摘要：为研究油炒过程搅拌频率、锅底到火源距离对食品体系吸热功率的影响, 通过构建油炒过程食品体系传热学控制方程, 结合试验传热学手段, 建立了分析测定油炒过程食品体系吸热功率的方法。应用结果表明, 搅拌频率相同时, 食品体系吸热功率随锅底到火源距离增大而线性减小; 锅底到火源距离相同时, 食品体系吸热功率随搅拌频率增加而线性增大。同时, 采用油脂替代法, 研究了两种对象烹饪食品体系吸热功率, 其平均和峰值吸热功率分别为3.17 kW, 2.93 kW以及5.32 kW, 5.94 kW。误差分析表明, 油脂替代法研究实际油炒过程食品体系吸热功率具有工程价值。
关键词：油炒; 搅拌频率; 锅底到火源距离; 食品体系吸热功率; 对流换热系数
动力学分析表明，温度对烹饪品质有决定性影响[1]，而温度又由烹饪中的热/质传递决定[2]，而食品体系吸热对烹饪热/质传递过程有决定性影响。显然，食品体系吸热功率是影响烹饪品质的关键因素。因此，无论是烹饪过程传递-品质变化研究，还是烹饪自动化的参数需求[3]，都需要把握烹饪过程食品体系吸热功率的变化规律，建立有实用价值的、基于理论和试验传热学的测算方法。
文献[2, 4]构建了食品体系为液体-颗粒的烹饪传热数学模型并开展模拟计算，虽然构建了功率研究的理论基础，但并未直接研究烹饪食品体系吸热功率，更没有建立试验传热学测定方法。文献[5-7]以研究燃气灶热效率为目的，开展了灶具-锅具的理论-试验传热研究，分析了锅底到火源距离对功率的影响，但未涉及食品体系吸热功率，也未考虑搅拌对功率的重要影响。同时，在构建将手工烹饪转变为自动烹饪方法时，发现搅拌频率是传热控制和烹饪品质形成的决定性参数[3]。显然，有必要研究搅拌频率对食品体系吸热功率的影响。
油炒是指中式烹饪中以油为传热介质的“炒”“爆”“熘”等。油炒是中式烹饪的代表性工艺[8]，具有过程激烈、非稳态性质显著的特点[2]，复杂性高于“煮”“蒸”等烹饪方法，适合作为研究对象。
在烹饪自动化的工程设计中，热源可能是非化石能源的其它能量形式，如电磁感应、电阻、微波等加热形式，其传热学规律及热量控制方式与日常烹饪显著不同。不同加热形式下，要取得相同的烹饪品质，就必须使食品体系吸收的热量相同。因此有必要研究日常油炒烹饪食品体系吸热功率的原理和变化规律，为烹饪自动化建立工程设计基础。
综上，需要基于理论-试验传热学，开展油炒烹饪食品体系吸热功率影响因素的研究，构建实际烹饪过程食品体系吸热功率变化的测算方法，把握烹饪的过程规律，获得基础数据。
1.1 理论基础
1.1.1 油炒烹饪食品体系传热与功率
典型中式烹饪的过程特征是开放锅内被搅拌液体-食品颗粒的传热过程[2]。主要传热方向为热源→锅→液体→食品颗粒，以及食品颗粒表面向中心的传热，传热方式涵盖了热传导、热对流和热辐射。
首先，从热/质传递角度分析，参照间隙搅拌模型[2,9]，忽略食品体系辐射散热，假设搅拌使油温均匀，考虑锅内壁到食品颗粒的传热过程：液体-锅内壁对流换热=液体吸热+液体-食品颗粒对流换热+食品颗粒蒸发散热，则食品体系吸热功率Psw可按式（1）计算。
式中：由右至左各项分别为水分蒸发吸热功率、液体-食品颗粒对流吸热功率、液体吸热功率、液体-锅内壁对流吸热功率、食品体系吸热功率，W；hvf——液体-锅内壁对流换热系数，W/（m2·K）；Avf——液体-锅内壁接触面积，m2；Tf——液体温度，℃；Tvi——锅内壁温度，℃；Cpf——液体比热容，J/（kg·℃）；mf——液体质量，kg；t——时间，s；hfp——液体-食品颗粒对流换热系数，W/（m2·K）；Ap——食品颗粒表面积，m2；Tps——食品颗粒表面温度，℃；Nx——水的质量流率，kg/（m2·s）；Hv——水的蒸发潜热，J/kg。式（1）表征了烹饪食品体系吸热功率形成的原理。
