李宏燕，何建國,,*，馬 瑩，王松磊,，吳龍國，康寧波，王芹志

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

自然對流紅外輻射復(fù)合加熱在羊肉烤制過程中的傳熱解析

李宏燕1，何建國1,2,*，馬 瑩2，王松磊1,2，吳龍國1，康寧波1，王芹志2

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

對基于電熱管與紅外復(fù)合加熱方式下的羊肉烤制傳熱過程進行分析，探究其“外焦里嫩”特征品質(zhì)的烤制方法及規(guī)律。利用紅外測溫成像技術(shù)測定羊肉烤制過程溫度分布，結(jié)合熱力學(xué)參數(shù)及三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，分析羊肉樣本溫度分布與烤制溫度、時間之間的響應(yīng)關(guān)系；利用差示掃描量熱儀分析羊肉加熱過程中水分散失及蛋白質(zhì)變性規(guī)律，闡述不同紅外功率對羊肉烤制品質(zhì)的影響及烤制過程中表面抹油對烤制傳熱的影響。研究表明，烤制過程分為電熱管加熱與紅外加熱兩階段，第一階段烤制溫度為85～140 ℃，烤制5 min，利用高溫?zé)釄鍪篃崃坑赏饧皟?nèi)逐漸傳遞，促進香氣及風(fēng)味物質(zhì)形成，中心溫度達到60 ℃時停止加熱并進行表面抹油降溫；第二階段采用2.0 kW短波紅外加熱管烤制2 min，肉表溫度可迅速升至120 ℃，短波輻射高熱流密度與低穿透性使肉表皮美拉德反應(yīng)更充分，形成焦化皮膜阻隔層，減少內(nèi)部水分散失，肉膜表面與內(nèi)部溫差加大。最終通過溫度、時間及加熱方式精確控制促使肉制品產(chǎn)生“外焦里嫩”的燒烤品質(zhì)，初步建立“外焦里嫩”羊肉烤制熱力學(xué)規(guī)律及方法，為開發(fā)工業(yè)化烤制生產(chǎn)設(shè)備提供依據(jù)。

自然對流；紅外輻射；烤制；傳熱

加熱是肉制品熟化的必要手段，肉中所含脂肪、蛋白質(zhì)及糖類等物質(zhì)在加熱條件下發(fā)生特定的理化反應(yīng)，蛋白質(zhì)變性、脂肪氧化并分解產(chǎn)生氨、胺類、低級脂肪酸等風(fēng)味物質(zhì)，導(dǎo)致肉的口感品質(zhì)特性及形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[1]，這些變化均與肉制品加熱方式及加熱參數(shù)密切相關(guān)[2]。不同烹飪方式中的不同加熱速率、時間和加熱溫度、終點溫度等會引起食材內(nèi)部發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，使最終食品食用品質(zhì)不同[3-4]。因此，傳熱動力學(xué)分析及熱力學(xué)參數(shù)控制成為當(dāng)前肉制品加工行業(yè)中的重要研究內(nèi)容。潘騰等[5]通過熱電偶探針監(jiān)測里脊不同橫截面積內(nèi)部中心點升溫曲線，利用非線性數(shù)據(jù)回歸建立羊排烤制溫度-時間預(yù)測數(shù)學(xué)模型；李汴生等[6]研究了不同含水率肉雞烤翅熱殺菌過程的熱穿透特性、品質(zhì)變化及反應(yīng)動力學(xué)；蔡路昀等[7]對180 ℃條件下，不同烤制時間的沙丁魚片色澤、質(zhì)構(gòu)特性及揮發(fā)性成分的變化進行檢測研究；王兆明等[8]研究不同中心溫度條件下，兔肉食用品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性和蛋白質(zhì)溶解度變化規(guī)律，并對兔肉升溫特性曲線進行數(shù)學(xué)擬合分析；謝小雷等[9]研制了一種適合肉干連續(xù)化生產(chǎn)的中紅外-熱風(fēng)組合干燥設(shè)備，實現(xiàn)了肉干的高效率、高品質(zhì)脫水干燥；鄧力[10-11]、Wang Jinfeng[12]與Datta[13]等則從過程原理角度分析傳統(tǒng)烹飪過程特征，利用過程傳遞理論建立烹飪中液體-顆粒食品的傳熱模型，并利用動力學(xué)函數(shù)定量描述烹飪品質(zhì)，針對烹飪火候開展動力學(xué)分析，建立優(yōu)化模型，探索了烹飪的關(guān)鍵技術(shù)原理。國內(nèi)外多名學(xué)者對不同肉制品加工過程傳熱動力學(xué)特性進行了深入研究，揭示了肉制品熟化及品質(zhì)變化機理，建立并優(yōu)化了傳熱模型，成功開發(fā)了肉制品加工設(shè)備，為肉制品加工品質(zhì)提升、能耗降低等提供了重要的研究方法與指導(dǎo)[14-19]。

