التصوير المقطعي المحوسب عالي السرعة لتصوير الديناميات الميكروهيكلية ثلاثية الأبعاد لامتصاص الزيت في الأطعمة المقلية عميقاً

النتائج

تم إجراء تصوير ديناميكي عالي السرعة على خط الشعاع ID19 في المنشأة الأوروبية للأشعة السينية (ESRF، غرونوبل، فرنسا) القادرة على التصوير المقطعي فائق السرعة بدقة مكانية عالية. لإدراج نتائج التحقيق الزمني في السياق، تم تصوير عينات WFD قبل القلي العميق باستخدام مختبر. (انظر “الطرق”). تم وضع عينات تحتوي على 50 ملغ من المادة الجافة (DM) في حامل العينات لإنشاء صور بحجم فوكسل أثناء القلي العميق و خلال التبريد المحيط اللاحق. الشكل 1أ يوضح مخطط إعداد تجريبي مخصص مزود بتحكم عمودي عن بُعد في عينة في إعداد تصوير تزامني، مع الإعداد الفعلي.

توسع المسام السريع أثناء القلي العميق يشوه الهيكل

من خلال استمرار توصيل الحرارة داخل العينة، اقتربت درجات الحرارة تحت السطح بسرعة من نقطة غليان الماء، بينما تقدم توصيل الحرارة بشكل أبطأ نحو المركز (الشكل 4ب). نتيجة لزيادة توليد البخار وارتفاع ضغوط الغاز، تم بدء التشوه من خلال تمدد المسام الموجودة مسبقًا، والتي كانت تعمل بشكل أساسي كمواقع نواة. توسعت البنية خلال المراحل المبكرة من القلي العميق (أي بين 1 و 13 ثانية) وتحولت إلى مصفوفة صلبة ذات مسامية عالية (الشكل 3أ). لوحظ أن أجزاء من شبكة النشا-الجلوتين قد تمزقت تحت

يمر النشا والجلوتين في العينات بتحولات هيكلية تدريجية خلال القلي العميق . في نظام WFD، على الرغم من أن النشا هو مكون رئيسي، إلا أن الهيكل مدعوم بشكل أساسي بشبكة الجلوتين اللزجة بسبب التغيرات الهيكلية الواسعة التي تحدث خلال القلي العميق . ومع ذلك، تم مؤخرًا إظهار أن انتقال نشا البطاطس (في أنظمة نموذج نشا البطاطس-الماء) من الحالة المطاطية، بعد الجيلاتينية، إلى الحالة الزجاجية، ضروري للحفاظ على الهيكل المتوسع بسبب تبخر الماء الناتج عن القلي . توفر التغيرات في محتوى الرطوبة للعينة في مراحل مختلفة من القلي العميق، جنبًا إلى جنب مع قياسات درجة الحرارة في القشرة والنواة، مزيدًا من

امتصاص الزيت بعد القلي

الشكل 4 | قياسات محتوى الرطوبة ودرجة الحرارة لعينات WFD.
محتوى الرطوبة للمنتجات غير المقلية (0 ثانية) والمقلية عميقًا ( عينات WFD بمستويات ترطيب أولية من مقلي في زيت عميق عند درجات حرارة مختلفة باللون الأخضر، باللون البرتقالي و باللون الأرجواني). يتم حساب MC على أساس المادة الجافة الخالية من الزيت ، حيث الكتلة ( ) يتم التعبير عنها بالجرامات و DM هو المادة الجافة للعجين بالجرامات. يتم حساب المتوسطات على ست قياسات، وتمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية؛ قياسات درجة الحرارة المحلية داخل

ترابط المسام

تظهر الرسوم البيانية ثلاثية الأبعاد أثناء التبريد أن معظم الزيت مركّز في المسام تحت السطح، مع كميات صغيرة من الزيت تم اكتشافها في النواة التي كانت لديها درجة عالية من عدم اليقين في التنبؤ أثناء التقسيم (الشكل 6أ). قدمت تسمية الصور المقسمة وسيلة للإشارة إلى ترابط أحجام المسام وكشفت أن ملء المسام تقدم تدريجياً من خلال شبكات فرعية منفصلة من المسام المتصلة (الشكل 7أ). أكدت هذه النتائج أيضاً أن امتصاص الزيت كان محدوداً بشكل رئيسي إلى منطقة القشرة الخارجية من العينة (انظر الشكل التكميلي 3). أثناء القلي العميق، كانت مساحة المسام

