液氮食品冷凍技術淺析

液氮快速冷凍技術的發(fā)展背景：在1.50年代末，由于航天技術的發(fā)展，對作為火箭燃料的大量液氧的需求推動了液化分離工業(yè)的快速發(fā)展。液氮的產(chǎn)生使空氣中78％的氮大量液化成為可能，這為冷凍食品工業(yè)的新應用開辟了道路。 2.在1960年代初，美國的冷凍食品行業(yè)面臨著一個新的轉(zhuǎn)折點。當時，冷凍食品的發(fā)展向三個方向發(fā)展：（1）冷凍食品進入“冷凍狀態(tài)”，單個產(chǎn)品（IQF）的快速冷凍，（2）要求連續(xù)快速冷凍。該裝置提高了冷凍食品的產(chǎn)量，（3） ）需要冷凍食品發(fā)展為高品質(zhì)速凍保鮮食品。由于這些要求，必須對冷凍方法進行技術更新，因此液氮快速冷凍技術應運而生并迅速被廣泛使用。液氮快速冷凍具有以下優(yōu)點：1.液氮可以與不規(guī)則形狀的食品的各個部分緊密接觸，從而使傳熱阻力最小。 2.液氮無毒且對食品成分呈惰性。此外，由于它可以代替食品中的空氣，因此可以最大程度地減少冷凍和帶包裝存儲期間的氧化變化。 3.冷凍食品的質(zhì)量很高。由于液氮與食物直接接觸，并且在200K以上的溫差下進行強烈的熱交換，因此冷凍速度非常快，并且每分鐘可將溫度降低7至15K。食物中的冰晶小且均勻，解凍后食物品質(zhì)高。 4.冷凍食品的干消費少。普通冷凍裝置冷凍食品的干耗率在3％至6％之間，液氮冷凍裝置冷凍食品的干耗率在0.6％至1％之間。因此，它適用于冷凍某些水分含量較高的食品，例如楊梅，西紅柿，蟹肉等。 5.占地面積小，初期投資低，設備效率高。隨著液氮速凍技術的進一步改進和發(fā)展，它被迅速，廣泛地應用于魚，蝦，蟹，雞，鴨，肉（牛，羊等），水果（楊梅，荔枝等），蔬菜和各種冷凍準備食品（牛排，生魚片，肉丸，炸蝦，肉餅，漢堡包，披薩，蛋制品，湯等）。 1981年，液氮速凍食品占冷凍食品的10％，液氮的使用量超過100kt。西歐液氮產(chǎn)量的三分之一用于食品速凍和冷藏運輸。日本的液氮速凍食品約占冷凍食品的40-50％。目前，美國有數(shù)百家食品加工公司使用液氮進行快速冷凍，只有一家速凍牛排館每天使用700噸液氮。 1970年代初，中國在北京和上海建立了液氮速凍食品生產(chǎn)線。在1980年代，從日本，瑞典，法國，美國和丹麥引進了各種速凍設備（包括液氮速凍）。新鮮的水產(chǎn)品，如湖蟹和蝦，已成功地在液氮中冷凍。由于每公斤速凍食品需要0.8至1公斤液氮，這受液氮價格高昂的影響，因此，在250臺各種速凍設備中，幾乎沒有使用液氮1991年在中國的液氮速凍食品引起我國目前冷凍食品的比例非常低，尚未得到廣泛應用。液氮是一種無色，無味，低粘度的透明液體，具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)。常壓下液氮的沸點為-195.8°C。當它與冷凍食品接觸時，可以吸收198.9kJ / kg的蒸發(fā)潛熱，然后使氮氣蒸氣溫度升至-20°C ，平均比熱為1.047kJ /（Kgmiddot，K）米，可吸收184.1kJ / kg。兩項合計為383.0kJ / kg，是理想的制冷劑。美國開始使用液態(tài)氮速凍食品。美國于1950年代開始在這一領域進行研究，到1960年正式用于速凍食品。1964年開始在生產(chǎn)中迅速推廣。近年來，隨著改革開放的不斷深入，主要的跨國跨國天然氣公司公司已經(jīng)競爭在中國建立合資企業(yè)，帶來了先進的空氣分離設備，技術和管理，極大地增加了中國及其供應地區(qū)的低溫液體的產(chǎn)量。并且范圍不斷擴大，價格大大降低（液氮銷售價格從約2元/ kg降到1元/ kg以下），極大地促進了液氮的應用。使用液氮快速冷凍食品的優(yōu)點很多，但目前應用中還存在以下問題，亟待解決：1.由于冷凍速度極快，瞬時溫差大。膨脹壓力過大會導致低溫斷裂，損壞食品結(jié)構(gòu)并對食品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。 2.液氮蒸發(fā)成低溫氮，具有吸收大量顯熱的能力。充分利用這種冷卻量是提高液氮制冷設備經(jīng)濟性的基礎，但是目前利用率不高。液氮食品速凍設備可以浸入，噴灑或冷空氣循環(huán)。沉浸式冷凍是將食物完全浸入液氮中。