李宏燕，何建国,,*，马 莹，王松磊,，吴龙国，康宁波，王芹志

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

自然对流红外辐射复合加热在羊肉烤制过程中的传热解析

李宏燕1，何建国1,2,*，马 莹2，王松磊1,2，吴龙国1，康宁波1，王芹志2

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

对基于电热管与红外复合加热方式下的羊肉烤制传热过程进行分析，探究其“外焦里嫩”特征品质的烤制方法及规律。利用红外测温成像技术测定羊肉烤制过程温度分布，结合热力学参数及三维非稳态导热模型，分析羊肉样本温度分布与烤制温度、时间之间的响应关系；利用差示扫描量热仪分析羊肉加热过程中水分散失及蛋白质变性规律，阐述不同红外功率对羊肉烤制品质的影响及烤制过程中表面抹油对烤制传热的影响。研究表明，烤制过程分为电热管加热与红外加热两阶段，第一阶段烤制温度为85～140 ℃，烤制5 min，利用高温热场使热量由外及内逐渐传递，促进香气及风味物质形成，中心温度达到60 ℃时停止加热并进行表面抹油降温；第二阶段采用2.0 kW短波红外加热管烤制2 min，肉表温度可迅速升至120 ℃，短波辐射高热流密度与低穿透性使肉表皮美拉德反应更充分，形成焦化皮膜阻隔层，减少内部水分散失，肉膜表面与内部温差加大。最终通过温度、时间及加热方式精确控制促使肉制品产生“外焦里嫩”的烧烤品质，初步建立“外焦里嫩”羊肉烤制热力学规律及方法，为开发工业化烤制生产设备提供依据。

自然对流；红外辐射；烤制；传热

加热是肉制品熟化的必要手段，肉中所含脂肪、蛋白质及糖类等物质在加热条件下发生特定的理化反应，蛋白质变性、脂肪氧化并分解产生氨、胺类、低级脂肪酸等风味物质，导致肉的口感品质特性及形态结构发生变化[1]，这些变化均与肉制品加热方式及加热参数密切相关[2]。不同烹饪方式中的不同加热速率、时间和加热温度、终点温度等会引起食材内部发生不同的化学反应，使最终食品食用品质不同[3-4]。因此，传热动力学分析及热力学参数控制成为当前肉制品加工行业中的重要研究内容。潘腾等[5]通过热电偶探针监测里脊不同横截面积内部中心点升温曲线，利用非线性数据回归建立羊排烤制温度-时间预测数学模型；李汴生等[6]研究了不同含水率肉鸡烤翅热杀菌过程的热穿透特性、品质变化及反应动力学；蔡路昀等[7]对180 ℃条件下，不同烤制时间的沙丁鱼片色泽、质构特性及挥发性成分的变化进行检测研究；王兆明等[8]研究不同中心温度条件下，兔肉食用品质、质构特性和蛋白质溶解度变化规律，并对兔肉升温特性曲线进行数学拟合分析；谢小雷等[9]研制了一种适合肉干连续化生产的中红外-热风组合干燥设备，实现了肉干的高效率、高品质脱水干燥；邓力[10-11]、Wang Jinfeng[12]与Datta[13]等则从过程原理角度分析传统烹饪过程特征，利用过程传递理论建立烹饪中液体-颗粒食品的传热模型，并利用动力学函数定量描述烹饪品质，针对烹饪火候开展动力学分析，建立优化模型，探索了烹饪的关键技术原理。国内外多名学者对不同肉制品加工过程传热动力学特性进行了深入研究，揭示了肉制品熟化及品质变化机理，建立并优化了传热模型，成功开发了肉制品加工设备，为肉制品加工品质提升、能耗降低等提供了重要的研究方法与指导[14-19]。

烤制作为肉制品熟化加工的重要方法，具有加热均匀、升温迅速、风味独特等优点，烤制肉制品尤其是羊肉串等传统食品受到众多消费者的喜爱。当前相关研究主要集中在肉制品烤制过程中工艺参数优化，脂肪组成变化，杂环胺类及有害物质形成，水分、嫩度、色泽等品质特性变化，烤制终点温度分析等方面，对烤制过程的传热动力学解析及过程热力学参数分析较少，阻碍了肉制品烤制加工技术发展及产品品质提升[20-25]。