البنية المجهرية وامتصاص الزيت المتأثر بدرجة حرارة الزيت

بعد إزالتها من الزيت الساخن (أي، 8 ثوانٍ من التبريد)، تم قلي عينات WFD في و احتفظت بهياكلها الدقيقة المسامية (الشكل 6)، مما جعلها تشبه الهياكل التي لوحظت في النقطة الزمنية النهائية للقلي العميق (الشكل 8). ومع ذلك، انهارت هذه العينات تدريجياً خلال فترة التبريد، حيث انكمشت إلى أقل من نصف مساميتها الغازية الأولية (الجدول 1) بينما كانت النواة الداخلية

الشكل 7 | صور مقاطع عرضية أفقية للزيت المقسم والموسوم من الأشعة السينية في الموقع خلال فترة التبريد بعد القلي. الصفوف تت correspond إلى عينات WFD (الموضحة باللون الرمادي) المقلية في درجات حرارة مختلفة. , ب و تم تصنيف المسام المجزأة باستخدام خريطة ألوان فئوية متكررة حيث يمثل نفس لون التسمية للأجسام المجاورة

نقاش

ثانيًا، أعاقت عيوب الحركة تقسيم المرحلة للصور الملتقطة أثناء القلي العميق. لا يزال تحقيق توازن بين الدقة المكانية والزمنية، جنبًا إلى جنب مع متطلبات معالجة البيانات، يمثل تحديًا رئيسيًا. ومع ذلك، فإن الابتكارات في التصوير بالأشعة السينية المتعددة بدون دوران،

