锅具传热特性对中式烹饪操作控制的影响

彭 静邓 力王 磊何聪颖余冰妍林 锦崔 杰

(1. 贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 无限极﹝中国﹞有限公司，广东 广州 510000)

锅具是家庭必备的烹饪工具[1]。锅具种类繁多，其中炒锅占据中国锅具主要市场，并且家庭炒锅拥有率超过150%[2-3]。同时，中式烹饪的现代化、标准化、自动化的发展，对炒锅的研究设计也提出新要求[4]。因此，炒锅性能的好坏不仅影响烹饪效果、自动化烹饪发展，也直接关系到每个家庭的营养健康生活。

目前，锅具研究集中于锅具自身传热规律[5-6]、传热影响因素[7-9]、锅具与热源间的热效率[10-11]等方面，缺乏对锅具传热特性对烹饪成熟和烹饪操作影响的研究，并且研究对象主要为西式平底锅，用于煮、煎[12-13]。而中式烹饪以圆底凹面炒锅或电磁炉用平底凹面炒锅为主，用于过程激烈复杂的油炒工艺[3,14]，因而难以直接引用现有成果来研究中式炒锅传热特性对油炒烹饪的影响。

锅具制作最主要目的是获得快速升温及均匀锅底温度分布，以使食品颗粒受热均匀和快速烹饪[5-7]。然而，烹饪过程中锅具底部受非稳态加热，导致与食物接触的锅壁面很难获得均匀的温度[11,15]。文献[16～18]中研究发现锅具制作材料均会产生热阻，热阻较大的不锈钢升温慢、温度分布不均匀，热阻较小的铜和铝升温快、温度分布较均匀，所以锅具的热阻系数可作为反映锅具传热特性的关键参数。

烹饪的最终目的是通过加热使食物成熟，文献[1,19]中建立了中式烹饪过程中锅具及液体-食品颗粒的传热控制方程，提出了烹饪成熟值理论，指出油炒烹饪过程中食品颗粒表面至中心的传热为非稳态过程，当颗粒中心达到成熟时表面已被过度加热，导致品质不均匀，如肉类表面发生焦糊褐变，如何使烹饪食品达到成熟值的同时过热值最小是烹饪操作控制的关键。文献[20]通过数值模拟分析了油脂预热温度、搅拌频率、炒锅传热面积等油炒工艺控制参数对烹饪品质的影响，但未进行实验验证。文献[21]中指出单层锅厚度薄，热量沿厚度方向上传递快，易形成热点导致食物焦糊；多层复合锅厚度大，热量沿直径方向上传递快，锅底温度分布均匀，但未分析锅具热阻系数对烹饪操作的影响，也未进行锅具烹饪品质变化的实验验证。因此，有必要研究炒锅传热特性与烹饪操作控制之间的规律，以获得较好的烹饪品质。

肉类烹饪研究中常通过检测肉的中心温度[22-23]、表面颜色变化[24-25]等指标判断烹饪终点。但油炒过程伴随着强烈搅拌，很难获得肉的中心温度，因此选择表面颜色变化作为猪里脊肉烹饪终点的判断指标，进一步研究炒锅传热特性与烹饪操作对猪里脊肉烹饪终点的影响。

综上，本试验选用3种中式炒锅，以猪里脊肉为烹饪原料，以不同预热油温及搅拌频率为试验条件，测定分析炒锅热阻系数与油炒猪里脊肉成熟及焦糊时间的关系，探究锅具传热特性对中式烹饪操作控制的影响，以期为中式烹饪的研究积累基础数据，为锅具的生产加工和使用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

猪里脊肉：贵阳花溪区星力超市；

食用调和油：广西惠禹粮油工业有限公司；

炒锅A、炒锅B、炒锅C、炒锅D、炒锅E：市售，炒锅结构示意图及基本物理参数见图1和表1。

图1 中式炒锅基本结构图

炒锅材质锅底厚度d/cmA不锈钢复合锅0.298B铸铁锅(单层锅)0.158C铁皮锅(单层锅)0.090D不锈钢复合锅0.290E不锈钢复合锅0.216

1.2 仪器与设备

热成像仪：PI200型，德国欧普力公司；

烹饪传热学及动力学数据采集分析系统：参照文献[26]组装；

切片机：BL658型，深圳市博莱电子电器有限公司；

卤素水分测定仪：MB35型，奥豪斯国际贸易有限公司；

数显式肌肉嫩度仪：C-LM3B型，东北农业大学工程学院；

电子天平：MS12002TS型，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司；

电磁炉：C21-HK2103型，广东美的生活电器制造有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 炒锅热阻系数的测定 热阻系数是导热系数与物体的几何形状相结合而体现的该形状物体的导热能力，按式(1)计算[27]：

(1)

