《Journal of Food Engineering》：Starching-induced heat transfer enhancement of food particles during stir-frying: bubble mechanisms and quality effects
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本研究通过模拟炒制条件，探究不同淀粉浓度（2%、6%、10%）和油温（80-140℃）对热传导及食品质量的影响。结果表明，淀粉化显著提高加热速率（最高29%）和表面传热系数（1.5倍），促进油-固界面气泡增多（4倍）和直径减小（40%），增强湍流，加速整体加热，从而提升水分保持（1.3%-2.0%）、降低剪切力（36.9%-45.2%）和保留挥发性物质（10.8%-11.9%），为优化淀粉化工艺提供理论依据。
向丁|光荣哲|钱梦|崔珠实|咏燕|艾泉蛟|李登|荆鹏李
贵州省农业与动物产品贮藏加工重点实验室，贵州大学酒与食品工程学院，贵阳市，550025，中国
摘要
尽管淀粉处理技术被广泛使用，但关于其如何通过调节热传递机制来提高食品质量的基础研究仍然有限。为了填补这一空白，本研究使用猪里脊肉模拟了炒菜条件，系统地研究了不同淀粉浓度（2%、6%、10%）和油温（80–140°C）对热传递过程的影响。通过整合气泡行为、热平衡计算和质量评估，阐明了淀粉处理在热加工过程中影响热传递的机制及其对质量形成的影响。结果表明，淀粉处理使加热速率提高了多达29%，并使煎炸油与颗粒之间的表面热传递系数（h(fp）提高了1.5倍。淀粉处理还显著改变了界面气泡行为：气泡数量增加了多达4倍，而平均直径减少了40%。这种增强效果归因于淀粉在加热过程中保持和调节水分蒸发的能力，从而促进了油-固体界面处更密集、更小气泡的成核和运动，有效增强了界面湍流和热传递。热平衡分析进一步证实，由于h(fp)的增加而产生的热量超过了淀粉蒸发所消耗的额外热量，从而加速了整个加热过程。这些热传递的改进直接转化为质量的显著提升：淀粉处理样品的保水率提高了1.3%–2.0%，剪切力降低了36.9%–45.2%，VB1保留率提高了10.8%–11.9%。本研究从热传递的角度揭示了淀粉处理改善烹饪质量的物理机制，为优化食品工业中的淀粉处理工艺提供了理论基础，以增强产品质地和营养成分的保留。
引言
涂层作为一种预处理方法，在各种地方菜肴中广泛用于烹饪后保持食材的嫩度（Xie等人，2022年）。不同的涂层技术适用于不同的烹饪方法和预期效果（Zhang等人，2020年）。例如，在油炸过程中，通常通过施加面糊或水胶体涂层来使食品颗粒具有酥脆的外壳和嫩熟的内部（Voong等人，2018年）。然而，对于短暂且高度不稳定的炒菜过程，主要使用的方法是淀粉处理，即用粘稠的低浓度淀粉、盐和水的混合物覆盖食品颗粒。这种技术用于实现多汁和嫩熟的质地（Shi & Chen，2015年）。淀粉处理技术在肉类和鱼类的炒菜过程中被广泛使用，在商业和工业中发挥着重要作用。这是因为淀粉处理通过提高保水率、嫩度、营养成分保留和风味保留来改善烹饪质量，从而显著提升了菜肴的感官特性（Chen等人，2019年；He & Zeng，2015年）。
目前对于淀粉处理提高食品质量的解释包括：（1）淀粉与肉类蛋白质相互作用，吸附并固定肉体内的水分，从而提高涂层食材的保水率（Meng等人，2020年）；（2）盐与肉类蛋白质相互作用，导致表面净电荷增加和蛋白质的水合作用增强。这增强了淀粉浆与肉类之间的粘附力，从而提高了材料的保水能力和嫩度（Wu，2019年）；（3）糊化的淀粉在表面形成一层连续膜，作为保护屏障，减少了食材与高温油之间的直接接触，从而最小化了营养成分的热降解（Yang & Li，2017年）。然而，也有相反的证据（Li & Yeh，2002年）指出，在加热过程中淀粉与肉类蛋白质之间没有发生化学相互作用。此外，涂层通过改变食品系统的外表面和微观结构来调节炒菜过程中的水分损失和油吸收，因为相关的热量和质量交换是通过表面进行的（Bhuiyan & Ngadi，2024年；Jeong & Lee，2021年；Vengu等人，2020年）。这种机制表明，保水作用可能主要依赖于涂层引起的表面效应。NaCl对蛋白质表面疏水性的影响可以忽略不计，其改性的渗透需要较长时间（Sharedeh等人，2015年），但涂层系统中的盐提高了它们的糊化温度并降低了熔点（Xue & Ngadi，2007年）。此外，还存在争议，即极薄的低浓度淀粉浆层是否能有效作为质量传递的屏障。这些争议表明，通过淀粉处理实现的质量改进的根本原因，特别是在动态烹饪环境中的物理机制，仍需要深入探索。