烤制作為肉制品熟化加工的重要方法，具有加熱均勻、升溫迅速、風(fēng)味獨特等優(yōu)點，烤制肉制品尤其是羊肉串等傳統(tǒng)食品受到眾多消費者的喜愛。當(dāng)前相關(guān)研究主要集中在肉制品烤制過程中工藝參數(shù)優(yōu)化，脂肪組成變化，雜環(huán)胺類及有害物質(zhì)形成，水分、嫩度、色澤等品質(zhì)特性變化，烤制終點溫度分析等方面，對烤制過程的傳熱動力學(xué)解析及過程熱力學(xué)參數(shù)分析較少，阻礙了肉制品烤制加工技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品品質(zhì)提升[20-25]。

傳熱過程解析及熱力學(xué)參數(shù)控制是提高傳熱效率、改善食用品質(zhì)、降低能耗的重要途徑，本研究針對傳統(tǒng)炭火烤制肉制品對人體健康及環(huán)境污染危害較大的弊端，建立電熱管對流與紅外輻射復(fù)合加熱方式對肉制品進行無煙烤制方法，結(jié)合多維非穩(wěn)態(tài)傳熱原理對其傳熱過程進行解析，以期為高品質(zhì)肉制品工業(yè)化烤制裝置研發(fā)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

寧夏灘羊后腿肉1 200 g，購于銀川市西夏區(qū)寧陽超市，剔骨、去筋膜、去脂肪，-18 ℃冷凍貯藏備用。亞麻籽油購于銀川市西夏區(qū)寧陽超市。

1.2 儀器與設(shè)備

復(fù)合加熱式自動燒烤樣機（自制）如圖1所示，串簽旋轉(zhuǎn)速率45 r/min、加熱管單根功率200 W、直徑16 mm、長200 mm、加熱管（共20 根）間距50 mm；加熱管離肉制品距離40 mm，側(cè)壁裝PT100型熱電偶（用于檢測加熱環(huán)境溫度）；紅外石英管長1 m，直徑16 mm，選用4 種功率1.0、1.5、2.0 kW及2.5 kW，每組選同功率2 根進行實驗，石英管與肉樣本間距45 mm。

圖1 實驗用自動燒烤機復(fù)合加熱系統(tǒng)Fig. 1 Picture of the automatic integrated barbecue machine

572-2紅外測溫儀 美國福祿克電子儀器儀表公司；DSC8500差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國珀金埃爾默儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣本制備

取冷凍肉樣品，放置于空氣中自然解凍至-6 ℃左右進行制樣。為增加烤制肉塊的比表面積，切成長×寬×厚為25 mm×10 mm×15 mm的長方體，待肉樣本溫度升至室溫20 ℃時，穿在串簽上放入自制燒烤設(shè)備中，進行電加熱管加熱和紅外加熱管加熱烤制。

1.3.2 羊肉熱導(dǎo)率、傳熱系數(shù)及加熱終點的測定

熱導(dǎo)率反應(yīng)物質(zhì)本身傳遞熱量的能力，不僅與物質(zhì)組成成分、組織纖維結(jié)構(gòu)、孔隙分布等因素有關(guān)，還與水分含量密切相關(guān)。設(shè)羊肉在烤制過程中從20 ℃升溫到90 ℃（內(nèi)外平均溫度），利用二元體系傳熱模型估算熱導(dǎo)率。羊肉主要由水分（75.17%）、蛋白質(zhì)（16.35%）、脂肪（7.98%）、碳水化合物（0.31%）、灰分（1.19%）等組成，設(shè)各組分各向同性，二元體系傳熱模型將內(nèi)含物依次分為兩個組分，一個組分為連續(xù)相，另外一個組分為分散相，如第一步以水分為連續(xù)相，蛋白質(zhì)為分散相，第二步則以水分和蛋白質(zhì)為連續(xù)相，脂肪為分散相，以此類推進行迭代計算羊肉熱導(dǎo)率。根據(jù)公式（1）～（3）[26]計算。熱導(dǎo)率反映肉表面熱量向中心傳遞情況，熱導(dǎo)率越大說明熱量在該物質(zhì)中損耗越小。

