CN1753622A - 在热加工食品中降低丙烯酰胺形成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种降低热加工食品中的丙烯酰胺量的方法和装置。本发明能够生产丙烯酰胺含量大大降低的食品。该方法依赖于操控在食品生产中所使用的各种单元操作，特别是淋洗和烹制单元操作。例如，淋洗单元操作可被改进，以提供在时间和温度增加时的接触步骤，并且向用于接触的水溶液中加入一些成分，如氯化钙和L－半胱氨酸。烹制单元操作通过分成至少一个较高温第一加热步骤，和较低温第二加热步骤进行改进，从而避免最有利于丙烯酰胺形成的高温/低含水量条件。

Description

在热加工食品中降低丙烯酰胺形成的方法
发明背景
1. 技术领域
本发明涉及一种在热加工食品中降低丙烯酰胺量的方法。本发明能够生产丙烯酰胺含量大大降低的食品。本方法依赖于改变各种单元操作的参数，以便操控在成品中发现的丙烯酰胺量，同时还保持产品质量。
2. 现有技术的描述
化学物质丙烯酰胺已经以聚合物形式在工业应用中用于水处理、浓缩油回收、造纸、絮凝剂、增稠剂、矿石处理和免烫织物。丙烯酰胺沉淀为白色结晶固体，无气味，并且易溶于水(2155g/L，在30℃)。丙烯酰胺的的同义名词包括2-丙烯酰胺(2-propenamide)，乙烯甲酰胺，丙烯酸酰胺，乙烯基酰胺和丙烯酸酰胺。丙烯酰胺分子质量为71.08，熔点为84.5℃以及在25mmHg下的沸点为125℃。
最近，在许多食品的检测中，丙烯酰胺单体呈阳性。特别是主要在加热或高温下加工的碳水化合物食品中已发现了丙烯酰胺。在丙烯酰胺的检测中呈阳性的食品的例子包括咖啡、谷类食品、曲奇、油炸薯片、饼干、油炸马铃薯条、面包和面包卷以及粘滚上面包屑的炸肉。与未加热和煮沸食品中未探测到的含量相比，通常在加热的蛋白质丰富的食品中发现较低含量的丙烯酰胺，而在碳水化合物丰富的食品中发现较高含量的丙烯酰胺。在各种相类的加工食品中发现的丙烯酰胺的报告含量包括：油炸薯片在330-2300(ug/kg)的范围，炸薯条在300-1100(ug/kg)的范围，玉米片在120-180(ug/kg)的范围，以及在各种早餐谷类食品中的含量范围从没有检测到直到1400(ug/kg)。
目前确信丙烯酰胺是由氨基酸和还原糖形成的。例如，确信在游离的天门冬酰胺和游离的还原糖之间的反应能说明在油炸食品中发现的大量的丙烯酰胺，其中天门冬酰胺是在生蔬菜中发现的一种氨基酸。在生的马铃薯中发现的总的游离氨基酸中天冬酰胺占有约40％，在高蛋白黑麦中发现的总游离氨基酸天冬酰胺占有约18％，并且在小麦中发现的总游离氨基酸中天冬酰胺占有约14％。
除了天冬酰胺丙烯酰胺也可能是由其他的氨基酸形成的，但是尚未证实。例如，已有报道指出用谷氨酰胺，蛋氨酸，半胱氨酸以及天门冬氨酸作为前体进行试验可以形成丙烯酰胺。然而，由于在原料氨基酸中潜在的天冬酰胺杂质，这些发现很难证实。尽管如此，天门冬酰胺已经被确定为最可能形成丙烯酰胺的氨基酸前体。
由于食品中的丙烯酰胺是最近发现的现象，所以其准确的形成机理还尚未确定。但是，现在确信最有可能形成丙烯酰胺的途径涉及美拉德(Maillard)反应。在食品加工中美拉德反应被公认为是食品化学中最重要的化学反应之一，并且影响食品的味道，颜色以及营养价值。美拉德反应需要热量，水分，还原糖和氨基酸。
美拉德反应涉及具有许多中间体的一系列复杂的反应，但通常描述成包含三个步骤。美拉德反应的第一个步骤涉及游离氨基(来自游离的氨基酸和/或蛋白质)与还原糖(例如葡萄糖)的化合形成Amadori或Heyns的重排产物。第二个步骤包括经由不同可选择的途径使Amadori或Heyns重排产物降解，该途径包括脱氧邻酮醛糖(deoxyosones)，裂解，或斯特雷克(Streker)降解。包括脱水，消去，环化，裂解以及片断化的一系列复杂反应产生大量的香味中间体和香味化合物。美拉德反应的第三个步骤的特征是形成褐色含氮聚合物和共聚物。利用美拉德反应作为形成丙烯酰胺的最有可能的途径，图1描述了以天冬酰胺和葡萄糖为起始物形成丙烯酰胺的简化的可能途径。
丙烯酰胺尚不能确定对人类是有害的，但它存在于食品中，特别是在食品中处于较高含量是人们所不希望的。如前提到的，在加热或热加工的食品中发现了较高浓度的丙烯酰胺。这种食品中丙烯酰胺的降低可以通过减少或消除形成丙烯酰胺的前体化合物，抑制食品加工期间丙烯酰胺的形成，并且一旦在食品中形成便分解或与丙烯酰胺单体反应，或者，在消费前由制品中去除丙烯酰胺来实现。可以理解，为实现以上任何可选择的方法对每一种食品都需要单独对待。例如，在烹制时在没有物理性的破坏给予食品独特风味的细胞结构的情况下，被切片和作为粘着的片烹制的食品不容易与各种添加剂混合。特殊食品的其它加工要求可能类似的可以使丙烯酰胺降低策略不相容或非常困难。
举例说明，图2表示利用生马铃薯原料制造油炸薯片的公知的现有技术的方法。含有约80％或更多水的重量的生马铃薯首先在削皮步骤21中加工。在生马铃薯削皮后，马铃薯被传送到切片步骤22。在切片步骤22种，每个马铃薯切片的厚度取决于最终成品的期望的厚度。现有技术中的一个实例包括将马铃薯切成厚度约0.04至约0.08英寸的片。然后，将这些切片输送到淋洗步骤23，在该步骤中用水洗去每个切片上的表面淀粉。然后，将清洗过的马铃薯切片输送到烹制步骤24。该烹制步骤24典型的包括在例如约171℃至约182℃(340-360°F)的温度下，在连续的油炸锅内油炸切片约二至三分钟。烹制步骤通常将油炸片的含水量降至小于重量百分比的2％。例如，典型的油炸马铃薯片离开油炸锅具有约1-2％的重量百分比含水量。然后，烹制的油炸薯片输送到调味步骤25，在此步骤中在转鼓中施加调味品。最后，调味过的油炸片在包装步骤26内加工。该包装步骤26通常包含将调味过的油炸片送到一个或多个衡重器中，然后衡重器将薯片分成一个或多个垂直形式，填满，然后密封机以柔性包装方式包装。一旦包装好，制品进入销售并由消费者购买。
在上述的多个薯片加工步骤中的微小调节可导致最终制品的特性的显著变化。例如，在淋洗步骤23中切片在水中滞留时间延长会导致将提供最终制品味道，颜色和结构的化合物切片中浸出。在烹制步骤24，滞留时间或加热温度的增加可导致油炸片内美拉德褐变程度的增加，以及较低的含水量。如果期望在油炸前将配料加入马铃薯切片内，它有必要设置这样的装置，该装置能，将附加的配料吸收进入切片的内部，而不会影响油炸片的细胞结构，或者不会从切片中浸出有利的化合物的装置。
作为加热食品的另一个实例，该实例说明在最终制品中降低丙烯酰胺含量面临的独特挑战，快餐还可制成合成快餐。术语“合成快餐”意指利用非原始和不变的淀粉原材料作为起始配料而制成的快餐食品。例如，合成快餐包括利用脱水马铃薯作为原材料合成油炸薯片，以及利用湿润粉糊作为原材料合成玉米片。这里注意到脱水马铃薯产品可以是马铃薯粉，马铃薯薄片，马铃薯颗粒，或存在脱水马铃薯的任意其它形式。当任何这些术语用在本申请中时，可以理解可包括所有各种变化。
再参见图2，合成油炸薯片不需要削皮步骤21，切片步骤22，或淋洗步骤23。取而代之，合成油炸薯片最初是脱水马铃薯制品，例如马铃薯薄片。脱水马铃薯制品与水和其它辅助配料混合，以形成面团。然后，该面团制成片状，并在烹制步骤处理之前切削。烹制步骤可包括油炸或烘焙。接着对油炸片进行调味和包装的步骤。马铃薯面团的混合通常使自身容易添加其它配料。相反，给生食品例如马铃薯切片添加这样的配料，需要发现一种机制，以便配料渗透到制品的细胞结构内。然而，在混合步骤中添加任何配料必须考虑到配料可以相反的影响面团的成片特性，以及最终油炸片的特性。需要开发一种或多种降低加热或热加工食品的最终制品中的丙烯酰胺含量的方法。理想的是，这种方法应该充分减少或消除最终制品中的丙烯酰胺，而不负面影响最终制品的质量和性能。另外，该方法应该容易实现，并且，最好是给整个处理几乎不添加任何成本。
                        发明简述
本发明是一种降低热加工食品中丙烯酰胺量的方法。根据一个实施方案，该方法包括：提供连续进给的已削皮和切片的生马铃薯，在约60℃(140°F)温度下，使该连续进给的生马铃薯切片与水溶液接触约五分钟，以降低生马铃薯切片中丙烯酰胺前体的含量。根据另一个实施方案，该方法包括提供连续进给的已削皮和切片的生马铃薯，在约171℃至约182℃(340-360°F)温度下，部分油炸(par-frying)生马铃薯切片，直到含水量降低至重量百分比约3-10％的水分，然后在小于约120℃(250°F)温度下烘箱干燥部分油炸过(par-fried)的薯片，直到含水量进一步降低至重量百分比约1-2％的水分。根据另一个实施方案，该方法包括：在约60℃(140°F)温度下，使连续进给的生马铃薯切片与水溶液接触，随后在约171℃至约182℃(340-360°F)温度下，部分油炸生马铃薯切片，直到含水量降低至重量百分比约3-10％的水分，然后在小于约120℃(250°F)温度下烘箱干燥部分油炸过的薯片，直到含水量进一步降低至重量百分比约1-2％水分。其它实施方案包括结合不同方法的用于接触和烹制连续进给的已剥皮和切片的马铃薯以及操控不同的其它单元操作。通过操控这些单元操作，人们可避免产生最适合丙烯酰胺形成的条件，从而降低丙烯酰胺在热加工食品中形成。
