液氮在食品冷凍技術(shù)及應(yīng)用
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- 發(fā)布日期：2020-12-30
液氮是無色、無味、低粘度的透明液體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。液氮在常壓下的沸點是-195.8℃，當(dāng)它與被凍食品相接觸時，能吸收的蒸發(fā)潛熱為198.9kJ/kg；再讓氮蒸氣升溫至-20℃，平均比熱以1.047kJ/（kg·K）計，則能吸收184.1kJ/kg。兩項合計為383.0kJ/kg，是一種理想的制冷劑.用液氮速凍食品，最早始于美國。美國在50年代就開始了這方面的研究，至1960年即正式用于速凍食品。1964年開始在生產(chǎn)上迅速推廣。
液氮速凍技術(shù)產(chǎn)生的背景是：
1、50年代末，由于宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，作為火箭燃料所產(chǎn)生的大量液態(tài)氧的需要，促使空氣液化分離工業(yè)的飛躍發(fā)展。液氮的生產(chǎn)使空氣中所含78%的氮的大量液化生產(chǎn)成為可能，從而為冷凍食品工業(yè)新的應(yīng)用開辟了途徑。
2、60年代初，美國的冷凍食品工業(yè)面臨一個新的轉(zhuǎn)折點，當(dāng)時的冷凍食品向三個方向發(fā)展：（1）冷凍食品向“單體快速凍結(jié)”（IQF）方向發(fā)展；（2）要求通過連續(xù)速凍裝置提高冷凍食品的生產(chǎn)量；（3）要求冷凍食品向高質(zhì)量的速凍保鮮食品發(fā)展。由于這些要求促使凍結(jié)方法必須在技術(shù)上進(jìn)行更新，因此液氮速凍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到廣泛應(yīng)用。
液氮速凍有著下列優(yōu)點：
（1）液氮無毒，且對食品成分呈惰性，再者，由于替代了從食品中出來的空氣，所以可在凍結(jié)和帶包裝貯藏過程使氧化變化降低到最小限度。
（2）液氮可與形狀不規(guī)則的食品的所有部分密切接觸，使傳熱阻力降低到最小限度。
（3）凍結(jié)食品的干耗小。用一般凍結(jié)裝置凍結(jié)的食品，其干耗率在3%～6%之間，而用液氮凍結(jié)裝置凍結(jié)，干耗率在0.6%～1%之間。所以適于凍結(jié)一些含水分較高的食品，如楊梅、西紅柿、蟹肉等。
（4）占地面積小，初投資低，裝置效率高。
（5）凍結(jié)食品的品質(zhì)高。由于液氮和食品直接接觸，以200K以上的溫差進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，故凍結(jié)速度極快，每分鐘能降溫7～15K。食品內(nèi)的冰結(jié)晶細(xì)小而均勻，解凍后食品質(zhì)量高。
隨著液氮速凍技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，它被迅速、廣泛應(yīng)用于魚、蝦、螃蟹、雞、鴨、肉（牛、羊等）、水果（楊梅、荔枝等）、蔬菜、及各種預(yù)制食品（牛排、生魚片、肉丸子、炸蝦、肉餅、漢堡包、比薩餅、蛋制品、湯料等）的冷凍中。英國1981年液氮速凍食品占冷凍食品的10%，用液氮量超過100kt。西歐液氮產(chǎn)量的1/3用于食品速凍和冷藏運(yùn)輸。日本液氮速凍食品約占冷凍食品的40～50%。目前美國有幾百家食品加工企業(yè)采用液氮速凍，僅一家速凍牛排廠每天用700t液氮。我國70年代初北京、上海就已研制出液氮速凍食品生產(chǎn)線，80年代先后從日本、瑞典、法國、美國和丹麥等國引進(jìn)了各種速凍裝置（包括液氮速凍），并對銀魚、湖蟹、對蝦等鮮活水產(chǎn)品液氮速凍成功。由于每公斤速凍食品需用液氮0.8～1kg，受液氮價格高的影響，1991年我國自己制造的250臺各類速凍裝置中，采用液氮的極少，造成我國目前液氮速凍食品在冷凍食品中所占比例很低，未能廣泛普及。
