薯类是一类主要以地下块茎或根茎为食用部分的作物，主要包括马铃薯、甘薯和马铃薯等。薯类适合进行干燥、油炸、烘焙等多种加工方式，是诸多主食、零食和甜点的重要原料。然而，传统热风干燥或晾晒不仅会导致薯类制品营养物质的损耗和物化性质的改变，还需要大量的时间和能耗；而传统油炸处理往往使得产品中含油率较高，其中大量的油脂积累不仅对消费者的饮食安全造成了隐患，还因极易发生的脂质酸败而造成了产品保质期的缩短。因此，丞待研发节能、环保、健康的薯类制品加工技术以实现薯类资源的有效利用。江南大学张慜教授团队长期从事于薯类特色加工品质提升新技术的研究，从探索薯类优质、高效和低碳三方面，实现了食品加工品质的提升。下面汇总了该团队近年来在薯类特色加工品质提升新领域中部分代表性新技术的研究进展。
一、薯类优质加工新技术的研究进展
微波通常是指波长为1 mm-1 m，频率范围为300 MHz-300 GHz的电磁波。微波预处理能够利用微波能量对食品进行加热或处理，以改善食品质量、加工效率和产品特性。相较于传统沸水焯水处理，经微波预处理的样品不仅具有更高的电导率，还具有更短的介电干燥时间。在干燥过程中，微波能够加速水分的蒸发以缩短干燥时间，并且可以更均匀地加热食品以保持其感官和营养品质。在油炸过程中，微波能够促进油温均匀分布，在减少炸制时间的同时，减少成品的含油率。张慜教授团队探究了微波联合多种干燥（真空干燥/MVD，喷动床干燥/MWSB，脉冲喷动冷冻干燥/PSBMFD）和油炸技术（真空油炸/MVF）对芋头、甘薯、紫薯、马铃薯和山药等薯类加工的影响，通过对薯类食品加工过程中温度场的数学模拟、以脉冲或间歇方式应用微波能量、与预处理技术结合使用、联合相关企业研制微波真空油炸设备等方式有效提高了干燥均匀性，获得了与对照组相比，含油量较低、破碎力较小的油炸紫薯片和马铃薯片，色泽良好、膨胀效果理想的紫薯块和马铃薯块，以及脆度更高、结构和功能变化更少的山药冻干。
频率范围分布在20-100 kHz的低频超声波可用于辅助脱水过程，此类超声波在传播时所引发的加热效应、微振动效应、海绵效应、微束和微观通道的形成，有助于增强传热和传质过程，进而促进脱水过程中强结合水分的有效去除。超声波在食品干燥和油炸中的潜在益处已经得到验证，在干燥方面，超声波可以提高传热传质效率，加快水分蒸发速率，从而缩短干燥时间，保留更多的营养成分和口感。在油炸方面，超声波可以促进油与食材表面的热量传递，使食材更加均匀地受热，降低食品的油脂含量，从而提高食品的健康性。张慜教授团队探究了超声波作为预处理方式和与其他高效物理场（红外冷冻干燥和微波）结合使用对甘薯、山药、马铃薯和紫薯干燥/油炸品质的影响，通过对薯类食品加工过程中干燥动力学进行模拟、对品质属性进行评估、联合相关企业研制组合式超声辅助真空油炸设备等方式有效提高了加工能效和品质，并获得了与对照组相比，色泽更鲜亮、β-胡萝卜素保留率更高的冻干甘薯片，水分扩散率提升超过50%、硬度和收缩率显著降低的油炸马铃薯片。
图4. 超声预处理对红外冷冻干燥甘薯片干燥动力学及品质属性的影响
图5. 超声辅助微波真空油炸设备示意图
图6. 不同油炸处理下油炸马铃薯结构的SEM图像
图7. 结合超声和微波技术的新型真空油炸技术对油炸马铃薯的能效和品质的影响