我们研究的初步结果表明，在高温、基于油的烹饪过程中，淀粉处理显著提高了颗粒的加热速率。这一结果非常令人惊讶，因为一般来说，淀粉处理后颗粒的重量会增加，表面水分需要大量的蒸发热量，从而导致温度上升所需的热量更多，温度上升速率应该比不进行淀粉处理时更慢。此外，文献表明，当食品颗粒的核心温度达到相同温度时，提高加热速率和缩短加热时间可以显著提高嫩度（Xu等人，2024年）。面对这样的实验结果，我们推测淀粉处理的提质效果可能与热传递过程有关。因此，我们可以研究在不同温度下不同淀粉含量进行淀粉处理时的加热速率变化。
在炒菜过程中，当食品颗粒的淀粉涂层与高温油接触时，可能会发生剧烈的表面水分蒸发，导致沸腾加剧的对流。这一过程可以显著提高流体和颗粒之间的热传递系数（h(fp）（Li等人，2019年）。由于h(fp)直接影响内部加热速率和最终烹饪质量（Li等人，2022年），这一现象值得进行机制研究。在油炸食品颗粒的沸腾和起泡阶段，关键的热传递参数h(fp)主要受气泡流动的方向和速度以及由此产生的湍流频率和强度的影响（Baik & Mittal，2002年）。一项关于土豆加工的研究证实，在起泡油中h(fp)增加了两倍，直接将这种增强效果与气泡诱导的对流联系起来（Costa等人，1999年），而较大的气泡直径会显著降低热传递系数（Van Koerten等人，2017年）。因此，由于表面蒸发形成的气泡数量和直径的不同，热传递会发生变化（Mir-Bel等人，2012年）。此外，对烹饪过程中食品颗粒的热平衡计算可以定量评估淀粉层消耗的热量，以及h(fp)的变化如何影响内部温度分布和加热速率。因此，结合气泡行为和热平衡计算为理解淀粉处理增强热传递的机制提供了重要的理论基础。如前所述，淀粉处理显著影响烹饪质量。因此，也需要系统地评估关键质量参数。
现有的关于淀粉处理过程的研究主要集中在浆料组成、比例优化以及淀粉处理条件对菜肴质量的影响（Fu等人，2017年；Qian等人，2020年；Zhao等人，2012年）。虽然这些研究为应用提供了实际指导，但它们主要局限于现象学描述，缺乏对潜在物理机制的深入探索，特别是热传递方面。目前还没有研究系统地阐明烹饪过程中食品淀粉处理所涉及的基本热传递机制。本研究旨在通过研究淀粉处理引起的表面气泡行为与热传递增强之间的关系，从而从物理角度澄清淀粉处理改善食品质量的机制。这将推进对传统烹饪技术的科学理解和工业应用，为优化工艺和促进食品工业的创新提供关键的科学见解。具体目标包括：（1）阐明淀粉含量和烹饪温度对热传递过程的影响；（2）揭示淀粉处理增强热传递效果背后的内在机制；（3）评估这种热传递增强效果对关键烹饪质量指标（水分含量、嫩度和VB1保留率）的影响。
部分摘录
成熟值理论
淀粉处理主要用于烹饪的快速热处理，其目的是使食品成熟。有必要将成熟时间作为研究热传递和质量的时间终点。文献（Li等人，2017年）提出了一种新的烹饪热处理动力学函数——成熟值（M值），该函数从动力学角度将热传递温度的变化与烹饪质量联系起来，并可以定量描述烹饪成熟度。
M值
加热速率
在低于沸点的油温下（图3a），淀粉处理样品的加热速率低于对照组，并且随着淀粉浓度的增加而逐渐降低。相比之下，在高于沸点的油温下（图3b–d），所有淀粉处理组的加热速率都高于对照组。其中，添加了6%淀粉的样品加热速率最快，比对照组高出14%–29%，其次是添加了10%和2%淀粉的样品。这些结果表明
温度
在水的沸点以下的油温下，淀粉处理不会增强热传递，因为表面没有发生相变。没有沸腾现象，否则会增强对流热传递，这意味着淀粉处理主要起到热屏障的作用（图3a）。相反，在高于水的沸点的油温下，会发生沸腾热传递，水分会迅速蒸发。这一过程伴随着持续的成核和生长
结论
本研究表明，与大多数水胶体涂层的减热传递效果相反，当油温超过水的沸点时，适当的淀粉处理可以显著提高h(fp)和整体加热速率。气泡行为分析表明，淀粉处理促进了油-固体界面处更多、更小气泡的形成（数量最多增加了4倍，直径减少了40%），增强了界面湍流
CRediT作者贡献声明
咏燕：软件，形式分析。艾泉蛟：调查，形式分析。钱梦：验证，方法学。崔珠实：可视化，数据管理。荆鹏李：撰写-审稿与编辑，监督，资金获取。李登：撰写-审稿与编辑，撰写-初稿，监督，资源获取，概念化。向丁：撰写-初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据管理。光荣
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划[2023YFD2101004, 2023YFD2101002]；国家自然科学基金[32260642, 32260644]；以及贵州省关键技术研发计划[QKHZC[2023]YB066]的支持。
