液氮在食品冷冻中的应用

氮气广泛存在于大气中，分子式:N2 、分子量:28.01，正常的空气成分按体积计算:氮约占78%，氧约占21%，其它是稀有气体和二氧化碳等。氮气是惰性气体，无色、无嗅、无腐蚀性、不可燃、不支持燃烧；但是它不是维持生命的必要元素。液氮汽化时大量吸收热量，人体接触会造成冻伤。液氮纯度：高纯液氮：氮 ≥99.99％；工业级液氮：一级≥99.5％、二级≥98.5％。

液氮一般由空气中物理分离获得，空气经低温条件下加压，使其转变为液态，然后逐渐加温分馏，此过程中氮气首先从液态空气中蒸发出来，收集后得到氮气，对收集得到的氮气再降温加压就是液氮，食品级液氮还要通过净化处理，例如：空气除尘、精馏纯化等。液氮是一种高效制冷剂，可应用于食品、医药、施工、超导、生物等生产科研领域冷冻源。早在上个世纪初液氮制冷技术已应用于修筑地下工程，通过土层冻结方法，为地下建筑施工提供了新的工程技术：液氮在冻结环境汽化吸热后，气氮经管路排出地下释入大气，比常规制冷系统冻结快约10倍，典型应用案例，如：英国地下水道工作面土壤冻结、日本新干线工程冻结施工等都曾有报道。

液氮用于冷冻食品是在上世纪50年代开始研究的，至1960年即正式用于速冻食品。一开始便在食品生产上迅速推广，液氮用于食品冷冻技术迅速推广的背景是：

1、由于美国宇宙空间技术的发展，作为火箭燃料需要大量液态氧的生产，促进了空气液化分离技术的发展。在生产液氧的同时空气中所含78%的氮的大量液化需要找到消化出口，从而推动了冷冻行业新的冷媒应用。

2、上世纪60年代初，美国的食品工业面临一个新的转折点，生活方式向快捷方便转型，冷冻食品消费增加并出现两个特点：（1）应用连续冻结装置提高冷冻食品的产能；（2）“冰晶理论”研究要求冷冻食品向高品质的速冻方式发展。由于这些要求促使冻结方法必须在技术上进行更新，因此液氮速冻技术应运而生，并迅速得到广泛应用。目前已应用到各类食品冷冻和处理过程，包括：速冻食品、气调保鲜、饮料灌装、冷冻粉碎等。

液氮用于食品冷冻有哪些优势呢：

1.冷冻速度快：液氮在一个大气压下的温度：-195.8℃，通过相变的超低温对流和传导可使食品迅速冻结,这也是液氮用于食品冷冻的最大优势。

2.冷冻质量好：冷媒直接作用于食物快速冻结，防止大冰晶在食物组织内的生成，减少对细胞结构的破坏，从而更好的保持食物原有的形态、风味和口感，以及减少化冻损伤。

3.防止冻干、减少冷冻食品的水分流失；提高冷冻得率，其它方式冻结干耗率一般在3%～6%之间，而用液氮冻结干耗率在0.6%～1% 。

4.由于液氮制冷的快速特点，使速冻的时间、流程大大缩短，速冻设备的体积相应缩小，例如：一台3吨左右的液氮速冻机（每小时速冻能力），占地只有20平米左右，比其它制冷方式的速冻设备可节省更多的空间。

目前液氮速冻技术广泛应用于鱼、虾、鸡、鸭、肉、果、蔬、及各种加工食品过程（如：牛排、肉丸、水产品、汉堡包、速冻包点、冰激凌等）。

二.液氮在食品冷冻中的应用：

1.液氮速冻食品的方式：

液氮冻结方式大致有沉浸式、喷淋式、冷风循环式等种类。

沉浸式冷冻：是将食品完全浸入液氮中，它可以达到所期望的快速冻结目的，食品占用的空间小，同时产生状态变化的幅度也很显著，但液氮耗量较大，因为仅利用了液氮潜热的部分冷量。

喷淋式冷冻：一般通过分段：预冷区、冻结区和均温区。液氮经喷嘴成雾状与食品进行热交换，液氮吸热蒸发成氮气，氮气又被用来预冷新进入的食品，这样既利用了液氮的潜热，又利用了液氮的显热，使冷量得到充分利用。

冷空气循环式冷冻：由液氮冷却循环的冷空气，用空气作为载冷体冷冻食品，可简化的制冷控制设备，减少一次性投入。

2.液氮冷冻及应用设备：

冻结及应用设备可以分为：液氮柜式冻结装置、隧道式冻结装置、沉浸式冻结装置、搅拌成型冻结装置等。

液氮柜式冷冻机：液氮柜式冷冻机由三部分组成：高保温冻结室、液氮喷射系统、冷风循环系统，超低温的液氮汽雾均匀的通过冻结室内的推车或托盘，对食品进行快速冷冻，柜式机一般为小型冻结设备，冻结室多在1-3立方，通常在10几分钟可将一百至数百公斤单体食物的中心温度降低到-18℃以下。

液氮隧道式冷冻机：液氮隧道式冷冻机一般由输送系统、冷冻系统、控制系统组成，冷冻过程按冷冻曲线要求动态控制，对食品进行高效速冻，隧道机一般冻结能力很大，冷冻能力从几百公斤/小时到几千公斤/小时，即可得到中心温度在-18℃以下的冻品。

