氣流速度調控下空氣炸薯條丙烯酰胺分布均勻性機制

2025年4月，江南大學夏書芹研究團隊和美的公司在《Food Chemistry》（IF=7.514）發表題為“空氣炸鍋內氣流速度對薯條中丙烯酰胺生成均勻性的調控機制：水分遷移與微觀結構演變”研究，探究空氣炸鍋中心與周邊風速對薯條丙烯酰胺生成的影響，以及薯條水分特性與微觀結構的演變規律。

摘要

為改善空氣炸薯條中丙烯酰胺分布不均的問題，本研究考察中心與周邊區域風速對丙烯酰胺生成的影響，并分析薯條水分特性與微觀結構變化。受風速差異影響，炸籃周邊區域薯條的丙烯酰胺累積量至少為中心區域的1.5倍；當周邊風速從2.00 m/s升至5.00 m/s時，薯條丙烯酰胺含量至少升高2.8倍。高風速會加劇自由水流失，改變水分狀態，使結合水占比超50%；薯條表面褶皺程度與內部孔隙率隨風速升高顯著增大。將周邊風速控制在3.33 m/s以下，并縮小中心與周邊風速差，可提升丙烯酰胺生成均勻性，為控制丙烯酰胺產生提供指導。

實驗材料與儀器

實驗材料

冷凍薯條、丙烯酰胺、5-羥甲基糠醛（HMF）、氯化鈉、氯化鎂、甲醇、正己烷、甲酸、乙腈、乙酸乙酯、石油醚

實驗儀器

美的1500 W空氣炸鍋、水分測定用干燥箱、GBX  eFAst-Lab水分活度儀、低場核磁共振儀、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、超高效液相色譜-串聯三重四極桿質譜儀、ANSYS Fluent 2022R1流體仿真軟件

實驗過程                       

樣品制備與參數設置：采用180 ℃、18 min工藝烹飪300 g冷凍薯條，依次設置電機轉速1500、2000、2500 rpm，扇葉尺寸100、125、150 mm，底部肋條高度0、10、20 mm，每次僅改變單一參數；將炸籃分為中心區與周邊區，分別取樣檢測。

2. 基礎指標測定：105 ℃烘干法測水分含量，GBX  eFAst-Lab水分活度儀測水活度；LC-MS/MS測定丙烯酰胺與HMF含量。

GBX  eFAst-Lab水分活度儀

不同空氣炸鍋參數下油炸后薯條的水分含量與水活度

3. 水分狀態分析：低場核磁共振測橫向弛豫時間T?，區分結合水、不易流動水與自由水；磁共振成像觀察水分空間分布。

4. 微觀與晶體結構分析：掃描電鏡觀察表面與內部微觀形態，ImageJ計算孔隙率；X射線衍射分析淀粉晶體結構與相對結晶度。

5. 風速仿真：ANSYS Fluent模擬炸籃內中心與周邊風速分布，計算風速差異。

6. 數據統計：單因素試驗設計，SPSS進行方差分析，Duncan檢驗差異顯著性（P<0.05）。

實驗結論

1. 空氣炸鍋周邊風速高于中心，導致周邊薯條丙烯酰胺、HMF含量更高，扇葉尺寸對區域風速差影響明顯。

2. 風速升高加速薯條表面水分流失，降低水活度，自由水占比下降、結合水占比上升，促進美拉德反應與丙烯酰胺生成。

3. 高風速使薯條表面褶皺加劇、內部孔隙率增大，淀粉晶體結構受損，進一步加速水分遷移與有害物質累積。

4. 調控電機轉速、扇葉尺寸、底部肋條高度，將周邊風速控制在3.33 m/s以下，縮小中心與周邊風速差，可有效降低丙烯酰胺生成并提升分布均勻性。

原文鏈接與參考文獻

參考文獻1：Andrés, A., Arguelles, á., Castelló, M. L., & Heredia, A. (2012). Mass transfer and volume changes in French fries during air frying. Food and Bioprocess Technology, 6(8), 1917–1924. 

參考文獻2：Stadler, R. H., Blank, I., Varga, N., Robert, F., Hau, J., Guy, P. A., et al. (2002). Acrylamide from Maillard reaction products. Nature, 419(6906), 449–450.