其次，从能量平衡角度分析，当体系没有对外物质传递时，食品体系吸收热量等于各原料吸收能量之和，表达式如式（2）所示。
式中：Qs——食品体系吸收热量，J；mi——第i种烹饪原料质量，kg；n——烹饪原料种类数；T1，T2——加热初、末态温度，℃。Cp,i——第i种原料比热容，J/（kg·℃）。式（2）表征了食品体系吸收热量的结果。
食品体系吸热功率是食品体系吸收热量与加热时间的比值，t时刻食品体系平均吸热功率表达式如式（3）所示。
而食品体系瞬时吸热功率可按式（4）计算：
1.2 试验材料
菜籽油、猪肉、胡萝卜、洋葱、青椒，市售。
1.3 仪器与设备
热成像仪：PI200，德国欧普力公司；烹饪传热学及动力学数据采集分析系统，自研[10]；铠装热电偶：WRKK-103，奥奇自动化仪表设备有限公司，直径0.5 mm；电子天平：MS12002TS，梅特勒公司；数码摄像机：GC-P100BAC，日本胜利公司；液化石油气灶：SL，肇庆超群厨具有限公司，锅底到火源的最短距离为5 cm；铁锅：厚度、深度和锅口直径分别为2，120和390 mm；炒勺：无磁不锈钢，勺径、勺深和手柄长度分别为130，30和290 mm。
1.4 试验方法
1.4.1 分析锅底到火源距离及搅拌频率对功率的影响
1.4.1.1 基本原理
在设定的锅底到火源距离及搅拌频率条件下，测定得到油脂温度-时间关系，并进行三阶拟合，使得温度曲线平滑，以控制功率的不合理波动。将加热时间按1 s步长连续分段，计算出每段的平均吸热功率后取平均值，食品体系平均吸热功率按式（3）计算。油脂比热容按文献[11]中的公式计算：
式中：Cp,o——油脂比热容，J/（kg·℃）；Tf,o——油脂温度，℃。
1.4.1.2 试验分组与条件
参照文献[12-13]，使用液化石油气灶作为火源，锅底到火源距离的调节范围为5～11 cm。分析数十个贵阳新东方烹饪学校油炒烹饪过程教学录像，发现搅拌器沿锅底回转搅拌是常用的搅拌方式，搅拌频率范围在每秒0.5～2次，即0.5～2 Hz，以此为试验条件。调查发现，烹饪供三口之家食用的一个油炒菜肴，食用油脂和原料的平均添加量分别在50 g和300 g左右，以此为试验条件。
以350 g油脂为唯一原料，锅底到火源距离设置5，8和11 cm三个梯度，搅拌频率设置0.5，1和2 Hz三个梯度，两两组合进行烹饪试验，每组三个平行。油脂初始温度与室温相同，最大火力加热，通过自制的升降架调节锅底到火源距离，搅拌频率由厨师操作控制。试验室温为12.5 ℃。
1.4.1.3 油脂温度测定
烹饪传热学及动力学数据采集分析系统采集油脂温度。用热电偶测定代表平均温度的油脂中心处的温度变化：将热电偶末端放入锅中心，使其到锅底与油脂液面距离相等。采集间隔设置为1 s。
1.4.2 油脂替代法研究实际烹饪的功率
1.4.2.1 油脂替代法
对于作为分析对象的液体-颗粒油炒烹饪，以等质量油脂替代颗粒，使得油脂作为唯一的烹饪原料，模拟与实际烹饪尽量一致的烹饪操作，测定油脂温度变化，计算得到的功率曲线，为对象烹饪的近似功率曲线。原理分析见讨论3.2。试验装置和材料示意图见图1。
图1 油脂替代颗粒的烹饪（左）与实际烹饪（右）
1.4.2.2 对象烹饪
选择两种对象烹饪，品种和工艺流程如下。葱爆五花肉（a）：锅预热→油脂预热→葱、青椒、过油肉片→翻炒→出锅；鱼香肉丝（b）：锅预热→油脂预热→胡萝卜、青椒、过油肉丝→翻炒→出锅。