طرق

المواد

إعداد التجربة

عمليات القلي العميق وما بعد القلي

تصوير الطيف الزمني المتزامن للأشعة السينية في الموقع

معالجة الصور وتحليلها

تحديد محتوى الرطوبة

قياسات درجة الحرارة أثناء القلي العميق وبعد القلي

التحليل الإحصائي

ملخص التقرير

توفر البيانات

References

1. Gamble, M. H., Rice, P. & Selman, J. D. Relationship between oil uptake and moisture loss during frying of potato slices from c. v. Record U.K. tubers. Int. J. Food Sci. Technol. 22, 233-241 (1987).
2. Ziaiifar, A. M., Achir, N., Courtois, F., Trezzani, I. & Trystram, G. Review of mechanisms, conditions, and factors involved in the oil uptake phenomenon during the deep-fat frying process. Int. J. Food Sci. Technol. 43, 1410-1423 (2008).
3. U.S. Department of Agriculture, A. R. S. USDA Food and Nutrient Database for Dietary Studies 2019-2020. (2022).
4. Dana, D. & Saguy, I. S. Review: Mechanism of oil uptake during deep-fat frying and the surfactant effect-theory and myth. Adv. Colloid Interface Sci 128-130, 267-272 (2006).
5. Hooper, L. et al. Reduction in saturated fat intake for cardiovascular disease. Cochrane Database Syst. Rev. 2020, (2020).
6. Hooper, L., Abdelhamid, A. S., Jimoh, O. F., Bunn, D. & Skeaff, C. M. Effects of total fat intake on body fatness in adults. Cochrane Database Syst. Rev. 2020, CD013636 (2020).
7. Mottram, D. S., Wedzicha, B. L. & Dodson, A. T. Acrylamide is formed in the Maillard reaction. Nature 419, 448-449 (2002).
8. World Health Organization. Total Fat Intake for the Prevention of Unhealthy Weight Gain in Adults and Children. (2023).
9. Pagliai, G. et al. Consumption of ultra-processed foods and health status: a systematic review and meta-analysis. Br. J. Nutr. 125, 308-318 (2021).
10. Monteiro, C. A., Moubarac, J. -C., Cannon, G., Ng, S. W. & Popkin, B. Ultra-processed products are becoming dominant in the global food system. Obes. Rev. 14, 21-28 (2013).
11. Vitrac, O., Trystram, G. & Raoult-Wack, A. L. Deep-fat frying of food: Heat and mass transfer, transformations and reactions inside the frying material. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 102, 529-538 (2000).
12. Moreira, R. G., Sun, X. & Chen, Y. Factors affecting oil uptake in tortilla chips in deep-fat frying. J. Food Eng. 31, 485-498 (1997).
13. Alam, T. & Takhar, P. S. Microstructural characterization of fried potato disks using x-ray micro computed tomography. J. Food Sci. 81, E651-E664 (2016).
14. Riley, I. M. et al. Impact of potato starch structural transitions on microstructure development during deep-frying. Food Hydrocoll 142, 108833 (2023).
15. Bouchon, P., Aguilera, J. M. & Pyle, D. L. Structure Oil-Absorption Relationships during Deep-Fat Frying. J. Food Sci. 68, 2711-2716 (2003).
16. Ufheil, G. & Escher, F. Dynamics of oil uptake during deep-fat frying of potato slices. Lwt 29, 640-644 (1996).
17. Dueik, V., Moreno, M. C. & Bouchon, P. Microstructural approach to understand oil absorption during vacuum and atmospheric frying. J. Food Eng. 111, 528-536 (2012).
18. Moreno, M. C., Brown, C. A. & Bouchon, P. Effect of food surface roughness on oil uptake by deep-fat fried products. J. Food Eng. 101, 179-186 (2010).
19. Baumann, B. & Escher, F. Mass and heat transfer during deep-fat frying of potato slices -I. rate of drying and oil uptake. LWT – Food Sci. Technol. 28, 395-403 (1995).
20. Albert, S. & Mittal, G. S. Comparative evaluation of edible coatings to reduce fat uptake in a deep-fried cereal product. Food Res. Int. 35, 445-458 (2002).
21. Liberty, J. T., Dehghannya, J. & Ngadi, M. O. Effective strategies for reduction of oil content in deep-fat fried foods: A review. Trends Food Sci. Technol. 92, 172-183 (2019).
22. Ziaiifar, A. M., Courtois, F. & Trystram, G. Porosity development and its effect on oil uptake during frying process. J. Food Process Eng. 33, 191-212 (2010).
23. Halder, A., Dhall, A. & Datta, A. K. An improved, easily implementable, porous media based model for deep-fat frying. Part II: Results, validation and sensitivity analysis. Food Bioprod. Process. 85, 220-230 (2007).
