基于低場核磁共振技術快速分析薯條在不同煎炸溫度下的含水/油率變化

倪申鵬，王 欣，鄭思宇

(上海理工大學 醫療器械與食品學院,上海 200093)

松脆酥香的馬鈴薯薯條是深受消費者喜愛的一種煎炸食品。實際煎炸過程中，一般通過煎炸時間及外觀顏色評價薯條的煎炸質量，但這需要豐富的經驗才能作出準確的評價。薯條的含水率和含油率對薯條的品質和口感有重要的影響。若薯條含水率過高、含油率過低，則缺乏煎炸食品特殊的風味；而含水率過低、含油率過高，則可能使薯條過度煎炸，產生不良風味和有毒有害物質，增加罹患心血管疾病、高血壓、糖尿病、癌癥和肥胖的風險[1]。雖然可以用經典的恒質量法[2]和索氏抽提法[3]分析薯條的含水/油率，但這兩種方法均為實驗室分析方法，檢測過程耗時較長。因此，有必要探索煎炸過程中薯條的含水率和含油率的快速分析技術，這對于優化薯條煎炸過程，有效控制品質有重要意義。

低場核磁共振技術(LF-NMR)具有快速、無損及無毒無害等優點，在食品品質分析及加工過程監控中有較大的應用潛力。LF-NMR技術可以分析油脂的摻假程度，區分油脂的種類[4-5]，監測煎炸油脂的品質變化[6-8]。

Chen等[9]研究玉米淀粉體系在煎炸過程中含水/油率的變化時發現，油炸淀粉體系的LF-NMR多組分弛豫圖譜中油和水信號之間無重疊，故可應用LF-NMR技術快速分析體系的水和油含量的變化。Wang等[10]進一步應用低場核磁共振技術分析了商業煎炸條件下薯條的含水/油率的變化規律，并借助核磁共振成像技術直觀呈現了薯條體系在煎炸過程中氫質子的分布與強度變化。

在煎炸過程中，適宜的煎炸溫度和煎炸時間能讓煎炸對象呈現色澤金黃、口感美味酥脆等符合消費者期待的品質[11]。本研究以商業預炸薯條為煎炸對象，在監測煎炸過程中薯條溫度變化的基礎上，對經過不同煎炸溫度、煎炸時間的薯條采用恒質量法和索氏抽提法進行含水率和含油率分析，采用LF-NMR對薯條體系的氫質子弛豫特性進行分析，進而建立基于LF-NMR快速分析不同煎炸溫度下的薯條含水/油率變化的模型，以期為應用LF-NMR快速定量分析煎炸薯條中含水/油率提供可靠依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

1/4 mm細薯條，比利時路多薩食品有限公司；24度棕櫚油，益海嘉里食品工業有限公司；乙醚(分析純)，上海凌峰化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設備

HY-82型電炸爐，佛山市南海泊菲機電設備有限公司；PQ001-020-015V型核磁共振分析儀(氫譜，共振頻率19 MHz，磁體溫度35 ℃，配套T-invfit反演擬合軟件和φ15 mm核磁試管)，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；HH-6型數顯恒溫水浴鍋，邦西儀器科技(上海)有限公司；BCD-192LTJX型電冰箱，青島海爾股份有限公司；KQ3200DE型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；101-2A型烘箱，上海慧泰儀器制造有限公司；SZF-06A型脂肪測定儀，上海嘉定糧油儀器有限公司；PWC 254型分析天平(準確度級別：Ⅰ級)，艾德姆衡器(武漢)有限公司；老本行150T型多功能粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司；34970A T型熱電偶，安捷倫科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 煎炸條件

將薯條在溫度(180±2) ℃或(160±2) ℃、油/物料為1/30(L/g)的煎炸條件下分別煎炸0～4 min，靜置3 min，瀝除多余油分后，粉碎后置于燒杯密封并放入4 ℃冰箱中待測。

1.2.2 溫度變化分析

用RS-232線纜將34970A數據采集器連接至電腦，將數據采集器上的T型熱電偶分別從薯條側面插入薯條中心，并在煎炸油中放置1根T型熱電偶測量油脂溫度，在煎炸過程中通過Benchlink Data Logger軟件采集薯條和油溫的變化。

1.2.3 薯條含水/油率測量

含水率測定參照文獻[12]進行。按式(1)計算樣品的含水率。

(1)

式中：W1為空皿加樣品的質量，g；W2為空皿加樣品干燥后的質量，g；W3為空皿質量，g。

含油率測定參照文獻[13]進行。按式(2)計算樣品的含油率。

(2)

