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07-30

2022

液氮食品冷凍技術(shù)簡(jiǎn)析

液氮速凍技術(shù)發(fā)展背景：1. 50年代末，由于宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，作為火箭燃料所產(chǎn)生的大量液態(tài)氧的需要，促使空氣液化分離工業(yè)的飛躍發(fā)展。液氮的生產(chǎn)使空氣中所含78%的氮的大量液化生產(chǎn)成為可能，從而為冷凍食品工業(yè)新的應用開(kāi)辟了途經(jīng)。2. 60年代初，美國的冷凍食品工業(yè)面臨一個(gè)新的轉折點(diǎn)，當時(shí)的冷凍食品向三個(gè)方向發(fā)展：（1）冷凍食品向“單體快速凍結”（IQF）方向發(fā)展；（2）要求通過(guò)連續速凍裝置提高冷凍食品的生產(chǎn)量；（3）要求冷凍食品向高質(zhì)量的速凍保鮮食品發(fā)展。由于這些要求促使凍結方法必須在技術(shù)上進(jìn)行更新，因此液氮速凍技術(shù)應運而生，并迅速得到廣泛應用。液氮速凍有著(zhù)下列優(yōu)點(diǎn)：1.液氮可與形狀不規則的食品的所有部分密切接觸，使傳熱阻力降低到小限度。2.液氮無(wú)毒，且對食品成分呈惰性，再者，由于替代了從食品中出來(lái)的空氣，所以可在凍結和帶包裝貯藏過(guò)程使氧化變化降低到小限度。3.凍結食品的品質(zhì)高。由于液氮和食品直接接觸，以200K以上的溫差進(jìn)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(zhì)量高。4.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。5.占地面積小，初投資低，裝置效率高。隨著(zhù)液氮速凍技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，它被迅速、廣泛應用于魚(yú)、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(yú)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(guò)100kt。西歐液氮產(chǎn)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(yè)采用液氮速凍，僅一家速凍牛排廠(chǎng)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(chǎn)線(xiàn)，80年代先后從日本、瑞典、法國、美國和丹麥等國引進(jìn)了各種速凍裝置（包括液氮速凍），并對銀魚(yú)、湖蟹、對蝦等鮮活水產(chǎn)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(jià)格高的影響，1991年我國自己制造的250臺各類(lèi)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。液氮是無(wú)色、無(wú)味、低粘度的透明液體，化學(xué)性質(zhì)穩定。液氮在常壓下的沸點(diǎn)是-195.8℃，當它與被凍食品相接觸時(shí)，能吸收的蒸發(fā)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，早始于美國。美國在50年代就開(kāi)始了這方面的研究，至1960年即正式用于速凍食品。1964年開(kāi)始在生產(chǎn)上迅速推廣。 ?近幾年，隨著(zhù)改革開(kāi)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(yè)，帶來(lái)了先進(jìn)的空分設備、技術(shù)和管理，使我國低溫液體的產(chǎn)量大幅度提高，供應的地區和范圍不斷擴大，價(jià)格大幅度降低（液氮的售價(jià)從2元/kg左右，降低到1元/kg以下），大大促進(jìn)了液氮的應用。利用液氮來(lái)快速冷凍食品的優(yōu)越性很多，不一而足，但它目前應用中也存在下列問(wèn)題，急待解決：1.因為凍結速度極快，食品表面與中心之間會(huì )產(chǎn)生較大的瞬時(shí)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(zhì)帶來(lái)不利影響。2.液氮蒸發(fā)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(jīng)濟性的根本，但目前利用率不高。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(fēng)循環(huán)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(shí)產(chǎn)生能力變化的幅度也很顯著(zhù)，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(gè)冷凍區：預冷區、凍結區和均溫區。