24. Zhang, J., Liu, Y. & Fan, L. Effect of pore characteristics on oil absorption behavior during frying of potato chips. Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 66, 102508 (2020).
25. Kalogianni, E. P. & Papastergiadis, E. Crust pore characteristics and their development during frying of French-fries. J. Food Eng. 120, 175-182 (2014).
26. Moreira, R. G. & Barrufet, M. A. A new approach to describe oil absorption in fried foods: a simulation study. J. Food Eng. 35, 1-22 (1998).
27. Zhang, T., Li, J., Ding, Z. & Fan, L. Effects of initial moisture content on the oil absorption behavior of potato chips during frying process. Food Bioprocess Technol 9, 331-340 (2016).
28. Reyniers, S. et al. Amylose molecular fine structure dictates water-oil dynamics during deep-frying and the caloric density of potato crisps. Nat. Food 1, 736-745 (2020).
29. Gazmuri, A. M. & Bouchon, P. Analysis of wheat gluten and starch matrices during deep-fat frying. Food Chem 115, 999-1005 (2009).
30. Liu, Y., Tian, J., Zhang, T. & Fan, L. Effects of frying temperature and pore profile on the oil absorption behavior of fried potato chips. Food Chem 345, 128832 (2021).
31. Touffet, M., Trystram, G. & Vitrac, O. Revisiting the mechanisms of oil uptake during deep-frying. Food Bioprod. Process. 123, 14-30 (2020).
32. Jekle, M., Mühlberger, K. & Becker, T. Starch-gluten interactions during gelatinization and its functionality in dough like model systems. Food Hydrocoll 54, 196-201 (2016).
33. Thanatuksorn, P., Kajiwara, K. & Suzuki, T. Characterization of deepfat frying in a wheat flour-water mixture model using a state diagram. J. Sci. Food Agric. 87, 2648-2656 (2007).
34. Wang, Z. et al. Effects of thermal properties and behavior of wheat starch and gluten on their interaction: a review. Int. J. Biol. Macromol. 177, 474-484 (2021).
35. Chen, L. et al. Comprehensive investigation and comparison of surface microstructure of fractionated potato starches. Food Hydrocoll 89, 11-19 (2019).
36. Li, W. et al. Low and high methoxyl pectin lowers on structural change and digestibility of fried potato starch. LWT 132, 109853 (2020).
37. Aguilera, J. M., Cadoche, L., Loópez, C. & Gutierrez, G. Microstructural changes of potato cells and starch granules heated in oil. Food Res. Int. 34, 939-947 (2001).
38. Kawas, M. L. & Moreira, R. G. Characterization of product quality attributes of tortilla chips during the frying process. J. Food Eng. 47, 97-107 (2001).
39. Bouchon, P. & Aguilera, J. M. Microstructural analysis of frying potatoes. Int. J. Food Sci. Technol. 36, 669-676 (2001).
40. Dhital, S., Baier, S. K., Gidley, M. J. & Stokes, J. R. Microstructural properties of potato chips. Food Struct 16, 17-26 (2018).
41. Aguilera, J. M. Why food micro structure? J. Food Eng. 67, 3-11 (2005).
42. Dehghannya, J. & Ngadi, M. Recent advances in microstructure characterization of fried foods: different frying techniques and process modeling. Trends Food Sci. Technol. 116, 786-801 (2021).
43. Yang, D., Wu, G., Li, P., Zhang, H. & Qi, X. Comparative analysis of the oil absorption behavior and microstructural changes of fresh and pre-frozen potato strips during frying via MRL, SEM, and XRD. Food Res. Int. 122, 295-302 (2019).
44. Li, P. et al. Effect of multistage process on the quality, water and oil distribution and microstructure of French fries. Food Res. Int. 137, 109229 (2020).
45. Contardo, I., James, B. & Bouchon, P. Microstructural characterization of vacuum-fried matrices and their influence on starch digestion. Food Struct 25, 100146 (2020).
46. Dewanckele, J., Boone, M. A., Coppens, F., van Loo, D. & Merkle, A. P. Innovations in laboratory-based dynamic micro-CT to accelerate in situ research. J. Microsc. 277, 197-209 (2020).
47. Withers, P. J. et al. X-ray computed tomography. Nat. Rev. Methods Prim. 1, 18 (2021).
48. Turbin-Orger, A. et al. Growth and setting of gas bubbles in a viscoelastic matrix imaged by X-ray microtomography: The evolution of cellular structures in fermenting wheat flour dough. Soft Matter 11, 3373-3384 (2015).
49. Schott, F. et al. Structural formation during bread baking in a combined microwave-convective oven determined by sub-second in-situ synchrotron X-ray microtomography. Food Res. Int. 173, 113283 (2023).
