氣/液態氮在食品加工技術中的應用機制和研究進展

程麗娜，余元善，吳煒俊, 3，鄒穎，鄒波，李俊，徐玉娟*，肖更生,2*

1(廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所/農業部功能食品重點實驗室/ 廣東省農產品加工重點實驗室，廣東 廣州，510610) 2(仲愷農業工程學院，廣東 廣州，510225) 3(華南農業大學 食品學院，廣東 廣州，510640)

氮氣(N2)是一種無色無味、安全無公害的氣體，密度為1.25 kg/m3，熔點為-209.86 ℃，沸點為-196 ℃，蒸發潛熱為161.2 MJ/m3，定壓比熱為1.03 kJ/(kg·K)，稍溶于水和乙醇，化學性質不活躍，常溫下很難與其他物質發生反應，在1個大氣壓下的冷卻和冷凍整個過程中吸收的總能量為382 kJ/kg。N2可通過膜分離器和膜系統、變壓吸附制取氮、低溫分餾空氣等方式獲得，制備簡單。食品級N2純度≥ 99.9%，作為加工助劑，已廣泛應用于食品加工中，主要包括：防腐包裝[1-3]、殺菌和改性[4-7]、濃縮[8-10]、冷凍[11-13]等。

1 食品包裝

N2性質穩定，常用作替代(部分)氧氣(O2)，從而減緩氧化、呼吸以及微生物作用；N2不溶于水和油脂，吸附作用微弱，故基本不存在由于氣體吸收發生包裝袋萎縮和殘留問題。在食品包裝盒內充入一定比例N2或/和其他氣體(CO2、O2、CO等)，改變食品周圍空氣環境，調控生物化學反應、微生物生長、水分損失，抑制食品腐敗的方式稱為氣調包裝。目前N2參與的氣調包裝技術已廣泛用于食品包裝，包括高水分含量的新鮮食品與中、低水分含量的加工制品[1, 14]。

新鮮食品水分活度高、微生物作用活躍、酶促褐變強烈、易氧化腐敗，通常采用包裝聯合涂抹、光動力等物理、生物手段以有效延長貯藏期。不同類生鮮食品的氣調包裝原理不同，其中果蔬類食品采后生理活動活躍，則主要通過控制呼吸作用[15]；紅肉類O2既是色澤的保證，又會誘導氧化反應，則需要N2等其他氣體的調控以達到最佳平衡[16]；魚肉類食品微生物種類繁多、繁殖速率快，則需要重點控制微生物的生長[17]。廖李等[18]研究發現，75% N2、20% CO2、5% O2的組合氣調包裝結合丁香酚緩釋處理能夠有效抑制貯藏期間草莓氧化、微生物繁殖等品質劣變，延長貨架期15 d。KUULIALA等[17]在有關鱈魚的氣調包裝(35% N2，5% O2，60% CO2)的研究中發現，氣調處理顯著影響了冷藏期(4 ℃/8 ℃)鱈魚的微生物數量、揮發性有機成分等，獲得較好的貯藏品質。HUANG等[19]采用高電壓介質阻擋放電(85 kV, 60 s)與60%氣調包裝(60% O2，20% N2，20% CO2)協同的模式，發現在貯藏期第12天的TBAR和羰基值都顯著高于單獨的氣調包裝。

半干型食品水分活度相對低，較生鮮食品包裝條件溫和，一般采用單獨氣調包裝結合低溫冷鏈的方法貯藏。半干型蘆筍在70% N2+ 30% CO2包裝處理下可有效延長貯藏期30 d[20]；半干型蕎麥面條在30% N2+ 70% CO2包裝環境下室溫能存放9 d[21]；半干型洋薊在70% N2+ 30% CO2的氣體環境和4 ℃存放溫度下，可貯藏超過30 d，且在植物化學成分和抗氧化能力保留方面較真空包裝處理組顯著性提高[22]。然而，不同食品物料的特性不同，不僅對氣調工藝有針對性要求，更是對包裝材料要求甚嚴，包括透氣性、阻隔性、透濕性等[23]，同時氣調包裝設備也需與時俱進地進行改進、完善。綜合而言，不同氣體組分的氣調包裝聯合生物試劑、非熱殺菌等其他手段的處理模式是強化單獨氣調包裝效果的有效方法，以及包裝材料和設備的協同升級，是研究者們需要關注的重點。

2 低溫等離子體殺菌/改性

低溫等離子體是氣體在高電壓或者高溫狀態下產生的異于固、液、氣三態的原子、離子、電子等粒子集合體，這種第四態粒子具有活性能量高、殺菌速度快、溫度低、無副產物、保護品質等優點[5]。高能活性粒子可以作用于微生物的細胞膜成分、淀粉和蛋白質等有機大分子，起到一定的滅活、改性等作用。N2是低溫等離子體主要氣體源之一，高電壓下產生N2+，與其他粒子一起作用于微生物，包括對微生物細胞產生蝕刻、細胞膜穿孔與靜電干擾、胞內大分子氧化等現象(圖1)。