式中：Q為相對熱導(dǎo)系數(shù)；XVd，i+1為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ki、ki+1分別為第i及i+1個組分的熱導(dǎo)率/（W/（m·K））；Vi+1為第i+1個組分的比體積。

加熱管對羊肉進行烤制過程中，首先由電熱管對羊肉樣本周圍空氣進行加熱，冷熱空氣通過密度流把熱量傳遞到羊肉樣本膜表面，后以熱傳導(dǎo)方式向中心滲透，此過程涉及肉制品表面與熱空氣對流傳熱系數(shù)及空氣與肉表面的膜傳熱系數(shù)。根據(jù)公式（4）～（6）計算電熱管與空氣之間的對流傳熱系數(shù)α1和空氣與肉表面的膜傳熱系數(shù)α2，比較兩者差值，分析烤制過程中熱量傳遞規(guī)律。

式中：α為對流傳熱系數(shù)或膜傳熱系數(shù)/（W/（m2·K））；ρ為密度/（kg/m3）；cp為比熱容/（kJ/（kg·℃））；μ為黏度/（Pa·s）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)/（W/（m·K））；Pr為普朗特數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)；g為重力加速度/（m/s2）；l為傳熱長度/m；Δt為傳熱溫差/℃；β為體積膨脹系數(shù)；C和n為計算參數(shù)，由Pr、Gr值查表確定。

加熱終點值確定：肉制品加熱中心最冷點溫度需能使蛋白質(zhì)完全變性，同時應(yīng)保證殺滅肉中細菌，此溫度可作為烤制的理論加熱終點值。實驗采用DSC法檢測蛋白質(zhì)完全變性所需的最低溫度作為中心成熟溫度。實驗取樣15 mg，起始平衡溫度為20 ℃，升溫速率5 ℃/min，升溫至140 ℃，得熱流率隨時間變化曲線，通過對比分析，解析蛋白質(zhì)變性及水分隨烤制溫度變化機理。

1.3.3 肉制品烤制三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型及中心溫度計算

圖2 三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型圖Fig. 2 Modeling plot for three-dimensional unsteady heat conduction

羊肉樣本熱傳遞為內(nèi)部和表面熱阻均不能忽略的多維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，因此采用三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱進行分析，長方體的肉塊長、寬、高面均為非絕熱面，將其假設(shè)成厚度分別為a、b、c的3 個無限大平板相交的公共部分，計算過程考慮空氣熱阻及熱量損失，經(jīng)溫度傳感器測量得距離加熱棒4 cm處空氣溫度為140 ℃（圖2）。在θ時刻樣本中心相對溫度Tc*（x，y，z）可表示成3 個一維無量綱溫度的乘積[27]，如公式（7）所示。再根據(jù)公式（8）～（12）獲得Tc*、F0、m、n等值，查大平板物體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱算圖即可得到θ時刻樣本中心溫度t。

式中：Tc*（x，θ）為x方向的無量綱溫度；Tc*（y，θ）為y方向的無量綱溫度；Tc*（z，θ）為z方向的無量綱溫度；t為θ時刻樣本中心溫度/℃；t0為樣本初始溫度/℃；tb為加熱環(huán)境溫度/℃；λ為羊肉熱導(dǎo)率/（W/（m·K））；cp為比熱容/（kJ/（kg·K））；ρ為羊肉密度/（kg/m3）；α為膜表面對流傳熱系數(shù)，中心位置時取x＝0、y＝0、z＝0；m為傳熱過程相對熱阻；Fo為傅里葉數(shù)；n為相對位置；b為樣本厚度/m。