50. Gruber, S. et al. Pore shape matters – In-situ investigation of freezedrying kinetics by 4D XCT methods. Food Res. Int. 193, 114837 (2024).
51. Patsioura, A. et al. Microscopic imaging of biphasic oil-air flow in F rench fries using synchrotron radiation. AIChE J. 61, 1427-1446 (2015).
52. Blankenburg, C., Rack, A., Daul, C. & Ohser, J. Torsion estimation of particle paths through porous media observed by in-situ timeresolved microtomography. J. Microsc. 266, 141-152 (2017).
53. Piovesan, A. et al. 4D synchrotron microtomography and porenetwork modelling for direct in situ capillary flow visualization in 3D printed microfluidic channels. Lab Chip 20, 2403-2411 (2020).
54. Delcour, J. A. & Hoseney, R. C. Principles of Cereal Science and Technology. (AACC International, 2010).
55. Farkas, B. E., Singh, R. P. & Rumsey, T. R. Modeling heat and mass transfer in immersion frying. I, model development. J. Food Eng. 29, 211-226 (1996).
56. Mondal, A. & Datta, A. K. Bread baking – A review. J. Food Eng. 86, 465-474 (2008).
57. Ni, H. & Datta, A. K. Moisture, oil and energy transport during deepfat frying of food materials. Food Bioprod. Process. Trans. Inst. Chem. Eng. Part C 77, 194-204 (1999).
58. Reyniers, S., Ooms, N. & Delcour, J. A. Transformations and functional role of starch during potato crisp making: A review. J. Food Sci. 85, 4118-4129 (2020).
59. Riley, I. M., Verma, U., Verboven, P., Nicolai, B. M. & Delcour, J. A. Wheat gluten structure and (non-)covalent network formation during deep-fat frying. Food Res. Int. 188, 114503 (2024).
60. Berg, S. et al. Ilastik: interactive machine learning for (Bio)image analysis. Nat. Methods 16, 1226-1232 (2019).
61. Sandhu, J., Bansal, H. & Takhar, P. S. Experimental measurement of physical pressure in foods during frying. J. Food Eng. 115, 272-277 (2013).
62. HUBBARD, L. J. & FARKAS, B. E. Influence of oil temperature on convective heat transfer during immersion frying. J. Food Process. Preserv. 24, 143-162 (2000).
63. van der Sman, R. G. M. & van der Goot, A. J. The science of food structuring. Soft Matter 5, 501-510 (2009).
64. Tengattini, A. et al. NeXT-Grenoble, the Neutron and X-ray tomograph in Grenoble. Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 968, 163939 (2020).
65. Nemati, A., Lukić, B., Tengattini, A., Briffaut, M. & Séchet, P. Water vapor condensation in porous media: effects of fracture, porosity, and flow rate revealed by rapid 4D neutron imaging. Adv. Water Resour. 195, 104872 (2025).
66. Asimakopoulou, E. M. et al. Development towards high-resolution kHz -speed rotation-free volumetric imaging. Opt. Express 32, 4413 (2024).
67. Mittone, A. et al. Multiscale pink-beam microCT imaging at the ESRF-ID17 biomedical beamline. J. Synchrotron Radiat. 27, 1347-1357 (2020).
68. Aguilera, J. M. Food structure revisited. Trends Food Sci. Technol. 147, 104459 (2024).
69. Schoeman, L., Williams, P., du Plessis, A. & Manley, M. X-ray microcomputed tomography ( ) for non-destructive characterisation of food microstructure. Trends Food Sci. Technol. 47, 10-24 (2016).
70. Archana, R. & Jeevaraj, P. S. E. Deep learning models for digital image processing: a review. Artif. Intell. Rev. 57, 11 (2024).
71. Zhang, J., Li, J. & Fan, L. Comparative analysis of oil absorption and microstructure of fried potato chips treated with different pretreatment via X-ray micro-computed tomography and mercury intrusion method. J. Food Compos. Anal. 129, 106129 (2024).
72. Xue, S. et al. Comparison of mercury intrusion porosimetry and multi-scale X-ray CT on characterizing the microstructure of heattreated cement mortar. Mater. Charact. 160, 110085 (2020).
73. Contardo, I. & Bouchon, P. Enhancing Micro-CT methods to quantify oil content and porosity in starch-gluten matrices. J. Food Eng. 237, 154-161 (2018).
74. Bouchon, P. & Pyle, D. L. Modelling oil absorption during post-frying cooling II: solution of the mathematical model, model testing and simulations. Food Bioprod. Process. 83, 261-272 (2005).
75. Datta, A. et al. Computer-aided food engineering. Nat. Food 3, 894-904 (2022).