圖1 低溫等離子殺菌示意圖[24]

黃明明等[25]采用72 kV高電壓(86 s)處理30% N2，35% O2，35% CO2的混合氣體，結果表明，產生的低溫等離子體對牛肉表面的殺菌率高達93.75%。MEHTA等[26]比較了熱處理、超聲處理、紫外處理、等離子體(空氣)處理對番茄汁的影響，結果顯示，等離子體處理10 min與熱處理在微生物殺滅上的效果等同，但是對綠原酸、沒食子酸、Vc等生物活性的保留率最高。這種由氣體和電壓作用產生的低溫等離子體廣泛應用于果蔬、肉類等固體食品表面[5]、液體食品內部[27]以及食品包裝空間內的殺菌去污[28]。低溫等離子體通過作用于微生物致死、酶失活、包裝材料的改性等方面，有效延長新鮮食品的貨架期[29]。此外，低溫等離子體作用產生的活性自由基，易被水吸收產生活性氮、活性氧等物質，極大提高了水的氧化還原電位，這種等離子活性水對食源性病原菌和生物膜菌具有較好的清除作用[30]。

低溫等離子體具有修飾生物化學成分和表面性能的潛能。食品中淀粉、蛋白質等有機大分子的有效改性可以促進高效利用。BANURA等[31]研究發現,經低壓射頻低溫等離子體(空氣)處理后的玉米淀粉和木薯淀粉的直鏈淀粉發生改性，誘使水結合能力增強。BAHRAMI等[32]采用低溫等離子體(空氣，15、20 V)處理小麥粉，發現游離脂肪酸和磷脂含量下降，加速了面粉氧化；而且蛋白質譜向較高的分子質量轉變，面粉結實度增加。YONG等[33]研究表明，肌紅蛋白溶液在常壓低溫等離子處理20 min后，紅度值下降，綠色加深，誘導亞硝化的高鐵肌紅蛋白產生。低溫等離子體通過作用于酶蛋白質的高級結構，使酶出現激活或鈍化表現，從而改變食品的儲藏、功能等特性[34]。低溫等離子體殺菌、改性效果極顯著，是一種具備極大工業應用價值的新技術，可應用于固、液體食品。針對不同食品的不同氣體成分組合的低溫等離子體處理條件、處理設備、處理效率將是未來的研究重點，以促進其在食品工業中的應用。

3 氣體水合物濃縮

氣體水合物濃縮是一種利用是由小分子氣體與水分子在低溫和高壓條件下形成的一種籠型晶體物質，水分子通過形成氫鍵相互結合成大小不同的籠狀結構，而氣體分子填充到籠內，除去穩定的籠形物質后，獲得濃縮液的方法，可應用于果汁濃縮、純水去污等食品加工中[9]。N2是應用氣體其中之一，在0 ℃時，16.3 MPa下，可形成N2水合物；但是較同等溫度下，CO2水合物、C2H4水合物的形成壓力1.22、0.55 MPa相對較高[35]，故研究應用未及后二者廣泛，可作為混合氣體之一，作用于混合水合物晶體的生長；例如劉軍等[36]考察了微粉硅膠中摩爾分數為80%的N2與20% CO2混合氣體水合物形成特性，發現二者在(6.0～8.0 MPa,-20～-5 ℃)反應釜內誘變生成水合物的時間<1 min，且水分的摩爾轉化率可達77.2%。水合物法濃縮原理示意圖如圖2所示。值得注意的是，此項濃縮技術只需零上低溫，比冷凍濃縮節能，但卻具有相似的濃縮效果，是濃縮行業未來之星[37]。例如以CO2為客體分子，4.1 MPa、2.75 ℃時，橙汁濃縮脫水率可達57.2%[8]，獲得濃縮汁品質相當。

圖2 氣體水合物濃縮示意圖

目前水合物濃縮技術在食品領域研究需要大力加強，主要存在濃縮液夾帶、分離效率較低或分離壓力高等問題而未能實現工業化應用；化工行業常采用此技術進行海水淡化、混合氣體分離等，在歐美等發達國家已工業化應用，我國目前仍處在研究確認階段，需要進一步推進。水合物晶體還可應用于甜點的生產中，PETERS等[38]采用CO2水合物晶體代替部分冰晶應用于冷凍甜點的制作中發現，CO2水合物晶體在口腔里的熔解過程，會帶來更多的氣泡和感官刺激感。雖然目前關于N2水合物晶體在食品領域的應用研究文獻未見報道，這主要是由于此項技術在食品領域研究尚新，文獻報道較少，但是該晶體可生成[39]。N2作為惰性安全的小分子氣體，且液態具有降溫作用，液態氣化過程中釋放的冷能用于降溫，以達成水合物形成條件，氣化的N2參與水合物的形成；同時可作為混合氣體水合物晶體形成的主要備選氣體之一，在水合物技術中的應用前景值得期待。