1.3.4 樣本表面油脂涂層傳熱實驗

將羊肉樣本放置在多根加熱管上進行旋轉(zhuǎn)烤制，旋轉(zhuǎn)速率為45 r/min。當(dāng)烤制時間為300 s時，樣本表面溫度升至約84.2 ℃，其中一個樣本表面涂抹亞麻籽油處理，另一個樣本繼續(xù)烤制，分析兩個樣本品質(zhì)隨時間的變化。

1.3.5 紅外輻射加熱過程傳熱實驗

采用功率分別為1.0、1.5、2.0、2.5 kW紅外加熱管對羊肉樣本分組進行烤制實驗[28-29]。加熱管離肉表面距離20 mm，使用紅外測溫儀檢測表面溫度，達到100 ℃停止加熱。立即使用紅外熱成像儀檢測肉樣本橫切面溫度分布，利用Smart View軟件分析肉截面溫度分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 電熱管加熱烤制過程傳熱參數(shù)及解析

由二元體系模型經(jīng)過迭代計算得出羊腿部肉熱導(dǎo)率為0.556 W/（m·K）、比熱容為3.30 kJ/（kg·K）；熱導(dǎo)率高可以使樣本內(nèi)部形成穩(wěn)定的導(dǎo)熱狀態(tài)，熱量損耗少，有利于樣本內(nèi)部形成一個穩(wěn)定的溫度梯度分布，使樣本中心最冷點達到傳熱熟化要求。

計算得到空氣在電加熱管作用下的自然對流傳熱系數(shù)為α1＝1.566 W/（m2·K），空氣與羊肉表面膜傳熱系數(shù)α2＝9.4 W/（m2·K）。可知肉表面膜傳熱系數(shù)遠大于空氣對流傳熱系數(shù)，表明肉烤制過程中依靠空氣密度差傳遞熱量可以較好地滲透進入羊肉樣本，肉樣本表面熱量不斷向中心傳遞，若通過溫控裝置調(diào)節(jié)羊肉樣本環(huán)境溫度不超過140 ℃，則能夠保證肉中水分油脂隨溫度升高正常蒸發(fā)滲出，肉樣本外表面不會產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象。

2.2 不同溫度對羊肉熱流率的影響

圖3 羊肉樣本在不同溫度下的熱流率變化Fig. 3 Heat flow rate changes of mutton samples at different temperatures

從圖3可以看出，當(dāng)溫度升至40 ℃時，熱流率向下產(chǎn)生明顯波谷，一直延續(xù)至50 ℃，當(dāng)溫度達到51.5 ℃時，熱流率向下產(chǎn)生第2個尖谷，在67.4 ℃處產(chǎn)生第3個波谷，3 個波谷的產(chǎn)生與蛋白質(zhì)變性吸收潛熱緊密相關(guān)，肌球蛋白熱穩(wěn)定性較差。隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)分子氨基和?；g形成的氫鍵及肽鏈間形成的氫鍵都被破壞，蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從原來有序的卷曲纏繞緊密結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o序的松散狀，但一級結(jié)構(gòu)肽鏈不發(fā)生變化[23]。

由于結(jié)締組織中含有較多膠原蛋白，當(dāng)升溫至40 ℃時即開始變性，溫度升至50 ℃時，結(jié)締組織開始斷裂，肌原纖維收縮并變?yōu)榭扇苄悦髂z，膠原蛋白發(fā)生變性；熱穩(wěn)定性最強的是肌動蛋白，變性溫度約為67 ℃，溫度升至70 ℃時，蛋白質(zhì)變性全部完成，形成結(jié)實致密且富有彈性空間結(jié)構(gòu)。通常確定中心溫度達到75 ℃為加熱終點，在肉烤制成熟的同時保證大多數(shù)微生物被殺死[2,30]。當(dāng)繼續(xù)升溫至85 ℃時，水分蒸發(fā)加快，隨著水分蒸發(fā)及肌內(nèi)脂肪滲出帶走部分熱量，在保證樣本和空白參照溫度一致條件下，DSC儀兩個加熱器輸入功率差值進一步擴大，產(chǎn)生較大波谷，水分蒸發(fā)及肌內(nèi)脂肪滲出受到肉組織結(jié)構(gòu)通道阻力，熱流率會發(fā)生較大波動，隨著溫度進一步升高，水蒸汽壓逐漸達到飽和狀態(tài)，肉組織結(jié)構(gòu)中自由水汽化增強，損失大量熱量，樣本和空白參照所需功率差值進一步加大，最大差值達63.6 W/g；溫度升至106 ℃時，水分蒸發(fā)及肌內(nèi)脂肪滲出開始減少，溫度達到130 ℃以上，油水散失基本停止，烤制羊肉接近干制狀態(tài)。