式中：W4為接受瓶和脂肪的質量，g；W5為接受瓶的質量，g；W6為樣品的質量，g。

1.2.4 低場核磁共振弛豫特性分析

使用分析天平稱取2 g的薯條泥放入核磁試管，35 ℃水浴10 min后置于核磁共振分析儀，選擇CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列，設置參數如下：信號采樣點數(TD)=500 028，接收機帶寬(SW)=100 kHz，重復采樣等待時間(TR)=1 000 ms、重復采樣次數(NS)=4次，測試后得到樣品的自由誘導指數衰減曲線，利用T-invfit軟件按式(3)對其進行反演擬合。

A(t)=∑Aoiexp(-t/T2i)

(3)

式中：A(t)為衰減到時間t時的幅值大小；Aoi為第i個組分平衡時的幅值大小；T2i為第i個組分的橫向弛豫時間。

將i個組分當作一個整體組分時，可反演出油樣的單組分弛豫時間T2W。當對第i個組分進行反演擬合時，可反演得到油樣的多組分弛豫時間T2及數據圖譜，并獲知各弛豫峰的弛豫時間(按出峰時間從小到大命名為T21，T22，…，T2i等)及歸一化后的峰面積百分比(S21，S22，…，S2i等)。每個試驗設置3個平行樣品，每個樣品重復檢測3次，以保證結果的可靠性。

1.2.5 數據處理

應用Excel對數據進行處理并進行相關性分析，SPSS進行方差分析(P<0.05)，用Origin2018作圖。

2 結果與討論

2.1 煎炸過程中溫度的變化

在煎炸過程中，熱量從油向薯條由外向內傳遞，薯條中心和油脂溫度的變化在一定程度上反映了煎炸過程中化學反應的程度。煎炸過程中薯條中心溫度及油溫的變化如圖1所示。

圖1 煎炸過程中薯條中心溫度及油溫的變化

由圖1可知：煎炸過程中薯條中心溫度的變化可以分為3個階段：在0～30 s內，薯條開始接受煎炸油的熱量，中心溫度迅速從室溫升至100 ℃左右，使體系中的游離水由液態向氣態轉變；在30～120 s階段，薯條內部溫度基本保持不變，薯條內部的游離水達到氣化溫度，水分開始從內部向外遷移，同時外界的油脂也開始向薯條內部移動；在120～240 s階段，薯條內的游離水與油脂基本交換完成，溫度開始緩慢升高，煎炸油溫度越高，最終薯條內部的溫度也相對較高，這與Pravisani等[14]對煎炸薯條的傳熱和傳質的結果一致。

與薯條中心溫度的變化相比，0～60 s內，煎炸油的溫度在整體上呈現降低趨勢，煎炸油的熱量以熱對流和熱傳導的方式轉移至薯條中，使薯條的溫度迅速升高。在60～180 s階段，160 ℃煎炸油的溫度開始升高，而180 ℃的煎炸油溫度依舊處于下降狀態。在180～240 s階段，180 ℃煎炸油溫度開始回升，160 ℃煎炸油溫度則變化相對平緩，最終溫度均比設置溫度高出8 ℃左右。

2.2 煎炸過程中薯條含水/油率的變化

煎炸過程中，薯條中的水分和煎炸油的傳質過程也在發生，煎炸過程中薯條含水/油率的變化如圖2所示。

圖2 煎炸過程中薯條含水/油率的變化(不同字母表示顯著差異(P<0.05))

由圖2可知：隨煎炸時間的延長，兩個溫度條件下煎炸的薯條的含水率均顯著降低。在煎炸1 min時，失水速度相似，薯條的含水率迅速降至45.12%～45.87%；此后，在160 ℃煎炸條件下的薯條失水速度較快，煎炸4 min時，在180 ℃煎炸條件下的含水率(22.80%)仍高于160 ℃下的含水率(16.16%)。這與Rahimi等[15]對油炸面糊中含水量隨煎炸時間的變化趨勢相似，主要原因是在0～1 min的煎炸階段，薯條的溫度快速升高(圖1)，伴隨著水分的逸出，薯條表面形成一層脆皮，較高的溫度有利于脆皮的形成[14]，而脆皮在一定程度上又阻擋了水分的逸出。