例如，操控典型的薯片制作方法的淋洗步骤使其包括将马铃薯切片与水溶液接触的接触步骤。接触时间和温度可增加并受操控，并可将一种或多种配料添加到水溶液中。通过将烹制步骤分成较高温的第一加热步骤和较低温的第二加热步骤操控该烹制步骤。较高温的第一加热步骤包括大气压下的油炸，真空油炸，加压油炸，微波辅助油炸，或烘焙，和本领域公知的其它方法。第二加热步骤可包括真空油炸，低温炉干燥，真空炉干燥，或可保持第二加热步骤所需的烹制温度的任意烹制方法。用于操控接触和烹制单元操作以降低丙烯酰胺形成的其它方法也是可以的。
本发明上面的，和其它的特征和优点将在下面的书面详细描述中显而易见。
                          附图的简要描述
本发明的性能带来的新颖特征在附后的权利要求书中描述。然而，通过参考以下说明性的实施方案的详细描述并结合附图将很好的理解本发明自身，以及优选使用模式，和其它目的和优点，其中：
图1是丙烯酰胺形成的可能的化学途径的示意图；
图2是现有技术的薯片加工步骤的示意图；
图3是一个图表，其y轴表示沿x轴所述的不同方式接触后油炸的马铃薯测试样品的丙烯酰胺浓度，单位为十亿分之几(“ppb”)，以及最终含水量的重量百分比；
图4是一个图表，它将图3的原始结果与图3的结果在归一化成1.32％的含水量的重量百分比后进行对比；
图5是表示丙烯酰胺浓度和最终油炸制品含水量之间的关系的图表，其中以ppb为单位的丙烯酰胺浓度在y轴上，以重量百分比为单位的含水量在x轴上；
图6是表示丙烯酰胺浓度和最终烘焙制品含水量之间的关系的图表，其中以ppb为单位的丙烯酰胺浓度在y轴上，以重量百分比为单位的含水量在x轴上；
图7a是马铃薯测试样品中丙烯酰胺浓度的图表，这些马铃薯测试样品在经过不同方法的接触后，在约120℃(250°F)温度下部分油炸，然后烘干，其中以ppb为单位的丙烯酰胺浓度在y轴上，不同的接触方法在x轴上表示；
图7b是以较窄的丙烯酰胺浓度比例表示的图7a的最后六个数据点的图表；
图8是在将部分油炸数据归一化成3.13％含水量的重量百分比，并将烘干数据归一化成1.25％的含水量的重量百分比之后，图7a的数据的图表；
图9是一个图表，它表示在以ppb为单位的y轴上：1)马铃薯测试样品的丙烯酰胺浓度，该测试样品以x轴所示的不同方式接触，然后，在约178℃(353°F)温度下部分油炸，和2)在约176℃(350°F)温度下烘干，并归一化成0.76％的含水量的重量百分比之后，那些相同的马铃薯测试样品的丙烯酰胺浓度；
图10是表示一个试验的操作条件和结果的表格，在该试验中，马铃薯切片的一个对照样品在大气压下油炸到1.4％的含水量的重量百分比，和一个测试样品在大气压下油炸到2.5％的含水量的重量百分比，然后烘干到1.4％的含水量的重量百分比；
图11是表示若干试验的操作条件和结果的表格，在这些试验中，马铃薯切片的一个对照样品在大气压下油炸到约0.8％的含水量的重量百分比，四个测试样品在大气压下部分油炸到约3-10％的含水量的重量百分比，然后低温真空油炸到低于1％的含水量的重量百分比；和
图12是表示七个试验的操作条件和结果的表格，在这些试验中，在初始温度范围为约165至约180℃(329-356°F)下，将四个测试样品在大气压下在油中油炸约3-4分钟，在从约100至约140℃(212-284°F)的温度范围和50-100毫巴的压力范围下，将三个测试样品在低温真空下油炸约4-10分钟。
                        发明详细描述
在热加工食品中丙烯酰胺的形成需要有碳源和氮源。假定碳由碳水化合物源提供，氮由蛋白质源或氨基酸源提供。许多来自植物的食品配料，如大米、小麦、玉米、大麦、大豆、马铃薯和燕麦都含有天门冬酰胺，而且主要是含有较少氨基酸成分的碳水化合物。一般来讲，这样的食品配料具有小的氨基酸库，而氨基酸库除了天门冬酰胺之外还含有其它的氨基酸。
通过“热加工”的意思是指将食品或食品配料，此处指食品成分，如食品配料的混合物在至少80℃的温度下加热。优选的，食品或食品配料的热加工在约100℃到205℃的温度下进行。在最终食品制成之前，可对食品配料以升高的温度进行单独的加工。热加工食品配料的一个例子是马铃薯薄片，这种马铃薯薄片用将生马铃薯暴露在高达170℃的温度下的方法制成。其它热加工食品配料的实例包括加工过的燕麦、煮成半熟并干燥的大米、熟大豆制品、玉米湿润粉糊、炒咖啡豆和炒可可豆。作为选择，食品配料原料可用在最终食品的制备中，该最终食品的生产包括加热步骤。其最终食品通过加热步骤产生的原料加工的一个例子是用生的马铃薯切片生产油炸薯片，这种加工通过以约100℃到205℃的温度下煎炸的步骤或以类似的温度生产油炸马铃薯条来进行。但是，根据本发明，当在还原糖的存在的情况下将氨基酸天冬酰胺加热时，已发现有大量的丙烯酰胺形成。在有还原糖如葡萄糖存在的情况下将其它氨基酸诸如赖氨酸和丙胺酸加热时，不会导致丙烯酰胺的形成。但令人意外的是，给天冬酰胺一糖混合物中添加其它氨基酸时可以增加或减少形成的丙烯酰胺的量。
由于已经确定了当在有还原糖存在的情况下加热天门冬酰胺时丙烯酰胺可快速形成，因此降低热加工食品中丙烯酰胺可通过使天门冬酰胺的失活来实现。“失活”是指通过转化或与另一种化学物质结合方式将天冬酰胺从食品中去除，或使天冬酰胺在沿着丙烯酰胺的形成路径上不起反应，其中该化学物质可阻止天门冬酰胺形丙烯酰胺。
对各种单元操作或加工步骤对最终食品中丙烯酰胺的形成的作用的研究已经发现了有趣的结果。这些结果证实有能力改进任意给定的现有技术中生产食品的的方法中的一个或多个单元操作，以便使生成的烹制的食品中丙烯酰胺的浓度降低。“丙烯酰胺的浓度降低”是指丙烯酰胺浓度低于未改进的烹制所述特定食品的现有技术的方法期间形成的浓度。术语“丙烯酰胺的浓度降低”，“降低的丙烯酰胺浓度”，和“降低的丙烯酰胺水平”均可互换地用于本申请。为了本申请的目的，“单元操作”是指生产食品的整体方法的可定义的部分。例如，参见图2，生产薯片加工步骤(削皮步骤21，切片步骤22，淋洗步骤23，烹制步骤24，调味步骤25，和包装步骤26)中的任一个被认为是生产薯片食品的整个过程中的独立的单元操作。
操控一个单元操作的的第一实例包括通过将生马铃薯原料切片形成的薯片的淋洗步骤23(图2所示)。淋洗切片的现有技术的方法包括在室温下用水冲洗片薯。现有技术中，在水中清洗每个薯片的平均滞留时间典型的小于约60秒，这取决于所使用的设备。
图3表示如何操控薯片的淋洗单元操作，以便于调节成品薯片食品中的丙烯酰胺水平。根据本发明，操控淋洗步骤23以包括接触步骤，在该步骤中在滞留时间内，在与现有技术的淋洗步骤不同的温度下，将连续供给的马铃薯切片与水溶液接触。图3是一个图表，其左(从观察者观察点看)垂直或y轴，表示在成品油炸薯片食品中发现的以十亿分之几(“ppb”)为单位的丙烯酰胺(“AA”)量。图3中的右垂直或y轴图表示在成品片食品中含水重量百分比。丙烯酰胺含量绘制成竖条图，而含水量百分比绘制成线点图。图3中所示的图表的水平或x轴列出薯片生产方法的淋洗单元操作所作的不同的加工参数变化。烹制时间和温度对于图3中所反映的所有制品都是相同的。特别是，每个样品在约178℃(353°F)油炸约120-140秒。结果，成品的含水量倾向于改变。
通过与图3所示的结果对比，上述现有技术的淋洗步骤利用了切成0.05英寸厚的薄片并在约178℃(353°F)油炸约120-140秒的薄片原料的马铃薯，导致成品具有约300-500ppb的丙烯酰胺含量(其根据葡萄糖含量和其它马铃薯的变量可以更高)，和最终含水量重量百分比约为1.4％。该现有技术的结果与图3的图表中图示的第一数据点31非常类似，该第一数据点代表基本数据点，并包含一个淋洗步骤，其中马铃薯切片在水中的滞留时间为二至三分钟。在薯片的整个加工过程中保持所有其它参数，与根据现有技术的淋洗步骤加工过的制品相比，淋洗单元操作的这种微小变化不会导致成品的丙烯酰胺含量(约330ppb)或成品的含水量(约1.35％)的显著变化。