红外辐射是一种电磁辐射，因其所具有的较高传热效率和热通量，而常被用于能量源来进行食品物料的脱水处理。此外，真空红外辐射相对较低的操作温度能够保持食品的色泽、营养成分和口感，减少因高温造成的食品中营养物质流失。在油炸前通过真空红外预干燥可以减少食品表面的水分含量，从而提高油炸的效率和均匀性，并减少产品的含油量。张慜教授团队从含水率、吸油率、质地、色泽和收缩率等方面探究了真空红外辐射预干燥技术对微波辅助真空油炸马铃薯片品质的影响，并发现，与对照组相比，这种预处理方式不仅显著提高了加工物料的水分蒸发速率和成品的脆度，还降低了马铃薯片成品中的含油率（从22.38g油/100g干物质降低至14.39g油/100g干物质）。
图9. 基于真空红外辐射的预处理技术对微波辅助真空油炸马铃薯片的影响
食品增材制造打印是一种利用3D/4D打印技术和食品级材料，按照设计好的模型逐层堆叠而将食材精确地加工成各种形状、纹理和口感的食品产品的制造技术。可用于简化加工工艺、定制精细结构和减少原料浪费。除了传统的干燥和油炸处理外，薯类蔬菜在食品增材制造领域也表现出了巨大潜力。常见薯类蔬菜中淀粉含量高，粘度大，在糊化后可形成凝胶状结构。此类蔬菜不仅是优质的淀粉来源，也是食品增材制造材料的重要原料。尽管淀粉凝胶满足了增材制造材料所需的特性如可加工性、适用性和可定制性，但此类材料的加工性能、成型精度、稳定性仍需要进一步改进和优化。目前，张慜教授团队已经从配方优化和后处理技术两方面入手，实现了薯类淀粉基3D/4D打印食品可打印性、流变性、变形程度可控性、颜色、风味和稳定性能的提高。
图11. 不同亲水胶体对山药淀粉基凝胶3D打印精度和稳定性的影响
图12. 不同干燥方法下新鲜3D打印玫瑰山药凝胶样品和干燥样品的照片
二、薯类高效加工新技术的研究进展
水分含量、水分分布等水分信息是反映干燥制品品质的重要参数，通过对物料干燥过程中的水分信息进行实时检测以对干燥条件进行优化，能够提高产品的干燥品质。张慜教授团队采用对氢质子反应灵敏的低场核磁共振（LF-NMR）技术结合微波真空干燥（MVD）开发了一种MVD-NMR组合智能装置，实现了对六种典型蔬菜（马铃薯、胡萝卜、莲藕等）在干燥过程中水分信息的实时检测。
三、薯类低碳加工新技术的研究进展
基于淀粉糊化和凝胶网络形成对热量传导的敏感性，常用于淀粉基食品后加工的微波加热技术会增强食品中水蒸气的含有量，进而导致增材打印产品出现过度膨化的现象。针对这一加工难点，张慜教授团队通过探究从大豆残渣中提取的不溶性膳食纤维（SIDF）的添加条件（添加量和粒径）对微波处理3D打印马铃薯凝胶膨化效果的影响，提出了SIDF对产品膨胀速率影响的机理，并确定了微波处理后具有最好形状和质构特性的SIDF添加条件。这项研究不仅实现了微波诱导3D打印马铃薯凝胶膨化程度的有效控制，还促进了富含丰富膳食纤维的大豆残渣的高值化应用。
脉冲喷动微波冷冻干燥是一种结合了微波辐射加热、脉冲喷动和冷冻干燥的技术，能够有效减少传统微波冷冻干燥中由于电晕放电和不均匀加热所导致的冰融化和过热现象的发生，提高干燥均匀性和效率。张慜教授团队基于山药的介电性能，开发了一种可变低频微波功率负载方案。与冷冻干燥（FD）相比，低频微波辅助脉冲喷动冷冻干燥（MFD-915）能够凭借更短的干燥时间（相比缩短41.4%–48.3%），节省作为主要耗能单位的真空泵和压缩机的能耗，进而实现了比FD低30%的比能耗并维持了山药干制品良好的感官品质。
团队介绍
Team Introduction
撰稿 | 硕士生 罗迎秋
审核 | 张慜 教授
排版 | 博士生 郭庆
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