式中：

R——锅具热阻系数，(m2·K)/W；

Ln——锅具各层材料厚度，m；

kn——锅具各层材料导热系数，W/(m·K)。

选取炒锅底面中心部分裁剪出方形样品(1 cm×1 cm)，利用导热系数测定仪采用激光闪射法测定炒锅样品导热系数，具体测量原理及方法参见文献[28]，然后由式(1)计算得到热阻系数。

1.3.2 烹饪原料预处理 将原料猪里脊肉切分后放置于-18 ℃ 冰箱中冷冻4～5 h，用切片机将冷冻肉切割成2.5 cm×2.5 cm×0.25 cm(长×宽×高)的肉片，静置，恢复至室温以备用。

1.3.3 炒锅传热特性与猪里脊烹饪品质变化速率关系探究

(1) 猪里脊肉烹饪成熟到焦糊过程中品质变化终点的判断：选用炒锅A，称取猪里脊肉片100 g和食用油25 g，预热油温和搅拌频率分别控制为160 ℃和1 Hz，使用电磁炉(开启最大功率2.1 kW)炒制猪里脊肉片至表面完全焦糊，炒制过程中间隔5 s取样，样品置于冰水混合物中冷却1 min，取出用吸水纸擦干表面水分，按照1.3.4节方法测定肉片的颜色、水分含量、剪切力，对比分析获得猪里脊肉片由成熟到焦糊阶段的烹饪品质变化。同一组试验做3次平行。

(2) 炒锅传热特性与烹饪操作对猪里脊肉品质变化速率的影响：选用炒锅A、B、C，使用电磁炉(开启最大功率2.1 kW)在不同预热油温(70，100，160 ℃)和搅拌频率(0.2，1.0 Hz)两两组合条件下，分别炒制100 g猪里脊肉片(猪里脊肉与食用油的质量比为4∶1[14])，并用秒表记录猪里脊肉的成熟时间和开始焦糊时间，每个条件设置3个平行。分析获得热阻系数、预热油温及搅拌频率对猪里脊肉成熟时间、开始焦糊时间及间隔时间的影响。

1.3.4 猪里脊肉品质指标的测定

(1) 水分含量：采用卤素水分测定仪测定。每组样品进行3次测量并求平均值。

(2) 颜色：参照Rubio等[29]的方法，根据CIEL*a*b*颜色标准采用色差仪于室温条件下测定。按式(2)计算白度[30]。

(2)

式中：

W——白度值；

L*——亮度值；

a*——红度值；

b*——黄度值。

每个样品取上表面均匀分布的3处不同位置进行测量并求平均值。

(3) 剪切力：采用肌肉嫩度仪进行测定。每个样品取表面均匀平整的3处不同位置，切割成1 cm×1 cm×0.25 cm(长×宽×高)的片状，置于肌肉嫩度仪载样台，记录探头刀片切断样品的剪切力值，每组试验条件设置3个平行。

2 结果与分析

2.1 炒锅热阻系数测定结果

由表2可知，炒锅A、D、B、E、C的导热系数、热阻系数等总体依次减小，且炒锅A和D、炒锅B和E的热阻系数接近，5种炒锅的热阻呈现差异可能与锅底厚度有关[7]。同时，初试验使用5种测试炒锅炒制猪里脊肉时，发现炒锅A和D、炒锅B和E的成熟时间及开始焦糊时间相近。因此，后续研究选用炒锅A、B、C。

表2 炒锅热阻系数测定结果

2.2 猪里脊肉烹饪至焦糊过程中品质变化与时间关系

2.2.1 颜色变化 由图2可知，随着烹饪时间的延长，猪里脊肉片先成熟后焦糊，在烹饪成熟过程(0～25 s)中，肉片由红变白，亮度值L*和白度值W增大，红度值a*先增大后减小，黄度值b*增大；继续烹饪时，肉片发生焦糊(焦糊过程50～65 s)，表面由于美拉德反应产物的积累形成黄褐色硬壳，肉片的L*和W减小，a*和b*增大[31]39-53[32]。烹饪过程中肉片中心温度升高，导致血红蛋白和肌红蛋白发生变性[31]65，使肉的颜色改变，成熟过程中的颜色变化趋势与黄明等[22]的研究结果相同。

图2 猪里脊肉烹饪至焦糊过程中颜色变化

2.2.2 水分含量变化 由图3可知，随着烹饪时间的延长，猪里脊肉的水分含量持续减少，并且在烹饪成熟的过程中水分含量损失速率慢，焦糊的过程中水分含量损失速率加快，原因是高温烹饪过程中肉片表面存在水分蒸发使水分持续损失，焦糊过程中由于肉片中心温度升高，加快了蒸发速率[20,33]。