2.3 羊肉樣本烤制時間的確定

“外焦里嫩”是烤制肉制品食用品質(zhì)的重要特征，中心溫度與其品質(zhì)特征緊密相關(guān)。羊肉樣本烤制過程是非穩(wěn)態(tài)的，烤制時間和溫度是影響中心溫度的主要因素，烤制溫度過低，中心冷點熟化需時間越長，烤制肉制品干硬難嚼，因此應(yīng)在保證肉樣本不發(fā)生外糊內(nèi)生的基礎(chǔ)上盡可能提高烤制溫度，使肉樣本表面盡快形成微觀皮膜阻隔層，減少內(nèi)部水分散失[31]。經(jīng)過大量的實驗可知當(dāng)肉制品表面形成干硬殼層時，溫度已達到140 ℃以上，溫度超過140 ℃時表面極易發(fā)生焦糊化，所以本實驗設(shè)定烤制溫度為140 ℃，利用三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型求得烤制5 min時，Tc*＝0.52，t＝77.6 ℃，保證肉串中心熟化，此時烤制肉制品脂肪部分為紅褐色，瘦肉部分為深褐色，具有明顯的皮膜層，色澤油亮、“外焦里嫩”，中心完全熟化，實際烤制效果與理論值基本一致（圖4）。

圖4 羊肉烤制效果Fig. 4 Picture of the roast mutton

2.4 樣本表面油脂涂層對傳熱過程影響分析

從圖5可以看出，烤制時間250 s內(nèi)，由于兩個樣本外形尺寸及環(huán)境溫度基本一致，因此在烤制初期表面升溫趨勢相同。當(dāng)烤制時間為300 s時，樣本表面溫度升至84.2 ℃，對樣本進行不同處理，抹油樣本表面溫度急劇下降約7.2 ℃，隨后又迅速升高。主要原因是肉串表面抹油后，油的溫度較低，涂油后羊肉表面溫度下降，且油的熱導(dǎo)率比水的熱導(dǎo)率大，傳熱速率快。390 s后兩個樣本表面溫度基本達到一致。表面溫度達到120 ℃時，此時肉表面變成深褐色，色澤油亮，內(nèi)部含有一定水分而肉質(zhì)較嫩；隨著溫度進一步提升，水汽不斷向表面蒸發(fā)，帶走一定熱量，溫度在120 ℃左右保持短暫平衡，當(dāng)內(nèi)部水分逐漸減少表面被蒸干時，樣本表面溫度升至140 ℃以上，表面焦化，此時肉質(zhì)較老，難以咀嚼。

圖5 不同處理下肉串表面溫度隨烤制時間的變化Fig. 5 Change in mutton surface temperature during roasting with and without surface treatment

2.5 紅外輻射加熱功率對烤制過程的影響

肉制品表面以輻射傳熱為主，內(nèi)部則主要以熱傳導(dǎo)為主；紅外波長越長，同規(guī)格加熱管功率越低，紅外穿透能力相對較強，肉表面及內(nèi)部溫差相對較小。從圖6中可以看出，加熱管功率為1.0～2.5 kW時，烤制肉內(nèi)外溫度差分別為21.4、22.5、24.8、33.3 ℃，呈遞增趨勢。

圖6 烤制實驗過程中橫切面溫度分布曲線Fig. 6 Transverse cross-sectional surface temperature distribution at different roasting powers

