微波熟化结合超低温冷冻预处理降低煎炸薯条油脂吸附的研究

杨 丹，吴港城，李培燕，金 俊，金青哲，张 晖，王兴国

（江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122）

油脂含量是油炸食品的关键品质指标之一，它不仅影响煎炸食品的营养，还与煎炸食品的口感、风味等感官特征密切相关。目前，包括煎炸薯条在内的煎炸食品的油脂含量普遍过高，有些甚至超过了其干重的50%，长期摄入高脂的煎炸食品容易引发高血压、肥胖症、冠心病等一系列慢性疾病，危害人体健康[1-4]。薯条在煎炸之前通常需要先经过预处理阶段。熟化、冷冻等预处理有助于提升油炸薯条品质，是其商业化生产中必不可少的环节。熟化过程是指采用热处理等方式使食物中的大分子物质性质发生剧烈变化（如淀粉糊化、蛋白质变性）的过程。薯条煎炸前的熟化预处理手段一般采用的是漂烫熟化方式，即将切割好的薯条放入高温清水中进行烹煮，从而达到保持薯条原有色泽、提升口感和改善加工特性等目的[5]。冷冻技术也是薯条煎炸前经常使用的预处理手段之一[6]。目前，大多数快餐店都采用速冻马铃薯条替代新鲜马铃薯条制备薯条。冷冻预处理不仅可以延缓大多数生化反应的速度、降低营养损失，还可以保证薯条在供应链中的品质稳定性和卫生安全性[7]。探索熟化和冷冻预处理对油脂吸附的影响对于提高薯条的品质同样具有重要意义。但是，目前关注熟化和冷冻预处理对薯条油脂吸附影响的研究仍然较少。有研究发现漂烫熟化预处理会增加煎炸过程食物的油脂吸附，但是并未对油脂吸附增加的原因作深入解释[8]。最近，微波熟化作为一种新型熟化预处理方式也逐渐受到人们的关注，但其对煎炸食品油脂吸附方面的影响尚不清楚[9]。到目前为止，关于不同熟化和冷冻预处理对薯条理化性质的改变以及这些变化对煎炸阶段薯条油脂吸附的影响尚未研究，对其具体影响机制的研究更是鲜有报道[10-13]。

本论文以煎炸薯条为研究对象，在制备煎炸薯条的过程中，分别采用不同熟化方式（漂烫熟化和微波熟化）和不同冷冻方式（常规冷冻和同超低温冷冻）的结合预处理，探究其对煎炸薯条油脂吸附的影响，以期为煎炸食品制备过程采取相应措施来调控油脂吸附提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新鲜马铃薯，品种为荷兰15号：无锡市农贸市场；棕榈液油（融点：24°，专用煎炸油）：上海益海嘉里有限公司；石油醚（沸点：30～60 ℃，分析纯）：国药控股集团化学试剂有限公司（中国上海）；异硫氰酸荧光素（FITC）、尼罗红（Nile Red）：Sigma-Aldrich公司；其他试剂均为分析纯：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

切条机：浙江百茂厨具设备有限公司；EF-3L电子油炸锅：广东友田家用电器有限公司；HWS24型恒温水浴锅：上海一恒科技有限公司；G80F23CN2P-B5微波炉：广东格兰仕公司；SOX406自动索式抽提仪：山东济南海能仪器有限公司；LGJ10E冻干机：北京四环科学仪器厂有限公司；PB203-N型电子天平：上海天平仪器厂；101型电热鼓风干燥箱：上海科恒实业发展有限公司；DSC8500差示扫描量热仪：美国 Perkin Elmer公司；SU1510扫描电子显微镜：日本日立株式会社；LSM880激光共聚焦显微镜：德国Carl Zeiss公司。

1.3 实验方法

1.3.1 原料预处理

将新鲜马铃薯在流动的自来水下清洗干净，去皮，用切条机将其切割成长条状（10 × 10 ×50 mm）。随后，选择一部分切好的薯条在沸水中漂烫熟化5 min，薯条和水分的质量比为1∶10。捞出后的薯条冷却至室温（25 ℃），并将其表面的水用吸水纸轻轻擦干。漂烫后的薯条分成两部分，分别置于-18 ℃和-40 ℃冰箱中冷冻24 h后进行油炸实验。另外一部分切好的薯条置于微波炉中熟化预处理 60 s（功率 800 W，频率：2 250 MHz）。随后同样分成两部分，分别置于-18、-40 ℃冰箱中冷冻24 h后进行油炸实验。

