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    液氮用于食品冷冻技术

    2008-8-31 17:39:00

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       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。
     

     
     
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