图3中的图表所示的下一个数据点32反映了淋洗步骤的变化，该淋洗步骤包括将马铃薯切片与作为水溶液的水接触，将水溶液与马铃薯切片的接触时间增加至10分钟，并且将水溶液的温度从环境温度或室温增加至约38℃(100°F)。这样调节导致成品中丙烯酰胺降低至约210ppb，并且成品中的含水量降低到重量百分比小于1％。有趣地，第三数据点33反映水溶液(以及，水)的温度增加到约54℃(130°F)，其平均接触时间为五分钟，这不会导致成品中丙烯酰胺含量的可察觉的降低。相反，第四数据点34证明，在约82℃(180°F)的温度下，当洗单元操作包含一个接触步骤，该接触步骤提供与包含水的水溶液接触一分钟的时间，最终制品中的丙烯酰胺含量可察觉的降低(低于100ppb)。然而，最终制品薯片的含水量接近1.8％。第五数据点35反映利用1％L-半胱氨酸(Cysteine)溶液作为水溶液，在环境温度下十五分钟，使得最终制品中的丙烯酰胺含量降低至低于250ppb。
在图4中表示的图表中，将图3所示的试验结果(每对竖条中的第一个)归一化，以表示如果将测试样品油炸到相同的标准化的含水量(每对竖条中的第二个)时期望的丙烯酰胺含量。当含水量低时，假定丙烯酰胺含量的百分比变化与含水量的百分比变化成反比例，通过使实际的丙烯酰胺含量乘以达到基本/标准样品的最终含水量所需的含水量百分比变化，图3所示的试验数据的结果被归一化。将试验数据归一化为相同的含水量便于人们更精确地对比每种接触方法在降低丙烯酰胺形成方面的相对有效性。
回到图4，垂直轴或y轴再次标明是在成品中发现的以ppb计的丙烯酰胺。水平轴或x轴标明是表示每个数据点的参数。在图4中，每个数据点表示一对竖条，一对竖条中的左竖条由图3引入，而一对竖条中的右竖条表示，如果将成品油炸到1.32％的一致的或标准的含水量时，相同的接触加工参数的期望结果。
再次参考图4，第一数据点41是在环境温度下经过二至三分钟水清洗的基本样品。第二数据点42包含根据本发明的接触步骤，在此，在约38℃(100°F)温度下，将马铃薯切片与包含水的水溶液接触约十分钟的接触时间。左侧条还反映出这种接触，随后在约178℃(353°F)温度下油炸约120-130秒将导致在成品中刚好超过200ppb的丙烯酰胺，和具有小于1％的含水量的成品。然而，右侧条说明如果这样接触的薯片油炸到1.32％的标准含水量，预计的丙烯酰胺含量将降低到约150ppb。
类似的期望的结果在第三数据点43发生，而第四数据点44反映出成品的含水量降低会略微增加发现的丙烯酰胺含量。有趣的是，最后一个数据点45反映出当采用包含1％的L-Cysteine和十五分钟接触时间的水溶液时，丙烯酰胺显著降低。而且，对于重量百分比为1.32％的最终薯片含水量预计会有特别低的丙烯酰胺含量。而且，令人有趣的注意到，马铃薯切片与1％的L-Cysteine(半胱氨酸)接触十五分钟时间的预计的丙烯酰胺含量与在约38℃(100°F)温度下切片与包括水的水溶液接触十分钟的预计含量几乎相同。
根据其它实施方案，将马铃薯切片与水溶液的接触还包括，通过用马铃薯浸提物或浸出流将丙烯酰胺前体从生马铃薯切片中浸出，来去除一种或多种丙烯酰胺前体，例如天门冬酰胺，或减少还原糖。通过马铃薯浸提物或浸出流浸出的成分发生在马铃薯切片和马铃薯浸提物或浸出流之间存在浓度梯度的成分。通过马铃薯浸提物溶液可以实现选择性地浸出，该马铃薯浸提物溶液缺乏待去除的丙烯酰胺前体，但具有浓缩程度的其它可溶性物质，该可溶性物质与马铃薯切片中的对应的浓缩程度平衡或接近平衡。浸出还可以通过浸出流例如纯水非选择性地实现。选择性地浸出的一个例子包括制备缺乏天门冬酰胺的马铃薯浸提物，然后使生马铃薯切片与缺乏天门冬酰胺的马铃薯浸提物接触，以便从生马铃薯切片中浸出天门冬酰胺。根据一个实施方案，使缺乏一种或多种丙烯酰胺前体的马铃薯浸提物以逆流方式与生马铃薯切片接触，这可导致比平行流动更有效的浸出。在另一个实施例方案，通过使马铃薯浸提物超声振动，同时它与马铃薯切片接触，也增强浸出。如果需要，马铃薯浸提物或浸出流可接受处理以去除浸出的丙烯酰胺前体，以便可以回收马铃薯浸提物或浸出流，从而将其继续用于另外的马铃薯切片的浸出。
当检查操控单元操作的不同参数的效果，例如图3和4所示的效果时，需要牢记的一点是，所有这些调节对成品的质量和特性有部分间接效果。因此，对任意单元操作的任意调节必须仔细选择，以便获得呈现期望的最终特性的制品。这些特性包括成品的颜色，香味，口感，密度，气味，和贮藏寿命。
图5主要涉及单元操作的另一方面，并表示在烹制阶段降低薯片中含水量的效果。回到图2，烹制步骤24是一个单元操作，它典型的包括在高温下在连续的油炸锅中烹制已切片的薯片。回到图5，该图在水平或x轴上反映最终薯片食品的含水量。垂直或y轴上也以ppb为单位标记出最终制品中发现的丙烯酰胺(“AA”)。然后绘制许多数据点，以表示含水量百分比与最终薯片中丙烯酰胺含量的关系曲线。可采用两种不同的油炸温度，其中菱形标记表示在约178℃(353°F)温度下油炸的薯片，而方形标记用来表示在约149℃(300°F)温度下油炸的薯片的数据点。曲线51，52是对数据点曲线拟合，以便构成一种趋势图。该曲线拟合的曲线51，52符合一般方程：y＝cxb，这里“y”表示丙烯酰胺含量，“c”是常数，“x”是含水量，并且“b”是“x”的指数。第一曲线51涉及149℃(300°F)油炸温度数据点。第二曲线52涉及178℃(353°F)油炸温度下绘制的数据点。如图5所示，不考虑油炸温度的情况下，在重量百分比大于约3％的薯片含水量时，丙烯酰胺含量保持很低。
图5表示在油炸过的马铃薯切片中的丙烯酰胺含量和含水量之间的关系。图6表示在由干燥的混合物制成的烘焙的薯片食品中的相同关系。图6中的图表的垂直轴表示丙烯酰胺浓度，而水平轴表示含水量重量百分比。尽管在烘焙的薯片食品中的丙烯酰胺浓度倾向于高于油炸马铃薯切片中的浓度，图5和6均表示在烹制马铃薯食品中的丙烯酰胺浓度保持相当低，直到含水量落在约3％以下。
从图5和6中明显看出，一旦含水量降至3％的重量百分比以下，在该点似乎没有足够的水分保留以保持食品温度在丙烯酰胺形成温度之下，则在典型的油炸锅中烹制的油炸薯片中的丙烯酰胺含量显著增加。例如，图5表示不管是否暴露在高温烹制环境中，当烹制单元操作期间的薯片的含水量为重量百分比3％或更大时，在最终制品中发现的丙烯酰胺含量较低。图5和6证实在单元操作中的含水量是有用的附加参数，它可被调节以降低最终制品中丙烯酰胺的形成。
遗憾的是，在最终薯片中的含水量理想地应在约2％以下，最好在约1.3％和1.4％之间。任何大于2％，甚至大于1.4％将导致包装食品老化和细菌引起的腐败，以及影响感官的后果，例如味觉，结构等。然而，通过不同的方式可调节最终制品的颜色、味道、和密度变化。另外，通过调节预包装步骤中的不同因素，例如使油炸锅盖扩展，覆盖包装机的传送带，对工厂环境除湿，和包装中的不同因素，例如包装材料，薄膜，袋和密封，有可能抗衡具有较高含水量的食品的结果。这样，根据公开的用于降低热加工食品中丙烯酰胺的形成的方法的另一个实施方案，另一个单元操作包括精加工食品，在含水量为，例如重量百分比约1.4％，约1.6％，约1.8％，和约2％，或在1.4％至2％之间的任意含水量，该精加工食品从最终烹制步骤产生。
然而，重要的是应注意即使在较高含水量下，其它马铃薯制品已知可形成显著量的丙烯酰胺。例如，法式炸薯条，典型的使油炸物具有超过15％含水量的重量百分比，已表明在烹制过程中产生显著量的丙烯酰胺。这说明丙烯酰胺的形成取决于烹制制品的温度(特别是表面温度)而不是总含水量。事实上，研究表明直到必要的反应物暴露在约250°F/120℃温度下，才会大量形成丙烯酰胺。这样看来，直到烹制时，与烹制介质温度明显不同的制品温度上升到约120℃(250°F)之上，包含丙烯酰胺前体化合物的马铃薯食品才会形成大量丙烯酰胺。尽管如此，该制品的含水量是制品温度是否上升到丙烯酰胺形成温度之上的良好指示。
本领域普通技术人员提出的理论指出，制品内的水分有助于使制品内部温度保持在丙烯酰胺形成温度之下，即使在较高温度环境下也如此。然而，当大部分水分被除去时，高温环境导致制品温度上升到丙烯酰胺形成温度之上。尽管如此，重要的是须牢记并非烹制制品的所有部分共享相同的内部温度。例如，与马铃薯切片相比，法式炸薯条可相当厚，从而倾向于在制品的内部和外部之间具有较大的含水梯度。因此，即使内部含水量高，法式炸薯条有可能烹制为具有相当高的表面温度。相反，马铃薯切片较薄，并倾向于在烹制期间在整个切片上具有更一致的含水量。这样，至少对于薄食品例如马铃薯切片或制成的马铃薯薄片，含水量仍是其内部温度的良好的量度。对于由玉米，大麦，小麦，黑麦，大米，燕麦，小米，和其他基于淀粉的谷物制成的非马铃薯制品来说，这也是真的。而且，连续的烹制设备可设计成具有不同的温度分级，当烹制制品的含水量降低时，该温度级从较高温度向较低温度逐渐降低。这使得水分能够迅速去除，同时制品温度没有上升到丙烯酰胺形成温度之上。