近幾年，隨著改革開放的深入，國外主要跨國氣體公司競相在我國建立合資企業(yè)，帶來了先進(jìn)的空分設(shè)備、技術(shù)和管理，使我國低溫液體的產(chǎn)量大幅度提高，供應(yīng)的地區(qū)和范圍不斷擴(kuò)大，價格大幅度降低（液氮的售價從2元/kg左右，降低到1元/kg以下），大大促進(jìn)了液氮的應(yīng)用。
利用液氮來快速冷凍食品的優(yōu)越性很多，不一而足，但它目前應(yīng)用中也存在下列問題，急待解決：
（1）液氮蒸發(fā)后成為低溫氮氣，其具有吸收大量顯熱的能力，充分利用這部分冷量是提高液氮冷凍設(shè)備經(jīng)濟(jì)性的根本，但目前利用率不高，措施有待加強(qiáng)。
（2）因為凍結(jié)速度極快，食品表面與中心之間會產(chǎn)生較大的瞬時溫差，膨脹壓力大，造成低溫斷裂，破壞食品的組織結(jié)構(gòu)，給食品品質(zhì)帶來不利影響。
2.2.1液氮食品速凍裝置
液氮凍結(jié)方式大致有沉浸式、噴淋式、冷風(fēng)循環(huán)式三種。
沉浸式冷凍是將食品完全浸入液氮中，它可以達(dá)到所期望的快速凍結(jié)，食品占用的空間小，同時產(chǎn)生能力變化的幅度也很顯著，但液氮耗量較大，因為僅用了液氮的潛熱這部分冷量。
噴淋式冷凍設(shè)有三個冷凍區(qū)：預(yù)冷區(qū)、凍結(jié)區(qū)和均溫區(qū)。液氮經(jīng)噴嘴成霧狀與食品進(jìn)行熱交換，液氮吸熱蒸發(fā)成氮氣，氮氣又被用來預(yù)冷新進(jìn)入的食品，這樣既利用了液氮的潛熱，又利用了液氮的顯熱，使冷量得到充分利用。
冷空氣循環(huán)式冷凍，由液氮冷卻循環(huán)的冷空氣，用空氣作為載冷劑冷凍食品，可擯棄龐大的制冷設(shè)備，減少初投資。
具體的凍結(jié)裝置可以分為：液氮柜式凍結(jié)裝置、隧道式凍結(jié)裝置、沉浸式凍結(jié)裝置、旋轉(zhuǎn)式凍結(jié)裝置等。
2.2流態(tài)化食品速凍理論和裝置
流態(tài)化現(xiàn)象早就被人們所認(rèn)識，它最初用于化學(xué)工程，隨后陸續(xù)在能源、冶金和食品工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。1959年瑞典的Frigoscandia公司首先使用這種方法凍結(jié)食品，并于1962年研制成功世界上第一臺試驗性的流態(tài)化凍結(jié)裝置。此后,美國、法國、保加利亞、前蘇聯(lián)、日本等國家對流態(tài)化的應(yīng)用和理論研究都十分重視，特別是近二十年來冷凍食品的發(fā)展，促進(jìn)了流態(tài)化凍結(jié)裝置的研制工作。目前，這種凍結(jié)裝置已在各國冷凍食品工廠，特別是蔬菜加工廠中被廣泛使用。
2.2.1流態(tài)化食品速凍的基本原理
流態(tài)化快速凍結(jié)，就是使置于篩網(wǎng)或槽板上的顆粒狀、片狀或塊狀食品，在一定流速的低溫空氣自下而上的作用下形成類似沸騰狀態(tài)，像流體一樣運(yùn)動，并在運(yùn)動中被快速凍結(jié)的過程。