葱爆五花肉、鱼香肉丝烹饪时，以最大火力加热。现场采集锅预热温度、原料初始温度，测量锅底到火源距离，称量添加油脂及原料质量，同时摄像记录烹饪过程。分析录像推算油脂添加时间、原料投放时间、搅拌频率、颠锅频率和翻炒时间。见表1。
表1 葱爆五花肉（a）、鱼香肉丝（b）操作参数
项目ab锅预热温度/℃130128油脂添加时间/s77油脂添加质量/g50.2150.73原料投放时间/s910投料质量/g250.83250.68搅拌频率Hz1.81.4颠锅频率Hz0.50.3原料初始温度/℃12.512.5锅底到火源距离/cm55翻炒时间/s1721
1.4.2.3 油脂与锅内壁温度采集
油脂温度采集与1.4.1.3方法相同。利用热成像仪采集锅内壁温度，取平均值，采集间隔设置为1 s。
1.4.2.4 食品体系平均吸热功率
与1.4.1.1方法相同。
1.4.2.5 食品体系瞬时吸热功率
按式（4）计算，将微分变为差分，时间差分为1 s。
2.1 锅底到火源距离及搅拌频率对功率的影响
图2 油脂温度曲线
图3 食品体系平均吸热功率与搅拌频率、距离的关系
由图3可见，当锅底到火源距离固定时，食品体系平均吸热功率随搅拌频率增加而线性增加；当搅拌频率相同时，食品体系平均吸热功率随锅底到火源距增大而离线性减小。锅底到火源距离、搅拌频率分别为5～11 cm，0.5～2 Hz时，食品体系平均吸热功率变化范围为1.49～3.57 kW。锅底到火源距离为5 cm、搅拌频率为2 Hz时，食品体系平均吸热功率最大，为3.57 kW。2.2 油脂替代法研究实际烹饪食品体系吸热功率
图4 葱爆五花肉（a）、鱼香肉丝（b）食品体系吸热功率变化
葱爆五花肉、鱼香肉丝食品体系平均和峰值吸热功率分别为3.17 kW，2.93 kW以及5.32 kW，5.94 kW。食品体系瞬时吸热功率变化见图4。油脂预热阶段，油脂与锅内壁接触面积小，油脂-锅内壁对流换热强度较弱，油脂瞬时吸热功率小，见功率曲线第1阶段；加入与原料质量相等的油脂后，油脂与锅内壁接触面积变大，油脂温度降低，换热过程得到强化，吸热功率迅速增加，见功率曲线第2阶段；随着烹饪进行，油脂温度升高，吸热功率逐渐减小，见功率曲线第3阶段。
3.1 影响油炒烹饪食品体系吸热功率的因素
文献[14]提出了影响烹饪传热的43个参数。但人们更关注的是控制烹饪传热、影响烹饪品质的烹饪操作因素，如搅拌条件、刀工、火力等。由食品体系吸热功率的控制方程式（1）分析如下：
1）搅拌频率：搅拌频率越高，hvf越大，则Psw越大，如图3所示；2）食品体系与锅内壁接触面积Avf：Avf越大，则Psw越大，反之则小。因此小量烹饪时，Avf小，即使火力很大，Psw并不大，如图4功率曲线1阶段所示；3）油脂-锅内壁温差：温差越大，Psw越大。锅内壁温度Tvi是影响该温差的关键因素，由火力大小控制。而在日常快速油炒烹饪中，火力大小通常是由锅底到火源的距离控制的，距离越小，Psw越大，如图3所示；4）食品体系温度：油脂-锅内壁温差对Psw的影响很大，当没有增减原料时，随着烹饪进行，食品体系升温，油脂温度升高，温差减小，Psw逐渐减小，如图4功率曲线3段所示；5）原料质量：原料越多，原料比热容越大，则食品体系总热量越大，使得Psw较高；6）油脂与烹饪原料的换热：搅拌剧烈时，油脂-颗粒对流换热系数升高，导致热量快速加入颗粒原料[2,4]，油脂升温速率缓慢而使Psw增大；7）刀工：原料切割越细，则颗粒表面积越大，颗粒吸热能力增强[4]，使油脂温度升高缓慢而使Psw增大；8）食品体系蒸发：当油脂温度高于烹饪原料沸点时，原料表面出现蒸发，形成剧烈的体系外热量耗散，使油脂温度降低，Psw增加。
在影响吸热功率的所有因素中，锅底到火源距离和搅拌频率是烹饪时可控且易控的，其它因素都是由菜肴配方、工艺及热/质传递规律决定。由于吸热功率需求与火力相关，上述分析能够对烹饪过程火力控制起指导作用。