因此，本发明的一个元件包括将烹制单元操作(图2中所示的第四单元操作24)分成至少两个独立的加热步骤。第一加热步骤发生在高温下，以将含水量降低至接近但在3％的重量百分比以上的某点。然后，将该制品精加工至重量百分比约为1-2％，但优选约1.4％的期望的含水量，同时较低温度的烹制步骤具有低于约120℃(250°F)的温度。然而，这里描述的工艺改变不限于现有技术的用于烹制薯片的工艺，例如图2所述。这些改进还可应用于生产加工制品的方法中，该加工制品源于马铃薯，玉米，大麦，小麦，黑麦，大米，燕麦，小米，和其他基于淀粉的谷物。例如，这些方法的改进可用于降低少数有名字的加工的马铃薯和玉米制品，谷物，甜饼，饼干，硬脆饼干，和面包中形成的丙烯酰胺。注意术语“改进的烹制步骤”和“改进的烹制单元操作”意指包括不仅图2的现有技术的烹制薯片的方法，还包括现有技术的制备其它希望能降低丙烯酰胺的形成的食品的方法。另外，术语“基于马铃薯的片”指包括生马铃薯切片和由马铃薯淀粉或面团获得的合成的马铃薯薄片。
每个加热步骤可利用不同的加热方法实现。例如，第一加热步骤包括在大气压下油炸，真空油炸，微波辅助油炸，或烘焙。然而，主要考虑到生产效率例如滞留时间，能量消耗，设备资金成本，和可获得的房屋面积，第一加热步骤可选择性地包括任意其它方法，该方法可烹制食品并降低其含水量。当第一加热步骤包括油炸制品时，第一加热步骤常被称为“部分油炸”，因为这种油炸仅部分烹制制品，直到其含水量低于接近但大于重量百分比为3％的某点。第二加热步骤包括真空油炸，低温烘干，真空烘干，或任意保持第二加热步骤所需要的烹制温度的烹制方法。然而，其它方法也可应用于降低含水量，同时避免最适合丙烯酰胺形成的低水分/高温条件，只要制品温度保持低于约120℃(250°F)的丙烯酰胺形成温度即可。第二加热步骤常被称为“最后油炸”或“最终干燥”，因为含水量进一步降低到最终期望的水平。
通过改进图2所示的用于制备薯片的方法的淋洗步骤23和/或烹制步骤24，最终制品中的丙烯酰胺含量显著降低，且不会对制品质量和最终特性产生负面影响。在一个优选实施例中，利用新鲜切削的马铃薯的生产薯片方法将传统的剥皮，切片和淋洗步骤与改进的烹制单元操作结合，其方法包括在约165至约182℃(330-360°F)温度下部分油炸约1-3分钟，随后在约120℃(250°F)温度下烘干，直到片含水量降低到重量百分比约1.4％。在利用该优选实施方案进行试验时，可获得低于130ppb的丙烯酰胺含量。该优选实施方案实现了在与必要的加工方法改进关联的丙烯酰胺高含量的降低和制品质量可接受的改变之间的平衡。然而，其它实施方案也是可能的。图7a，7b和8表示淋洗改进和烹制步骤改进的结合的不同实例，该淋洗步骤改进包括与水溶液的接触，该烹制步骤改进包括使现有技术方法产生的最终丙烯酰胺含量降低。例如，将大于300ppb的最终丙烯酰胺含量降低到小于100ppb。尽管图7a，7b和8包括加工生马铃薯切片的实施方案，在这些实施方案中使用的改进的清洗方法还可应用于其它类型的期望丙烯酰胺降低的食品原料中，例如甘薯，山药和大蕉。类似的，在那些实施方案中使用的烹制改进还可应用于其它油炸食品中，例如油炸玉米粉圆饼，油炸大蕉，油炸甘薯，和油炸山药。
图7a表示所得到的薯片的丙烯酰胺含量，该薯片由包括接触的改进的淋洗步骤的若干不同的实施方案与改进的烹制步骤的一个特定的实施方案结合制成。图7a的改进的烹制步骤包括，在第一加热步骤中，在约178℃(353°F)温度下局部油炸(“部分油炸”)薯片约一至三分钟，然后在第二加热步骤中，在约120℃(250°F)温度下烘干马铃薯切片，直到含水量降低到约1.3％。部分油炸紧接烘干的优点在于可避免最适合丙烯酰胺形成的低水分/高温条件，并可生产与传统油炸食品相似感观的最终制品。然而，大规模烘干给制品带来口干感觉，并可导致制品很难遮蔽而烧焦。
图7a中图表的垂直或y轴表示以ppb为单位的丙烯酰胺浓度，而水平轴或x轴标记以表示改进的清洗步骤的每个实施方案的参数，该清洗步骤包括将薯片与水溶液的接触。每个数据点表示一对竖条：左条表示在接触和部分油炸后的丙烯酰胺浓度，而右条表示在烘干后的丙烯酰胺浓度。从左向右看，与图3和4类似，图7a的第一数据点71涉及基本样品，它包括在环境温度下经过两至三分钟水清洗，然后将该样品在大气压下油炸至重量百分比约1.3％的含水量。除了该样品被油炸到约1.0％含水量之外，第二数据点72与第一数据点类似。注意到第一和第二样品71和72分别产生约320ppb和630ppb的丙烯酰胺。第三数据点73包含同样的两至三分钟的环境水清洗，但接着样品被部分油炸到略大于3％的含水量，并烘干到约1.3％的含水量。左条和右条表示样品以约65ppb的较低的丙烯酰胺浓度离开部分油炸步骤，然后在烘干步骤中获得小于15ppb的丙烯酰胺浓度。第四数据点74涉及包含水的水溶液，在约60℃(140°F)温度下，将它与薯片接触五分钟的接触时间，随后是改进的烹制单元操作的部分油炸和烘干步骤。该五分钟，60℃(140°F)的接触与部分油炸和烘干步骤结合，导致小于40ppb的更低的最终丙烯酰胺浓度。
与氯化钙溶液接触的试样75，76，77产生的丙烯酰胺含量均高于在约60℃(140°F)温度下，试样74与纯水接触达五分钟而产生的丙烯酰胺含量。然而，所有这些试样的最终丙烯酰胺含量仍低于80ppb，这显著低于基本试样中的320ppb。
最后的数据点78涉及与包括1％L-cysteine的水溶液接触15分钟。有趣的是，在图7a所示的若干接触方法中，该接触方法产生最低的丙烯酰胺浓度。然而，该接触方法还需要图7a所示的不同方法中的最长的接触时间。尽管使用1％L-cysteine78作为用来接触的水溶液导致在最终制品中的最低丙烯酰胺含量，必须考虑其它因素，例如这种长的接触时间对制品质量的影响，以及增加接触时间的费用。
图7b表示在具有较窄的丙烯酰胺浓度比例的图表中，图7a的最后六个数据点73，74，75，76，77，78。
在图8中，将图7b中所示的结果归一化，以表示如果试样被油炸到重量百分比略大于3％的含水量，然后在约120℃(250°F)温度下烘干至重量百分比约1.3％的标准化含水量时所期望的丙烯酰胺含量。丙烯酰胺含量以与图4所述相同的方式归一化。当对比图8所示的结果83，84，88与图4所示的类似试验41，43，45的结果时，人们可以看到将烹制单元操作分成第一高温加热步骤和第二低温加热步骤会显著降低丙烯酰胺含量。而图4表示以传统方式油炸到标准化的重量百分比1.32％的含水量会导致丙烯酰胺浓度范围从略大于100ppb至大于400ppb。图8表示部分油炸和烘干到相同的标准化的含水量会导致丙烯酰胺浓度显著降至100ppb以下。当对比图4的54℃(130°F)/5分钟接触的数据点43与图8的60℃(140°F)/5分钟接触的数据点84时，将包括接触步骤的改进的清洗单元操作与改进的烹制单元操作结合的累积优势特别显著。相对于图4如上所述，将接触时间从2-3分钟增加到5分钟和将接触温度从环境温度增加到54℃(130°F)导致最终制品中丙烯酰胺浓度从约330ppb降至约230ppb。图8的第二数据点84表示，当类似的5分钟、60℃(140°F)接触步骤紧接着改进的包括部分油炸和烘干的烹制单元操作时，最终丙烯酰胺含量进一步降低到小于40ppb。
图9表示在大于约120℃(250°F)的烘干温度下产生的最终丙烯酰胺浓度的显著增加。在图9中，测试样品被接触，然后以与图7b相同的方式部分油炸，但接着试样在约176℃(350°F)而不是约120℃(250°F)烘干。然后，试样的最终丙烯酰胺浓度归一化，以表示当达到重量百分比0.76％(这是最终含水量，该含水量如第一数据点所示在基本点/标准二至三分钟水清洗条件下达到)时所期望的丙烯酰胺含量。对比图7b的第二数据点74与图9的第二数据点94，例如，增加烘干温度从约120℃(250°F)到约176℃(350°F)，将增加丙烯酰胺浓度从略低于40ppb到接近270ppb。该烘干温度类似的增加引起其它试样的丙烯酰胺浓度从低于100ppb显著的增加到500ppb以上。另一个试样(未显示)被清洗以去除表面淀粉，在约176℃(350°F)温度下，部分油炸到重量百分比约3-5％之间的含水量之间，接着在约132℃(270°F)，在商业Wenger炉中干燥，达到重量百分比约1.3％的最终含水量，结果丙烯酰胺浓度约为270ppb。在图9中显示93，94，95，96，97，98的结果，以及在约132℃(270°F)试样烘干的结果，因此当含水量降至重量百分比接近3％时，说明保持制品烹制和/或干燥温度低于或等于约120℃(250°F)时的优点。该原理不仅适用生马铃薯片，而且适用其它生食品，例如山药和大蕉，以及由马铃薯，玉米，大麦，小麦，黑麦，稻，燕麦，小米，和其它基于淀粉的谷类的合成制品。
