香菇脆片真空油炸過程中傳熱規律研究

任愛清，唐小閑，*，段振華

（1.賀州學院食品與生物工程學院，廣西賀州542899；2.賀州學院廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西賀州542899；3.賀州學院食品科學與工程技術研究院，廣西賀州542899）

真空低溫油炸技術利用水分沸點隨著壓力減小而降低的原理，實現食品在較低的溫度環境下短時間內迅速脫水。真空油炸與常壓油炸技術相比，由于具有低氧、低溫的特點，減少營養物質和油脂的氧化[1-2]；保存產品的自然色澤和風味[3]；減少丙烯酰胺生成[4]和減少營養物質損失[5]；降低產品含油率[6]。香菇是世界消費量第二大的食用菌，并且營養豐富，是具有多種保健功能的食用菌，適合用真空油炸來生產即食香菇脆片[6-7]。

油炸是一個復雜的脫水過程，它同時存在質量傳遞和熱量傳遞現象。油炸過程中，油脂作為傳熱介質，熱量從油脂向物料內部傳遞；物料內部的水分受熱蒸發，向物料表面傳遞；同時，作為加熱介質的油脂也會被物料表面吸附，然后向物料內部滲透[8]，這些現象對產品的品質和安全控制極為重要。關于常壓油炸過程中的傳熱規律研究較多[8-10]，這些研究，為真空油炸過程中的傳熱傳質規律奠定了較好的基礎，但是真空油炸與常壓油炸的傳熱系數存在差異，Mir-Bel等比較了在相同溫度下常壓和真空（19.5 kPa～25.9 kPa）條件下圓柱形馬鈴薯的平均傳熱系數，發現真空條件下的傳熱系數更高[11]。

目前，關于真空油炸傳熱傳質方面的研究較多，主要是通過經驗或非經驗的數學模型，預測真空油炸過程中的熱量傳遞[11-14]。但是，影響傳熱系數的因素非常復雜，它不僅取決于幾何形狀和粗糙程度等表面特征，還受到加工條件等其他因素的影響[15]。目前還未見香菇片真空油炸傳熱方面的研究報道。本試驗以新鮮香菇為原料，研究了溫度、真空度和預處理方式對真空油炸香菇脆片傳熱的影響，并探討其傳熱特性，建立傳熱模型，以期為香菇脆片真空油炸過程中的品質控制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮香菇：市售；海皇牌棕櫚油（凝固溫度24℃）：益海嘉里糧油公司；麥芽糊精（DE16-20）：山東西王糖業有限公司；羧甲基纖維素鈉（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BL310電子天平：德國SARTORIUS公司；VFII真空油炸機：煙臺海瑞食品設備有限公司；DHG-9240A干燥箱：上海圣科儀器設備有限公司；SZC-B脂肪測定儀：上海纖檢儀器有限公司；K型熱電偶：上海自動化儀表六廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品準備

挑選菇蓋較厚的新鮮香菇，去柄，用不銹鋼圓形刀片切成厚度為6 mm，直徑為20 mm的圓形香菇片，清洗后立即漂燙。漂燙溫度90℃時間3 min。為了考察香菇片真空油炸過程中的傳熱模型和預處理對其傳熱過程的影響，將漂燙后的香菇片分成2組：（1）漂燙后用濾紙吸干物料表面的水分，不進行預處理，直接真空油炸，油炸前香菇片含水率為5.69±0.02（干基含水率），厚度和直徑分別為5.2 mm和18.8 mm；（2）漂燙后用50%（質量分數）麥芽糊精溶液25℃浸漬70min，然后在0.6%羧甲基纖維素溶液25℃浸泡15 min。用濾紙吸干物料表面的水分，然后真空油炸。油炸前香菇片含水率為2.71±0.02（干基含水率），厚度和直徑分別為4.8 mm和17.9 mm。

1.3.2 真空油炸

在真空油炸設備中加入50 L棕櫚油，開啟蒸汽加熱閥門，加熱至設定溫度，打開油炸鍋的密封門，將處理好的500 g香菇片放入油炸籃中，關閉密封門和真空閥門，開啟真空泵抽真空，當真空表顯示真空度達到設定真空度后，放下油炸籃，然后開始真空油炸，設定油炸時間。油炸至設定的時間后，電機會自動將油炸籃提升至脫離油面，脫油轉速300 r/min，脫油3 min。脫油結束后，打開真空閥門，打開密封門，將產品取出冷卻，及時包裝待測。為了研究不同溫度下的香菇脆片真空油炸過程中的傳熱規律，設定真空度0.095 MPa，油炸溫度分別為 80、90、100℃。為了研究不同真空度下的香菇脆片真空油炸過程中的傳熱規律，設定油炸溫度為90℃，真空度分別為0.075、0.085、0.095 MPa。