由于所用薯條為商業煎炸常用的預煎炸樣品，由圖2可知，未煎炸薯條的含油率在11%～13%。總體而言，160 ℃煎炸時，薯條的含油率相對較高，尤其是在0～1 min階段，煎炸油迅速進入薯條內部，160 ℃煎炸的薯條含油率41.28%就已顯著高于180 ℃煎炸的含油率28.99%(P<0.05)。隨煎炸時間延長，薯條的油脂含量相對增加，但趨勢減緩。在4 min時，160 ℃煎炸薯條的最終含油率高達51.10%，顯著高于180 ℃煎炸的含油率44.65%(P<0.05)。較低的油炸溫度導致最終油含量較高的現象也與Pedreschi等[16]研究結果吻合：在120和150 ℃煎炸條件下煎炸薯片比180 ℃煎炸條件下薯片的含油率更高。在煎炸過程中，煎炸食物吸油主要由毛細管吸油機制主導，較高的溫度有利于表面脆殼的形成，溫度越高，薯條表面脆殼和內部空隙也越大[17]。較大的空隙使毛細管壓力差變小，減少油脂進入薯條內部[11]。

2.3 煎炸過程中薯條的弛豫圖譜分析

利用低場核磁共振圖譜可以反映煎炸薯條體系內的氫質子弛豫衰減特性，薯條在不同煎炸時間的低場核磁共振弛豫圖譜如圖3所示。

衰減曲線可以反映樣品中氫質子的狀態，衰減越快，表明樣品中氫質子受束縛越大或自由度越小[18]。由圖3(a)和(b)可知：在不同溫度的煎炸過程中，薯條的衰減曲線略有不同；在160 ℃煎炸時，隨煎炸時間的延長，薯條衰減曲線的曲率相對變小，衰減過程延長；而180 ℃煎炸時，在0～2 min階段，薯條衰減曲線的曲率增加，衰減過程加快，隨著煎炸時間的延長，從3 min開始，衰減曲率相對減小，衰減過程相對延長。

與此相對應，圖3(c)和(d)中，煎炸之后單組分弛豫圖譜上的信號幅值在0～3 min階段相對減小，此后相對增加。例如，在160 ℃煎炸時，信號幅值從3 112.67 a.u.降低至1 756.10 a.u.后增加到2 198.89 a.u.；而180 ℃煎炸時信號的變化更大，信號幅值從3 625.06 a.u.降低至1 395.81 a.u.后又增加至1 675.45 a.u.。單組分弛豫時間(T2W)則有所不同，其中，160 ℃煎炸過程中，隨時間延長，T2W從31.83 ms逐漸增加至102.48 ms；而180 ℃煎炸條件下，0～2 min階段，T2W從52.77 ms逐漸減小至32.82 ms，其后，T2W相對增大，最終達到114.90 ms。

由圖3(e)和(f)可知：煎炸薯條的弛豫圖譜以弛豫時間25 ms為界分為兩部分，其中，多組分弛豫時間(T2)小于25 ms的弛豫峰信號占比相對較大，隨煎炸時間延長，該部分的信號幅值及峰面積比例均相對減小。以180 ℃煎炸為例，煎炸4 min后，該部分的峰面積比例從初始的98.37%顯著降低至42.94%(P<0.05)，同時，峰的位置整體左移，弛豫時間縮短，說明此部分氫質子的總量相對減小。而對于在25 ms之后出現的弛豫峰而言，變化則恰恰相反，其信號幅值和峰面積比例隨煎炸時間的延長而增大。同樣以180 ℃煎炸為例，煎炸0 min時，峰面積比例僅為1.73%，煎炸4 min后，峰面積比例顯著增加至57.06%。

圖3 薯條在不同煎炸時間的低場核磁共振氫質子弛豫圖譜

煎炸薯條是一個水油混合的食品體系，煎炸過程中弛豫圖譜的變化可以用水油動態平衡來解釋[19]。水質子和脂質子在體系中的含量決定了其核磁響應的信號量。結合煎炸過程中薯條溫度和含水/油率的變化，可以發現衰減快慢和T2W的改變與薯條體系中的主導氫質子密切相關。薯條中的水分實際是被束縛于淀粉質的網絡中，主要以束縛水、結合水的形式存在。在煎炸過程中，薯條內部的水分快速蒸發，薯條體系中的水分含量降低，其與水分相關的氫質子的響應降低，淀粉網絡對剩余水分的束縛力增大，使該部分氫質子的衰減加快，在圖譜上表現為單組分弛豫信號幅值的相對減小和弛豫時間的縮短，180 ℃煎炸的T2W變化更為顯著。多組分弛豫圖譜上，弛豫時間小于25 ms的弛豫峰信號與水質子的變化更為相關，也表現為隨油炸過程的延長，信號幅值的減小及弛豫時間的相對縮短，該結果與Wang等[10]的研究結果相符。當然，在煎炸過程中，隨著淀粉結構中油的含量逐漸增加，脂質子的核磁響應又相對增大，對薯條整體的弛豫響應產生影響。油脂中脂質子的流動性高于結合水，具有相對較慢的衰減過程，弛豫時間相對較大，因此脂質子的增加減緩了弛豫過程[20]。綜上可知：煎炸過程中薯條中氫質子的響應幅值(單組分弛豫)先減小后又相對增加；而在多組分弛豫圖譜中，在25 ms之后出現的弛豫峰則表征了體系中脂質子的核磁響應，隨著體系中含油率的增大，該部分的核磁響應明顯增強。

