《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Air Jet Impingement Baking of Bread: Heat–Mass Transfer Dynamics and Process Optimization
编辑推荐：
空气射流冲击烘焙是一种高强度对流加热技术，通过降低产品表面的热边界层阻力来提高传热效率。本研究探讨了空气射流冲击在面包烘焙中的应用，面包是一种具有复杂传热传质动力学的体积型食品体系。采用中心复合旋转设计，在不同炉温（165–195°C）、空气流速（12–15
空气射流冲击烘焙是一种高强度对流加热技术，通过降低产品表面的热边界层阻力来提高传热效率。本研究探讨了空气射流冲击在面包烘焙中的应用，面包是一种具有复杂传热传质动力学的体积型食品体系。采用中心复合旋转设计，在不同炉温（165–195°C）、空气流速（12–15 m/s）、烘焙时间（15–35 min）和烤盘位置条件下进行了烘焙实验。通过水分含量、高度变化、容重、面包体积、表皮厚度、硬度、色泽参数（a*、褐变指数BI）、弹性、羟甲基糠醛（HMF）生成量及能耗等指标评价了产品质量和工艺效率。结果表明，温度和烘焙时间是影响结构形成、褐变和HMF生成的主要因素，而空气流速对大多数质量属性的直接影响有限。冲击系统中强化的对流传热加速了表面加热和表皮形成，在较短的烘焙时间内即可获得与传统对流烘焙相当或更优的面包体积和质地。优化分析确定195°C、13.32 m/s空气流速、35 min烘焙时间和下层烤盘位置为最优条件，可实现均衡的表皮形成、理想的质构特性和降低的能耗。总体而言，空气射流冲击烘焙展示了作为传统烤箱烘焙高效替代方案的潜力，在保持产品质量的同时改善传热性能，并最大限度地减少热诱导加工污染物的生成。
空气射流冲击烘焙面包研究论文解读
一、研究背景与意义
烘焙是食品加工中广泛采用的方法，涉及传导、对流和辐射等多种传热方式，同时伴随质量、能量和动量传递过程，引发食品基质内复杂的物理和化学变化。在传统烤箱烘焙过程中，产品表面与内部之间存在显著的温度梯度，表面加热速度远快于中心区域，导致温度分布不均匀。长时间高温暴露会引起表面过度脱水、褐变反应加剧，以及羟甲基糠醛（HMF）、丙烯酰胺和杂环胺（HCAs）等热诱导加工污染物的生成。其中，HMF是美拉德反应的产物，受pH、温度、水分活度和反应物组成等因素影响；丙烯酰胺自2002年被确认为食品安全问题以来，已被证明受温度、时间、水分含量和食品基质特性等加工参数的强烈影响。
传统烤箱中热边界层的形成限制了传热效率，而空气射流冲击技术通过高速空气射流减小边界层厚度，将热能直接传递至产品表面，从而加速表皮形成和色泽发展，缩短加工时间，促进更均匀的加热。然而，以往关于空气射流冲击烘焙的研究主要集中于薄型和低体积烘焙产品，如蛋糕、预烘焙法棍和扁平面包，对体积型面包的应用研究相对匮乏。此外，尚无研究在单一实验框架内综合集成工艺优化、技术质量属性、能耗和热诱导污染物生成。因此，本研究旨在填补这些知识空白，首次对体积型面包的空气射流冲击烘焙进行综合评价，具体目标包括：表征烘焙过程中的传热传质行为；利用响应面法优化主要工艺变量；比较优化后的空气射流冲击烘焙与传统烘焙在产品质量、能耗和热诱导污染物生成方面的差异。
二、主要技术方法
研究人员采用中心复合旋转设计，设置炉温（165、180、195°C）、空气流速（12、15 m/s）、烘焙时间（15、25、35 min）和烤盘位置（中层、下层）四个自变量，共进行18组实验。响应变量包括表皮厚度、面包体积和硬度。使用Design-Expert软件进行响应面法（RSM）分析，采用二阶多项式模型拟合数据，通过方差分析（ANOVA）评估模型显著性。面包配方包含45%面包小麦粉、45%商业面粉混合物、5%全黑麦粉、5%深色麸皮和0.02%抗坏血酸。实验采用自制空气射流冲击烤箱原型，配备50个空气射流喷嘴，与传统家用烤箱（200°C、45 min）进行对比。质量评价涵盖水分含量、高度变化、容重、面包体积、质构剖面分析（TPA）、色泽参数、HMF含量、丙烯酰胺含量、孔隙率和能耗等多个维度。
三、研究结果
3.1 水分含量
