某热风烤箱空气炸烹饪薯条的升温性能研究

王聪 邹春 孙炎军 王亮

1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室 湖北武汉 430074；

2.广东美的厨房电器制造有限公司 广东佛山 528311

0 引言

空气煎炸（Air frying）作为一种新型“无烟无油”的煎炸方式[1]。该技术以高速循环的高温热空气为传热介质，既能在食物表面形成酥脆金黄的外壳，又能锁住食物内部水分。热风煎炸最常见的应用是炸制薯条，利用风机与发热管制造对流辐射环境，使薯条在少油的条件下被热风“炸熟”，具有少油减脂的优势。针对薯条的烹饪过程，目前已有一些相关的文献研究，如从热风对流的角度，更新和优化现有的传热模型[2-3]，利用低频核磁共振（Low Field -Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）和激光扫描共聚光显微镜（Confocal Laser Scanning Microscope，CLSM）分析薯条在不同传热阶段下的力学特性[4]，也有结合其他方式（热风——超声[5]、添加茴香提取物[6]）观察薯条在这些特殊条件下的品质，也有利用纹理分析仪等方法来观察薯条的表面材质[7-8]。

在现有的电烤箱当中，如果能增加热风空气炸功能，则可提高烤箱的适应性能，从而使电烤箱的功能多元化、智能化。目前，人们对薯条品质的评价包含水分保留率和炸焦率等因素，而对炸焦率的判定，缺乏一个量化的标准，从而造成评价结果的误差。

本文利用当前流行的开源计算机视觉库（Open Sourse Computer Vision Library，OpenCV），及延时摄影的方法，对不同功率下纯热风烤箱烹饪薯条的过程进行记录，同时借助图像分割与识别技术对单根薯条的炸焦、夹生色彩比例进行判定，最后优化烤箱的腔体升温速率，为电烤箱的热风空气炸功能的设计提供了数据参考。

1 实验内容

根据Têko Gouyo[3]的文献总结，薯条在加热过程中的截面形态将出现分层的变化。如图1所示，薯条在纯对流条件下加热的过程中，会经历化冰、脱水、脱层、褐化四个阶段，当薯条发生褐化后，其口感将会下降，因此，需要确定薯条发生褐化反应的大致时间点。

图1 空气炸条件下，薯条截面的三区变化

以某品牌热风烤箱为例，在对流主导、温度分布均匀的条件下，改变腔体的升温速率，观察薯条在发生褐化反应时间附近的烹饪效果，最后初步确定对流主导条件下，最佳的腔体升温规律。

1.1 实验烤箱及温度测点说明

为了保证对流主导的热风环境，故将该烤箱的上下发热管断电，仅保留背部热风处的发热管，测点位置包含炉心及周围4个测温点，实验时，选取中等大小的薯条（单根6～12 g、无较薄区域、处于冷冻状态下）进行测试，如图2所示。

图2 选取的薯条外观、形态及烤盘中摆放位置

1.2 试炸及均匀性验证

选取三种不同工作电压（107 V、120 V、135 V），对变功率条件下烤箱的性能进行测试，将烤箱模式设置为“Air Fry”，并将烤盘置于第二层，设置Rack level为2，375℉，将薯条放于测温点附近，开启风机后，记录下对应的热电偶温度值，同时，利用佳能IXUS 190相机，对炉内薯条的颜色变化，进行20倍快进延时摄影，如图3所示，当所有薯条全部发生两端烤焦的情况时，停止实验，并分析薯条的色彩变化，同时根据不同热电偶测温变化情况，验证腔体温度是否均匀，并获得不同功率下腔体的升温速率。

图3 延时摄影方法获得最佳烹饪时间

通过反复观看延时视频，可大致确定该功率下，薯条烤焦前后转变点的大致时间，将其记录于表1中。

三种工作电压下，腔体的升温规律如图4所示。

从图4中可看出，所有测点间温度变化相近，可视为腔体空气温度分布均匀。由于温度的变化是多段的，因此将其达温前的升温曲线段拼接，随后线性拟合出升温速率，并总结于表1中。