3.2 油脂替代法研究食品体系吸热功率的原理
式（1）中式和右式及式（3）都可用于计算食品体系吸热功率。式（1）中式的hvf受搅拌影响，烹饪过程中数值变化大[14-15]，且较难测量，难以用于食品体系吸热功率测定；式（1）右式中因素众多，且颗粒温度处于非稳态，且运动颗粒的温度测量是世界性难题[16]，也难以应用。采用式（3）时，也有颗粒温度测量问题。在此情况下，只好采用油脂替代法利用式（3）近似计算食品体系吸热功率。
3.3 油脂替代法的功率测定误差
首先分析油脂替代形成的误差。用油脂替代食品颗粒后，虽然质量相同，但比热容不同，100 ℃时，菜籽油比热为2.85 J/（kg·℃），与常见的肉类接近，见表2。从烹饪工程设计角度分析，人们更关注的是峰值功率。通常在爆炒烹饪畜禽类蛋白原料，如肉类时，出现峰值功率，油脂替代产生的误差很小。当蔬菜比例较高时，会出现一定误差。
表2 常见食品的比热容[17-19]
食品种类比热容/ J·(g·℃)-1食品种类比热容/ J·(g·℃)-1鲜猪肉2.85全蛋3.31鲜羊肉2.8~3.2洋葱3.23牛肉2.91~3.42胡萝卜3.6家禽3.37青椒3.93
其次分析油脂替代形成的传热学参数改变产生的误差。由式（1）中式参数来比较。油脂替代颗粒后，会导致hvf的变化，但由于搅拌条件近似，变化不大。油脂-颗粒质量比较小时，由于颗粒非稳态传热比油脂直接吸热滞后，可能产生一定误差，使测定的吸热功率值略微偏小。在油脂温度很高时，颗粒会出现蒸发，用油脂替代后，蒸发消失，也会导致吸热功率数据偏小。根据烹饪试验传热学经验[14,20]，两种传热过程的hvf最大误差小于10%，即对功率影响小于10%。
文献[2]指出，实际烹饪过程，由于搅拌作用，液体-锅内壁、液体-颗粒对流换热系数变化规律相同，数值接近。油脂代替颗粒进行烹饪，研究鱼香肉丝液体-锅内壁对流换热系数，先后加入50.73 g油脂、与原料质量相等的250.68 g油脂，油脂在锅内的深度分别为0.008 m，0.02 m，按球缺表面积公式计算油脂与锅内壁接触面积为0.007 3 m2，0.018 2 m2，按牛顿冷却公式[21]计算出液体-锅内壁对流换热系数为1 334.7 W/（m2·K），文献[20]利用TTIs技术结合数值模拟测算出鱼香肉丝烹饪过程液体-颗粒对流换热系数为1 301.5 W/（m2·K），相对误差为2.6%。综合考虑，上述方法的食品体系功率测定结果误差通常小于20%，可以用于烹饪过程的工程设计，具有实用价值。
基于能量平衡和热/质传递过程，构建了油炒过程食品体系传热与吸热功率控制方程；结合试验传热学手段，构建了分析测定油炒过程食品体系吸热功率的方法。研究结果表明，搅拌频率相同时，食品体系吸热功率随锅底到火源距离增大而线性减小；锅底到火源距离相同时，食品体系吸热功率随搅拌频率增加而线性增大。同时，采用油脂替代法，研究了葱爆五花肉、鱼香肉丝烹饪过程食品体系吸热功率，其平均和峰值吸热功率分别为3.17 kW，2.93 kW以及5.32 kW，5.94 kW。最后，对油脂替代法进行烹饪计算出的鱼香肉丝液体-锅内壁对流换热系数与实际值进行了误差分析，相对误差为2.6%，证明油脂替代法研究实际油炒过程食品体系吸热功率具有实用价值。
参考文献：
[1] 邓力. 烹饪过程动力学函数、优化模型及火候定义[J]. 农业工程学报, 2013, 29(4): 278-284.
[2] 邓力. 中式烹饪热/质传递过程数学模型的构建[J]. 农业工程学报, 2013, 29(3): 285-292.