沉浸式冷冻机：沉浸式冷冻机配备了液位控制和运行系统，使冷冻机稳定的供给冷量，适合单体超快速冻结食品，例如：单冻虾、单冻贝、单冻果等。

搅拌、成型式冷冻机：搅拌、成型式冷冻机可与现有的食品加工工序对接，通过搅拌、成型的食品加工过程进行冷冻食品，通过将液氮喷射工艺，可在几分钟甚至几秒钟内将食品冷冻或冷却，并同步伴随生产流程连续运转。

3.应用举例：

（1）速冻包点：一个蒸熟的包子，放入液氮速冻柜中只需要短短的几分钟，中心温度则可以达到-18℃，由于包子在迅速冻结时很少发生冰晶对组织的损伤，所以，包子在回温后的口感跟刚出锅时几乎一样，这就是液氮速冻的优势所在。

（2）冷冻水产品：以单体虾为例，短短数十秒内就能迅速通过０℃到－５℃这一最大冰晶生成带，再将虾体速冻至适宜储藏温度－１８℃，解冻后不但风味和口感得到保持，甚至口感的粘附性、咀嚼性与鲜虾均无显著差异。

有研究表明：由于液氮的超冷性，所以在冷冻过程中除了保持水产品的营养成分和品质外，还可以抑制和杀死微生物。生食刺身研究表明液氮冷冻易达到微生物和寄生虫（含虫卵）致死温度，使一直困扰着生食消费的风险得以规避。

（3）速冻果蔬：要保证冷冻食品中营养不受损失，果蔬应该是最难控制的（果蔬大多属生命活体），超冷是解决这一难点的关键，液氮速冻的果蔬由于不易出现冻伤害，维生素和矿物质含量保持的会更完好，特别是对鲜切果蔬，液氮汽化时使得果蔬切口在氮的防氧化作用下，可以更好的减缓酶促褐变的发生。

（4）低温粉碎：是将冷却到脆化点温度的食物，在外力作用下破碎成粉体的过程。食品低温粉碎是最新发展的食品加工技术，该技术特别适宜于加工含芳香成分多、含脂量高、含胶状物质多的食品。用液氮进行低温粉碎处理，其超冷性可使粉末食品的微粒最小组织保持最佳状态。如：经液氮冻结后的海藻类、可食花蕾、软体甲壳等经粉碎,可使食品的微细粒度高达100μｍ以下，基本保持了原有营养价值，特别是：得到的超细颗粒具有特别的吸附力和亲和力，有极强的分散性和溶解性，对促进人体对营养食物的有效吸收很有帮助。

（5）冷冻萃取：有资料显示利用液氮淬冷协同高温解冻进行花粉破壁具有效果好、破壁率高、速度快及花粉生理活性保持稳定、减少加工过程损伤等特点。

（6）低温干燥：低温干燥的机理是利用冰晶升华的物理性质，将含水食品进行超低温冷冻，然后，在真空状态下使食物中的冰晶升华，最终得到干制品，俗称：冻干。这种加工方式对热敏感度高、容易出现氧化的食品最为适合，它在保留了食品味道、口感、风味、色泽、形态的同时，也使得食物的营养得到了保护。

例如：利用冷冻干燥技术生产方便面，使方便面的色泽更佳、风味和口感更好，避免了高温焗干或油炸脱水对品质的影响，方便面的品质得到很大的提高。由于大多食品在冷冻干燥时需将温度降到很低（一般在-40℃以下），所以，液氮更具备超低温冷冻干燥优势。

三．液氮使用安全：

液氮属低温液体，在贮存、使用中应按《低温液体贮存设备 使用安全规则》（JB/T6898-2015）的规定执行，并注意以下几点：

1.液氮在101.325kpa压力下，沸点为-195.65℃，与人体皮肤、眼睛接触会引起冻伤（冷烧灼）。低温液体汽化为气体时，体积会迅速膨胀，在0℃/101.325kpa状态下，1L氮汽化为气体647L，在密闭容器内，因液体汽化使压力升高，易引起容器超压危险。氮气有窒息性，会引起窒息危险。

2.对低温液体贮存压力容器的安装、使用要求：除符合JB/T6898-2015外，还应符合TSGR0004及TSGR7001的规定。液氮容器宜安装在室外。储存液氮的容器严禁过量充装。

3.操作人员应熟悉低温液体的特性及其危害。应熟悉产品使用说明书，设备工艺流程和操作程序。操作人员在充灌或处理低温液体时应戴上干净易脱的低温防护手套和护目镜，若有产生液体喷射或飞溅可能，应戴上面罩。操作人员的皮肤因接触低温液体或低温气体而被冻伤时，应及时将受伤部位放入温水浸泡或冲洗，切勿干加热，并及时到医院治疗。

4.在进入通风不良且有发生窒息危险场所处理液氮，必须分析大气含氧量，当含氧量低于19.5%（体积分数）时，操作人员必须戴上自供式防护面具，并需在有人监护下进行操作处理。室内使用液氮制冷设备，应有空气监测设施。