液氮用于食品冷冻技术

   液氮是无色、无味、低粘度的透明液体，化学性质稳定。液氮在常压下的沸点是-195.8℃，当它与被冻食品相接触时，能吸收的蒸发潜热为198.9kJ/kg；再让氮蒸气升温至-20℃，平均比热以1.047kJ/（kg·K）计，则能吸收184.1kJ/kg。两项合计为383.0kJ/kg，是一种理想的制冷剂.用液氮速冻食品，最早始于美国。美国在50年代就开始了这方面的研究，至1960年即正式用于速冻食品。1964年开始在生产上迅速推广。

液氮速冻技术产生的背景是：

1、50年代末，由于宇宙空间技术的发展，作为火箭燃料所产生的大量液态氧的需要，促使空气液化分离工业的飞跃发展。液氮的生产使空气中所含78%的氮的大量液化生产成为可能，从而为冷冻食品工业新的应用开辟了途径。
2、60年代初，美国的冷冻食品工业面临一个新的转折点，当时的冷冻食品向三个方向发展：（1）冷冻食品向“单体快速冻结”（IQF）方向发展；（2）要求通过连续速冻装置提高冷冻食品的生产量；（3）要求冷冻食品向高质量的速冻保鲜食品发展。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。

液氮速冻有着下列优点：

（1）液氮可与形状不规则的食品的所有部分密切接触，使传热阻力降低到最小限度。
（2）液氮无毒，且对食品成分呈惰性，再者，由于替代了从食品中出来的空气，所以可在冻结和带包装贮藏过程使氧化变化降低到最小限度。
（3）冻结食品的品质高。由于液氮和食品直接接触，以200K以上的温差进行强烈的热交换，故冻结速度极快，每分钟能降温7～15K。食品内的冰结晶细小而均匀，解冻后食品质量高。
（4）冻结食品的干耗小。用一般冻结装置冻结的食品，其干耗率在3%～6%之间，而用液氮冻结装置冻结，干耗率在0.6%～1%之间。所以适于冻结一些含水分较高的食品，如杨梅、西红柿、蟹肉等。
（5）占地面积小，初投资低，装置效率高。
随着液氮速冻技术的进一步完善和发展，它被迅速、广泛应用于鱼、虾、螃蟹、鸡、鸭、肉（牛、羊等）、水果（杨梅、荔枝等）、蔬菜、及各种预制食品（牛排、生鱼片、肉丸子、炸虾、肉饼、汉堡包、比萨饼、蛋制品、汤料等）的冷冻中。英国1981年液氮速冻食品占冷冻食品的10%，用液氮量超过100kt。西欧液氮产量的1/3用于食品速冻和冷藏运输。日本液氮速冻食品约占冷冻食品的40～50%。目前美国有几百家食品加工企业采用液氮速冻，仅一家速冻牛排厂每天用700t液氮。我国70年代初北京、上海就已研制出液氮速冻食品生产线，80年代先后从日本、瑞典、法国、美国和丹麦等国引进了各种速冻装置（包括液氮速冻），并对银鱼、湖蟹、对虾等鲜活水产品液氮速冻成功。由于每公斤速冻食品需用液氮0.8～1kg，受液氮价格高的影响，1991年我国自己制造的250台各类速冻装置中，采用液氮的极少，造成我国目前液氮速冻食品在冷冻食品中所占比例很低，未能广泛普及。
近几年，随着改革开放的深入，国外主要跨国气体公司竞相在我国建立合资企业，带来了先进的空分设备、技术和管理，使我国低温液体的产量大幅度提高，供应的地区和范围不断扩大，价格大幅度降低（液氮的售价从2元/kg左右，降低到1元/kg以下），大大促进了液氮的应用。
利用液氮来快速冷冻食品的优越性很多，不一而足，但它目前应用中也存在下列问题，急待解决：
（1）因为冻结速度极快，食品表面与中心之间会产生较大的瞬时温差，膨胀压力大，造成低温断裂，破坏食品的组织结构，给食品品质带来不利影响。
（2）液氮蒸发后成为低温氮气，其具有吸收大量显热的能力，充分利用这部分冷量是提高液氮冷冻设备经济性的根本，但目前利用率不高，措施有待加强。
2.2.1液氮食品速冻装置
液氮冻结方式大致有沉浸式、喷淋式、冷风循环式三种。
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，食品占用的空间小，同时产生能力变化的幅度也很显著，但液氮耗量较大，因为仅用了液氮的潜热这部分冷量。
喷淋式冷冻设有三个冷冻区：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，用空气作为载冷剂冷冻食品，可摈弃庞大的制冷设备，减少初投资。
具体的冻结装置可以分为：液氮柜式冻结装置、隧道式冻结装置、沉浸式冻结装置、旋转式冻结装置等。
2.2流态化食品速冻理论和装置
流态化现象早就被人们所认识，它最初用于化学工程，随后陆续在能源、冶金和食品工程等领域得到应用。1959年瑞典的Frigoscandia公司首先使用这种方法冻结食品，并于1962年研制成功世界上第一台试验性的流态化冻结装置。此后,美国、法国、保加利亚、前苏联、日本等国家对流态化的应用和理论研究都十分重视，特别是近二十年来冷冻食品的发展，促进了流态化冻结装置的研制工作。目前，这种冻结装置已在各国冷冻食品工厂，特别是蔬菜加工厂中被广泛使用。
2.2.1流态化食品速冻的基本原理
流态化快速冻结，就是使置于筛网或槽板上的颗粒状、片状或块状食品，在一定流速的低温空气自下而上的作用下形成类似沸腾状态，像流体一样运动，并在运动中被快速冻结的过程。
当冷气流自下而上穿过食品层而流速较低时，食品颗粒处于静止状态，称为固定床A。随着气流速度的增加，食品床层两侧的气流压力降也将增加，食品层开始松动B。当气流速度达到一定数值时，食品颗粒不再保持静止状态，部分颗粒悬浮向上，造成床层膨胀，空隙率增大，即开始进入流化状态。这种状态是区别固定床和流化床的分界点，称为临界状态。对应的最大压力降值叫做临界压力，对应的风速叫做临界风速。临界压力和临界速度是形成流态化的必要条件C。当气流速度继续增加时，床层将继续膨胀，床层空隙率也随之增加。但床层中的实际气流速度则保持不变，流体的压降只是消耗在托起固体颗粒的重量上，即床层的压力降与气流速度无关而始终保持定值D。此时强烈的冷气流与食品颗粒相互作用，使食品颗粒呈时上时下、无规则地运动，因此食品层内的传质与传热十分迅速，从而实现食品单体快速冻结。若气流速度进一步增加，颗粒则被流体带走，床层颗粒减少，空隙率增加，床层压力降减小，流化床成为输送床E。流化床速冻生产和实验均在输送床前面阶段进行，曲线AD为标准流态化曲线。

