热空气油炸作为深油油炸的健康替代方案：对虾的理化特性与感官品质比较分析及其热质传递机理研究

《Applied Ergonomics》："Hot Air Frying as a Healthier Alternative to Deep Fat Frying for Shrimp: Comparative Analysis of Physicochemical and Sensory Properties"

为解决传统深油油炸(DFF)虾制品高油摄入的健康隐患，研究人员开展热空气油炸(HAF)技术研究，通过比较分析理化特性、感官品质及热质传递现象，发现HAF在160°C处理12分钟可显著降低吸油量(降幅达80%)、改善质地参数(弹性、凝聚性)并保持感官接受度，有效扩散系数为2.13–5.30×10-9 m2/s，为健康油炸食品加工提供技术支撑。

　　

随着全球对虾消费量的持续增长，消费者对更健康、更高效的烹饪技术需求日益迫切。传统深油油炸（Deep Fat Frying, DFF）虽能赋予食品诱人的色泽和酥脆口感，却导致油脂含量显著升高，带来肥胖、心血管疾病等健康风险。对虾作为重要的商业海产品，富含多不饱和脂肪酸（如omega-3和omega-6）、高生物利用度蛋白质以及维生素B-12、硒和虾青素等抗氧化物质，但其在油炸过程中易发生蛋白质变性、水分流失和油脂渗透，影响最终品质。因此，开发一种能够降低油脂摄入同时保持良好感官特性的替代加工技术具有重要意义。

在此背景下，热空气油炸（Hot Air Frying, HAF）作为一种新兴技术，通过将热空气与分散的油滴结合，促进产品脱水和外壳形成，有望成为DFF的健康替代方案。已有研究表明，HAF可减少高达80%的油脂含量，保持相当的水分水平，并降低70%的能源消耗和污染物排放。然而，关于HAF在对虾加工中的应用及其与DFF的直接对比研究仍较为缺乏，尤其是在传热传质机理、理化特性变化和感官接受度方面的系统评估不足。为此，研究人员在《Applied Ergonomics》上发表了这项研究，旨在通过实验和建模相结合的方法，全面比较HAF和DFF在对虾加工中的效果，为现代食品加工系统生产高质量、健康虾制品提供理论依据和技术支持。

为开展本研究，研究人员采用了多种关键技术方法。实验选用大小均匀的凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）为原料，样本来源于伊朗北部的Golestan水产公司。研究设置了HAF（140°C、160°C、180°C，15分钟）和DFF（160°C，1-15分钟）两种加工方式，并通过精密实验室天平（Sartorius GCA803S）监测质量变化。水分含量测定遵循AOAC（2000）指南，采用烘箱干燥法（103°C，16小时）；油脂含量通过索氏提取法（Peco PSU-500）以石油醚为溶剂进行6小时提取。质构剖面分析（Texture Profile Analysis, TPA）使用质构分析仪（TA.XT Plus）进行双循环压缩测试，获取硬度、粘附性、弹性、凝聚性、胶粘性、咀嚼性和回复性等参数。色泽分析通过平板扫描仪（HP Scanjet G2710）获取图像，并在Lab*色彩空间下使用ImageJ软件计算色差（ΔE）、彩度（Chroma, Cr）和褐变指数（Browning Index, BI）。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM, Pemtron PS-230）用于观察微观结构变化。感官评估由10名训练有素的评审员进行，采用享乐法评定颜色、味道、香气、质地和总体接受度。热传递分析涉及核心温度监测（T型热电偶和K型热电偶）、热特性（导热系数k和比热容Cp）计算以及对流换热系数（h）估算。质量传递参数（毕奥数Bi、传质系数k_c、有效扩散系数D_eff）通过水分-时间数据建模获取，并应用阿伦尼乌斯方程分析温度依赖性。

3.1. 对虾化学组成

对虾的近红外分析显示其组成包括12.25%蛋白质、1%脂肪、1.75%灰分和85%水分，无碳水化合物检测出，与USDA（1996）参考数据一致，表明其适合健康饮食应用。

