《Current Research in Food Science》：FEM Modeling of Hamburger Pan Cooking: Fat content influence and neural network-based prediction of fat loss
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本文针对不同脂肪含量汉堡肉饼在煎制过程中的传热传质与收缩变形问题，构建了一个耦合水分/脂肪迁移、热传递及固体力学变形的多物理场模型。该模型成功预测了温度分布、水分/脂肪损失及产品收缩行为，并开发了神经网络模型以快速预测脂肪损失。研究揭示了脂肪含量通过影响表面温度、渗透性及蛋白质收缩，进而调控烹饪损失与质构特性的内在机制，为低脂肉制品配方优化与加工工艺调控提供了理论依据。
汉堡肉饼作为广受欢迎的方便食品，其品质（如多汁性、嫩度）和营养特性（如脂肪摄入量）深受消费者关注。然而，在家庭或餐饮业的煎制过程中，肉饼会经历复杂的物理化学变化，包括水分和脂肪的流失、蛋白质变性导致的收缩以及表面结壳等。这些变化不仅影响最终产品的食用品质，也直接关系到其营养组成的真实性——即消费者实际摄入的脂肪和水分含量可能与产品标签所示的初始含量存在显著差异。尤其值得注意的是，市售汉堡肉饼的脂肪含量范围很广（通常为3%至27%），而脂肪作为一种重要的风味载体和口感调节成分，其含量高低如何影响整个煎制过程中的热质传递动力学、产品收缩行为以及最终的质构，仍缺乏系统深入的量化研究。传统的实验方法难以实时、原位地观测肉饼内部温度、组分迁移和结构变化的动态过程，这限制了对上述复杂相互作用机制的深入理解。因此，开发能够精确模拟煎制过程的数学模型，对于预测不同配方肉饼的烹饪终点、优化加工参数以改善品质、以及准确评估其营养特性具有重要的理论和实践意义。
为了揭示脂肪含量对汉堡肉饼煎制过程的影响机制，研究人员在《Current Research in Food Science》上发表了最新研究成果。他们构建了一个综合性的多物理场耦合模型，将肉饼视为由固体基质（蛋白质、结合水、结合脂肪）和孔隙空间（自由水、自由脂肪）组成的多孔介质。该模型同时求解了热量传递、水分和脂肪的迁移（包括蒸发、相变释放等），以及因水分损失和蛋白质热变性引起的固体力学变形。研究团队制备了脂肪含量分别为3%（B3, A3）、14%（A14）和24%（A24）的汉堡肉饼，在可控温度的煎锅上进行实验，监测其中心温度、重量损失（水分和脂肪）、表面温度（通过红外热成像）以及尺寸收缩的变化规律，并分析了煎制后的质构特性和微观结构。利用实验数据对模型参数进行校准和验证后，进一步利用该模型生成了大量数据，训练了一个前馈神经网络，以实现仅根据初始成分快速预测烹饪脂肪损失。
本研究的关键技术方法主要包括：1） 实验设计：制备不同脂肪含量（3%, 14%, 24%）的汉堡肉饼，在设定温度（215°C）的煎锅上进行标准化煎制，并监测温度、重量损失和尺寸变化。2） 多物理场建模：基于多孔介质理论，构建耦合热传递、水分/脂肪迁移和固体力学变形的有限元模型。3） 分析测试：采用扫描电子显微镜观察微观结构，质构剖面分析仪评估质构特性，硫代巴比妥酸反应物法测定脂质氧化程度。4） 神经网络建模：利用有限元模型生成的数据集，建立前馈神经网络预测脂肪损失。
5.1. Effect of heating on product properties
5.1.1. Water holding capacity and fat holding capacity