图3 猪里脊肉烹饪至焦糊过程中水分含量变化

2.2.3 剪切力变化 由图4可知，随着烹饪时间的延长，猪里脊肉的剪切力持续增大，肉的嫩度减小，并且在烹饪成熟的过程中剪切力变化速率慢，焦糊的过程中剪切力变化速率加快，成熟过程剪切力变化与黄明等[22]的研究结果基本一致。猪里脊肉烹饪至焦糊的过程中肌原纤维蛋白和胶原蛋白发生热变性，且水分含量一直减少，焦糊过程中表面形成硬壳，从而导致剪切力增大[20,33]。

油炒过程对烹饪成熟终点的控制非常关键，烹饪时间偏短时猪里脊肉片未完全成熟，肉色偏红，肉质较软，风味不佳；烹饪时间过长会导致品质劣变甚至产生焦糊，肉类焦糊物质中含有杂环胺致癌成分对人体有极大危害[25,34]。由图2～4综合分析得到，猪里脊肉成熟和焦糊时颜色、水分含量、剪切力等变化明显，可作为猪里脊肉成熟终点与焦糊开始的判断，结合实际烹饪选择颜色作为猪里脊肉成熟终点和焦糊开始的直观判断指标。

图4 猪里脊肉烹饪至焦糊过程中剪切力变化

2.3 炒锅热阻系数对猪里脊肉品质变化速率的影响

由图5可知，当烹饪预热油温及搅拌频率相同时，猪里脊肉的成熟时间、开始焦糊时间及两者间隔时间均随炒锅热阻系数的增大而增大；当搅拌频率相同时，猪里脊肉的成熟时间、开始焦糊时间及间隔时间随预热油温的升高而减小，原因是油温越高时猪里脊肉中心升温快，使烹饪至成熟的时间缩短[35]；当预热油温相同时，猪里脊肉的成熟时间随搅拌频率的增大而减小，而猪里脊肉开始焦糊时间及间隔时间随搅拌频率的增大而增大，搅拌频率越大时油脂与食品颗粒的对流换热强度越大，从而加快食品颗粒升温和品质变化过程[36]。

图5 不同预热油温及搅拌频率条件下猪里脊肉成熟时间、开始焦糊时间及间隔时间与热阻系数间的关系

Figure 5 Relationship between pork tenderloin maturity time, start scorching time and interval time and thermal resistance coefficient at different oil preheating temperature and stirring frequency

由图5进一步分析得到，使用3种测试炒锅，在不同预热油温及搅拌频率下，油炒猪里脊肉由成熟到表面完全焦糊过程时间为25～99 s，成熟时间与开始焦糊的间隔时间为5～52 s。对于热阻系数较大的炒锅，猪里脊肉成熟与焦糊两个阶段间隔时间长，烹饪操作相对容易控制；但对于热阻系数较小的炒锅，猪里脊肉成熟与焦糊两个阶段的间隔时间短，且预热油温越高或搅拌频率越小时猪里脊肉品质变化速率越快，焦糊现象发生越早，导致烹饪成熟终点控制困难。由此可见炒锅的传热特性对中式烹饪操作有很大影响。

同时，结合烹饪传热过程分析可知，锅具温度影响食品体系吸热升温，最终影响食品颗粒的烹饪品质[1,20]。当加热条件一定时，锅具温度与锅具自身传热性质相关，锅具热阻系数小、传热速率大[7]，如铁皮锅，其锅内壁升温快，食品颗粒成熟所需时间短，成熟终点控制困难，对烹饪操作技巧要求高，适合专业厨师使用；反之，烹饪操作相对容易把控的锅具，适合非专业家庭烹饪者使用。不同锅具的烹饪操作控制见表3。

表3 锅具传热特性与烹饪操作控制之间的关系

Table 3 Relationship between heat transfer characteristics of cooking utensils and control of cooking operations

项目热阻系数成熟/焦糊时间烹饪操作控制适合烹饪人员锅具传热及烹饪控制程度 大长易非专业家庭烹饪者小短难专业厨师

3 结论

通过研究热阻系数不同的中式炒锅在不同预热油温及搅拌频率条件下油炒猪里脊肉的成熟时间、开始焦糊时间及间隔时间的变化，获得了炒锅传热特性与烹饪操作控制间的关系，从而构建了一种中式炒锅性能评价的方法。研究结果表明，猪里脊肉烹饪至成熟和表面焦糊时颜色、水分含量和剪切力变化明显，其中颜色可作为烹饪成熟终点和焦糊开始的直观判断指标；热阻系数越小的炒锅，当烹饪预热油温越高或搅拌频率越小时猪里脊肉品质变化速率越快，易出现焦糊，烹饪操作困难；而热阻系数越大的炒锅，烹饪成熟时间、焦糊时间及间隔时间越长，烹饪操作容易，有利于非专业人员实施烹饪，对中式炒锅的设计与选择具有重要意义。但中式油炒过程中，烹饪操作还涉及热源功率、食品颗粒传热特征尺寸、油料比等，而且炒锅烹饪操作对食品品质变化的影响如何，仍需要进一步探究，从而获得锅具相适的优化烹饪操作。