图10用表格显示另一个实施方案的结果和操作条件，其中马铃薯切片被淋洗，部分油炸，以及烘干。对照样品101以与图7a所示的基本试样71，72所描述的相似的方式加工。在约20-30秒的环境温度下水清洗后，接着用稀释(3-5％)的氯化钠溶液与马铃薯切片接触几秒，将去皮的Hermes切片马铃薯的1.45毫米厚的马铃薯切片的对照样品101，在具有初始温度约179℃(354°F)的油内部分油炸近三分钟，使含水量达到重量百分比1.4％。对照样品101具有640ppb的丙烯酰胺浓度，它类似于在图7a中所示的第二基本试样72中产生的630ppb丙烯酰胺浓度。试样102类似清洗，并且与对比试样101一样接触。利用大的商业油炸锅，在具有约174℃(345°F)的初始温度的油内，将试样102部分油炸约三分钟，直到含水量的重量百分比减低到2.5％。接着，在约110℃(230°F)，将部分油炸过的试样102利用炉最终烘干约6分钟，直到含水量的重量百分比低于1.4％。以这种形式烹制产生的制品具有160pbb的降低丙烯酰胺浓度，该浓度约是对比试样101的丙烯酰胺浓度的25％。
还有一套试验(未显示)类似于在图10中所显示的那样，马铃薯切片经历一个标准的淋洗过程，部分油炸到含水量的重量百分比约为3-5％，接着烘干达到含水量的重量百分比低于约2％。对比试样被淋洗，并且在约179℃(354°F)油炸达到最终含水量的重量百分比约1.3％，产生丙烯酰胺浓度为380ppb。然而，在约179℃(354°F)将部分油炸试样达到最终含水量的重量百分比约3％到5％之间，产生丙烯酰胺浓度接近64ppb。部分油炸制品在商业Wenger炉中在不同的温度下烘干。表明在约115℃(240°F)温度下，在Wenger炉中，干燥部分油炸过的切片，使之达到最终含水量的重量百分比约1.3％，产生丙烯酰胺浓度为125ppb。有趣的是，在约100℃(212°F)和大气压以下或略低于大气压(13.6到14.6标准压力)下，甚至延长时间段(甚至10-15分钟)，干燥部分油炸过的切片，这不增加丙烯酰胺浓度。本实施方案证明，在约179℃(354°F)，马铃薯切片可部分油炸到3-5％之间的含水量，然后在约100℃(212°F)，在大气下或略低于大气压力下烘干，这不会使丙烯酰胺含量增加超出在部分油炸操作中所形成的丙烯酰胺含量。为进一步降低在烹好制品中形成的丙烯酰胺浓度，可以使重量百分比含水量高为10％的马铃薯切片从部分油炸步骤除去，但产品去除太快会影响产品的最终结构。然而，应注意的是，该方法不限于生马铃薯切片，而且应用在其它油炸食品制品中，例如油炸玉米粉圆饼，油炸大蕉，油炸甜果，以及油炸山药。部分油炸和在约100℃(212°F)的烘干的优点是单独的烹制单元操作可以改进，以显著使丙烯酰胺浓度从高于300ppb降到低于70ppb；标准的去皮，切片和清洗步骤无须改进。
在包括部分油炸以及紧随的烘干步骤的一组实施方案中，它也可能在真空下烘干，以便加速水分的离去。通过真空烘干，需要较少时间烘干制品以达到希望的最终含水量。尽管已显示在或接近100℃(212°F)烘干，不会引起丙烯酰胺量的可测量的增加，但是在该温度需要用相对长时间的烘干烘干制品。这样，真空烘干有助于降低制品干燥花费的时间。它还有助于降低制品暴露在形成丙烯酰胺温度的时间量，因此提高了所使用的烘干温度。
尽管图7a，7b，8，和10描述了将改进的烹制单元操作的一个特殊实施方案与改进的包括接触步骤的淋洗单元操作的若干不同实施方案的结合的试验结果，然而其它实施方案和结合也是可能的。例如，显示在图中的各种不同接触步骤可以代替地紧接不同的改进的烹制单元操作。可选择的是，降低丙烯酰胺形成的改进的方法可以简单利用改进的烹制单元操作，而非改进任何其它单元操作。在本发明的其它实施方案中，改进的烹制单元操作的两个加热步骤中的第二个包括真空最终油炸而非大气压下的油炸。通过真空下的最终油炸，从第一个加热步骤显现的部分油炸或烹制的产品可以继续被油炸，但是是在不能形成明显量的丙烯酰胺的低温度下进行。根据一个实施方案，真空压力应使得油炸发生在约120℃(250°F)以下。该真空最终油炸也可以应用于其它油炸食品，例如那些由马铃薯，玉米，大麦，小麦，稻，，燕麦，小米和其它基于淀粉的谷类的制品。
图11用表格显示若干改进的烹制单元操作的若干实例的结果和操作条件，该烹制单元操作包括部分油炸和随后的真空最终油炸。在对照110和试样111，112，113，114中，Hermes不同的切片马铃薯被去皮，切成约1.35mm厚的薄片，并且接受标准20-30秒环境温度水清洗。在清洗后，对照样品110在约177℃(351°F)初始温度的油内并在大气压力下油炸约2.5分钟，达到含水量的重量百分比为0.83％，形成370ppb丙烯酰胺浓度。在测试1-4中，所有试样111，112，113，114在约177℃(351°F)温度下在大气压下油炸，并且在120℃(248°F)以及100毫巴下真空最终油炸，但是每次部分油炸和真空最终油炸持续不同长度的时间。在测试品111中，清洗后在测试的试样中发现的丙烯酰胺浓度是220ppb，大气压下部分油炸约100秒，达到含水量的重量百分比是3％，并且真空最终油炸44秒，达到含水量的重量百分比是约0.7％。测试品2-4 112，113，114的结果显示，当部分油炸停止时，在最终制品中的丙烯酰胺含量显著降低，并且在含水量的重量百分比减低到3％前，开始真空最终油炸。在测试品4 114中，通过部分油炸直到含水量的重量百分比为10％时，接着真空油炸使含水量的重量百分比约为1％，丙烯酰胺浓度仅为13ppb。从这些数据中可以看出，在它们低温真空最终油炸之前，部分油炸切片有较高的含水量会显著降低最终丙烯酰胺浓度。该方法也可以用在其它油炸食品如油炸玉米粉圆饼，油炸大蕉，油炸甜果，以及油炸山药中用来降低最终丙烯酰胺的浓度。部分油炸后真空最终油炸至含水量的重量百分比约3％-10％的优点是，烹制的最后阶段可以在低温下完成，而不影响制品结构，并且它有效的降低了丙烯酰胺的形成，这可以省去包括将制品与水溶液接触的改进的淋洗步骤的需要。然而，真空最终油炸还允许烹制的最后阶段的温度在高于不在真空下油炸所使用的温度下完成，同时仍然在最终制品中提供降低的丙烯酰胺的浓度。注意到真空最终油炸制品比对照样品的颜色较淡，并且将烹制制品以较高的含水量从部分油炸操作向真空最终油炸单元转移，这可以给予制品温和的风味。应该注意到真空最终油炸设备的主要成本可能高于烘干设备。
类似的，真空部分油炸可以用在改进的烹制单元操作的两个加热步骤中的第一个。作为一个实例，改进的烹制单元操作的一个实施方案包括真空部分油炸至含水量的重量百分比接近但在阀值3-4％以上，接着在不超过约120℃(250°F)下烘干完成。通过真空下的部分油炸，制品可以在低温下油炸，这样产生少量丙烯酰胺。另外，在或低于约120℃(250°F)温度下的烘干确保在烘干阶段形成几乎没有丙烯酰胺形成。在两个加热步骤中的第一步骤中，利用真空部分油炸的优点是，特别当油炸是在约120℃(250°F)以下并且甚至在约140℃(284°F)以下以及在真空时，几乎在第一阶段没有丙烯酰胺形成，然而部分油炸通常产生至少含一定量的丙烯酰胺的制品。但是，在第一加热步骤的真空油炸可以制作不同最终特性的制品。
对于烘焙制品线，它包括合成快餐或制品例如谷类，饼干，薄脆饼干，硬脆饼干，和面包等，本发明的另一实施方案包括，具有较的高温第一烘焙步骤和较低温的第二烘焙步骤的改进的烹制单元操作。在该实施方案的烹制单元操作中，制品在较高温(约在120℃(250°F)以上)下首次烘焙，直到它的含水量重量百分比降至约4％到约10％。该制品接着在不超过约120℃(250°F)下炉烘干(最终干燥或烘焙)，直到达到希望的含水量，典型的应该获得含水量的重量百分比约1％到3％。例如，在较高温第一加热步骤中利用对流加热炉，来使制品含水量降低至重量百分比约10％。炉可分成4个加热区，其中第一区域温度最高，并逐渐向其它三个区域温度减少。在低温第二加热步骤利用下向通风、单独区域的对流加热炉，可以完成烹制过程。不过其它类型的炉可以用于该实施方案的两个加热步骤。而且，该特殊实施方案的低温第二加热步骤，与包括部分油炸和随后炉烘干的实施方案类似，在约100℃(212°F)和略低于大气压下进行，以便在高温第一加热步骤后很少或没有额外的丙烯酰胺形成。
