氣/液態氮在食品加工技術中的應用機制和研究進展

◎ 王李壹一

（商洛學院，陜西 商洛 726000）

氮氣具有無公害、無味、無色等特點，該氣體的密度可達到1.25 kg·m-3，沸點可達到-196 ℃，熔點可達到-209.86 ℃，定壓比熱能夠達到1.03 kJ·(kg·K)-1，蒸發潛熱可達到161.2 MJ·m-3。該氣體可與乙醇以及水相溶，但在常溫條件下很難同其他物質之間產生化學反應，且該氣體的化學性質表現得不活躍，在單位大氣壓條件下，該氣體若實現冷凍以及冷卻，則需要在整個過程中吸收總能量共計達到382 kJ·kg-1。氮氣能夠利用變壓吸附、膜系統以及膜分離裝置等方式獲取，因此氮氣的制備比較簡單。隨著我國食品行業的發展，氮氣已經廣泛應用于食品加工行業，食品級氮氣純度必須高于99.9%，屬于一種食品加工助劑，氮氣在食品加工中的應用方向為殺菌、防腐包裝、濃縮、改性以及冷凍等方面。因此，氮氣在食品加工行業中的應用比較廣泛。本文研究的氣/液態氮在食品加工技術中的應用，主要是對氣應用機制進行研究，因而需要從氮氣在食品加工中的各類應用方向出發，對其技術應用機制進行研究。

1 液氮速凍技術的應用機制與研究進展

1.1 應用機制分析

液氮速凍技術，即對液氮進行利用，事先將液氮存儲于密封的儲備容器中，在使用時將其噴出，通過與外部常溫常壓接觸，使超低溫的液態氮向氣態氮轉變，在轉變過程中能夠將大量的顯熱和潛熱帶走，從而對食品進行快速冷凍。因此，該技術在應用時的冷凍速率非常快，可在冷凍過程中形成均勻、細小的冰晶，從而使冷凍食品的品質得到保障。現階段，工業所用的冷凍技術主要包括風冷、浸漬冷凍、平面接觸冷凍、噴射冷凍以及液氮速凍，因液氮速凍的溫度為超低溫，一般可達到-196 ℃，因此液氮速凍的冷凍速度要快于其他冷凍方式。如何使液氮通過相變產生冷能，具體研究內容包含設備設施的改造、食品處理工藝改進等。

1.2 研究進展

當前液氮速凍技術應用時采取的模式主要為噴霧模式。目前，很多研究人員從液氮速凍技術使用的設備進行改進。例如，當前已經有研究人員設計了一種螺旋壓力噴頭，該噴頭設計時有效地運用了流體力學，對孔口的直徑進行了確定，并計算了壓差，這些設計因素均會對液氮噴淋過程中產生的傳熱傳質造成影響，也就是說可對冷凍食品產生更加理想的冷凍效果；還有研究人員對冷凍設備以及液氮冷卻進行了改進，主要是從安全、視覺、PID 算法以及控制系統等方面進行改進設計，使液氮制冷更加節能環保，且更加便攜、高效[1]。液氮以蒸發的方式進行應用可提升效率和安全性，這也是當前諸多研究人員關注的熱點。

超低溫液氮具有廣泛的調控范圍，對于各種特性的食品，其凍結模式以及溫度均存在差異。例如，梭子蟹在冷凍時若使用液氮噴淋進行冷凍，會比冰柜凍結以及平板凍結更加有效，無論是冷凍速度還是冷凍后食品的品質，均要優于其他兩種冷凍方式，可使梭子蟹內含的肌原纖維得以最大限度的保留，使之與鮮品之間的差異減小，主要是因肌纖維之間的間隙變小，則細胞的完整程度便會越高，從而降低冰晶對食品的破壞率。速凍水餃通過液氮速凍能夠降低速凍水餃的凍裂率，但果蔬食品在冷凍時若采用液氮速凍技術則容易凍裂。此外，液氮速凍技術還經常用于食品脫水、發酵、干燥等處理，能夠對食品內部的水分、質構等特性進行改變，說明該技術對食品品質的提升可發揮重要作用。