1.3.2 煎炸过程

量取 3 L棕榈液油倒入油炸锅中，加热到（170 ± 1）℃，并在此温度下稳定1 h。之后，每次取出约150 g经不同预处理后的薯条放入煎炸篮中进行煎炸。煎炸3 min后取出。四种预处理薯条的煎炸实验均至少重复三次，每次更换新鲜的棕榈液油。

1.3.3 油含量的测定

薯条中的油脂按照吸入途径的不同，分为表面油、表面渗透油、结构油和总油。按照Pedreschi等[14]描述的方法，测定薯条的表面油含量，将从炸锅中取出并完成冷却（冷却至室温）的薯条立即置于盛有30 mL石油醚的恒重过的铝盒中浸泡1～2 s。然后，将铝盒置于通风柜中24 h以挥发石油醚。此后，在105 ℃的烘箱中将盛有油脂的铝盒干燥至恒重。此过程获得的油即为表面油。采用国家标准 GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》索氏提取法测定薯条的结构油含量。去除表面油后的薯条使用冷冻干燥机在-50 ℃和100 mbar下冻干72 h以除去水分。冻干后，称量薯条干重，随后研磨成粉末，并用石油醚（沸点30 ～ 60 ℃）萃取6 h。测定的油含量（干基）即为结构油含量。而经过冷却后的薯条的结构油还包含了在冷却期间渗入的表面渗透油。总油含量为表面油和结构油含量的总和。薯条中的油含量使用%（干基）表示。所有上述测定均重复三次。

1.3.4 淀粉热力学特性的测定

使用锋利的刀片将薯条的外壳和核心分离开，将外壳经索氏抽提法脱脂后，冷冻干燥磨成粉末并过0.15 mm的筛。采用DSC测定薯条外壳中淀粉的热力学特性。将粉末和去离子水按照1∶3的质量比（样品粉末：去离子水，g/g）转移到铝制DSC坩埚（50 μL）中并立即密封。将密封的坩埚在室温下平衡24 h。测定前，先用标准品对仪器进行校正。升温程序：样品首先在30 ℃下平衡10 min，之后以5 ℃/min的加热速率从30升温至150 ℃。期间系统中氮气的流速恒定在20 mL/min。每个样品平行测定三次，初始温度（To）、峰值温度（Tp）、结束温度（Tc）和焓值（ΔH）由仪器自带的STARe软件分析得出。

1.3.5 CLSM双通道观察微观油脂分布情况

煎炸前，将经过不同预处理的薯条浸泡在FITC染液（浓度：0.02 mg/mL，溶剂：丙酮）中30 min，随后在丙酮中冲洗两次以除去多余的染液。将尼罗红溶解于油炸用油中用于染色（浓度：0.02 mg/mL）。尼罗红具有较强的脂溶性、耐热性，且发射光谱明显不同于FITC[15]。染色薯条的煎炸实验是独立进行的。将染色后的薯条在染色油中煎炸3 min，制成双染色煎炸薯条。双染色煎炸薯条冷却后用锋利的刀片切成约1 mm厚的片状，置于共聚焦小皿中（待观测面朝下），用于随后的CLSM 成像。对于用于观测核心区域的样品，采用横截面切割获取，而对于用于观测外壳表面区域的样品，采用直接切割下外壳层获取。利用倒置CLSM对双染色的煎炸薯条切片进行了显微观察。采用双通道模式，获得尼罗红（红色，激发波长：543 nm）和FITC（绿色，激发波长：488 nm）的双色图像。

1.3.6 SEM观察微观结构形貌

煎炸薯条先经索氏抽提脱脂、冷冻干燥脱水（-50 ℃，72 h）处理后使用液氮将样品淬断成小块。随后将其固定于仪器专用金属样品台，在待观测面喷上一层金膜以增加样品导电性，随后将载有样品的样品台推入SEM仪器腔体内部，抽真空后于5.0 kV加速电压和100倍放大倍数下观察样品的形貌特征。

1.3.7 感官评价

煎炸薯条品质的感官评价实验采取评价小组人员打分的方式进行。首先选取30名具有相关专业背景、按照国家标准GB/T16291《感官分析 选拔、培训与管理评价员一般导则》接受过感官评价培训的人员（15名女性，15男性）组成评价小组。将炸好的薯条从油炸锅中取出后置于室温下冷却，待表面温度降至 60 ℃左右立即呈递给评价小组人员进行感官评测。煎炸薯条样品采用字母加数字形式进行随机编码，评测人员不知道所测试的样品类别。感官评测项目包括色泽喜好度、气味喜好度、质构喜好度、感官油腻度和整体喜好度。评价小组人员根据表1感官评定标准，按照喜好度从0～10分（非常不喜欢到非常喜欢）的对样品进行打分。评测之前以及评测两个样品之间，评价小组人员需要用温水清洁口腔。