在利用包括较高温第一烘焙步骤和较低温第二烘焙步骤的一个实施例的实施方案中，合成马铃薯切片在约120℃(250°F)以上首先烘焙，直到含水量的重量百分比降低至接近10％。接着，将该切片在约110℃(230°F)最终油炸约10分钟，直到含水量的重量百分比降低至约1.7-2.2％。报告的最终丙烯酰胺浓度含量为100-200ppb。然而，当若干部分烘焙的切片试样在约120℃(250°F)最终油炸到含水量的重量百分比约为1.6％时，报告丙烯酰胺的含量在470-750ppb之间。另外，当部分烘焙的切片试样在约132℃(270°F)温度下最终油炸到含水量的重量百分比为1.6-2.2％时，介于460-1900ppb之间的实质较高的丙烯酰胺浓度被产生。这些结果进一步强调在烹制的最终阶段期间使烹制制品的烹制或干燥温度保持在等于或小于120℃(250°F)的重要性。该原则不但应用在合成马铃薯切片，而且应用到其它合成产品，该产品源自马铃薯，玉米，大麦，小麦，黑麦，稻，燕麦，小米和其它基于淀粉的谷类。该原则也应用到烹制生食品，例如山药或大蕉。
在本发明的另一个实施方案中，不是将改进的烹制单元操作分成高温第一加热步骤和低温第二加热步骤，代替的是改进的烹制单元操作包括对于整个烹制方法的真空油炸。图12用表格表示该实施方案的若干实例的结果和操作条件。在试验1-4 121，122，123，124中，将已被剥皮、切片、1.45mm厚的Hermes切片马铃薯的各对照组在环境温度下用水淋洗约30秒，然后经过标准连续油炸锅加工。该油炸锅入口油温在约165至约180℃(329-356°F)的温度范围内变化，对照样品油炸约3-4分钟，丙烯酰胺含量超过300ppb。相反，在从约100至约140℃(212-284°F)的温度范围和从约50至约100毫巴的压力范围内，在低温真空油炸约4至约10分钟后，在试验5-7 125，126，127中的试样均产生低于60ppb的丙烯酰胺浓度。如数据可见，在降低温度下真空油炸会显著降低形成的丙烯酰胺量。而且，当在整个烹制加工过程中产品在约120℃(250°F)温度以下真空油炸时，很少或不形成丙烯酰胺。例如，试验6和7 126，127表明在约120℃(250°F)温度以下和在不大于100毫巴的压力下，真空油炸所产生的丙烯酰胺含量实际上探测不到(小于5ppb)。在约120℃(250°F)温度以下，油炸的优点是很少或不形成丙烯酰胺。而高温油炸导致至少部分丙烯酰胺形成。然而，当采用真空油炸或真空最终油炸时，可使用大于约120℃(250°F)的温度，并仍可获得最终产品中丙烯酰胺浓度的降低。例如，在试验5 125中，在140℃(284°F)的温度下真空油炸可产生具有约53ppb的丙烯酰胺含量的制品。鉴于该结果，在大于143℃(290°F)的温度下，似乎真空最终油炸或单独真空油炸可产生具有小于约100ppb的丙烯酰胺的制品。然而，应记住，在整个烹制方法中，真空油炸可显著地改变制品的结构，外观和味道。
对于烘焙产品线，它包括合成快餐，谷类和其它淀粉或上述基于面团的制品，改进的烹制单元操作可替代地包括用于整个烹制方法的低温烘焙。低温烘焙可在或低于约120℃(250°F)的温度下实施，因此很少或没有丙烯酰胺形成。然而，低温烘焙可产生浅色的制品，而高温烘焙可产生深色的制品。这样，低温烘焙的应用部分取决于最终制品的期望的颜色特性。
本发明结合这里的教导并考虑到不同的单元操作的操控，以便在最终制品中获得期望的丙烯酰胺含量，以及期望的最终制品特性。所用的该结合取决于初始产品和期望的最终制品，并由本领域的普通技术人员在其教导下进行调整。pH对丙烯酰胺形成的作用是可以考虑和结合这里给出的教导的另一个因素。
应理解最终制品的特性的变化，例如颜色、味道和密度的改变可通过不同的方法调整。例如，薯片中的颜色特性可通过控制初始制品中的含糖量来进行调节。一些香味特性可通过向最终产品添加不同的香味剂来改变。制品的物理构造可通过例如添加疏松剂或不同的乳化剂来调节。
尽管通过参考一个或多个实施方案对本发明进行了特别说明和描述，但本领域的熟练技术人员应该理解也可以采用其它不同的方法来降低热加工食品中丙烯酰胺，而并不背离本发明的精神和范围。例如，尽管已经参考马铃薯制品公开了其加工方法，该方法可用于加工由玉米，大麦，小麦，黑麦，稻，燕麦，小米，和其他基于淀粉的谷物制成的食品。除了薯片，本发明可用于制造玉米片和其它类型的快餐片，以及谷类食品，饼干、薄脆饼干、硬脆饼干，面包和面包卷以及粘滚上面包屑的炸肉。在每种这些食品中，本发明的用于操控一个或多个单元操作的方法可与其它措施结合，以降低丙烯酰胺，从而产生可接受的丙烯酰胺含量，且这不会负面影响单独食品的味道，颜色，香味，或其它特性。

Claims (100)

1.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有至少重量百分比为4％含水量的食品；
b)烹制所述食品，形成具有丙烯酰胺浓度降低和含水量重量百分比小于3％的烹熟食品，其中所述烹制包括在低于约120℃的温度下加热，同时所述食品的含水量重量百分比低于约3％。
2.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在高于约120℃的温度下首先加热，同时含水量的重量百分比至少约3％。
3.根据权利要求2所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的在高于约120℃的温度下的加热包括在环境压力下的部分油炸。
4.根据权利要求3所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述部分油炸包括在若干阶段的油炸，在该若干阶段中，温度从一个阶段向随后的阶段逐步降低。
5.根据权利要求2所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述在高于约120℃的温度下的加热包括真空部分油炸。
6.根据权利要求2所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的在高于约120℃的温度下的加热包括烘焙。
7.根据权利要求2所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的在高于约120℃的温度下的加热包括在环境压力下部分油炸和用微波烹制。
8.根据权利要求2所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的在高于约120℃的温度下的加热包括烘焙和用微波烹制。
9.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的在低于约120℃的温度下的加热包括真空油炸。
10.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的在低于约120℃的温度下的加热包括烘干。
11.根据权利要求10所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的烘干在若干阶段被执行，每一阶段以依次较低的温度加热。
12.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在低于约120℃的温度下真空油炸。
13.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在低于约120℃温度下烘焙。
14.如权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，步骤a)进一步包括使所述食品接触水溶液。
15.根据权利要求14所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在环境温度下利用水进行。
16.根据权利要求14所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在高于环境温度的温度下利用水进行。
17.根据权利要求14所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用氯化钙水溶液进行。
18.根据权利要求14所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用L-半胱氨酸水溶液进行。