[3] 邓力. 基于时间温度积分器将手工烹饪转变为自动烹饪的方法[J]. 农业工程学报, 2013, 29(6): 287-292.
[4] 邓力. 炒的烹饪过程数值模拟与优化及其技术特征和参数分析[J]. 农业工程学报, 2013, 29(5): 282-292.
[5] AP RAMMOHAN, MANJUNATH SWAMY HM. Home madeelectricity from gas stove[J]. International Journal of Engineering Research and Development, 2013, 8(6): 29-34.
[6] 李兆坚, 江亿. 家用燃气灶热效率特性测试分析[J]. 应用基础与工程科学学报, 2006, 14(3): 368-374.
[7] 张健. 影响家用燃气灶具热效率测试因素的探讨[J]. 能源技术, 2007, 28(5): 294-299.
[8] 高海薇. 中西烹调方法的比较[J]. 四川烹饪高等专科学校学报, 2001(4): 20-22.
[9] 李云飞, 葛克山. 食品工程原理[M]. 北京: 科学出版社: 2002.
[10] 周杰, 邓力, 严勇, 等. 烹饪传热学及动力学数据采集分析系统的研制[J]. 农业工程学报, 2013, 29(23): 241-246.
[11] 武向红, 郑丹星, 何信菊, 等. 微量量热法测定生物柴油和菜籽油的比热容[J]. 工程热物理学报, 2007, 28(5): 737-740.
[12] 薛兴, 刘芳. 锅支架高度对燃气灶热效率影响的数值模拟[J]. 装备制造技术, 2012(11): 42-43.
[13] 李小龙. 家用燃气灶的热效率分析[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2010.
[14] DATTA A K. Porous media approaches to studying simultaneous heat and mass transfer in food processes. I: Problem formulations[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 80(1): 80-95.
[15] HALDER A, DATTA A K. An improved, easily implementable, porous media based modle for deep-fat frying part I: Modledevelopmentand input parameters[J]. Food and Bioproducts Processing, 2007, 85(3): 209-219.
[16] 邓力, 金征宇. 液体-颗粒食品无菌工艺的研究进展[J].农业工程学报, 2004, 20(5): 12-21.
[17] RAO M A, RIZVI S S H. Engineering property of food[M]. New York: Marcel Dekker Press, 1986: 61-70.
[18] 天津轻工学院. 无锡轻工学院.食品工艺学 (上册)[M]. 北京: 轻工出版社, 1984: 189-199.
[19] 张敏, 钟志友, 杨乐, 等. 果蔬比热容的影响因素[J]. 食品科学, 2011, 11(32): 9-13.
[20] 黄德龙. 爆炒烹饪TTIs的构建及应用研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2016.
[21] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006: 7.
Study on Endothermic Power of Food System in Oil Frying
Cui Jun, Deng Li*, Wang Xiao, Li Shuang-yan, Wang Lei
College of Liquor and Food Engineering, Guizhou University (Guiyang 550025)
Abstract：To study the effect of stirring frequency and the distance of the bottom of the pot from the fire on the endothermic power of food system in oil frying process, a method for determining the endothermic power of the food system was established by establishing the heat transfer equation and combining with the experimental heat transfer method. The experimental results show that the endothermic power of the food system decreases linearly as the distance of the bottom of the pot from the fire increases when the stirring frequency was same, and the endothermic power of the food system increases linearly with the increased stirring frequency when the distance of the bottom of the pot from the fire is same. Meanwhile, the endothermic power of food system for two Chinese dishes was measured by using oil instead of cooking materials. The average endothermic powers were 3.17 kW and 2.93 kW, and the peak endothermic powers were 5.32 kW and 5.94 kW. The error analysis showed that the oil substitution method for the study of the endothermic power of the food system has engineering application value.
Keywords：oil frying; stirring frequency; distance; the endothermic power of food system; convective heat transfer coefficient
*通讯作者；基金项目：国家自然科学基金项目（31660449），贵州省科技计划项目（黔科合农G字[2013]4016号），贵州省重大科技专项计划项目（黔科合重大专项字[2015]6004），贵阳市科学计划项目（生物重大专项[2010]筑农合同字第8-1号），研究生卓越人才（黔教研合XYRC字[204]003），贵州省研究生工作站项目（黔教研合[2015]009）
联系客服