表1 煎炸薯条感官评定标准Table 1 Sensory evaluation standard for fried potato strips

1.4 数据分析

使用IBM SPSS 23.0软件对数据进行ANOVA单因素方差分析和 Duncan多重比较检验显著性分析（P＜ 0.05）。图和表中不同字母表示样品间差异显著，数据以平均值±标准偏差（M±SD）表示。所有实验至少重复三次。对于图像分析，每批随机抽取6个样本，并随机抽取呈现的图像。采用OriginPro 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同熟化和冷冻预处理结合对煎炸薯条中不同类型油含量的影响

图1A为不同熟化方式（漂烫熟化和微波熟化）和不同冷冻方式（常规冷冻和超低温冷冻）的结合预处理对煎炸后薯条中各类型油含量的影响。发现，经漂烫熟化结合常规冷冻预处理的煎炸薯条的总油含量最高，为44.74%，经微波熟化结合超低温冷冻预处理的煎炸薯条的总油含量最低，为24.28%。对比经漂烫熟化结合常规冷冻预处理的煎炸薯条，将漂烫熟化改为微波熟化，煎炸薯条的总油含量下降了15.86%；将常规冷冻改为超低温冷冻，煎炸薯条的总油含量下降了6.09%；而微波熟化结合超低温冷冻预处理使煎炸薯条的总油含量降低了20.46%。表面油含量和结构油含量表现出与总油含量相似的变化趋势。由图1B发现，经不同预处理的薯条煎炸后其各类型油脂占总油脂比例也发生了转变。其中，经四种不同预处理（漂烫熟化结合常规冷冻预处理、漂烫熟化结合超低温冷冻预处理、微波熟化结合常规冷冻预处理和微波熟化结合超低温冷冻预处理）的煎炸薯条中的结构油含量与表面油含量占总油含量的百分比依次为 72%和 28%、80%和20%、82%和18%、92%和8%。可以发现，将常规冷冻改为超低温冷冻，表面油含量所占比例显著降低。这一现象可能与薯条在冷冻过程中受到不同程度的结构破坏有关。相较于超低温冷冻，由于常规冷冻的冷冻速率较慢，使得薯条中的水分凝结成尺寸更大的冰晶，且随着冷冻处理时间的延长而不断增大。较大的冰晶对薯条的组织结构破坏力更强，从而导致其油脂吸附增加[16]。此外，薯条表面形成的较大冰晶的脱落还会使薯条表面结构更加粗糙，进而增强了薯条表面对油脂的黏附能力。

图1 （A）煎炸薯条中不同类型油的含量；（B）煎炸薯条中不同类型油含量占总油含量比例Fig.1 (A) Content of different oil fractions in fried potato strips; (B) percentage of different oil fractions in total oil content of fried potato strips

2.2 不同熟化和冷冻预处理结合对煎炸薯条核心区域微观油脂分布影响

FITC和尼罗红荧光染料分别与煎炸薯条中的基质组分（主要为淀粉）和油脂特异性结合，通过CLSM双通道成像模式从细胞尺度上观察煎炸薯条内部微观油脂分布情况及组分间的相互作用情况。如图2所示，为经不同预处理的薯条煎炸后其核心区域的CLSM显微荧光图像。其中，绿色为马铃薯组织，红色为油脂。可以发现，在煎炸薯条核心区域，油脂和细胞组织区分明显，油脂分布在细胞间隙或细胞破损孔隙处。对比同一熟化方式下经不同冷冻方式预处理的煎炸薯条，发现经常规冷冻预处理的煎炸薯条（图2A和C）的核心区域的细胞组织破坏程度明显高于经相同熟化方式超低温冷冻预处理的煎炸薯条（图2B和D），且油脂分布也明显更多。Charoenrein和 Owcharoen[17]的研究也有类似的发现，他们通过CLSM观察不同冷冻速率对芒果组织细胞壁的影响，发现经快速冷冻（超低温冷冻）的芒果组织细胞结构完好，细胞膜也没有受到损伤，而经慢速冷冻（常规冷冻）的样品，细胞壁被破坏，细胞结构疏松甚至消失，细胞中溶质流失到细胞间隙。研究表明，冰的结晶有两个步骤：冰晶核的形成以及冰晶核生长到特定尺寸的冰晶体。已知最终冰晶体尺寸是成核速率、晶体生长速率以及最终温度的函数[16]。慢速冷冻通常导致在细胞外区域形成大尺寸冰晶，从而破坏细胞结构，增加了煎炸过程食物的油脂吸附。而快速冷冻可以产生均匀分布在整个组织中的小尺寸晶体。因此，快速冷冻是可取的，它可以减少冷冻对食物组织细胞膜的损害。