传热过程解析及热力学参数控制是提高传热效率、改善食用品质、降低能耗的重要途径，本研究针对传统炭火烤制肉制品对人体健康及环境污染危害较大的弊端，建立电热管对流与红外辐射复合加热方式对肉制品进行无烟烤制方法，结合多维非稳态传热原理对其传热过程进行解析，以期为高品质肉制品工业化烤制装置研发提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

宁夏滩羊后腿肉1 200 g，购于银川市西夏区宁阳超市，剔骨、去筋膜、去脂肪，-18 ℃冷冻贮藏备用。亚麻籽油购于银川市西夏区宁阳超市。

1.2 仪器与设备

复合加热式自动烧烤样机（自制）如图1所示，串签旋转速率45 r/min、加热管单根功率200 W、直径16 mm、长200 mm、加热管（共20 根）间距50 mm；加热管离肉制品距离40 mm，侧壁装PT100型热电偶（用于检测加热环境温度）；红外石英管长1 m，直径16 mm，选用4 种功率1.0、1.5、2.0 kW及2.5 kW，每组选同功率2 根进行实验，石英管与肉样本间距45 mm。

图1 实验用自动烧烤机复合加热系统Fig. 1 Picture of the automatic integrated barbecue machine

572-2红外测温仪 美国福禄克电子仪器仪表公司；DSC8500差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 美国珀金埃尔默仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样本制备

取冷冻肉样品，放置于空气中自然解冻至-6 ℃左右进行制样。为增加烤制肉块的比表面积，切成长×宽×厚为25 mm×10 mm×15 mm的长方体，待肉样本温度升至室温20 ℃时，穿在串签上放入自制烧烤设备中，进行电加热管加热和红外加热管加热烤制。

1.3.2 羊肉热导率、传热系数及加热终点的测定

热导率反应物质本身传递热量的能力，不仅与物质组成成分、组织纤维结构、孔隙分布等因素有关，还与水分含量密切相关。设羊肉在烤制过程中从20 ℃升温到90 ℃（内外平均温度），利用二元体系传热模型估算热导率。羊肉主要由水分（75.17%）、蛋白质（16.35%）、脂肪（7.98%）、碳水化合物（0.31%）、灰分（1.19%）等组成，设各组分各向同性，二元体系传热模型将内含物依次分为两个组分，一个组分为连续相，另外一个组分为分散相，如第一步以水分为连续相，蛋白质为分散相，第二步则以水分和蛋白质为连续相，脂肪为分散相，以此类推进行迭代计算羊肉热导率。根据公式（1）～（3）[26]计算。热导率反映肉表面热量向中心传递情况，热导率越大说明热量在该物质中损耗越小。

式中：Q为相对热导系数；XVd，i+1为质量分数；ki、ki+1分别为第i及i+1个组分的热导率/（W/（m·K））；Vi+1为第i+1个组分的比体积。

加热管对羊肉进行烤制过程中，首先由电热管对羊肉样本周围空气进行加热，冷热空气通过密度流把热量传递到羊肉样本膜表面，后以热传导方式向中心渗透，此过程涉及肉制品表面与热空气对流传热系数及空气与肉表面的膜传热系数。根据公式（4）～（6）计算电热管与空气之间的对流传热系数α1和空气与肉表面的膜传热系数α2，比较两者差值，分析烤制过程中热量传递规律。

式中：α为对流传热系数或膜传热系数/（W/（m2·K））；ρ为密度/（kg/m3）；cp为比热容/（kJ/（kg·℃））；μ为黏度/（Pa·s）；λ为导热系数/（W/（m·K））；Pr为普朗特数；Gr为格拉晓夫数；g为重力加速度/（m/s2）；l为传热长度/m；Δt为传热温差/℃；β为体积膨胀系数；C和n为计算参数，由Pr、Gr值查表确定。

加热终点值确定：肉制品加热中心最冷点温度需能使蛋白质完全变性，同时应保证杀灭肉中细菌，此温度可作为烤制的理论加热终点值。实验采用DSC法检测蛋白质完全变性所需的最低温度作为中心成熟温度。实验取样15 mg，起始平衡温度为20 ℃，升温速率5 ℃/min，升温至140 ℃，得热流率随时间变化曲线，通过对比分析，解析蛋白质变性及水分随烤制温度变化机理。