在1.0～1.5 kW條件下烤制，輻射傳熱速率與內(nèi)部熱傳導(dǎo)速率基本一致，肉表皮與內(nèi)部未產(chǎn)生明顯的溫度梯度分界，但1.0 kW烤制時熱流密度較低，烤制成熟需要較長時間，樣本長時間烤制失水嚴(yán)重接近于肉干，肉表面溫度與內(nèi)部溫度相差21.4 ℃，即表面溫度烤制至100 ℃左右，內(nèi)部溫度可達75 ℃以上；功率為1.5 kW的肉制品烤制時內(nèi)外溫差22.5℃，肉表面顏色較淺，美拉德反應(yīng)及風(fēng)味物質(zhì)形成不充分。在2.0～2.5 kW條件下烤制，輻射傳熱速率高于內(nèi)部熱傳導(dǎo)速率，肉表皮與內(nèi)部產(chǎn)生明顯的溫度梯度分界：2 kW功率近紅外短波對肉的輻射穿透深度約為2 mm[26]，肉表面與中心溫度差值為24.8 ℃，在此功率下烤制羊肉，在保證中心溫度達到成熟溫度基礎(chǔ)上，使外表面快速升溫產(chǎn)生皮膜層，減少內(nèi)部水分蒸發(fā)、提高嫩度的同時利于形成外部焦嫩、油亮的感官品質(zhì)；2.5 kW條件下，近紅外短波對肉的輻射穿透深度約為1.6 mm[26]，熱流密度較高，肉表面與中心溫度差值為33.3 ℃，肉表面與中心溫度差值過大，產(chǎn)生“外糊里生”現(xiàn)象，不能用于肉制品烤制。因此，可選用2.0 kW短波紅外加熱管作為后續(xù)燒烤設(shè)備的制作條件。

2.6 “外焦里嫩”的肉制品烤制工藝確定

肉制品烤制溫度及火候的最終品質(zhì)可描述為“外焦里嫩”，其主要特征為肉表面形成硬膜而內(nèi)部水分散失較少。“外焦里嫩”品質(zhì)對應(yīng)熱力學(xué)烤制過程為：1）利用電熱管加熱，建立高溫?zé)釄鍪篃崃坑赏饧皟?nèi)逐漸傳遞，促進香氣及風(fēng)味物質(zhì)形成；2）紅外輻射烤制，關(guān)閉電加熱管加熱，此時可充分利用電加熱的熱慣性來促進熱量進一步向中心傳遞，通過復(fù)合加熱完成后續(xù)熟化，紅外輻射高熱流密度與低穿透性使肉表皮美拉德反應(yīng)更充分，形成焦化皮膜阻隔層，傳熱過程應(yīng)調(diào)節(jié)對流傳熱速率與肉制品表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相當(dāng)或略大，提高傳熱效率，在保證中心溫度達到成熟值的同時，盡可能縮短烤制時間，減少內(nèi)部水分散失，使肉制品具有“外焦里嫩”口感特質(zhì)；3）嫩的質(zhì)感特點是由原料含水量決定，當(dāng)原料外部高溫還沒傳遞到內(nèi)部時，停止加熱，當(dāng)烤制溫度升至130 ℃水分蒸發(fā)完畢，表面逐步形成硬殼，即表面形成充分的美拉德反應(yīng)和含水量較低的膜層，若超過140 ℃較短時間（1～2 min）即可造成外焦糊、內(nèi)夾生現(xiàn)象。

通過反復(fù)實驗，確定具體烤制參數(shù)，烤制可采用兩段式加熱。第一階段：自動烤制程序設(shè)置加熱空氣85 ℃作為烤制水分散失起始溫度，利用溫度傳感器監(jiān)控對流加熱空氣溫度，烤制過程不斷升溫，但應(yīng)控制溫度不能超過140 ℃；烤制5 min左右，使肉樣本表面溫度升至80 ℃以上，中心溫度可達到60 ℃，此時關(guān)閉電加熱管并進行表面抹油降溫；第二階段：打開短波紅外加熱管，利用電熱管熱慣性使中心溫度升高至75 ℃以上，紅外輻射加熱起到使外皮膜層快速升溫作用，當(dāng)其輻射熱量尚未傳遞到內(nèi)部時即停止加熱，此段加熱時間大約2 min，肉表溫度升至120 ℃，肉膜表面與內(nèi)部溫差加大，水分蒸發(fā)強度劇增。通過溫度、時間及加熱方式精確控制促使肉制品產(chǎn)生“外焦里嫩”的燒烤品質(zhì)。