图2 经不同预处理的煎炸薯条核心区域的CLSM二维荧光图像；（A）漂烫熟化结合常规冷冻预处理；（B）漂烫熟化结合超低温冷冻预处理；（C）微波熟化结合常规冷冻预处理；（D）微波熟化结合超低温冷冻预处理；数字1，2，3分别代表马铃薯组织荧光图像、油脂荧光图像及两者叠加荧光图像Fig.2 The CLSM two-dimensional fluorescence images of the core area in the fried potato strips with different pretreatment; (A) the fried potato strips with water blanching and traditional freezing pretreatment (B) the fried potato strips with water blanching and ultra-low temperature freezing pretreatment (C) the fried potato strips with microwave and traditional freezing pretreatment(D) the fried potato strips with microwave and ultra-low temperature freezing pretreatment. The numbers 1, 2, and 3 represent the fluorescence image of potato tissue, the fluorescence image of oil, and the superimposed fluorescence image of the two, respectively

此外，对比经同一冷冻方式不同熟化方式预处理的煎炸薯条可以明显发现，漂烫熟化预处理薯条（图2A和B）煎炸后其细胞结构出现大量破损变形，组织结构疏松，油脂大量分布于孔隙和细胞破损处。而微波熟化预处理薯条煎炸后（图2C和 D），其细胞体积膨胀变大，分布均匀且破损变形细胞数量较少，组织结构较致密，油脂分布较少，说明在冷冻处理之采用微波熟化替代漂烫熟化可以有效缓解冷冻对薯条微观结构的破坏。此外还可以发现，微波熟化结合超低温冷冻预处理显著降低了薯条核心区域的油脂含量，进一步证实了图1中油含量的测定结果。

2.3 不同熟化和冷冻预处理结合对煎炸薯条中淀粉性质的影响

经不同预处理的薯条煎炸后其外壳中淀粉的DSC热力学特性曲线和相应参数（To、Tp、Tc和ΔH）分别如图3和表2所示。研究表明，DSC在高于淀粉糊化温度下检测到吸热峰，表明存在淀粉脂质复合物，且吸热焓值与复合物的含量成正比[18-19]。由DSC热谱图可以清楚的发现，经不同预处理的煎炸薯条样品均在 108～120 ℃附近出现吸收峰，表明均生成了淀粉脂质复合物。不同类型的淀粉脂质复合物其相应的 DSC吸热峰位置也有所不同，其中，I型淀粉脂质复合物在低于100 ℃处有吸热峰，而II型淀粉脂质复合物在高于100 ℃有吸热峰，后者比前者性质更加稳定[20]。如表2所示，经不同预处理（漂烫熟化结合常规冷冻预处理、漂烫熟化结合超低温冷冻预处理、微波熟化结合常规冷冻预处理和微波熟化结合超低温冷冻预处理）的煎炸薯条中复合物的Tp分别为 114.51、114.01、113.93 和 114.76 ℃（P＞ 0.5），均在100 ℃以上，表明形成的淀粉脂质复合物均为性质更为稳定的II型淀粉脂质复合物，且相应的 ΔH分别为 1.47、2.31、5.98 g和 6.09 J/g（P＜0.5），表明复合物的含量依次递增。微波熟化预处理薯条煎炸后外壳中检测到更多的淀粉脂质复合物，表明微波熟化预处理有助于煎炸过程中淀粉脂质复合物的形成。分析原因，可能是由于微波熟化后薯条中直链淀粉含量增加，而直链淀粉更易于与油脂相互作用生成淀粉脂质复合物。虽然漂烫熟化也可以引起支链淀粉双螺旋结构解体，增加直链淀粉含量，但漂烫过程薯条处于水相环境，容易造成直链淀粉溶出，反而不利于淀粉脂质复合物的生成。

图3 不同预处理薯条煎炸后外壳中淀粉的DSC热力学特性曲线Fig.3 DSC thermograms of starch in the crust of fried potato strips with different pretreatment

表2 不同预处理煎炸薯条的DSC热力学特性参数（n=6）Table 2 DSC thermodynamic characteristic parameters of fried potato strips with different pretreatment (n=6)

