DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57934-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40091051
تاريخ النشر: 2025-03-16
المؤلف: Ujjwal Verma وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة آليات امتصاص الزيت في الأطعمة المقلية، مع التركيز على التشوهات الهيكلية التي تحدث أثناء القلي. باستخدام نظام تصوير 4D جديد يعتمد على تصوير الأشعة السينية السريعة، تفحص البحث عجينة دقيق القمح كنموذج لتحليل تأثيرات درجة حرارة زيت القلي على تشكيل المسام وامتصاص الزيت. تشير النتائج إلى أن درجات حرارة القلي الأعلى تؤدي إلى قشرة أكثر وضوحًا مع فتحات سطحية، مما يعزز امتصاص الزيت من خلال العمل الشعري.
تكشف النتائج الكمية أن محتوى الزيت النهائي يختلف بشكل كبير مع درجة الحرارة: 14.4% عند 180 درجة مئوية، 12.2% عند 150 درجة مئوية، و1.3% فقط عند 120 درجة مئوية. تسلط الدراسة الضوء على أن التغيرات المعتمدة على درجة الحرارة في ترابط المسام وسلامة الشبكة تلعب دورًا حاسمًا في التأثير على كل من معدل امتصاص الزيت وتوزيعه داخل مصفوفة الطعام. تساهم هذه الرؤى في فهم أعمق للعلاقة بين ظروف القلي وجودة المنتجات المقلية.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على دقيق القمح بمحتوى رطوبة 14.1% ومحتوى بروتين 11.5% من Molens Vanden Bempt في بلجيكا. تم إعداد عجينة عن طريق خلط 400 جرام من الدقيق مع 175 مل من الماء منزوع الأيونات، تليها فترة راحة لمدة 15 دقيقة و15 دقيقة من العجن باستخدام ماكينة خبز أوتوماتيكية من باناسونيك. بعد فترة راحة إضافية مدتها 70 دقيقة، تم تشكيل عينات تزن 50 ملغ على أساس المادة الجافة، تُعرف بعجينة دقيق القمح (WFD) التي تحتوي على 40% ماء، للقلي العميق.
بالنسبة لعملية القلي، تم اختيار زيت عباد الشمس كوسيط نظرًا لاستخدامه الشائع في التطبيقات الصناعية. تم وضع العينات في حوامل عينات دائرية (TSCs) ذات تحكم في درجة الحرارة مصنوعة من بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE)، مصممة بقطر داخلي يبلغ 5.5 مم وارتفاع 18 مم. كانت TSCs تحتوي على حوالي 20% من مساحة السطح المفتوحة، تم تحقيقها من خلال 115-120 ثقبًا بقطر 0.7 مم على السطح و17 ثقبًا بقطر 0.3 مم في القاع، مما يسهل تبادل السوائل أثناء القلي العميق.
نتائج
في هذه الدراسة، تم استخدام تصوير 4D μCT للتحقيق في التغيرات الميكروهيكلية وديناميات امتصاص الزيت في عينات مقلية مملوءة بالماء (WFD) بمحتوى رطوبة 40% على مدى فترة قلي مدتها 56 ثانية ومرحلة تبريد لاحقة مدتها 63 ثانية. فحص البحث تأثيرات درجات حرارة القلي العميق المتغيرة (180، 150، و120 درجة مئوية) على تطوير المسامية وفقدان الرطوبة، كاشفًا عن تغييرات ميكروهيكلية مميزة مرتبطة بهذه الظروف. تم قياس ملفات درجة الحرارة المحلية في كل من قشرة العينات ومناطق القلب لتحليل تدرج درجة الحرارة المتطور وتأثيره على التشوه الهيكلي أثناء عمليات القلي والتبريد.
تم إجراء تصوير ديناميكي عالي السرعة في خط الأشعة ID19 في منشأة الإشعاع السنكروتروني الأوروبية، مما سمح بتصوير طوبوغرافي فائق السرعة بدقة مكانية عالية. تم تصوير العينات، التي تحتوي على 50 ملغ من المادة الجافة، بأحجام فوكسل تبلغ 2.2 ميكرومتر أثناء القلي و5.2 ميكرومتر أثناء التبريد. الصور الناتجة ثلاثية الأبعاد، التي تم إعادة بنائها باستخدام تقنية التصفية العكسية مع استرجاع الطور، تميزت بفعالية بين المصفوفة الصلبة، المسام المملوءة بالغاز أو الزيت، وزيت القلي بناءً على اختلافات امتصاص الأشعة السينية. أظهرت التحليلات أنه مع توسع العينة أثناء القلي، أدى زيادة حجم الغاز إلى إزاحة حجم الزيت، مما يبرز التفاعل المعقد بين التغيرات الميكروهيكلية وديناميات امتصاص الزيت طوال عملية القلي.
نقاش
تركز قسم النقاش في ورقة البحث على التحولات الهيكلية وديناميات امتصاص الزيت لعجينة دقيق القمح (WFD) أثناء القلي العميق، باستخدام تصوير الأشعة السينية عالي السرعة المتزامن للرؤية في الموقع. كشفت التصويرات الأولية μCT عن توزيع موحد للمسام المملوءة بالغاز في WFD، والتي توسعت بسرعة عند الغمر في الزيت الساخن، مما أدى إلى تشوه هيكلي كبير. تسلط الدراسة الضوء على أنه خلال المراحل المبكرة من القلي، أدى توليد البخار من تبخر الماء إلى بدء توسع المسام، مما نتج عنه مصفوفة ذات مسامية عالية. تم تمييز هذه العملية بتجمع المسام الغازية الصغيرة في مسام أكبر، بينما حدث فقدان الرطوبة بشكل أساسي من خلال التبخر عند السطح. لوحظ تشكيل هيكل يشبه القشرة بعد فترة طويلة من القلي، مع اختلافات واضحة في شكل المسام بين مناطق القشرة والقلب، مما يشير إلى درجات متفاوتة من الصلابة ومحتوى الرطوبة.
