王聰 鄒春 孫炎軍 王亮

1.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室 湖北武漢 430074；

2.廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

空氣煎炸（Air frying）作為一種新型“無煙無油”的煎炸方式[1]。該技術(shù)以高速循環(huán)的高溫?zé)峥諝鉃閭鳠峤橘|(zhì)，既能在食物表面形成酥脆金黃的外殼，又能鎖住食物內(nèi)部水分。熱風(fēng)煎炸最常見的應(yīng)用是炸制薯條，利用風(fēng)機與發(fā)熱管制造對流輻射環(huán)境，使薯條在少油的條件下被熱風(fēng)“炸熟”，具有少油減脂的優(yōu)勢。針對薯條的烹飪過程，目前已有一些相關(guān)的文獻研究，如從熱風(fēng)對流的角度，更新和優(yōu)化現(xiàn)有的傳熱模型[2-3]，利用低頻核磁共振（Low Field -Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）和激光掃描共聚光顯微鏡（Confocal Laser Scanning Microscope，CLSM）分析薯條在不同傳熱階段下的力學(xué)特性[4]，也有結(jié)合其他方式（熱風(fēng)——超聲[5]、添加茴香提取物[6]）觀察薯條在這些特殊條件下的品質(zhì)，也有利用紋理分析儀等方法來觀察薯條的表面材質(zhì)[7-8]。

在現(xiàn)有的電烤箱當(dāng)中，如果能增加熱風(fēng)空氣炸功能，則可提高烤箱的適應(yīng)性能，從而使電烤箱的功能多元化、智能化。目前，人們對薯條品質(zhì)的評價包含水分保留率和炸焦率等因素，而對炸焦率的判定，缺乏一個量化的標(biāo)準(zhǔn)，從而造成評價結(jié)果的誤差。

本文利用當(dāng)前流行的開源計算機視覺庫（Open Sourse Computer Vision Library，OpenCV），及延時攝影的方法，對不同功率下純熱風(fēng)烤箱烹飪薯條的過程進行記錄，同時借助圖像分割與識別技術(shù)對單根薯條的炸焦、夾生色彩比例進行判定，最后優(yōu)化烤箱的腔體升溫速率，為電烤箱的熱風(fēng)空氣炸功能的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)參考。

1 實驗內(nèi)容

根據(jù)Têko Gouyo[3]的文獻總結(jié)，薯條在加熱過程中的截面形態(tài)將出現(xiàn)分層的變化。如圖1所示，薯條在純對流條件下加熱的過程中，會經(jīng)歷化冰、脫水、脫層、褐化四個階段，當(dāng)薯條發(fā)生褐化后，其口感將會下降，因此，需要確定薯條發(fā)生褐化反應(yīng)的大致時間點。

圖1 空氣炸條件下，薯條截面的三區(qū)變化

以某品牌熱風(fēng)烤箱為例，在對流主導(dǎo)、溫度分布均勻的條件下，改變腔體的升溫速率，觀察薯條在發(fā)生褐化反應(yīng)時間附近的烹飪效果，最后初步確定對流主導(dǎo)條件下，最佳的腔體升溫規(guī)律。

1.1 實驗烤箱及溫度測點說明

為了保證對流主導(dǎo)的熱風(fēng)環(huán)境，故將該烤箱的上下發(fā)熱管斷電，僅保留背部熱風(fēng)處的發(fā)熱管，測點位置包含爐心及周圍4個測溫點，實驗時，選取中等大小的薯條（單根6～12 g、無較薄區(qū)域、處于冷凍狀態(tài)下）進行測試，如圖2所示。

圖2 選取的薯條外觀、形態(tài)及烤盤中擺放位置

1.2 試炸及均勻性驗證

選取三種不同工作電壓（107 V、120 V、135 V），對變功率條件下烤箱的性能進行測試，將烤箱模式設(shè)置為“Air Fry”，并將烤盤置于第二層，設(shè)置Rack level為2，375℉，將薯條放于測溫點附近，開啟風(fēng)機后，記錄下對應(yīng)的熱電偶溫度值，同時，利用佳能IXUS 190相機，對爐內(nèi)薯條的顏色變化，進行20倍快進延時攝影，如圖3所示，當(dāng)所有薯條全部發(fā)生兩端烤焦的情況時，停止實驗，并分析薯條的色彩變化，同時根據(jù)不同熱電偶測溫變化情況，驗證腔體溫度是否均勻，并獲得不同功率下腔體的升溫速率。

圖3 延時攝影方法獲得最佳烹飪時間

通過反復(fù)觀看延時視頻，可大致確定該功率下，薯條烤焦前后轉(zhuǎn)變點的大致時間，將其記錄于表1中。

三種工作電壓下，腔體的升溫規(guī)律如圖4所示。

從圖4中可看出，所有測點間溫度變化相近，可視為腔體空氣溫度分布均勻。由于溫度的變化是多段的，因此將其達溫前的升溫曲線段拼接，隨后線性擬合出升溫速率，并總結(jié)于表1中。