食品流态化速冻的主要特点是:
（1）冻结速度快。流态化冻结过程具有很强的换热特性。与传统的空气强制循环冻结装置相比，换热强度增加了30～40倍。这是因为：食品悬浮冻结时的热阻减少15～18倍，产品表面与冷空气的放热系数（）增大4～6倍，有效换热面积增大3.5～10倍。所以流态化冻结装置的冻结速度要比普通冻结设备的速度高几十倍。由于冻结速度快，所以流态化冻结能最大限度地保持食品原有的营养成份和新鲜状态。
（2）实现单体快速冻结。由于食品在冻结过程中呈悬浮状态，食品冻结后不会粘连在一起，实现了IQF冻结，不仅质量好，而且便于包装和消费者食用。
（3）食品干耗少。每个速冻食品的表面都有一层很薄的冰膜，既有利于保持食品鲜度防止氧化，而且干耗较少。瑞典学者对蘑菇、草莓等进行的对比试验表明，流态化冻结的干耗几乎只是强制送风隧道冻结的一半左右。这对价格较高的食品显得尤为重要。
（4）易于实现机械化和自动化连续生产，生产效率高，工人在常温条件下进行操作，改善了劳动条件。

当然食品流态化冻结也有局限性，它仅适用于颗粒状食品，一般其特性尺寸在50mm以内，最大不得超过100mm。目前国外用流态化冻结的食品种类主要有：
菜类：青豌豆、豆角、玉米、青刀豆、油炸或水煮马铃薯、胡萝卜丁或片、整颗或切片蘑菇、花菜、辣椒、西红柿、包菜以及切成块、片、条状的各种蔬菜。
水果类：苹果片、菠萝片、草莓、黑苺、樱桃、马林果、李子、杏、讨、紫浆果、葡萄、荔枝、桂圆等。
肉食类：肉丁、炸肉丸子、鱼片、鱼条、小虾、虾仁等。