1.3.3 肉制品烤制三维非稳态导热模型及中心温度计算

图2 三维非稳态导热模型图Fig. 2 Modeling plot for three-dimensional unsteady heat conduction

羊肉样本热传递为内部和表面热阻均不能忽略的多维非稳态热传导，因此采用三维非稳态导热进行分析，长方体的肉块长、宽、高面均为非绝热面，将其假设成厚度分别为a、b、c的3 个无限大平板相交的公共部分，计算过程考虑空气热阻及热量损失，经温度传感器测量得距离加热棒4 cm处空气温度为140 ℃（图2）。在θ时刻样本中心相对温度Tc*（x，y，z）可表示成3 个一维无量纲温度的乘积[27]，如公式（7）所示。再根据公式（8）～（12）获得Tc*、F0、m、n等值，查大平板物体非稳态导热算图即可得到θ时刻样本中心温度t。

式中：Tc*（x，θ）为x方向的无量纲温度；Tc*（y，θ）为y方向的无量纲温度；Tc*（z，θ）为z方向的无量纲温度；t为θ时刻样本中心温度/℃；t0为样本初始温度/℃；tb为加热环境温度/℃；λ为羊肉热导率/（W/（m·K））；cp为比热容/（kJ/（kg·K））；ρ为羊肉密度/（kg/m3）；α为膜表面对流传热系数，中心位置时取x＝0、y＝0、z＝0；m为传热过程相对热阻；Fo为傅里叶数；n为相对位置；b为样本厚度/m。

1.3.4 样本表面油脂涂层传热实验

将羊肉样本放置在多根加热管上进行旋转烤制，旋转速率为45 r/min。当烤制时间为300 s时，样本表面温度升至约84.2 ℃，其中一个样本表面涂抹亚麻籽油处理，另一个样本继续烤制，分析两个样本品质随时间的变化。

1.3.5 红外辐射加热过程传热实验

采用功率分别为1.0、1.5、2.0、2.5 kW红外加热管对羊肉样本分组进行烤制实验[28-29]。加热管离肉表面距离20 mm，使用红外测温仪检测表面温度，达到100 ℃停止加热。立即使用红外热成像仪检测肉样本横切面温度分布，利用Smart View软件分析肉截面温度分布。

2 结果与分析

2.1 电热管加热烤制过程传热参数及解析

由二元体系模型经过迭代计算得出羊腿部肉热导率为0.556 W/（m·K）、比热容为3.30 kJ/（kg·K）；热导率高可以使样本内部形成稳定的导热状态，热量损耗少，有利于样本内部形成一个稳定的温度梯度分布，使样本中心最冷点达到传热熟化要求。

计算得到空气在电加热管作用下的自然对流传热系数为α1＝1.566 W/（m2·K），空气与羊肉表面膜传热系数α2＝9.4 W/（m2·K）。可知肉表面膜传热系数远大于空气对流传热系数，表明肉烤制过程中依靠空气密度差传递热量可以较好地渗透进入羊肉样本，肉样本表面热量不断向中心传递，若通过温控装置调节羊肉样本环境温度不超过140 ℃，则能够保证肉中水分油脂随温度升高正常蒸发渗出，肉样本外表面不会产生焦糊现象。

2.2 不同温度对羊肉热流率的影响

图3 羊肉样本在不同温度下的热流率变化Fig. 3 Heat flow rate changes of mutton samples at different temperatures

从图3可以看出，当温度升至40 ℃时，热流率向下产生明显波谷，一直延续至50 ℃，当温度达到51.5 ℃时，热流率向下产生第2个尖谷，在67.4 ℃处产生第3个波谷，3 个波谷的产生与蛋白质变性吸收潜热紧密相关，肌球蛋白热稳定性较差。随着温度的升高，蛋白质分子氨基和酰基之间形成的氢键及肽链间形成的氢键都被破坏，蛋白质的二级结构和三级结构发生改变，从原来有序的卷曲缠绕紧密结构变为无序的松散状，但一级结构肽链不发生变化[23]。