圖4 三種電壓下對應(yīng)的腔體升溫規(guī)律

1.3 薯條烹飪及記錄圖像

調(diào)節(jié)電壓，使烤箱在107 V、120 V、135 V三個功率下，對薯條進行烹飪，在烹飪前，選取合適尺寸及形狀的薯條，并獲得烹飪前質(zhì)量，將薯條擺放好后，同時開啟熱電偶溫度記錄開關(guān)及空氣烤開關(guān)，達到表1中對應(yīng)的時間后，斷開電源，取出薯條，并記錄烹飪后薯條質(zhì)量，每個功率重復(fù)兩組實驗，最后用相機內(nèi)的評價白平衡模式對圖像色彩進行校正，從而獲得腔體升溫規(guī)律，以及薯條的圖像信息。

表1 試炸實驗確定的臨界轉(zhuǎn)變時間及腔體升溫速率

1.4 基于圖像分割技術(shù)的薯條品質(zhì)評價

根據(jù)IEC 60350-1-2016烤箱烹調(diào)性能實驗標(biāo)準(zhǔn)[9]，要求在盡量短的時間內(nèi)制作的薯條，其兩端烤黑的比例在10%以下，水分保留率應(yīng)在40%～60%之間。

1.4.1 水分保留率的計算

水分保留率keep通過測量薯條炸制前后的質(zhì)量相比獲得：

式中：mbef代表烹飪前薯條的總重量（kg），maft代表烹飪后薯條的總重量（kg）。

1.4.2 薯條上色分析

本文采用開源計算機視覺庫（Open Sourse Computer Vision Library，OpenCV），利用色相飽和度明度（Hue Saturation Value，HSV）色彩空間對薯條焦黑、夾生的情況進行判斷。

單張圖像的分析過程如下：

（1）色彩空間的轉(zhuǎn)換（HsvSeg）

構(gòu)造HsvSeg類對原始圖像進行HSV空間轉(zhuǎn)換，對新圖像的通道進行分離，最后將數(shù)據(jù)壓入vector容器中。

（2）薯條顏色的判斷（Judgers）

此模塊接受HSV分割返回的三通道容器，初始化三種色彩判定器，對薯條的色彩進行分析，遍歷圖像每個像素點，對每一個位置處的分析包含三個部分：去除背景、夾生判斷和焦黑判斷，各通道色彩度的選擇參考了OpenCV官方文檔庫[10]及Wu D等人[11]的研究：

a. 去除背景（背景為白色，飽和度低）

利用薯條黃色判定器YellowJudger，根據(jù)（飽和度>65、11≤色相值≤37（對應(yīng)黃色范圍））的條件，篩選出屬于薯條部分的像素點。

b. 夾生判斷（黃色，飽和度低，亮度比熟的薯條高）

利用夾生色彩判定器RYellowJudger，根據(jù)（飽和度<90、最大值灰度>110）的條件，篩選出夾生薯條部分的像素點。

c. 焦黑判斷（亮度不高，顏色偏離黃色）

利用夾生色彩判定器DYellowJudger，根據(jù)（最大值灰度<180、色相值< 23）的條件，篩選出炸焦薯條部分的像素點。

最后以圖像的方式返回三個識別器的識別結(jié)果圖像。

（3）圖像后處理（imgProcessor）

此模塊接受識別器的結(jié)果圖像，對圖像進行后處理：a. 圖像操作

由于薯條與背景的邊界處色相變化劇烈，圖像易產(chǎn)生邊框，因此構(gòu)造圖像后處理器imgProcessor對圖像進行形態(tài)學(xué)開運算，以減小此誤差。

b. 統(tǒng)計比例

遍歷結(jié)果圖像中的像素點，若圖像中某處的像素值不為0，則增加相應(yīng)計數(shù)器的值：

式中：Raw代表薯條的夾生率，Burnt代表薯條的炸焦率，Nraw、Nburn分別代表判定為夾生、炸焦的像素點數(shù)，Ntotal代表圖像中識別為薯條的總像素數(shù)。

（4）寫入數(shù)據(jù)（infoPrinter）

此模塊對文件夾內(nèi)所有圖像進行讀取和分析，調(diào)用文件處理器infoPrinter，將存儲在圖像后處理器中的統(tǒng)計結(jié)果輸出到CSV文件中。將上述處理過程總結(jié)為流程圖，如圖5所示。

圖5 單張圖像的色彩判定流程圖

2 實驗結(jié)果與結(jié)論

從表2中的數(shù)據(jù)及薯條的烹飪結(jié)果圖像（如圖6所示），可以看出，在溫度分布均勻，且對流占主導(dǎo)的條件下，得出以下結(jié)論：

（1）腔體升溫速率過低（0.295℃/s），則烤箱無法在較短的時間（小于20 min）烹飪出品質(zhì)較好的薯條，薯條的水分保留率較高，脆殼較少。

（2）腔體升溫速率過高（0.539℃/s），則薯條的結(jié)殼速度過快，即使外部上色均勻且形成脆殼，薯條的水分保留率依然較高，而如果延長加熱時間，使其水分保留率介于40%～60%之間，則薯條的兩端容易烤焦，因而品質(zhì)下降。

（3）腔體升溫速率適中時（0.386℃/s），薯條可以在較短的時間內(nèi)結(jié)殼，同時水分保留率較低，低于60%，口感和色澤均較好。

本文通過對熱風(fēng)烤箱烹飪薯條的性能進行了研究，借助延時攝影，快速確定了不同加熱工況下薯條的上色臨界點，并結(jié)合圖像分割