3.2. 传质特性

3.2.1. 油炸过程中水分动态

HAF导致水分逐渐减少，最初三分钟下降最显著，随后减缓，表明从表面水分蒸发转向内部扩散；DFF则水分流失更迅速，首分钟即消除约2克水/克干物质，九分钟后接近完全脱水。这种差异直接影响产品质地，快速脱水可能导致更大收缩和增油。

3.2.2. 传质参数估计

dimensionless水分含量随时间变化用于计算Bi数、k_c和D_eff。DFF的D_eff值高于HAF，反映油基油炸中增强的驱动力和介质传导性。温度升高使D_eff和k_c显著增加，突显水分迁移的温度依赖性。

3.2.3. 水分损失动力学

水分减少遵循指数衰减趋势，符合一级动力学。HAF的动力学常数（K_m）在140°C、160°C、180°C下分别为0.0022 s?1、0.0033 s?1、0.0047 s?1，而DFF在160°C下为0.0098 s?1，表明DFF干燥行为更剧烈。阿伦尼乌斯分析显示活化能（E_a）为29,494.7 J/mol，指前因子（A）为11.948 s?1，确认水分损失率对热输入的敏感性。

3.2.4. 吸油行为

HAF的吸油量比DFF低达80%，营养优势明显。DFF中吸油随时间近乎线性上升，初始阶段内部水蒸气压力限制油进入，但随着表面水分蒸发，亲水性减弱，毛细管力增强，油渗透至多孔矩阵。产品完全脱水后（约9分钟），毛细作用成为吸油主导机制。水分损失动力学与吸油间存在反比关系：更快水分去除导致更高孔隙度和油保留。

3.3. 热行为与传热分析

3.3.1. 油炸过程中核心温度演变

HAF中产品中心温度稳步上升至水沸点（约100°C）并平台一段时间，归因于相变潜热消耗；水分减少后温度再次上升。DFF导致核心温度更快增加，迅速达到沸点并维持直至表面干燥，随后温度趋近油温。升高过程温度缩短平台阶段，加速产品与介质温度收敛。

3.3.2. 对流换热系数

Bi数和h值随过程温度升高而增加。DFF的h值约为HAF在180°C时的五倍，归因于核沸腾、油湍流和气泡形成增强的热消散。HAF在较低温度下因能量分配于相变而非内部加热，限制了h值。

3.4. 油炸过程中对虾的结构转变

3.4.1. 体积减少模式

DFF始终比HAF导致更大体积减少，但随过程推进差距缩小，因水分流失和结构坍塌使最终产品体积趋同。DFF诱导更强烈结构收缩，HAF则更好保存产品几何形状。

3.4.2. 表观密度趋势

所有试验中表观密度普遍下降，主因水分损失、孔隙度发展和内部细胞结构崩溃。DFF虾表观密度低于HAF，但随油炸时间延长差异减小；完全脱水后油占据内部空隙，略微增加密度。

3.4.3. 收缩行为与系数

收缩与温度正相关，但DFF中程度始终更大。HAF中收缩逐渐增加，尤其在高温下，因内部蒸汽压力影响多孔结构；DFF导致早期剧烈收缩，因快速水分蒸发和蛋白质变性。理论收缩系数计算约为HAF在140°C、160°C、180°C下分别为0.110、0.115、0.123，DFF为0.127，更高系数反映更大结构恶化。

3.5. 质构剖面分析（TPA）

质地退化以初始软化随后刚性增加为特征。HAF在较高温度下诱导更少应变或变形，表明最终水分更低、硬度更高。HAF虾在高温下硬度增加可能增强感知脆性。粘附性强烈依赖产品水分含量，HAF在140°C下最高，随水分减少而下降。弹性在HAF中显著高于DFF，可能因DFF条件下更显著蛋白质变性。凝聚性在HAF处理样品中保持更高，暗示剩余水分帮助保存结构完整性。胶粘性和咀嚼性在HAF中增加，最高值在180°C，最低在140°C；咀嚼性先增后减，HAF中约12分钟开始下降，DFF中为6分钟。回复性在HAF样品中普遍高于DFF，显示更好结构恢复。