19.根据权利要求14所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触包括从所述食品中浸出至少一种丙烯酰胺前体。
20.根据权利要求19所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用浸提物从所述食品中浸出至少一种丙烯酰胺前体，其中所述浸提物缺乏被浸出的丙烯酰胺前体。
21.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.4％的含水量情况下精加工所述食品。
22.根据权利要求21所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.4％和1.6％之间的含水量情况下精加工所述食品。
23.根据权利要求21所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.6％和1.8％之间的含水量情况下精加工所述食品。
24.根据权利要求21所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.8％和2.0％之间的含水量情况下精加工所述食品。
25.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述食品包括马铃薯制品。
26.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述食品包括若干马铃薯切片。
27.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述食品包括玉米制品。
28.根据权利要求1所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述食品包括湿润粉糊面团。
29.一种根据权利要求1所述的方法制作的热加工食品。
30.根据权利要求29所述的热加工食品，其特征在于，所述热加工食品包括基于马铃薯的制品。
31.根据权利要求29所述的热加工食品，其特征在于，所述热加工食品包括马铃薯薯片。
32.根据权利要求29所述的热加工食品，其特征在于，所述热加工食品包括基于玉米的制品。
33.根据权利要求29所述的热加工食品，其特征在于，所述热加工食品包括玉米片。
34.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有重量百分比至少4％的初始含水量的若干生马铃薯切片；
b)在温度高于约120℃的食用油中，部分油炸所述生马铃薯切片，直到所述生马铃薯切片具有重量百分比从约3％到约10％的部分油炸过的含水量范围，因此，形成若干部分油炸过的马铃薯切片；以及
c)在小于约120℃温度下烹制所述部分油炸过马铃薯切片，直到所述部分油炸过的马铃薯切片具有重量百分比从约1％到约2％的最终含水量范围，因此，形成具有丙烯酰胺浓度降低的若干薯片。
35.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约115℃时烹制。
36.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约110℃时烹制。
37.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约104℃时烹制。
38.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约100℃时烹制。
39.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于200ppb。
40.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于130ppb。
41.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)的部分油炸包括在若干阶段的油炸，在所述的若干阶段中温度从一个阶段向随后的阶段降低。
42.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制在若干阶段中实施，每一阶段以依次较低的温度加热。
43.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制包括炉烘干。
44.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制包括真空油炸。
45.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤a)进一步包括使所述生马铃薯切片接触水溶液。
46.根据权利要求45所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在环境温度下利用水进行。
47.根据权利要求45所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在高于环境温度以上的温度下利用水进行。
48.根据权利要求45所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用氯化钙的水溶液进行。
49.根据权利要求45所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用L-半胱氨酸的水溶液进行。
50.根据权利要求45所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触包括从所述生马铃薯切片中浸出至少一种丙烯酰胺前体。
51.根据权利要求50所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用马铃薯浸提物从所述生马铃薯切片中浸出至少一种丙烯酰胺前体，其中所述马铃薯浸提物缺乏被浸出的丙烯酰胺前体。
52.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.4％的含水量情况下精加工所述薯片。
53.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.4％到1.6％之间的含水量情况下精加工所述薯片。
54.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制进一步包括在重量百分比约为1.6％到1.8％之间的含水量情况下精加工所述薯片。
55.根据权利要求34所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烹制进一步包括在量重量百分比约为1.8％到2.0％之间的含水量情况下精加工所述薯片。
56.一种根据权利要求34所述的方法制作的热加工食品。
57.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有重量百分比至少4％的初始含水量的若干基于马铃薯的片；
b)在温度高于约120℃时烘焙所述基于马铃薯的片，直到所述基于马铃薯的片具有重量百分比从4％到10％范围内的中间含水量，因此，形成若干局部烘焙过的片；以及
c)在小于约120℃温度下烘干所述局部烘焙过的片，直到所述局部烘焙过的片具有重量百分比从约1％到约3％的最终含水量范围，因此，形成具有减少的丙烯酰胺浓度的若干薯片。
58.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约115℃时烘干。
59.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约110℃时烘干。
60.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约104℃时烘干。
61.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括在小于约100℃时烘干。
62.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于200ppb。
63.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于130ppb。
64.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘干在略微小于环境压力下进行。