علاوة على ذلك، تؤكد النتائج تأثير درجة حرارة القلي على الميكروهيكل وامتصاص الزيت. عند درجات حرارة أعلى (180 درجة مئوية)، أدت التبخر السريع والتدرجات الحرارية الكبيرة إلى تشوه هيكلي واسع النطاق، بينما أدت درجات الحرارة المنخفضة (120 درجة مئوية و150 درجة مئوية) إلى فقدان رطوبة أبطأ وتغيرات هيكلية أقل وضوحًا. توضح الدراسة أيضًا آليات امتصاص الزيت خلال مرحلة التبريد، كاشفة أن الزيت اخترق بشكل أساسي القشرة الخارجية بسبب العمل الشعري، مع وجود ترابط محدود مع القلب. بشكل عام، توفر هذه الدراسة رؤى حاسمة حول الديناميات المعقدة لامتصاص الزيت في المنتجات المقلية، مما يبرز الحاجة إلى فهم أعمق لهذه الآليات لإبلاغ ممارسات القلي الأكثر صحة وصياغات المنتجات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57934-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40091051
Publication Date: 2025-03-16
Author(s): Ujjwal Verma et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
This study investigates the mechanisms of oil absorption in deep-fried foods, focusing on the structural deformations that occur during frying. Utilizing a novel 4D imaging system based on fast synchrotron radiation tomography, the research examines wheat flour dough as a model to analyze the effects of frying oil temperature on pore formation and oil uptake. The findings indicate that higher frying temperatures result in a more pronounced crust with surface openings, which enhances oil absorption through capillary action.
Quantitative results reveal that the final oil content varies significantly with temperature: 14.4% at 180 °C, 12.2% at 150 °C, and only 1.3% at 120 °C. The study highlights that temperature-dependent changes in pore connectivity and network integrity play a crucial role in influencing both the rate of oil uptake and its distribution within the food matrix. These insights contribute to a deeper understanding of the relationship between frying conditions and the quality of deep-fried products.
Methods
In this study, wheat flour with a moisture content of 14.1% and a protein content of 11.5% was sourced from Molens Vanden Bempt in Belgium. A dough was prepared by mixing 400 g of flour with 175 mL of deionized water, followed by a 15-minute resting period and 15 minutes of kneading using a Panasonic automated bread maker. After an additional resting period of 70 minutes, samples weighing 50 mg on a dry matter basis, referred to as wheat flour dough (WFD) containing 40% water, were shaped for deep-frying.
For the frying process, sunflower oil was selected as the medium due to its common use in industrial applications. The samples were placed in cylindrical TSCs (temperature-controlled sample holders) made from Polytetrafluoroethylene (PTFE), designed with an internal diameter of 5.5 mm and a height of 18 mm. The TSCs featured approximately 20% open surface area, achieved through 115-120 perforations of 0.7 mm in diameter on the surface and 17 perforations of 0.3 mm at the bottom, facilitating fluid exchange during deep-frying.
Results
In this study, 4D μCT imaging was employed to investigate microstructural changes and oil uptake dynamics in water-filled deep-fried (WFD) samples with 40% moisture content over a 56-second frying period and a subsequent 63-second cooling phase. The research examined the effects of varying deep-frying temperatures (180, 150, and 120 °C) on porosity development and moisture loss, revealing distinct microstructural alterations linked to these conditions. Local temperature profiles were measured at both the crust and core regions of the samples to analyze the evolving temperature gradient and its influence on structural deformation during the frying and cooling processes.
High-speed dynamic imaging was conducted at the ID19 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility, allowing for ultrafast tomography with high spatial resolution. The samples, containing 50 mg of dry matter, were imaged with voxel sizes of 2.2 μm during frying and 5.2 μm during cooling. The resulting 3D volume images, reconstructed using filtered back propagation with phase retrieval, effectively distinguished between the solid matrix, gas or oil-filled pores, and frying oil based on X-ray attenuation differences. The analysis demonstrated that as the sample expanded during frying, the increase in gas volume displaced the oil volume, highlighting the complex interplay between microstructural changes and oil uptake dynamics throughout the frying process.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the structural transformations and oil uptake dynamics of wheat flour dough (WFD) during deep-frying, utilizing high-speed time-resolved X-ray tomography for in-situ visualization. Initial μCT imaging revealed a uniform distribution of gas-filled pores in the WFD, which expanded rapidly upon immersion in hot oil, leading to significant structural deformation. The study highlights that during the early stages of frying, steam generation from water vaporization initiated pore expansion, resulting in a highly porous matrix. This process was characterized by the coalescence of smaller gas pores into larger ones, while moisture loss primarily occurred through vaporization at the surface. The formation of a crust-like structure was observed after prolonged frying, with distinct differences in pore morphology between the crust and core regions, indicating varying degrees of rigidity and moisture content.
Furthermore, the findings underscore the impact of frying temperature on microstructure and oil absorption. At higher temperatures (180 °C), rapid vaporization and significant temperature gradients led to extensive structural deformation, while lower temperatures (120 °C and 150 °C) resulted in slower moisture loss and less pronounced structural changes. The study also elucidates the mechanisms of oil uptake during the cooling phase, revealing that oil primarily penetrated the outer crust due to capillary action, with limited connectivity to the core. Overall, this research provides critical insights into the complex dynamics of oil absorption in deep-fried products, emphasizing the need for a deeper understanding of these mechanisms to inform healthier frying practices and product formulations.