它可以實現(xiàn)所需的快速冷凍。食物占用的空間很小，容量變化也很明顯。但是，由于僅使用液體，因此液氮消耗大。氮氣的潛熱部分是冷的。噴霧冷凍具有三個冷凍區(qū)：預冷區(qū)，冷凍區(qū)和溫度區(qū)。液氮以霧狀通過噴嘴，與食物進行熱交換。液氮吸收熱量并蒸發(fā)成氮氣。氮氣還用于預冷新進入的食物。這既使用了液氮的潛熱又使用了液氮的顯熱。要充分利用冷卻能力。冷空氣循環(huán)制冷。循環(huán)的冷空氣由液氮冷卻，空氣被用作制冷劑來冷凍食品，這可以放棄大型制冷設備并減少初期投資。具體的冷凍裝置可分為：液氮柜式冷凍裝置，隧道式冷凍裝置，浸入式冷凍裝置，旋轉(zhuǎn)式冷凍裝置等。人們早已認識到流化食品快速冷凍的原理和設備的流化現(xiàn)象。它首先用于化學工程，然后應用于能源，冶金和食品工程領域。 1959年，瑞典公司Frigoscandia首次使用這種方法冷凍食品，并于1962年開發(fā)了世界上第一臺實驗性流化冷凍裝置。從那以后，美國，法國，保加利亞，前蘇聯(lián)，日本等國家高度重視流態(tài)化的應用和理論研究，特別是近二十年來冷凍食品的發(fā)展，推動了流態(tài)化的發(fā)展。流化冷凍設備。目前，該冷凍裝置已被廣泛用于各個國家的冷凍食品工廠，特別是在蔬菜加工廠中?？焖倮鋬隽骰称返幕驹硎强焖倮鋬隽骰称?。沸騰的過程，像流體一樣運動，并在運動過程中迅速凍結(jié)。當冷空氣從底部到頂部流過食物層并且流速低時，食物顆粒處于靜止狀態(tài)，稱為固定床A。隨著空氣速度的增加，食物兩邊的壓力下降。食物床將增加，食物層將開始變松B。當空氣速度達到一定值時，食物顆粒不再保持靜止，并且一些顆粒向上懸浮，從而導致食物床膨脹并形成孔隙增加，即流化狀態(tài)。該狀態(tài)是固定床和流化床之間的邊界，稱為臨界狀態(tài)。相應的最大的壓降稱為臨界壓力，相應的風速稱為臨界風速。臨界壓力和臨界速度是流化的必要條件C。當空氣速度繼續(xù)增加時，床將繼續(xù)膨脹，床的空隙率也將增加。然而，床中的實際空氣速度保持不變，并且流體的壓降僅由負載的固體顆粒的重量消耗，也就是說，與空氣無關，床中的壓降具有恒定值D速度。此時，強烈的冷氣流與食物顆粒相互作用，導致食物顆粒不時地不規(guī)則地運動，因此食物層中的質(zhì)量和熱傳遞非常迅速，從而實現(xiàn)食物單體的快速冷凍。如果空氣流速進一步提高，則流體會將顆粒帶走，顆粒物減少，孔隙率增加，床中的壓降降低，流化床變?yōu)檫\輸床E。冷凍生產(chǎn)和實驗在輸送床的前段進行。曲線AD是標準流化曲線。食物流態(tài)化和速凍的主要特征是：快速冷凍。流化冷凍過程具有很強的傳熱特性。與傳統(tǒng)的強制循環(huán)冷凍裝置相比，熱交換強度提高了30到40倍。這是因為：食品懸浮和冷凍時的熱阻降低了15到18倍，產(chǎn)品表面和冷空氣的放熱系數(shù)（）增加了4到6倍，有效的熱交換面積增加了3.5到10倍。因此，流化冷凍裝置的冷凍速度是普通冷凍裝置的數(shù)十倍。由于快速的冷凍速度，流化冷凍可以使食物的原始營養(yǎng)含量和新鮮度最大化。實現(xiàn)單體的快速凍結(jié)。由于食品在冷凍過程中處于懸浮狀態(tài)，冷凍后食品不會粘在一起，實現(xiàn)了IQF冷凍，不僅質(zhì)量好，而且便于包裝和消費。少干糧。每種速凍食品的表面均具有薄的冰膜，這有利于保持食品的新鮮度并防止氧化，并且減少了干燥消耗。瑞典學者對蘑菇，草莓等進行的比較實驗表明，流態(tài)化冷凍的干消耗幾乎僅是強制風道冷凍的一半。這對于高價食品尤其重要。易于實現(xiàn)機械化和自動化的連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，工人在常溫條件下工作，改善了勞動條件。當然，流化食品冷凍也有局限性。它僅適用于顆粒食品。通常，其特征尺寸在50mm以內(nèi)，最大不能超過100mm。目前，在國外流化和冷凍的主要食物類型為：肉：切成丁的肉，炸丸子，魚片，魚條，蝦，蝦等。蔬菜：青豆，豆，玉米，綠豆，油炸或水煮土豆，胡蘿卜切成丁或切成薄片，整個或切成薄片的蘑菇，花椰菜，辣椒，西紅柿，卷心菜，切成塊，片，條各種蔬菜。水果：蘋果片，菠蘿片，草莓，黑莓，櫻桃，馬林水果，李子，杏，葡萄，紫色漿果，葡萄，荔枝，龍眼等。