76. Aladedunye, F. A. & Przybylski, R. Degradation and Nutritional Quality Changes of Oil During Frying. J. Am. Oil Chem. Soc. 86, 149-156 (2009).
77. EFSA Panel on Contaminants in the Food Chain. Scientific Opinion on acrylamide in food. EFSA J. 13, (2015).
78. Zhang, J., Li, J. & Fan, L. Application of innovative techniques in modifying microstructures and reducing oil uptake of fried food: A review. Food Res. Int. 196, 115049 (2024).
79. Kumari, A., Bhattacharya, B., Agarwal, T., Paul, V. & Chakkaravarthi, S. Integrated approach towards acrylamide reduction in potatobased snacks: A critical review. Food Res. Int. 156, 111172 (2022).
80. Weitkamp, T. et al. Status and evolution of the ESRF beamline ID19. in X-ray Optics and Microanalysis: Proceedings of the 20th International Congress 33-38 (AIP Publishing, Karlsruhe, 2010).
81. Douissard, P. A. et al. A versatile indirect detector design for hard X-ray microimaging. J. Instrum. 7, P09016-P09016 (2012).
82. Paganin, D., Mayo, S. C., Gureyev, T. E., Miller, P. R. & Wilkins, S. W. Simultaneous phase and amplitude extraction from a single defocused image of a homogeneous object. J. Microsc. 206, 33-40 (2002).
83. Jackson, D. F. & Hawkes, D. J. X-ray attenuation coefficients of elements and mixtures. Phys. Rep. 70, 169-233 (1981).
84. Maire, E. & Withers, P. J. Quantitative X-ray tomography. Int. Mater. Rev. 59, 1-43 (2014).
85. Riley, I. M., Nivelle, M. A., Ooms, N. & Delcour, J. A. The use of time domain 1 H NMR to study proton dynamics in starch-rich foods: A review. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 21, 4738-4775 (2022).
86. Schlüter, S., Sheppard, A., Brown, K. & Wildenschild, D. Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review. Water Resour. Res. 50, 3615-3639 (2014).
87. Kerckhofs, G., Schrooten, J., Van Cleynenbreugel, T., Lomov, S. V. & Wevers, M. Validation of x-ray microfocus computed tomography as an imaging tool for porous structures. Rev. Sci. Instrum. 79, 013711 (2008).
88. Hildebrand, T. & Rüegsegger, P. A new method for the modelindependent assessment of thickness in three-dimensional images. J. Microsc. 185, 67-75 (1997).
89. Moisture-Air-Oven Methods. in AACC International Approved Methods (AACC International, 2009).
90. Verma, U., Riley, I. M., Verboven, P. & Nicolaï, B. M. In situ visualization of fluid flow during deep-fat frying process using ultrafast synchrotron microtomography. ERSF data repository https://doi. org/10.15151/ESRF-ES-930328408 (2025).
91. Verma, U., Riley, I. M., Verboven, P. & Nicolaï, B. M. Supporting data. Zenodo https://doi.org/10.5281/zenodo. 14507722 (2025).

شكر وتقدير

مساهمات المؤلفين

المصالح المتنافسة

معلومات إضافية

High-speed computed tomography to visualise the 3D microstructural dynamics of oil uptake in deep-fried foods

Results

High-speed dynamic imaging was carried out on the ID19 beamline at European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, France) capable of ultrafast tomography at high spatial resolution . To place results from the time-resolved investigation in context, the WFD samples were imaged before deep-frying using lab-based (see “Methods”). Samples containing 50 mg dry matter (DM) were fitted into a sample holder to create images with a voxel size of during deep-frying and during subsequent ambient cooling. Figure 1a shows the scheme of a custom experimental setup equipped with remote vertical sample manipulation in a synchrotron tomography setting, with the actual setup

Rapid pore expansion during deep-frying deforms structure

Through continued heat conduction inside the sample, the temperatures below the surface rapidly approached the boiling point of water, while heat conduction progressed more slowly into the centre (Fig. 4b). As a consequence of the increased steam generation and rising gas pressures, deformation was initiated by expansion of preexisting pores, essentially serving as nucleation sites. The structure expanded during the early stages of deep-frying (i.e., between 1 and 13 s ) and was transformed into a highly porous solid matrix (Fig. 3a). Parts of the starch-gluten network were observed to rupture under