3.6. 色泽分析结果

色差（ΔE）强度在HAF中随温度增加，主因较高热水平下表面水分减少；但DFF中颜色变化更突出，因更剧烈蒸发和褐变反应。明度（L）最初三分钟增加，随后逐渐下降，归因产品变黑。红度（a）随温度和油炸时间上升，DFF样品中最高值，归因美拉德反应和焦糖化。黄度（b*）同样增加，DFF中最高值，可能归因表面类胡萝卜素从油介质中吸收。彩度指数随时间和温度指数增加，褐变指数变化类似模式。颜色发展主因色素氧化和蛋白质变性，在油炸早期阶段和升高温度下最显著。

3.7. 感官分析

3.7.1. 感官特性重要性（相似性分析）

质地和总体接受度相关性最高（PCC=0.99），显示质地改进紧密关联消费者满意度。从整体视角，感官属性优先顺序为：味道 > 质地 > 总体接受度 > 香气 > 颜色，表明视觉特性如颜色相对影响较小。

3.7.2. 感官评价

DFF样品在感官颜色指数获最高分，但该属性对消费者重要性较低；第二高颜色评级授予HAF在160°C处理12分钟样品。味道方面，DFF样品和HAF在160°C处理12分钟样品同获最高分，无统计显著差异。质地评价中，HAF在140°C处理9分钟样品获最高分，但与HAF在160°C处理12分钟样品无显著差异。香气和总体接受度，DFF样品再次获最高分，但与HAF在160°C处理12分钟样品无统计显著差异，表明该HAF样品感官品质接近传统深油炸。TPA显示HAF在160°C处理12分钟样品呈现有利质地特性，硬度5155.54±2127.62 N，粘附性-1.52±0.00 N·s，弹性0.81±0.03，凝聚性0.55±0.08，胶粘性2984.00±1666.02 N，咀嚼性2439.80±1338.36 N，回复性0.204±0.063，指示平衡且消费者可接受质地剖面。

3.8. 油炸对虾微观结构-品质关系：SEM视角

SEM图像显示DFF条件下增加过程温度和蒸发强度导致更大孔隙形成、表面粗糙度和结构不规则性。高温油炸与表面水泡不良形成相关，主因快速过量水分蒸发。虽然感官评估未指示HAF和DFF样品间统计显著差异，但微观结构分析揭示DFF处理虾更显著热诱导损伤。HAF样品显示适度孔隙发展和表面膨胀，但保持相对有组织结构，指示控制干燥效应促进逐渐水去除，保存结构连贯性同时最小化细胞坍塌。相反，DFF虾显示更松散、更多孔矩阵，具显著扩张、破裂纤维和水泡形成，反映高强度热和水分通量，内部蒸汽压力导致爆炸性膨化和孔隙扩张。更大更不规则孔隙作为油渗透导管，解释DFF样品中升高脂肪含量；更密结构见于HAF样品限制毛细管驱动油进入，从而贡献其更低脂含量和更合意质地均匀性。

研究结论表明，热空气油炸（HAF）作为一种更健康、更高效的替代方案，在虾加工中显著降低油脂吸收、改善质地参数并保持感官接受度。通过比较HAF和DFF，发现HAF在160°C处理12分钟时效果最优，有效扩散系数为2.13–5.30×10^-9 m2/s，Bi数和对流换热系数随温度升高而增加，突显其改进的热性能。这些发现将HAF定位为以健康为导向且技术可靠的方法，适用于现代食品加工系统生产高质量虾制品。讨论部分强调，HAF不仅减少油脂摄入，还更好地保留产品结构和营养品质，符合当前健康饮食趋势。未来研究可扩展至不同虾物种、真实世界条件、更广油炸参数、更大感官面板、不同油类型、营养分析、多样设备和高阶统计，以增强结果全面性和适用性。总体而言，这项研究为食品工业提供了一种可持续、健康的油炸技术选择，具有重要的公共健康和政策意义。