高速 CT 可视化油炸食品吸油微观结构动态：揭示吸油机制，助力健康油炸食品研发

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《Nature Communications》：

【字体：大中小】 时间：2025年03月17日 来源：Nature Communications

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　　油炸食品的高热量与潜在健康风险引发关注，为探究油炸过程中油脂吸收机制，研究人员利用 4D 成像系统，以小麦粉面团为模型展开研究。结果显示，油温影响结构变形和吸油，180°C 时最终油含量达 14.4%。该研究为优化油炸工艺和产品配方提供依据。

　　油炸食品以其独特风味深受人们喜爱，无论是金黄酥脆的薯条，还是香甜可口的甜甜圈，都在全球各地的美食文化中占据重要地位。然而，随着人们健康意识的提高，油炸食品背后隐藏的健康问题逐渐引起关注。一方面，油炸食品通常含有较高的脂肪含量，过多摄入会增加肥胖、心血管疾病等健康风险。例如，当前世界卫生组织（WHO）膳食指南建议将总脂肪摄入量限制在总能量摄入的 30% 以内，但油炸食品的高脂肪特性使其难以满足这一健康标准。另一方面，油炸过程中产生的丙烯酰胺，是一种被列为可能的人类致癌物的化合物，进一步加剧了人们对油炸食品安全性的担忧。

在这样的背景下，深入了解油炸食品中油脂吸收的机制变得至关重要。以往的研究虽然对油脂吸收现象有所探讨，但由于油炸过程高度复杂，涉及快速的传热传质现象，使得原位研究面临诸多挑战，导致对油脂吸收动力学及其对最终产品油含量的贡献仍未完全理解。例如，早期研究认为油脂吸收仅是表面现象，而如今虽然普遍接受其为压力驱动现象，但对于在油炸和冷却过程中，微观结构变化如何具体影响油脂吸收，仍缺乏深入认识。此外，由于缺乏实时研究手段，3D 微观结构演变与油脂吸收之间的直接关系也尚不明确。

为了填补这些知识空白，来自 KU Leuven（比利时鲁汶大学）等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。其中，时间分辨 X 射线计算机断层扫描（4D μCT）技术是核心手段，它能够在同步辐射环境下对油炸过程进行实时可视化观察。研究人员构建了原位油炸装置，可远程精确控制样品位置、油温及油炸时间。此外，结合监测温度和水分含量（MC）变化的辅助测量方法，帮助阐释断层扫描所观察到的微观结构变化。

研究结果主要包括以下几个方面：

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油炸过程中结构快速变化：在油炸初期，小麦粉面团（WFD）样品接触热油后，表面水分迅速转化为蒸汽，形成蒸汽泡。随着热量传导，样品内部温度升高，蒸汽产生量增加，气体压力上升，导致预先存在的孔隙膨胀，样品结构开始变形。在 180°C 油炸时，这种变化尤为明显，样品在早期（1 - 13 秒）迅速膨胀，形成高度多孔的固体基质，部分淀粉 - 面筋网络破裂，小孔隙合并形成大孔隙。随着油炸时间延长，在 34 秒左右，样品形成明显的外壳结构，外壳主要由许多小而扁平的厚壁孔隙组成，而核心区域则由较大的不规则薄壁孔隙构成。
油炸后吸油过程：油炸结束后，样品内部温度开始下降，由于外壳对核心的隔热作用，核心温度在冷却过程中下降较慢，且在 63 秒内未低于 100°C。在冷却过程中，WFD 样品的油含量逐渐增加，如在 180°C 油炸的样品，冷却 8 秒时油含量约为 4.5%，63 秒后上升至约 14.4%±1.3%。研究发现，冷却过程中的油吸收主要由外壳小孔中的毛细管作用驱动，尽管蒸汽冷凝产生的真空效应也可能有一定贡献，但由于样品内部温度较高，蒸汽压力无法降至大气压以下，因此毛细管作用起主要作用。
孔隙连通性影响吸油：通过对 3D 体积渲染图像的分析，研究人员发现大部分油集中在样品表面以下的孔隙中，且孔隙填充是通过离散的连通孔隙子网逐渐进行的。油炸过程中，核心区域孔隙不断扩张，挤压外层结构，导致外壳中较小孔隙的频率增加。同时，外壳和核心之间的孔隙连通性较差，完整的壁网络阻止了大量油深入样品内部，大部分油存在于表面附近的小压缩孔隙中。
油温显著影响微观结构和吸油：不同油温（180°C、150°C 和 120°C）对 WFD 样品的微观结构和吸油有显著影响。在较低油温（如 120°C）下，蒸汽形成较慢，样品内部温度未达到水的沸点，结构变形不明显，没有形成明显的外壳，最终油含量也显著较低（仅为 1.3%）。而在 150°C 时，虽然结构变形和油吸收情况介于 180°C 和 120°C 之间，但由于形成了刚性外壳，使得表面连通孔隙能够延伸到样品内部，从而允许更多的油进入。

研究结论表明，该研究成功利用高速时间分辨 X 射线断层扫描技术，对油炸过程进行了动态原位可视化研究，全面探索了油炸前后微观结构的时空变化及其对油脂吸收动力学的影响。研究不仅证实了一些现有理论，如持续逸出的气体显著阻碍油炸过程中的油脂吸收、较高油温导致更多的水分损失和更高的油吸收量、油炸后冷却过程中油吸收呈上升趋势等，还进一步深入揭示了毛细管作用在冷却过程中油吸收的主导作用，以及油温、水分损失速率、孔隙连通性和结构刚性等因素对油脂吸收的综合影响。

此外，研究人员也指出了该研究存在的一些局限性。例如，由于样品成分之间的复杂相互作用，图像中无法分辨水相，这给验证已有的水分损失机制带来困难；油炸过程中产生的运动伪影影响了图像的相分割；当前体素分辨率无法检测到纳米级小孔中的油吸收等。然而，这些局限性也为未来的研究指明了方向。随着技术的不断进步，如结合快速中子和 X 射线成像技术、改进旋转自由 X 射线多投影成像技术、提高空间分辨率等，有望进一步深入研究油炸过程中的微观机制，为开发更健康的油炸食品提供有力支持。

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