液氮經(jīng)噴嘴成霧狀與食品進(jìn)行熱交換，液氮吸熱蒸發(fā)成氮氣，氮氣又被用來(lái)預冷新進(jìn)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(huán)式冷凍，由液氮冷卻循環(huán)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。流態(tài)化食品速凍理論和裝置流態(tài)化現象早就被人們所認識，它初用于化學(xué)工程，隨后陸續在能源、冶金和食品工程等領(lǐng)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1臺試驗性的流態(tài)化凍結裝置。此后,美國、法國、保加利亞、前蘇聯(lián)、日本等國家對流態(tài)化的應用和理論研究都十分重視，特別是近二十年來(lái)冷凍食品的發(fā)展，促進(jìn)了流態(tài)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(chǎng)，特別是蔬菜加工廠(chǎng)中被廣泛使用。流態(tài)化食品速凍的基本原理流態(tài)化快速凍結，就是使置于篩網(wǎng)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(lèi)似沸騰狀態(tài)，像流體一樣運動(dòng)，并在運動(dòng)中被快速凍結的過(guò)程。當冷氣流自下而上穿過(guò)食品層而流速較低時(shí)，食品顆粒處于靜止狀態(tài)，稱(chēng)為固定床A。隨著(zhù)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(kāi)始松動(dòng)B。當氣流速度達到一定數值時(shí)，食品顆粒不再保持靜止狀態(tài)，部分顆粒懸浮向上，造成床層膨脹，空隙率增大，即開(kāi)始進(jìn)入流化狀態(tài)。這種狀態(tài)是區別固定床和流化床的分界點(diǎn)，稱(chēng)為臨界狀態(tài)。對應的大壓力降值叫做臨界壓力，對應的風(fēng)速叫做臨界風(fēng)速。臨界壓力和臨界速度是形成流態(tài)化的必要條件C。當氣流速度繼續增加時(shí)，床層將繼續膨脹，床層空隙率也隨之增加。但床層中的實(shí)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(wú)關(guān)而始終保持定值D。此時(shí)強烈的冷氣流與食品顆粒相互作用，使食品顆粒呈時(shí)上時(shí)下、無(wú)規則地運動(dòng)，因此食品層內的傳質(zhì)與傳熱十分迅速，從而實(shí)現食品單體快速凍結。若氣流速度進(jìn)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(chǎn)和實(shí)驗均在輸送床前面階段進(jìn)行，曲線(xiàn)AD為標準流態(tài)化曲線(xiàn)。食品流態(tài)化速凍的主要特點(diǎn)是:凍結速度快。流態(tài)化凍結過(guò)程具有很強的換熱特性。與傳統的空氣強制循環(huán)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(shí)的熱阻減少15～18倍，產(chǎn)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。所以流態(tài)化凍結裝置的凍結速度要比普通凍結設備的速度高幾十倍。由于凍結速度快，所以流態(tài)化凍結能大限度地保持食品原有的營(yíng)養成份和新鮮狀態(tài)。實(shí)現單體快速凍結。由于食品在凍結過(guò)程中呈懸浮狀態(tài)，食品凍結后不會(huì )粘連在一起，實(shí)現了IQF凍結，不僅質(zhì)量好，而且便于包裝和消費者食用。食品干耗少。每個(gè)速凍食品的表面都有一層很薄的冰膜，既有利于保持食品鮮度防止氧化，而且干耗較少。瑞典學(xué)者對蘑菇、草莓等進(jìn)行的對比試驗表明，流態(tài)化凍結的干耗幾乎只是強制送風(fēng)隧道凍結的一半左右。這對價(jià)格較高的食品顯得尤為重要。易于實(shí)現機械化和自動(dòng)化連續生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，工人在常溫條件下進(jìn)行操作，改善了勞動(dòng)條件。當然食品流態(tài)化凍結也有局限性，它僅適用于顆粒狀食品，一般其特性尺寸在50mm以?xún)龋蟛坏贸^(guò)100mm。目前國外用流態(tài)化凍結的食品種類(lèi)主要有：肉食類(lèi)：肉丁、炸肉丸子、魚(yú)片、魚(yú)條、小蝦、蝦仁等菜類(lèi)：青豌豆、豆角、玉米、青刀豆、油炸或水煮馬鈴薯、胡蘿卜丁或片、整顆或切片蘑菇、花菜、辣椒、西紅柿、包菜以及切成塊、片、條狀的各種蔬菜。水果類(lèi)：蘋(píng)果片、菠蘿片、草莓、黑苺、櫻桃、馬林果、李子、杏、討、紫漿果、葡萄、荔枝、桂圓等。