2.4 不同熟化和冷冻预处理结合对煎炸薯条微观结构的影响

采用 SEM 观察经不同预处理薯条煎炸后的微观形貌差异。图4A1、B1、C1和D1分别为经漂烫熟化结合常规冷冻预处理、漂烫熟化结合超低温冷冻预处理、微波熟化结合常规冷冻预处理和微波熟化结合超低温冷冻预处理的煎炸薯条核心区域微观结构形貌，可以发现，核心区域组织结构的破损程度逐渐减小。其中，经漂烫熟化结合常规冷冻预处理的煎炸薯条核心区域破损最严重，出现较大孔隙，这将有助于油脂的渗入。而经微波熟化结合超低温冷冻预处理的煎炸薯条核心区域组织结构破损程度最低，致密性最高且孔隙也最少，内部可容纳油脂的空间小，因而不利于油脂渗入。图4A2～D2中煎炸薯条的外壳表面形貌表现出相似的变化趋势，并且可以明显的发现，经微波熟化预处理的煎炸薯条表面结构光滑、平整，几乎没有破损产生的孔隙和裂缝，因而表面滞留的油脂也较少。图4A3～D3呈现了经不同预处理的煎炸薯条的外壳厚度，外壳的厚度越大、结构越致密，越不利于油脂的渗入。显然，经四种预处理（漂烫熟化结合常规冷冻预处理、漂烫熟化结合超低温冷冻预处理、微波熟化结合常规冷冻预处理和微波熟化结合超低温冷冻预处理）的煎炸薯条外壳逐渐增厚，致密性也逐渐增加，这与煎炸薯条油含量呈现相反的变化趋势，即，外壳越厚越致密，油含量越低。

图4 经不同预处理的煎炸薯条的SEM图像；（A）漂烫熟化结合常规冷冻预处理；（B）漂烫熟化结合超低温冷冻预处理；（C）微波熟化结合常规冷冻预处理；（D）微波熟化结合超低温冷冻预处理；数字1、2、3分别代表薯条核心、外壳表面和壳核连接区域Fig.4 The SEM images of the fried potato strips with different pretreatment (A) the fried potato strips with water blanching and traditional freezing pretreatment (B) the fried potato strips with water blanching and ultra-low temperature freezing pretreatment (C) the fried potato strips with microwave and traditional freezing pretreatment (D) the fried potato strips with microwave and ultra-low temperature freezing pretreatment The numbers 1, 2, and 3 represent the regions of core,crust surface, and crust and core connection of samples, respectively

2.5 不同熟化和冷冻预处理结合对煎炸薯条感官品质的影响

对经不同预处理的煎炸薯条进行感官评价以评估消费者的喜爱程度，其相应结果如表3所示。在该测试中，煎炸薯条的某项感官属性得分越高，代表评价小组人员对于这项属性的评价越好。由该表可知，所有煎炸薯条的整体喜好度得分均在6.5以上，说明各煎炸薯条的整体接受度都较好。其中，微波熟化结合超低温冷冻预处理的煎炸薯条的色泽喜好度、气味喜好度、质构喜好度、感官油腻喜好度以及整体喜好度均为最高，而经漂烫熟化结合常规冷冻预处理的煎炸薯条的各项得分均最低。综上可知，相较于常规预处理手段（漂烫熟化预处理、常规冷冻预处理），微波熟化预处理和超低温冷冻预处理均可以有效提升煎炸薯条的感官品质。

表3 经不同预处理的煎炸薯条的感官评价结果（n=30）Table 3 Sensory evaluation of fried potato strips with different pretreatment (n=30) 分

3 结论

本文对比分析了不同熟化方式和不同冷冻方式结合预处理对煎炸薯条油脂吸附的影响。研究发现，采用微波熟化结合超低温冷冻预处理可以大幅降低煎炸薯条的油含量。DSC热谱图进一步证实了发现微波熟化预处理有助于外壳中淀粉脂质复合物的形成。CLSM 成像结果表明，经微波熟化结合超低温冷冻预处理的煎炸薯条的核心区域破损细胞最少、油脂分布最少。SEM和CLSM三维成像结果共同表明，微波熟化预处理有助于使煎炸薯条外壳表面更光滑、平整，破损和裂缝更少，不利于油脂附着。超低温冷冻预处理煎炸薯条中的孔隙尺寸小于常规冷冻预处理。感官评价结果表明经微波熟化结合超低温冷冻预处理的煎炸薯条的各项感官评价得分均最高，表明微波熟化结合超低温冷冻预处理可以在提升煎炸薯条感官品质的同时降低其油脂吸附。