1.3.3 對流傳熱系數的確定

每批樣品分別油炸 2、4、6、8、10、15、20、25、30、35、40、45 min，油炸后將樣品取出進行含水率測定。

將3個熱電偶探頭分別插入香菇脆片表面下，略低于表面，實時記錄其溫度變化，取3組數據的平均值[16]。

油炸時的對流傳熱系數h是油炸系統模擬和計算中的一個重要參數，熱量傳遞對產品質量特征的形成非常關鍵[17-18]。實際上，從油到產品的對流所傳遞的總熱量等于樣品受熱時吸收的能量和水蒸發所消耗的能量之和。假設產品吸收的所有熱量僅用于蒸發物料中的水分，真空油炸過程中的對流傳熱系數h可以表示為[11]：

式中：-dm/dt為失水速率，kg/s；t為油炸時間，s；A為樣品表面積，m2；Δhvap為水的汽化熱，J/kg；T0為油溫，K；Ts為樣品表面溫度，K。

1.3.4 表面溫度變化

真空油炸香菇片表面溫度和時間的關系可以用下列方程進行描述[11]：

式中：t為油炸時間，s；A、Tf為方程擬合系數；B 為方程擬合系數，s-1；Ts為樣品表面溫度，℃；Tf為樣品的最終溫度，℃。

1.3.5 失水速率

根據干燥速度公式和定義可知，干燥過程中的失水速率可表達為：

式中：dm/dt為失水速率，kg/s；G為絕干物料質量，kg；M 為物料干基含水率，kg/kg；t為干燥時間，s。

對于長時間干燥，產品的平衡含水率Me遠遠小于M（0初始含水率）和M，幾乎接近于0，可以近似看作Me=0，則水分比可化簡為：

對于片狀物料的擴散過程，可以用簡化的方程來表示片狀物料薄層干燥動力學模型[11]：

式中：C、D 為干燥常數。根據公式（3）、（4）和（5），可求出：

1.4 指標測定

1.4.1 含水率測定

按照GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》進行測定，采用電熱恒溫干燥箱直接干燥法。真空油炸后的香菇脆片用研缽磨碎，稱取5 g左右研碎的香菇脆片，在烘箱中，（102±3）℃的條件下烘至恒重。本文所有含水率都用干基表示g水/100g干樣品（g/100g db），重復3次試驗，取3次平均數。

1.4.2 含油率測定

按照GB 5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》進行測定。香菇脆片用研缽磨碎后，采用索氏抽提法進行香菇脆片中脂肪含量的測定。本文所有含油率都用干基表示g油/100 g干樣品（g/100 g db），重復3次試驗，取3次平均數。

2 結果與分析

2.1 香菇片表面溫度變化

真空油炸香菇片表面溫度變化和模擬如圖1所示。

從圖1中可以看出，在剛開始油炸階段，香菇片表面溫度隨著油炸時間延長幾乎直線增加，大約過了100 s后，香菇片表面溫度升高變緩，大約500 s后香菇片表面溫度基本穩定，直到接近油溫。真空油炸和常壓油炸不同，由于常壓油炸過程中，水的沸點為100℃，當物料溫度達到100℃后，會在這個溫度保持較短時間，吸收的熱量全部用來蒸發物料中的水分，使得物料的溫度保持穩定，過一段時間才會繼續升高[18]。而在本試驗的真空油炸過程中，真空度0.075 MPa壓力下，水的沸點為65℃左右，當真空度達到0.095 MPa后，水的沸點約為33℃。香菇片真空油炸時，香菇脆片表面溫度很快就會超過該壓力下水的沸點溫度，所以沒有看到類似常壓油炸過程中達到水沸點溫度后物料溫度保持穩定的這個階段。

圖1 香菇片表面溫度變化曲線Fig.1 Experimental and fitted surface temperature of shiitake slices

從圖1可以看出，在相同的壓力下，不同油炸溫度產品的表面溫度趨勢是相似的；油炸溫度越高，香菇片的表面溫度升高越快；漂燙的香菇片和漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片溫度趨勢相似，但是，在升溫階段，經過漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片溫度略比僅經過漂燙的香菇片升溫慢，當油炸溫相同，兩種處理的表面最終溫度幾乎相同。在相同的溫度下，不同真空度油炸香菇片的表面溫度趨勢也相似；真空度越高，香菇片的表面溫度升高越快；在升溫階段，經過漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片溫度略比僅經過漂燙的香菇片升溫慢，但是，由于油炸溫度相同，不同真空度和不同處理的香菇片表面最終溫度幾乎相同。

根據試驗數據，采用公式（2）對其進行擬合，模型系數見表1。

表1 方程（2）的擬合參數Table 1 Fitting parameters for equation（2）

由表1可知，確定系數R2幾乎都比較接近1，說明該模型可以較好地模擬各種油炸條件和不同預處理的香菇片真空油炸過程中表面溫度的變化。

2.2 失水速率

真空油炸香菇片水分比M/M0隨油炸時間如圖2所示。

香菇脆片真空油炸過程中的水分比M/M0隨油炸時間的延長而逐漸降低，根據公式（5）可獲得不同油炸條件和不同預處理的香菇片的含水率變化，擬合方程系數如表2所示。

圖2 香菇片水分比變化曲線Fig.2 Experimental and fitted dimensionless moisture content of shiitake slices

