凍結并且易被脫水除去[15]。當油炸小魚干水分含量<22%時，水分活度隨水分含量的減少而大幅度降低，呈現一個突變的陡峭曲線。200 ℃下煎炸180 s時，水分含量達到8.8%，其水分活度僅為0.386，相對于13.2%的水分含量減少量減小了0.464的水分活度。由于此時的水類似于多層水吸附，通過氫鍵與相鄰的溶質分子和水分子締合，且流動性不如體相水，表現為大部分在-40 ℃不能結冰[15]。此外，在實際生產中，可以快速高效地對水分活度進行實時監測，更具時效性。

圖2 油炸白公干魚水分含量和水分活度的關系

Figure 2 Relationship between water content and water activity of fried White Business fish

2.2 油炸時間、溫度對白公干魚吸油量的影響

2.2.1 油脂含量的變化 由圖3可知，白公干魚的初始脂肪含量很低(3.0%)，隨煎炸時間的延長和油炸溫度的升高，其含油量逐漸增加，且增加速率由大變小。油炸初期，白公干魚水分迅速蒸發，部分油脂從外殼水分蒸發后留下的孔隙進入魚內，其表面也會吸附一部分，使白公干魚的吸油率急劇上升；油炸中期，由于大量蒸發了水分，白公干魚表面形成多孔區域或者裂開，油脂滲入外殼的量進一步增多，吸油率進一步上升；油炸后期，由于淀粉糊化、蛋白質凝膠等因素使外殼層厚度增加，此時水分含量比較低且損失減慢，故油脂質量分數增加緩慢[16-17]。另一方面，在同等時間低溫油炸的條件下吸油率并不一定隨煎炸溫度升高而增大，但是一旦超過一定的煎炸溫度，由于煎炸條件達到了劇烈的臨界值，故在高溫煎炸范圍內食物的吸油率和煎炸溫度呈正相關[18]。

2.2.2 油脂吸收動力學模擬 隨著煎炸時間的不斷延長，油炸白公干魚含油率趨于平衡，稱為平衡含油率。試驗測得，200，180，160 ℃下油炸平衡時，其含油率分別為38.0%，23.0%，19.5%(均包含初始脂肪)，將含油率均扣除3.0%的初始脂肪并代入式(4)中，最終模擬出不同油炸溫度下，白公干魚吸油率隨油炸時間變化的擬合曲線。由圖3可知，3種油炸溫度下白公干魚的吸油率隨煎炸時間的變化都很好地吻合了一級動力學方程，200，180，160 ℃煎炸溫度下其R2分別為0.985 2，0.947 3，0.939 6。結合圖1可知，在最適水分含量(22%～26%)下，產品含油率為20%～22%。

(1) 200 ℃：Fc=35(1-e-0.007 95t) (R2=0.985 2)，

(8)

(2) 180 ℃：Fc=20(1-e-0.011 25t) (R2=0.947 3)，

(9)

(3) 160 ℃：Fc=16.5(1-e-0.013 23t) (R2=0.939 6)，

(10)

式中：

F——含油率，%

t——煎炸時間，s。

圖3 3種油炸溫度下白公干魚的吸油率隨煎炸時間的變化及其模擬曲線

Figure 3 The variation of oil absorption rate of White Business fish with frying time and its simulation curve under three frying temperatures

2.3 油炸時間、溫度對白公干魚色澤的影響

油炸過程中食物顏色的變化是美拉德反應、焦糖化反應以及其他反應共同作用的結果，其中美拉德反應為熱反應，反應溫度越高，反應時間越長，該反應進行的程度越大[19]。由圖4可知，隨著煎炸時間的延長，小魚干表面色澤逐漸加深，呈現煎炸魚特有的色澤，但過度煎炸會使美拉德反應進入第3階段，產生類黑色素，使煎炸魚的顏色變黑，不利于消費者接受[20]。不同溫度下煎炸魚表面色澤均隨時間呈比較好的線性趨勢。當水分含量達到最適范圍22%～26%時，ΔE值為28～32。

圖4 200 ℃下白公干魚的色澤變化圖及3種油炸溫度下白公干魚的色澤隨煎炸時間的變化

Figure 4 Color change of White Business fish at the temperature of 200 ℃ and the color of White Business fish varies with frying time at three frying temperatures