由于结缔组织中含有较多胶原蛋白，当升温至40 ℃时即开始变性，温度升至50 ℃时，结缔组织开始断裂，肌原纤维收缩并变为可溶性明胶，胶原蛋白发生变性；热稳定性最强的是肌动蛋白，变性温度约为67 ℃，温度升至70 ℃时，蛋白质变性全部完成，形成结实致密且富有弹性空间结构。通常确定中心温度达到75 ℃为加热终点，在肉烤制成熟的同时保证大多数微生物被杀死[2,30]。当继续升温至85 ℃时，水分蒸发加快，随着水分蒸发及肌内脂肪渗出带走部分热量，在保证样本和空白参照温度一致条件下，DSC仪两个加热器输入功率差值进一步扩大，产生较大波谷，水分蒸发及肌内脂肪渗出受到肉组织结构通道阻力，热流率会发生较大波动，随着温度进一步升高，水蒸汽压逐渐达到饱和状态，肉组织结构中自由水汽化增强，损失大量热量，样本和空白参照所需功率差值进一步加大，最大差值达63.6 W/g；温度升至106 ℃时，水分蒸发及肌内脂肪渗出开始减少，温度达到130 ℃以上，油水散失基本停止，烤制羊肉接近干制状态。

2.3 羊肉样本烤制时间的确定

“外焦里嫩”是烤制肉制品食用品质的重要特征，中心温度与其品质特征紧密相关。羊肉样本烤制过程是非稳态的，烤制时间和温度是影响中心温度的主要因素，烤制温度过低，中心冷点熟化需时间越长，烤制肉制品干硬难嚼，因此应在保证肉样本不发生外糊内生的基础上尽可能提高烤制温度，使肉样本表面尽快形成微观皮膜阻隔层，减少内部水分散失[31]。经过大量的实验可知当肉制品表面形成干硬壳层时，温度已达到140 ℃以上，温度超过140 ℃时表面极易发生焦糊化，所以本实验设定烤制温度为140 ℃，利用三维非稳态传热模型求得烤制5 min时，Tc*＝0.52，t＝77.6 ℃，保证肉串中心熟化，此时烤制肉制品脂肪部分为红褐色，瘦肉部分为深褐色，具有明显的皮膜层，色泽油亮、“外焦里嫩”，中心完全熟化，实际烤制效果与理论值基本一致（图4）。

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

2.4 样本表面油脂涂层对传热过程影响分析

从图5可以看出，烤制时间250 s内，由于两个样本外形尺寸及环境温度基本一致，因此在烤制初期表面升温趋势相同。当烤制时间为300 s时，样本表面温度升至84.2 ℃，对样本进行不同处理，抹油样本表面温度急剧下降约7.2 ℃，随后又迅速升高。主要原因是肉串表面抹油后，油的温度较低，涂油后羊肉表面温度下降，且油的热导率比水的热导率大，传热速率快。390 s后两个样本表面温度基本达到一致。表面温度达到120 ℃时，此时肉表面变成深褐色，色泽油亮，内部含有一定水分而肉质较嫩；随着温度进一步提升，水汽不断向表面蒸发，带走一定热量，温度在120 ℃左右保持短暂平衡，当内部水分逐渐减少表面被蒸干时，样本表面温度升至140 ℃以上，表面焦化，此时肉质较老，难以咀嚼。

图5 不同处理下肉串表面温度随烤制时间的变化Fig. 5 Change in mutton surface temperature during roasting with and without surface treatment

2.5 红外辐射加热功率对烤制过程的影响

肉制品表面以辐射传热为主，内部则主要以热传导为主；红外波长越长，同规格加热管功率越低，红外穿透能力相对较强，肉表面及内部温差相对较小。从图6中可以看出，加热管功率为1.0～2.5 kW时，烤制肉内外温度差分别为21.4、22.5、24.8、33.3 ℃，呈递增趋势。

图6 烤制实验过程中横切面温度分布曲线Fig. 6 Transverse cross-sectional surface temperature distribution at different roasting powers

在1.0～1.5 kW条件下烤制，辐射传热速率与内部热传导速率基本一致，肉表皮与内部未产生明显的温度梯度分界，但1.0 kW烤制时热流密度较低，烤制成熟需要较长时间，样本长时间烤制失水严重接近于肉干，肉表面温度与内部温度相差21.4 ℃，即表面温度烤制至100 ℃左右，内部温度可达75 ℃以上；功率为1.5 kW的肉制品烤制时内外温差22.5℃，肉表面颜色较浅，美拉德反应及风味物质形成不充分。在2.0～2.5 kW条件下烤制，辐射传热速率高于内部热传导速率，肉表皮与内部产生明显的温度梯度分界：2 kW功率近红外短波对肉的辐射穿透深度约为2 mm[26]，肉表面与中心温度差值为24.8 ℃，在此功率下烤制羊肉，在保证中心温度达到成熟温度基础上，使外表面快速升温产生皮膜层，减少内部水分蒸发、提高嫩度的同时利于形成外部焦嫩、油亮的感官品质；2.5 kW条件下，近红外短波对肉的辐射穿透深度约为1.6 mm[26]，热流密度较高，肉表面与中心温度差值为33.3 ℃，肉表面与中心温度差值过大，产生“外糊里生”现象，不能用于肉制品烤制。因此，可选用2.0 kW短波红外加热管作为后续烧烤设备的制作条件。