65.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘焙在若干阶段实施，在所述的若干阶段中温度逐渐从一个阶段向随后的阶段降低。
66.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘焙在若干阶段实施，每一阶段以依次较低的温度加热。
67.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述若干基于马铃薯的片包括若干合成的基于马铃薯的制品。
68.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述若干基于马铃薯的片包括若干生马铃薯的片。
69.根据权利要求68所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤a)包括使所述若干生马铃薯的片接触水溶液。
70.根据权利要求69所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在环境温度下利用水进行。
71.根据权利要求69所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在高于环境温度的温度下利用水进行。
72.根据权利要求69所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用氯化钙水溶液进行。
73.根据权利要求69所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用L-半胱氨酸的水溶液进行。
74.根据权利要求69所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触包括从所述生马铃薯的片中浸出至少一种丙烯酰胺前体。
75.根据权利要求74所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用马铃薯浸提物从所述生的马铃薯片中浸出至少一种丙烯酰胺前体，其中所述马铃薯浸提物缺乏被浸出的丙烯酰胺前体。
76.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘干进一步包括在重量百分比约为1.4％的含水量情况下精加工所述薯片。
77.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘干进一步包括在重量百分比约为1.4％和1.6％之间的含水量情况下精加工所述薯片。
78.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘干进一步包括在重量百分比约为1.6％和1.8％之间的含水量情况下精加工所述薯片。
79.根据权利要求57所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤c)的烘干进一步包括在重量百分比约为1.8％和2.0％之间的含水量情况下精加工所述薯片。
80.一种根据权利要求57所述的方法制作的热加工食品。
81.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有重量百分比至少4％的初始含水量的若干基于马铃薯的片；
b)在足够低的压力下真空油炸所述基于马铃薯的片，以便在温度低于约120℃的食用油中油炸所述基于马铃薯的片，直到所述基于马铃薯的片具有重量百分比小于2％的最终含水量，因此，形成若干具有降低的丙烯酰胺浓度的烹制的薯片。
82.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述步骤b)进一步包括第一部分油炸步骤和第二最终油炸步骤，所述的第一部分油炸步骤包括部分油炸所述的基于马铃薯的片，和所述第二最终油炸步骤包括所述真空油炸。
83.根据权利要求82所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述部分油炸在若干阶段实施，在所述的若干阶段中温度从一个阶段向随后的阶段降低。
84.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述真空油炸在若干阶段实施，每一阶段以依次较低的温度加热。
85.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述若干基于马铃薯的片包括若干合成的基于马铃薯的制品。
86.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述若干基于马铃薯的片包括若干生马铃薯的片。
87.根据权利要求86所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述的步骤a)进一步包括使所述生马铃薯的片与水溶液接触。
88.根据权利要求87所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在环境温度下利用水进行。
89.根据权利要求87所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触在大于环境温度的温度下利用水进行。
90.根据权利要求87所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用氯化钙的水溶液进行。
91.根据权利要求87所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触利用L-半胱氨酸的水溶液进行。
92.根据权利要求87所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述接触包括从所述生马铃薯的片中浸出至少一种丙烯酰胺前体。
93.根据权利要求92所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用马铃薯浸提物从所述生的马铃薯片中浸出至少一种丙烯酰胺前体，其中所述的马铃薯浸提物缺乏被浸出的丙烯酰胺前体。
94.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于200ppb。
95.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于100ppb。
96.根据权利要求81所述的降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，其特征在于，所述降低的丙烯酰胺浓度小于50ppb。
97.一种根据权利要求81所述的方法制作的热加工食品。
98.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有重量百分比至少4％的含水量的食品；
b)真空油炸所述食品，以形成具有丙烯酰胺浓度降低和含水量重量百分比小于3％的烹熟食品，其中所述真空油炸是在低于约140℃的温度下进行，同时所述食品的含水量重量百分比低于约3％。
99.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有重量百分比至少4％的初始含水量的若干生马铃薯切片；
b)在温度高于约120℃的食用油内，部分油炸所述生马铃薯切片，直到所述生马铃薯切片具有重量百分比从约3％到约10％范围内的部分油炸含水量，因此，形成若干部分油炸马铃薯切片；以及
c)在小于约140℃温度下真空油炸所述部分油炸过的马铃薯切片，直到所述部分油炸过的马铃薯切片具有重量百分比从约1％到约2％的最终含水量范围，因此，形成具有减少的丙烯酰胺浓度的若干薯片。
100.一种降低热加工食品中的丙烯酰胺形成的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供在烹制前具有重量百分比至少4％的初始含水量的若干基于马铃薯的片；
b)在足够低的压力下真空油炸所述基于马铃薯的片，以便在温度低于约140℃的食用油中油炸所述基于马铃薯的片，直到所述基于马铃薯的片具有重量百分比小于2％的最终含水量，因此，形成若干具有降低的丙烯酰胺浓度的烹制的薯片。
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