液氮在食品冷冻技术及应用

液氮在食品冷凍技術及應用

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液氮是無色、無味、低粘度的透明液體，化學性質穩定。液氮在常壓下的沸點是-195.8℃，當它與被凍食品相接觸時，能吸收的蒸發潛熱為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年開始在生產上迅速推廣。

液氮速凍技術產生的背景是：

1、50年代末，由于宇宙空間技術的發展，作為火箭燃料所產生的大量液態氧的需要，促使空氣液化分離工業的飛躍發展。液氮的生產使空氣中所含78%的氮的大量液化生產成為可能，從而為冷凍食品工業新的應用開辟了途徑。

2、60年代初，美國的冷凍食品工業面臨一個新的轉折點，當時的冷凍食品向三個方向發展：（1）冷凍食品向“單體快速凍結”（IQF）方向發展；（2）要求通過連續速凍裝置提高冷凍食品的生產量；（3）要求冷凍食品向高質量的速凍保鮮食品發展。由于這些要求促使凍結方法必須在技術上進行更新，因此液氮速凍技術應運而生，并迅速得到廣泛應用。

液氮速凍有著下列優點：

（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）凍結食品的干耗小。用一般凍結裝置凍結的食品，其干耗率在3%～6%之間，而用液氮凍結裝置凍結，干耗率在0.6%～1%之間。所以適于凍結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）凍結食品的品質高。由于液氮和食品直接接觸，以200K 以上的溫差進行強烈的熱交換，故凍結速度極快，每分鐘能降溫7～15K。食品內的冰結晶細小而均勻，解凍后食品質量高。

隨著液氮速凍技術的進一步完善和發展，它被迅速、廣泛應用于魚、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。西歐液氮產量的1/3用于食品速凍和冷藏運輸。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

品生產線，80年代先后從日本、瑞典、法國、美國和丹麥等國引進了各種速凍裝置（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，帶來了先進的空分設備、技術和管理，使我國低溫液體的產量大幅度提高，供應的地區和范圍不斷擴大，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），大大促進了液氮的應用。

利用液氮來快速冷凍食品的優越性很多，不一而足，但它目前應用中也存在下列問題，急待解決：

（1）液氮蒸發后成為低溫氮氣，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備經濟性的根本，但目前利用率不高，措施有待加強。

（2）因為凍結速度極快，食品表面與中心之間會產生較大的瞬時溫差，膨脹壓力大，造成低溫斷裂，破壞食品的組織結構，給食品品質帶來不利影響。

2.2.1液氮食品速凍裝置

液氮凍結方式大致有沉浸式、噴淋式、冷風循環式三種。

沉浸式冷凍是將食品完全浸入液氮中，它可以達到所期望的快速

凍結，食品占用的空間小，同時產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。

噴淋式冷凍設有三個冷凍區：預冷區、凍結區和均溫區。液氮經噴嘴成霧狀與食品進行熱交換，液氮吸熱蒸發成氮氣，氮氣又被用來預冷新進入的食品，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。

冷空氣循環式冷凍，由液氮冷卻循環的冷空氣，用空氣作為載冷劑冷凍食品，可擯棄龐大的制冷設備，減少初投資。

具體的凍結裝置可以分為：液氮柜式凍結裝置、隧道式凍結裝置、沉浸式凍結裝置、旋轉式凍結裝置等。

2.2流態化食品速凍理論和裝置

流態化現象早就被人們所認識，它最初用于化學工程，隨后陸續在能源、冶金和食品工程等領域得到應用。1959年瑞典的Frigoscandia公司首先使用這種方法凍結食品，并于1962年研制成功世界上第一臺試驗性的流態化凍結裝置。此后,美國、法國、保加利亞、前蘇聯、日本等國家對流態化的應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展，促進了流態化凍結裝置的研制工作。目前，這種凍結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流態化食品速凍的基本原理

流態化快速凍結，就是使置于篩網或槽板上的顆粒狀、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，像流體一樣運動，并在運動中被快速凍結的過程。

當冷氣流自下而上穿過食品層而流速較低時，食品顆粒處于靜止狀態，稱為固定床A。隨著氣流速度的增加，食品床層兩側的氣流壓力降也將增加，食品層開始松動B。當氣流速度達到一定數值時，食品顆粒不再保持靜止狀態，部分顆粒懸浮向上，造成床層膨脹，空隙率增大，即開始進入流化狀態。這種狀態是區別固定床和流化床的分界點，稱為臨界狀態。對應的最大壓力降值叫做臨界壓力，對應的風速叫做臨界風速。臨界壓力和臨界速度是形成流態化的必要條件C。當氣流速度繼續增加時，床層將繼續膨脹，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而始終保持定值D。此時強烈的冷氣流與食品顆粒相互作用，使食品顆粒呈時上時下、無規則地運動，因此食品層內的傳質與傳熱十分迅速，從而實現食品單體快速凍結。若氣流速度進一步增加，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。流化床速凍生產和實驗均在輸送床前面階段進行，曲線AD為標準流態化曲線。

食品流態化速凍的主要特點是:

（1）凍結速度快。流態化凍結過程具有很強的換熱特性。與傳統的空氣強制循環凍結裝置相比，換熱強度增加了30～40倍。這是因為：食品懸浮凍結時的熱阻減少15～18倍，產品表面與冷空氣的放熱系數（）增大4～6倍，有效換熱面積增大3.5～10倍。所以流