2.4 油炸時間、溫度對白公干魚質構的影響

2.4.1 硬度和咀嚼性的變化 硬度能很好地反映小魚干油炸脫水過程中表皮質地、組織結構、口感、柔軟度等品質[21]。咀嚼性是一項綜合質地分析參數，由硬度與膠黏性共同決定，其中硬度影響較大[22]。由圖5可知，隨著油炸溫度和時間的增大，油炸魚肉的硬度和咀嚼性都有較為明顯的上升。硬度的變化與白公干魚在油炸過程中的脫水程度極具相關性，當含水量>22%時，白公干魚硬度的增大速率隨煎炸時間的延長越來越慢；當含水量<22%時，白公干魚硬度急劇上升。這是由于在高溫油炸的初始階段白公干魚的水分快速蒸發并且伴隨著蛋白質的部分變性，隨著油炸過程的持續，魚肉組織受熱過度而導致蛋白質完全變性和外皮殼增厚變硬[20]。綜上，白公干魚隨油炸時間的延長，魚更加結實并且肉質不易松散，更具有嚼勁性。但油炸過度會使得其在油炸傳質的過程中失水過度，形成的硬殼過厚。

2.4.2 表層硬度的變化 小魚干在油炸脫水過層中，隨著脫水損失和吸油增加，表層顏色越來越深，其油炸過程會在表層形成一層堅硬的膜，可用表層硬度數值來反映外殼層的厚度[23]。外皮殼的厚度受到外皮殼的導熱系數、油溫、水分含量、中心區域的導熱系數和油的品質等影響[24-25]。由圖6可知，小魚干的表層硬度在各個煎炸溫度下隨煎炸時間的增長均具有良好的線性關系(正相關)。在最適水分含量(22%～26%)下，表層硬度為1 200 g。一元線性回歸方程表明，煎炸溫度越高表層硬度的增長速率越大。

(1) 200 ℃：CH=10.70t+128 (R2=0.991 2)，

(11)

(2) 180 ℃：CH=6.24t+126 (R2=0.996 8)，

(12)

(3) 160 ℃：CH=5.17t+125 (R2=0.994 9)，

(13)

式中：

圖5 3種油炸溫度下白公干魚的硬度和咀嚼性隨煎炸時間的變化

Figure 5 The hardness and chewiness of White Business fish varied with frying time at three frying temperatures

圖6 3種油炸溫度下白公干魚的表層硬度和韌性隨煎炸時間的變化及表層硬度的擬合曲線

Figure 6 The variation of surface hardness and toughness of White Business fish with frying time and the fitting line of surface hardness under three frying temperatures

CH——表層硬度，g；

t——煎炸時間；s。

2.4.3 韌性的變化 韌性代表模擬人咀嚼時的一種感覺，一般來說韌性越大越有嚼勁，勁道感越強烈[23]。200 ℃下煎炸120 s時韌性達到最大，超過120 s時由于水分含量極少，且以結合水為主，小魚干反而變得干癟、硬脆，韌性下降；而180 ℃或160 ℃煎炸，在180 s內韌性增大，由于較低的煎炸溫度使得煎炸強度不至于太劇烈，以使小魚干發生過于劇烈的反應脫去結合水。在最適水分含量(22%～26%)下，韌性為1 100～1 200 g·s。

3 結論

隨著油炸溫度、時間的增大，白公干魚的水分損失和吸油量程度也逐漸加深，并且其加深的速率都在開始階段較大，隨著油炸時間的延長，速率逐漸降低且趨于平緩：當油炸時間足夠長時，白公干魚的水分含量趨于零，而吸油率達到平衡。用特定指數方程進行曲線模擬，都很好地符合了試驗結果，并且模擬結果表明油炸溫度越高，其油脂傳質系數越大。油炸過程使白公干魚水分含量降低的同時，其水分活度也相應的減小，且具有顯著的正相關性：當水分含量<22%時，水分活度隨水分含量的增加而快速增大，當水分含量>22%時，水分活度隨水分含量的增加而趨于平緩。油炸過程中白公干魚色澤由灰白到金黃到深褐色直至變得焦黑。綜合質構等感官品質的指標以及企業的實際生產經驗，180 ℃油炸180 s得到的白公干魚品質最好，保留了油炸特有的色澤、風味、質地，也在一定程度上降低了白公干魚的吸油率，不僅有利于消費者的健康，也減少了企業生產的用油成本。但試驗未涉及添加涂膜劑、預干燥工藝、新型油炸工藝等，如果結合科學的工藝過程，產品吸油率會更低且品質會更佳。