2.6 “外焦里嫩”的肉制品烤制工艺确定

肉制品烤制温度及火候的最终品质可描述为“外焦里嫩”，其主要特征为肉表面形成硬膜而内部水分散失较少。“外焦里嫩”品质对应热力学烤制过程为：1）利用电热管加热，建立高温热场使热量由外及内逐渐传递，促进香气及风味物质形成；2）红外辐射烤制，关闭电加热管加热，此时可充分利用电加热的热惯性来促进热量进一步向中心传递，通过复合加热完成后续熟化，红外辐射高热流密度与低穿透性使肉表皮美拉德反应更充分，形成焦化皮膜阻隔层，传热过程应调节对流传热速率与肉制品表面传热系数相当或略大，提高传热效率，在保证中心温度达到成熟值的同时，尽可能缩短烤制时间，减少内部水分散失，使肉制品具有“外焦里嫩”口感特质；3）嫩的质感特点是由原料含水量决定，当原料外部高温还没传递到内部时，停止加热，当烤制温度升至130 ℃水分蒸发完毕，表面逐步形成硬壳，即表面形成充分的美拉德反应和含水量较低的膜层，若超过140 ℃较短时间（1～2 min）即可造成外焦糊、内夹生现象。

通过反复实验，确定具体烤制参数，烤制可采用两段式加热。第一阶段：自动烤制程序设置加热空气85 ℃作为烤制水分散失起始温度，利用温度传感器监控对流加热空气温度，烤制过程不断升温，但应控制温度不能超过140 ℃；烤制5 min左右，使肉样本表面温度升至80 ℃以上，中心温度可达到60 ℃，此时关闭电加热管并进行表面抹油降温；第二阶段：打开短波红外加热管，利用电热管热惯性使中心温度升高至75 ℃以上，红外辐射加热起到使外皮膜层快速升温作用，当其辐射热量尚未传递到内部时即停止加热，此段加热时间大约2 min，肉表温度升至120 ℃，肉膜表面与内部温差加大，水分蒸发强度剧增。通过温度、时间及加热方式精确控制促使肉制品产生“外焦里嫩”的烧烤品质。

3 结 论

本研究基于电加热管及红外复合加热方式对羊肉烤制传热动力学进行解析，揭示烤制传热及“外焦里嫩”食用品质特征产生规律。通过对羊肉串烤制过程中传热进行分析，烤制过程设计为预成熟阶段、表面抹油降温阶段及表面焦化内部成熟阶段；对电热管加热阶段，通过理论计算分析，确定最佳的烤制温度和时间，并对肉串表面抹油降温阶段传热过程进行了分析，确定抹油降温的最佳时间。同时对比分析了4 种不同功率的红外加热管对肉串的穿透深度，优选出2.0 kW功率的红外加热管进行辐射加热。

获得“外焦里嫩”的烤制羊肉需采用复合式加热，第一段自动烤制程序设置加热空气85 ℃作为烤制起始温度，烤制5 min，关闭电加热管；抹油后打开2.0 kW红外加热管，加热时间2 min，肉表面温度可达到120 ℃。通过这种加热方式，在减少内部水分和肌间脂肪渗出的同时使肉制品整体温度匀化，防止肉皮膜高温层发生焦糊，使肉表皮充分发生美拉德反应，形成焦化皮膜阻隔层，使烤制肉形成“外焦里嫩”食用品质。

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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

国家自然科学基金地区科学基金项目（31660484）

李宏燕（1976—），女，副教授，博士研究生，研究方向为流体流动与热质交换。E-mail：lhy-208@163.com

*通信作者：何建国（1960—），男，教授，硕士，研究方向为农业工程自动化装备。E-mail：hejg@nxu.edu.cn

TS251.3；TS251.6

A

1002-6630（2017）21-0061-06

李宏燕, 何建国, 马莹, 等. 自然对流红外辐射复合加热在羊肉烤制过程中的传热解析[J]. 食品科学, 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