當(dāng)冷氣流自下而上穿過食品層而流速較低時，食品顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)，稱為固定床A。隨著氣流速度的增加，食品床層兩側(cè)的氣流壓力降也將增加，食品層開始松動B。當(dāng)氣流速度達(dá)到一定數(shù)值時，食品顆粒不再保持靜止?fàn)顟B(tài)，部分顆粒懸浮向上，造成床層膨脹，空隙率增大，即開始進(jìn)入流化狀態(tài)。這種狀態(tài)是區(qū)別固定床和流化床的分界點，稱為臨界狀態(tài)。對應(yīng)的最大壓力降值叫做臨界壓力，對應(yīng)的風(fēng)速叫做臨界風(fēng)速。臨界壓力和臨界速度是形成流態(tài)化的必要條件C。當(dāng)氣流速度繼續(xù)增加時，床層將繼續(xù)膨脹，床層空隙率也隨之增加。但床層中的實際氣流速度則保持不變，流體的壓降只是消耗在托起固體顆粒的重量上，即床層的壓力降與氣流速度無關(guān)而始終保持定值D。此時強(qiáng)烈的冷氣流與食品顆粒相互作用，使食品顆粒呈時上時下、無規(guī)則地運(yùn)動，因此食品層內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱十分迅速，從而實現(xiàn)食品單體快速凍結(jié)。若氣流速度進(jìn)一步增加，顆粒則被流體帶走，床層顆粒減少，空隙率增加，床層壓力降減小，流化床成為輸送床E。流化床速凍生產(chǎn)和實驗均在輸送床前面階段進(jìn)行，曲線AD為標(biāo)準(zhǔn)流態(tài)化曲線。
食品流態(tài)化速凍的主要特點是:
（1）凍結(jié)速度快。流態(tài)化凍結(jié)過程具有很強(qiáng)的換熱特性。與傳統(tǒng)的空氣強(qiáng)制循環(huán)凍結(jié)裝置相比，換熱強(qiáng)度增加了30～40倍。這是因為：食品懸浮凍結(jié)時的熱阻減少15～18倍，產(chǎn)品表面與冷空氣的放熱系數(shù)（）增大4～6倍，有效換熱面積增大3.5～10倍。所以流態(tài)化凍結(jié)裝置的凍結(jié)速度要比普通凍結(jié)設(shè)備的速度高幾十倍。由于凍結(jié)速度快，所以流態(tài)化凍結(jié)能最大限度地保持食品原有的營養(yǎng)成份和新鮮狀態(tài)。
（2）實現(xiàn)單體快速凍結(jié)。由于食品在凍結(jié)過程中呈懸浮狀態(tài)，食品凍結(jié)后不會粘連在一起，實現(xiàn)了IQF凍結(jié)，不僅質(zhì)量好，而且便于包裝和消費(fèi)者食用。
（3）食品干耗少。每個速凍食品的表面都有一層很薄的冰膜，既有利于保持食品鮮度防止氧化，而且干耗較少。瑞典學(xué)者對蘑菇、草莓等進(jìn)行的對比試驗表明，流態(tài)化凍結(jié)的干耗幾乎只是強(qiáng)制送風(fēng)隧道凍結(jié)的一半左右。這對價格較高的食品顯得尤為重要。
（4）易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，工人在常溫條件下進(jìn)行操作，改善了勞動條件。
當(dāng)然食品流態(tài)化凍結(jié)也有局限性，它僅適用于顆粒狀食品，一般其特性尺寸在50mm以內(nèi)，最大不得超過100mm。目前國外用流態(tài)化凍結(jié)的食品種類主要有：
菜類：青豌豆、豆角、玉米、青刀豆、油炸或水煮馬鈴薯、胡蘿卜丁或片、整顆或切片蘑菇、花菜、辣椒、西紅柿、包菜以及切成塊、片、條狀的各種蔬菜。
水果類：蘋果片、菠蘿片、草莓、黑苺、櫻桃、馬林果、李子、杏、討、紫漿果、葡萄、荔枝、桂圓等。
肉食類：肉丁、炸肉丸子、魚片、魚條、小蝦、蝦仁等。