通过拟合实验数据，获得了水分保持能力和脂肪保持能力随温度和初始脂肪含量变化的四阶多项式模型。结果表明，这两种能力均表现出非线性关系，并且受初始脂肪含量的显著影响。高脂肪样品的脂肪保持能力在高温下下降更为明显，预示着其在烹饪过程中可能经历更显著的脂肪流失。
5.2. Effect of fat content on temperature
模拟与实验测量的中心温度演变吻合良好（R2最高达0.9426）。尽管不同脂肪含量肉饼的最终中心温度非常接近（约71°C），但表面温度呈现显著差异。红外热成像显示，高脂肪肉饼（A24）在翻面后达到的最高表面温度（158.7°C）明显高于低脂肪肉饼（B3, 124.2°C）。这表明脂肪含量通过影响表面与煎锅的接触热传导以及内部水分蒸发冷却效应，改变了表面热边界条件，但对核心区域的加热速率影响有限。
5.3. Effect of fat content on moisture, fat and cooking losses
水分损失随时间呈线性增加，且最终水分损失量在不同脂肪含量的肉饼间无显著差异。然而，脂肪损失则随初始脂肪含量的增加而显著增加。计算结果表明，对于初始脂肪含量为23.70%的A24肉饼，烹饪后脂肪含量降至15.45%，意味着实际脂肪摄入量低于根据原料计算的理论值。相反，低脂肉饼的脂肪含量在烹饪后变化不大甚至略有相对增加。总烹饪损失因此随脂肪含量增加而增大。微观结构（SEM）观察发现，高脂肪肉饼表面在烹饪后形成更大、更连通的孔隙结构，这为脂肪迁移提供了通道，解释了其更高的脂肪损失率。
5.4. Effect of fat content on shrinkage
模型成功预测了肉饼在烹饪过程中的收缩行为。无论是表面积收缩率还是体积收缩率，均随脂肪含量的增加而增加。例如，A24的模拟表面积收缩率达32.13%，而A3为24.63%。这种增强的收缩与高脂肪肉饼更显著的水分和脂肪损失、以及可能更强的蛋白质热致收缩有关。
5.5. Textural quality
质构分析表明，高脂肪肉饼（A14, A24）的硬度、胶粘性、咀嚼性以及剪切力参数均显著低于低脂肪肉饼（A3, B3）。这表明增加脂肪含量可以有效改善汉堡肉饼的嫩度。尽管高脂肪肉饼的烹饪损失更大，但其通常被感知为更多汁、更嫩，这可能与脂肪在口腔中释放的感官特性以及其对肌肉纤维结构的润滑作用有关。
本研究通过实验与模拟相结合，系统阐明了脂肪含量在汉堡肉饼煎制过程中所扮演的关键角色。主要结论如下：首先，脂肪含量主要通过改变表面热边界条件（如接触热导）来影响表面温度，但对产品中心区域的加热历程影响较小。其次，脂肪损失强烈依赖于初始脂肪含量，高脂肪配方会导致更大量的脂肪流失，从而显著改变产品的最终营养成分构成；而水分损失则相对不受初始脂肪含量的影响。第三，产品的收缩变形（包括面积和体积）随脂肪含量增加而加剧。第四，增加脂肪含量能有效降低产品的硬度、咀嚼性等质构参数，即改善嫩度。最后，基于物理的模拟所生成的数据训练的神经网络模型，能够仅根据初始成分准确预测脂肪损失，为快速评估烹饪产品的营养特性提供了实用工具。
该研究的重要意义在于，它首次通过一个综合性的多物理场模型，定量揭示了脂肪含量调控汉堡肉饼煎制过程中热质传递、组分流失、结构变形和质构演变的耦合机制。所开发的模型不仅深化了对复杂食品加工过程的理解，而且为低脂/减脂肉制品的配方设计、加工工艺优化以平衡营养与感官品质提供了强有力的预测工具和理论指导。例如，在开发低脂汉堡时，可以借助该模型预测如何调整烹饪条件（如温度、时间）或添加保水剂/脂肪替代物，以补偿因脂肪减少可能导致的质构变差问题。此外，研究结果提醒消费者和营养学家，烹饪后的脂肪含量可能与生肉标称值有较大出入，这对于精确的膳食营养计算具有参考价值。未来工作可进一步考虑表面结壳对传质的阻碍效应、脂肪相的连续特性以及更复杂的本构关系，以提升模型在更广泛条件下的预测精度。
