气流速度调控下空气炸薯条丙烯酰胺分布均匀性机制

2025年4月，江南大学夏书芹研究团队和美的公司在《Food Chemistry》（IF=7.514）发表题为“空气炸锅内气流速度对薯条中丙烯酰胺生成均匀性的调控机制：水分迁移与微观结构演变"研究，探究空气炸锅中心与周边风速对薯条丙烯酰胺生成的影响，以及薯条水分特性与微观结构的演变规律。

摘要

为改善空气炸薯条中丙烯酰胺分布不均的问题，本研究考察中心与周边区域风速对丙烯酰胺生成的影响，并分析薯条水分特性与微观结构变化。受风速差异影响，炸篮周边区域薯条的丙烯酰胺累积量至少为中心区域的1.5倍；当周边风速从2.00 m/s升至5.00 m/s时，薯条丙烯酰胺含量至少升高2.8倍。高风速会加剧自由水流失，改变水分状态，使结合水占比超50%；薯条表面褶皱程度与内部孔隙率随风速升高显著增大。将周边风速控制在3.33 m/s以下，并缩小中心与周边风速差，可提升丙烯酰胺生成均匀性，为控制丙烯酰胺产生提供指导。

实验材料与仪器

实验材料

冷冻薯条、丙烯酰胺、5-羟甲基糠醛（HMF）、氯化钠、氯化镁、甲醇、正己烷、甲酸、乙腈、乙酸乙酯、石油醚

实验仪器

美的1500 W空气炸锅、水分测定用干燥箱、GBX  eFAst-Lab水分活度仪、低场核磁共振仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、超高效液相色谱-串联三重四极杆质谱仪、ANSYS Fluent 2022R1流体仿真软件

实验过程                       

样品制备与参数设置：采用180 ℃、18 min工艺烹饪300 g冷冻薯条，依次设置电机转速1500、2000、2500 rpm，扇叶尺寸100、125、150 mm，底部肋条高度0、10、20 mm，每次仅改变单一参数；将炸篮分为中心区与周边区，分别取样检测。

2. 基础指标测定：105 ℃烘干法测水分含量，GBX  eFAst-Lab水分活度仪测水活度；LC-MS/MS测定丙烯酰胺与HMF含量。

GBX  eFAst-Lab水分活度仪

不同空气炸锅参数下油炸后薯条的水分含量与水活度

3. 水分状态分析：低场核磁共振测横向弛豫时间T₂，区分结合水、不易流动水与自由水；磁共振成像观察水分空间分布。

4. 微观与晶体结构分析：扫描电镜观察表面与内部微观形态，ImageJ计算孔隙率；X射线衍射分析淀粉晶体结构与相对结晶度。

5. 风速仿真：ANSYS Fluent模拟炸篮内中心与周边风速分布，计算风速差异。

6. 数据统计：单因素试验设计，SPSS进行方差分析，Duncan检验差异显著性（P<0.05）。

实验结论

1. 空气炸锅周边风速高于中心，导致周边薯条丙烯酰胺、HMF含量更高，扇叶尺寸对区域风速差影响明显。

2. 风速升高加速薯条表面水分流失，降低水活度，自由水占比下降、结合水占比上升，促进美拉德反应与丙烯酰胺生成。

3. 高风速使薯条表面褶皱加剧、内部孔隙率增大，淀粉晶体结构受损，进一步加速水分迁移与有害物质累积。

4. 调控电机转速、扇叶尺寸、底部肋条高度，将周边风速控制在3.33 m/s以下，缩小中心与周边风速差，可有效降低丙烯酰胺生成并提升分布均匀性。

原文链接与参考文献

参考文献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. 

参考文献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.