2.4 煎炸過程中薯條多組分弛豫特性的變化

在以上分析的基礎上，提取多組分弛豫圖譜信息，將弛豫時間小于25 ms、與水質子變化密切相關的弛豫峰的峰面積表示為A水，對應的峰面積比例表示為S水；而在25 ms后出現的與脂質子密切相關的弛豫峰的峰面積表示為A油，對應的峰面積比例表示為S油。在180 ℃和160 ℃煎炸薯條過程中A水、S水、A油和S油隨煎炸時間的變化如圖4所示。

圖4 薯條煎炸過程中多組分弛豫特性隨煎炸時間的變化(相同溫度下不同字母表示顯著差異(P<0.05))

由圖4可知：無論是160 ℃還是180 ℃煎炸條件下，隨著煎炸時間的增加，A水、S水均相對減少，而A油、S油均相對增大。相對而言，160 ℃煎炸時，A水、S水、A油和S油的變動幅度相對較大，例如，煎炸1 min后，160 ℃下的A水、S水較煎炸前分別減小了1 119.54、25.44%，而180 ℃則為614.18、11.97%；160 ℃下的A油、S油則分別增加了923.77和28.09%，而180 ℃則為425.53和11.42%，說明薯條中水質子和脂質子在煎炸過程中發生了明顯的改變，這也和薯條含水/油率隨煎炸時間變化趨勢相似。

2.5 薯條含水/油率與LF-NMR弛豫特性的相關性

將薯條含水/油率與LF-NMR多組分弛豫特性進行相關性分析，在煎炸過程中A水、S水與含水率、A油和S油和含油率的關系如圖5所示。

圖5 薯條煎炸過程中多組分弛豫特性與含水/油率的關系

由圖5可知：180 ℃煎炸時，A水、S水均與薯條的含水率呈良好的指數相關性，R2分別為0.974 3和0.950 4；而對160 ℃煎炸而言，A水(R2=0.997 7)、S水(R2=0.991 8)均與薯條的含水率呈良好的線性正相關；相對而言，A水與含水率的相關性更優，說明隨煎炸時間的延長，水分逸出，其中所包含的氫質子的核磁響應量相對降低，二者間存在密切關聯。從含油率與A油、S油的關系來看，兩個溫度下煎炸時，A油、S油均與含油率呈良好的對數相關；相對而言，S油與含油率的相關性更優。這也說明，隨煎炸時間的延長，油脂向薯條內部的遷移增加，而隨油脂含量的增加，來源于油脂中脂質子所產生的核磁響應增加，表現為A油和S油的增大。后期可利用低場核磁共振弛豫特性如A水、S油對薯條的含水/油率進行快速預測。

3 結論

以探索實際煎炸過程中薯條的含水率和含油率的快速分析技術為目標，在不同煎炸溫度下，對薯條的含水率、含油率及中心溫度隨煎炸時間的變化進行研究，并基于低場核磁共振技術分析煎炸薯條體系中氫質子(水質子和脂質子)的變化，進而建立含水/油率與低場核磁圖譜信息間的相關性模型。

1)煎炸過程中薯條中心溫度的變化可分為3個階段，且煎炸溫度越高，薯條中心溫度也相對較高。煎炸1 min階段，薯條的含水/油率變化較顯著，隨煎炸時間的延長，薯條的含水率均相對減少，而含油率相對增加，且160 ℃煎炸條件下薯條的含水/油率變化更為明顯。

2)低場核磁共振可以反映煎炸過程中薯條內水質子和脂質子信號的變化，以多組分弛豫圖譜中弛豫時間為25 ms作為水質子和脂質子信號的區分點。弛豫圖譜信息可與薯條的含水/油率間建立良好的相關性模型，水信號的峰面積值(A水)與含水率的相關性較優，160 ℃煎炸時二者表現為良好的線性正相關，而180 ℃煎炸則為對數相關；兩個煎炸溫度下，脂信號的峰面積比例值(S油)均與薯條的含油率呈良好的對數相關。

3)研究表明低場核磁共振技術可以快速分析薯條在煎炸過程中含水/油率的變化，這對于優化薯條煎炸過程，進行快速、有效的品質控制有重要意義。