表2 M/M0的擬合參數Table 2 Fitting parameters for M/M0

從表2中可以看出，確定系數R2幾乎都大于0.99，說明該模型可以較好地模擬各種油炸條件和不同預處理的香菇片真空油炸過程中水分含量的變化。將表2中的參數代入公式（6）即可求出失水速率。

2.3 對流傳熱系數

前面確定了真空油炸香菇脆片的表面溫度Ts，dm/dt；0.095 MPa真空度下水的汽化熱為2 422 kJ/kg，0.085 MPa真空度下水的汽化熱為2 372 kJ/kg，0.075 MPa真空度下水的汽化熱為2 345 kJ/kg；將這些數據代入方程（1）可以獲得對流傳熱系數h，結果見圖3和圖4。

圖3 不同溫度油炸香菇片對流傳熱系數Fig.3 Heat transfer coefficient of shiitake slices with different frying temperature

圖4 不同真空度油炸香菇片對流傳熱系數Fig.4 Heat transfer coefficient of shiitake slices with different frying vacuum degree

從圖3、圖4中可看出，所有的試驗處理的h值的變化趨勢是先增大，達到峰值之后開始減小；達到峰值的時間都基本在300 s～600 s。油炸溫度越高，峰值越高；真空度越高，峰值越高；在真空油炸后期，油炸溫度和真空度越低的香菇脆片對流傳熱系數值越高。香菇片真空油炸過程中的對流傳熱系數與土豆片、紅薯片常壓油炸過程中的傳熱系數變化趨勢一致[19]，也與土豆片真空油炸過程中的對流傳熱系數變化趨勢一致[11]。Yagua等研究也證明土豆片在真空油炸后期，油炸溫度越低的香菇脆片對流傳熱系數值越高[20]。

從圖3可知，油炸真空度相同時，香菇片真空油炸過程中的最大對流傳熱系數值隨著油炸溫度的增加而增加；油炸溫度為100℃漂燙處理香菇脆片的最大對流傳熱系數值最高，為1 300 W/（m2·K），油炸溫度為80℃漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇脆片最大對流傳熱系數值最低，為200 W/（m2·K）；油炸溫度相同時，漂燙處理香菇脆片的最大對流傳熱系數值高于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇脆片。從圖4可知，油炸溫度相同時，香菇片真空油炸過程中的最大對流傳熱系數值隨著真空度的增加而增加；油炸真空度0.095 MPa漂燙處理香菇脆片的最大對流傳熱系數值最高，為550W/（m2·K），油炸真空度0.075 MPa漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇脆片最大對流傳熱系數值最低，為150 W/（m2·K）；油炸真空度相同時，漂燙處理香菇脆片的最大對流傳熱系數值高于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇脆片。

土豆片的對流傳熱系數受溫度、壓力、表面積/體積等因素影響。Mir-Bel等[11]研究得到的土豆片真空油炸過程中的最大對流傳熱系數在700 W/（m2·K）～1 600 W/（m2·K），Yagua等[20]研究得到的土豆片真空油炸最大對流傳熱系數為2200W/（m2·K）～2650W/（m2·K），本研究得到的香菇片對流傳熱系數比Mir-Bel等得到的土豆片真空油炸過程中的最大對流傳熱系數低，可能是由于多方面的原因，首先，本試驗的香菇片油炸溫度低于其油炸溫度；其次，香菇原料的本身特性與土豆片也存在較大差異。土豆片真空油炸過程中的最大對流傳熱系數達到峰值的時間在100 s～500 s，這與香菇片對流傳熱系數達到峰值的時間基本相似。

3 結論

本文研究了真空度、油炸溫度、預處理（漂燙、漂燙+浸漬+涂膜）對香菇脆片真空油炸過程中對流傳熱系數的影響：（1）利用表面溫度變化模型對香菇脆片表面溫度進行擬合，得到表面溫度的變化規律，并確定了模型系數；（2）利用脫水過程中的干燥模型對香菇片含水率變化進行擬合，得到含水率變化規律，并確定了模型系數，并在干燥模型基礎上，推導出失水率變化規律；（3）通過經驗模型擬合，得出h值的變化規律：h值的變化趨勢是先增大后減小；達到峰值的時間都基本在300 s～600 s；油炸溫度越高，峰值越高；真空度越高，峰值越高；在真空油炸后期，油炸溫度和真空度低的香菇脆片對流傳熱系數值高；油炸條件相同，漂燙處理香菇脆片的最大對流傳熱系數值高于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇脆片。