图4 三种电压下对应的腔体升温规律

1.3 薯条烹饪及记录图像

调节电压，使烤箱在107 V、120 V、135 V三个功率下，对薯条进行烹饪，在烹饪前，选取合适尺寸及形状的薯条，并获得烹饪前质量，将薯条摆放好后，同时开启热电偶温度记录开关及空气烤开关，达到表1中对应的时间后，断开电源，取出薯条，并记录烹饪后薯条质量，每个功率重复两组实验，最后用相机内的评价白平衡模式对图像色彩进行校正，从而获得腔体升温规律，以及薯条的图像信息。

表1 试炸实验确定的临界转变时间及腔体升温速率

1.4 基于图像分割技术的薯条品质评价

根据IEC 60350-1-2016烤箱烹调性能实验标准[9]，要求在尽量短的时间内制作的薯条，其两端烤黑的比例在10%以下，水分保留率应在40%～60%之间。

1.4.1 水分保留率的计算

水分保留率keep通过测量薯条炸制前后的质量相比获得：

式中：mbef代表烹饪前薯条的总重量（kg），maft代表烹饪后薯条的总重量（kg）。

1.4.2 薯条上色分析

本文采用开源计算机视觉库（Open Sourse Computer Vision Library，OpenCV），利用色相饱和度明度（Hue Saturation Value，HSV）色彩空间对薯条焦黑、夹生的情况进行判断。

单张图像的分析过程如下：

（1）色彩空间的转换（HsvSeg）

构造HsvSeg类对原始图像进行HSV空间转换，对新图像的通道进行分离，最后将数据压入vector容器中。

（2）薯条颜色的判断（Judgers）

此模块接受HSV分割返回的三通道容器，初始化三种色彩判定器，对薯条的色彩进行分析，遍历图像每个像素点，对每一个位置处的分析包含三个部分：去除背景、夹生判断和焦黑判断，各通道色彩度的选择参考了OpenCV官方文档库[10]及Wu D等人[11]的研究：

a. 去除背景（背景为白色，饱和度低）

利用薯条黄色判定器YellowJudger，根据（饱和度>65、11≤色相值≤37（对应黄色范围））的条件，筛选出属于薯条部分的像素点。

b. 夹生判断（黄色，饱和度低，亮度比熟的薯条高）

利用夹生色彩判定器RYellowJudger，根据（饱和度<90、最大值灰度>110）的条件，筛选出夹生薯条部分的像素点。

c. 焦黑判断（亮度不高，颜色偏离黄色）

利用夹生色彩判定器DYellowJudger，根据（最大值灰度<180、色相值< 23）的条件，筛选出炸焦薯条部分的像素点。

最后以图像的方式返回三个识别器的识别结果图像。

（3）图像后处理（imgProcessor）

此模块接受识别器的结果图像，对图像进行后处理：a. 图像操作

由于薯条与背景的边界处色相变化剧烈，图像易产生边框，因此构造图像后处理器imgProcessor对图像进行形态学开运算，以减小此误差。

b. 统计比例

遍历结果图像中的像素点，若图像中某处的像素值不为0，则增加相应计数器的值：

式中：Raw代表薯条的夹生率，Burnt代表薯条的炸焦率，Nraw、Nburn分别代表判定为夹生、炸焦的像素点数，Ntotal代表图像中识别为薯条的总像素数。

（4）写入数据（infoPrinter）

此模块对文件夹内所有图像进行读取和分析，调用文件处理器infoPrinter，将存储在图像后处理器中的统计结果输出到CSV文件中。将上述处理过程总结为流程图，如图5所示。

图5 单张图像的色彩判定流程图

2 实验结果与结论

从表2中的数据及薯条的烹饪结果图像（如图6所示），可以看出，在温度分布均匀，且对流占主导的条件下，得出以下结论：

（1）腔体升温速率过低（0.295℃/s），则烤箱无法在较短的时间（小于20 min）烹饪出品质较好的薯条，薯条的水分保留率较高，脆壳较少。

（2）腔体升温速率过高（0.539℃/s），则薯条的结壳速度过快，即使外部上色均匀且形成脆壳，薯条的水分保留率依然较高，而如果延长加热时间，使其水分保留率介于40%～60%之间，则薯条的两端容易烤焦，因而品质下降。

（3）腔体升温速率适中时（0.386℃/s），薯条可以在较短的时间内结壳，同时水分保留率较低，低于60%，口感和色泽均较好。

本文通过对热风烤箱烹饪薯条的性能进行了研究，借助延时摄影，快速确定了不同加热工况下薯条的上色临界点，并结合图像分割