總體而言，水合物晶體形成技術的未來應用可觀[37]，根據其零上低溫高效濃縮的獨特優勢，不僅可用于果汁濃縮中，還可對功能性成分提取液、營養制劑、藥用制劑等進行高效保質濃縮。目前關于此技術的研究主要在模型建立及機理探索方面[40-42]，研究者們可加大對此項技術的研究，促進氣體水合物晶體技術在食品領域的應用。

4 液氮速凍

液氮速凍是利用液氮從儲備容器噴出到常溫常壓下時，超低溫液態氮迅速轉變成氣態氮，此相變過程可帶走大量的潛熱與顯熱，從而快速冷凍食品，極快的冷凍速率使得形成的冰晶細小、均勻，保證了凍品品質。目前工業上采用的冷凍技術有：風冷、平板接觸式冷凍、浸漬冷凍、液氮速凍、噴射混合式冷凍等；其中液氮速凍由于其超低溫(-196 ℃)的優勢，是較其他冷凍方式更快的一種手段[43]。如何充分利用液氮相變冷能，包括設備的升級改造和不同特性食品處理工藝，是研究者們一直聚焦的工作。

目前液氮速凍設備的主要作用模式為噴霧式。LIU等[44]設計了壓力螺旋噴頭，通過流體力學雷諾系數模擬計算和實驗驗證，確認孔口直徑、壓差、相變等主要作用因素顯著影響液氮噴淋時的傳熱傳質，即影響凍品的冷凍效果。MEI等[43]進行了液氮冷卻和冷凍裝備的改善，包括視覺、結構、安全、控制系統以及PID算法設計等，確認液氮制冷具有高效、節能、環保、體積輕便等優勢。液氮蒸發的安全性、高效性等相關方面也一直在研究者們的視野中[45-46]。

超低溫液氮可調控范圍廣，不同特性食品的適宜凍結溫度、凍結模式皆不同。KIM等[47]研究表明,-70 ℃液氮環溫處理的雞胸肉，較鼓風冷凍脂肪氧化程度低、持水力高，無后者解凍后在冰箱冷藏過程中持續失水的現象。魯珺等[48]在三疣梭子蟹的冷凍研究中發現，液氮噴淋(-40 ℃，20 min)處理較平板凍結(-20 ℃，6 h)以及冰柜凍結(-18 ℃，20 h)的肌原纖維與新鮮樣品最為接近，肌纖維間隙較小，細胞最完整，冰晶的破壞率最低。黃忠民等[49]指出餃子在液氮中的浸漬時間顯著影響餃子的凍裂率，制作好的餃子立即速凍后的凍裂率達37%。液氮速凍的龜裂問題易出現在果蔬冷凍中，但相關研究報道較少，研究者們通過工藝及設備參數等改進以避免解決此問題。

此外，液氮速凍常作為食品干燥、脫水、提取、制汁、發酵等前處理手段，具有改變質構、細胞、水分、熱力學等特性的作用。ZIELINSKA等[50]驗證液氮深冷前處理顯著加速蔓越莓干燥第一階段脫水，縮短干燥時間約43%左右；NADULSKI等[51]發現凍融前處理能夠將制汁(大黃)效率提高30%，且所得果汁固形物含量高、流體力學特性好。

液氮速凍具有對象限制性小、營養價值及品質保護效果好、傳熱傳質速率快、環境友好型等優勢，未來應用前景可觀；但仍存在耗能成本相對較高、引起果蔬龜裂、解凍后只夠軟塌、冷凍工藝因物料而特異等不足之處，因此當前的研究重點為：設備升級改造(節能提效)、工藝流程完善改進、與其他加工方式的強強聯合。不僅豐富傳熱傳質理論，而且促進食品產業的增值轉型。

5 結論與展望

氣態氮與液態氮可應用于食品的防腐、殺菌、改性、冷凍等各方面。新興研發的技術主要為低溫等離子體殺菌/改性和氣體水合物濃縮，二者屬于非熱加工技術，前景相當可觀；目前急需進一步擴大研究對象范圍及相應機理，同時研發相應的穩定設備。已工業化應用的氣調包裝和液氮速凍技術，仍需進一步升級。氣調包裝技術需與其他手段聯合使用，才能最大程度發揮其價值；包裝材料的特性需完善，以及設備需多元化設計。液氮速凍中龜裂、能耗(液氮消耗、相變轉化方式、設備設計等)是當前面臨的主要問題，需進行更多研究，以進一步推動產業化應用。