烘焙温度和烘焙时间是影响水分减少的主要因素，两者均具有高度显著性（p < 0.0001）。空气射流冲击烤箱在较短加工时间内即可达到与传统烤箱相似或更低的水分水平，体现了更高的传热传质效率。空气流速对最终水分含量影响较小，表明水分去除在快速表面蒸发后主要受面包瓤内部扩散限制。
3.2 高度变化
高度变化值在约5–34%范围内波动，受加工条件强烈影响。延长烘焙时间倾向于降低高度变化值，尤其在低温条件下，可能与水分损失增加和结构收缩有关。高温条件下出现较大的高度变化，可能与早期气体快速膨胀和表皮加速定型相关。
3.3 容重
容重值随烘焙条件变化，较低容重与较高面包体积和增强的体积膨胀相关。与传统烤箱处理相比，多种空气射流冲击条件在较短加工时间内实现了相当或更低的容重值，表明强化传热可促进面包膨胀和更疏松的面包瓤结构形成。
3.4 面包体积
面包体积与容重呈负相关关系，较高体积对应较低容重，表明有效的气体保留和多孔结构形成。所有烘焙处理的面包最终体积均达到或超过初始面团体积。然而，回归模型总体不显著（p > 0.05），表明面包膨胀受多种相互作用因素影响。
3.5 硬度和表皮厚度
提高烘焙温度和延长烘焙时间通常导致更高的硬度值和更厚的表皮。与传统烤箱（硬度19.18 ± 2.97 N，表皮厚度约4.92 ± 0.90 mm）相比，多种冲击处理在显著更短的烘焙时间内实现了更低的硬度和更薄的表皮，表明传热效率更高且水分去除可控。但部分高温-时间组合产生了超过传统烤箱的硬度和表皮厚度，提示过度的热负荷可能加剧表皮形成。
3.6 弹性
硬度较高的面包通常弹性较低，表明在更严苛的烘焙条件下面包瓤刚性增加、弹性恢复能力降低。烘焙时间被确定为影响弹性的显著因素，而空气流速和烤盘位置影响有限，表明累积热负荷比局部对流换热强度变化起更主导作用。
3.7 色泽发育（a和褐变指数BI）*
a值和BI值随烘焙温度和时间的增加而升高，表明累积热负荷增加导致表面褐变加剧。温度和烘焙时间对a和BI均具有显著影响，而空气流速和烤盘位置影响有限。a*和BI的变化与HMF生成呈现平行趋势，表明这些响应受相似的传热传质驱动机制控制。
3.8 羟甲基糠醛（HMF）
HMF浓度主要随烘焙温度升高和烘焙时间延长而增加，累积热负荷是控制HMF生成的主导因素。空气流速和烤盘位置无显著主效应。空气射流冲击烘焙通过加速加热和干燥速率而不延长表面层在临界温度下的停留时间，从而限制了过度的HMF积累。
3.9 能耗
总能耗随烘焙时间和加工温度的延长而增加，烘焙时间是影响总体能源需求的主导因素。空气射流冲击系统通过增强对流传热缩短加工时间，从而限制累积能耗。传统烤箱因烘焙时间显著延长而表现出最高的总能耗。
3.10 最优烘焙条件的确定
基于期望函数法，以最大化面包体积、最小化硬度和表皮厚度为目标，确定最优条件为195°C炉温、13.32 m/s空气流速、35 min烘焙时间和下层烤盘位置，期望值为0.793。五次验证实验的实测值与模型预测值无显著差异（p > 0.05），确认了优化模型的充分性和可靠性。
3.11 最优条件下丙烯酰胺含量和孔隙率评价
在最优空气射流冲击条件下生产的面包，其丙烯酰胺含量低于欧洲食品安全局（EFSA）对小麦面包设定的80 μg/kg指示值。微计算机断层扫描（micro-CT）分析表明，空气射流冲击烘焙产生的面包瓤孔隙结构与传统烤箱烘焙产品存在差异，反映了两种烘焙系统传热传质特性的不同对气体细胞发育和分布的影响。
四、研究结论与意义
本研究首次对体积型面包的空气射流冲击烘焙进行了综合评价。研究结果表明，温度和烘焙时间是影响面包结构发育、褐变和HMF生成的主要因素，而空气流速对大多数质量属性的直接影响有限。空气射流冲击技术通过强化对流传热加速表面加热和表皮形成，在缩短烘焙时间的同时实现了与传统烘焙相当或更优的产品质量。优化分析确定了195°C、13.32 m/s、35 min和下层烤盘位置为最优条件。与传统烤箱相比，空气射流冲击烘焙显著降低了能耗，并有效控制了热诱导污染物的生成。该技术展示了作为传统烤箱烘焙高效、节能替代方案的潜力，为工业面包生产提供了理论依据和实践指导。论文发表于《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》。