3 結(jié) 論

本研究基于電加熱管及紅外復(fù)合加熱方式對羊肉烤制傳熱動力學(xué)進行解析，揭示烤制傳熱及“外焦里嫩”食用品質(zhì)特征產(chǎn)生規(guī)律。通過對羊肉串烤制過程中傳熱進行分析，烤制過程設(shè)計為預(yù)成熟階段、表面抹油降溫階段及表面焦化內(nèi)部成熟階段；對電熱管加熱階段，通過理論計算分析，確定最佳的烤制溫度和時間，并對肉串表面抹油降溫階段傳熱過程進行了分析，確定抹油降溫的最佳時間。同時對比分析了4 種不同功率的紅外加熱管對肉串的穿透深度，優(yōu)選出2.0 kW功率的紅外加熱管進行輻射加熱。

獲得“外焦里嫩”的烤制羊肉需采用復(fù)合式加熱，第一段自動烤制程序設(shè)置加熱空氣85 ℃作為烤制起始溫度，烤制5 min，關(guān)閉電加熱管；抹油后打開2.0 kW紅外加熱管，加熱時間2 min，肉表面溫度可達到120 ℃。通過這種加熱方式，在減少內(nèi)部水分和肌間脂肪滲出的同時使肉制品整體溫度勻化，防止肉皮膜高溫層發(fā)生焦糊，使肉表皮充分發(fā)生美拉德反應(yīng)，形成焦化皮膜阻隔層，使烤制肉形成“外焦里嫩”食用品質(zhì)。

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Heating Transfer Analysis during Mutton Roasting by Natural Convection Combined with Infrared Radiation

LI Hongyan1, HE Jianguo1,2,*, MA Ying2, WANG Songlei1,2, WU Longguo1, KANG Ningbo1, WANG Qinzhi2
(1. School of Civil Engineering and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2. School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

In this paper, the heat transfer during mutton roasting using an electric tube heater coupled with infrared radiation was analyzed in order to the optimal processing parameters for the quality characteristics of “scorched outside but tender inside”. During the roasting process, the temperature distribution was measured by infrared imaging technology, and the relationship between internal temperature and roasting temperature and time was analyzed based on thermodynamic parameters and three-dimensional unsteady heat conduction model. Water loss and protein denaturation were examined by a differential scanning calorimeter. The effect of infrared radiation power on roast mutton quality was evaluated as well as the effect of smearing oil on the surface of meat on heat conduction. Results showed that the roasting process could be divided to two stages. The first stage lasted for 5 min at 85-140 ℃, where the heat was transferred from the exterior to the interior, facilitating the development of aroma and flavor substances, and heating was stopped when the internal temperature reached 60 ℃ followed by smearing oil on the meat surface and cooling. At the second stage, a 2.0 kW shortwave infrared tube heater was used to heat for 2 min, quickly increasing the surface temperature to 120 ℃; the Maillard reaction was more complete due to the high heat flux and low penetrability of shortwave infrared radiation, leading to the generation of coking film barrier layer, reduced water loss from the meat interior and increased temperature difference between the surface and interior of mutton. Finally, the quality characteristics of “scorched outside but tender inside” could be achieved through accurate control of roasting temperature, time and method, which together with understanding the underlying thermodynamic mechanism may provide a basis for the research and development of industrial meat roasters.

natural convection; infrared radiation; roasting; heat transfer

10.7506/spkx1002-6630-201721010

2017-05-09

國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項目（31660484）

李宏燕（1976—），女，副教授，博士研究生，研究方向為流體流動與熱質(zhì)交換。E-mail：lhy-208@163.com

*通信作者：何建國（1960—），男，教授，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)工程自動化裝備。E-mail：hejg@nxu.edu.cn

TS251.3；TS251.6

A

1002-6630（2017）21-0061-06

李宏燕, 何建國, 馬瑩, 等. 自然對流紅外輻射復(fù)合加熱在羊肉烤制過程中的傳熱解析[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(21):61-66.

10.7506/spkx1002-6630-201721010. http://www.spkx.net.cn

LI Hongyan, HE Jianguo, MA Ying, et al. Heating transfer analysis during mutton roasting by natural convection combined with infrared radiation[J]. Food Science, 2017, 38(21): 61-66. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201721010. http://www.spkx.net.cn