2 氣調包裝技術的應用機制與研究進展

2.1 應用機制分析

由于氮氣的性質比較穩定，通常會取代部分氧氣，使呼吸、氧化得以減緩，并對微生物進行控制。氮氣與油脂和水不相溶，且吸附能力也不強，因此基本上不會出現因氣體吸收而產生包裝萎縮及殘留。將氮氣與其他氣體混合融入食品包裝內部，食品面臨的空氣環境發生變化，從化學反應、生物反應、水分損失以及微生物生長等方面進行調控，從而對食品腐敗進行有效的抑制，這便是所謂的氣調包裝。當前氮氣已經應用于氣調包裝技術中，在食品包裝方面廣泛應用，包括一些水分含量較高或較低的食品。

2.2 研究進展

新鮮食品容易發生氧化和腐敗，且水分的活度非常高，微生物也比較活躍，一般會以包裝聯合光動力和涂抹等手段將食品貯藏期延長。各種類別的生鮮食品在氣調包裝的原理方面存在差異，果蔬類食品通常在后生理活動方面比較活躍。對于魚肉類食品而言，其微生物的種類非常多，且繁殖速度非常快，需要對微生物生長加強控制。研究表明，采用75%的氮氣、5%的氧氣以及20%的二氧化碳的氣調包裝聯合丁香酚能夠有效控制微生物生長，延長食品的貯藏期。對于半干型食品而言，其水分活度不高，通常采取單獨氣調包裝與冷鏈低溫的方式對氣進行存儲[2]。綜合來講，各種氣體組分形成的氣調包裝聯合非熱殺菌以及生物制劑等手段，可有效地實現食品的儲存，但還需要對包裝設備和材料進行及時升級，從而使食品的存儲和保鮮效果得到提升。

3 氣體水合物濃縮技術的應用機制與研究進展

3.1 應用機制分析

氣體水合物濃縮主要是在高壓低溫環境下，將小分子氣體同水分子結合，從而形成晶體物質。該晶體物質呈籠狀結構，且大小不同，是水分子產生氫鍵后相互結合而成，當氣體分析在籠內發揮填充作用時，將籠狀結構中的穩定物質去除之后，從而能夠獲得濃縮液，這種濃縮液在食品加工中可應用于純水去污、果汁濃縮等方面。氮氣是氣體水合物濃縮技術應用的一種有效氣體，當溫度環境處于0 ℃，且氣壓能夠達到16.3 MPa 的情況下，能夠產生氮氣水合物。但在同樣溫度條件下，二氧化碳水合物以及乙烯水合物產生的壓力分別為1.22 MPa 和0.55 MPa，這兩種水合物的壓力比較高。因此，這兩種水合物在實際研究中應用比較廣泛，能夠當作一種混合氣體，主要應用于晶體生長。例如，在微粉硅膠之中，將摩爾分數為20%的二氧化碳與80%的氮氣進行混合，形成的混合氣體水合物便會形成一定的特性，混合后得知當溫度環境處于-20 ～-5 ℃，壓力環境在6.0 ～8.0 MPa 條件下發生反應，會產出水合物，且水合物產出時間低于1 min，水分摩爾轉化率為77.2%。以濃縮果汁為例，氣體水合物濃縮技術的原理如圖1 所示。

圖1 氣體水合物濃縮技術原理圖

氣體水合物濃縮技術可實現零上低溫，與冷凍濃縮技術相比更加節能，且濃縮效果也比較近似，是濃縮技術應用的一個重要方向。

3.2 研究進展

氣體水合物濃縮技術在食品加工領域中屬于新興技術，通過使用二氧化碳水合物晶體對一些冰晶進行取代，該技術可應用于甜點加工。經應用后發現，二氧化碳水合物晶體進入口腔后會出現溶解，且產生一些氣泡，對人的口腔會產生一定程度的刺激感。當前有關氮氣水合物晶體應用于食品方面的研究非常少，主要是因該技術在食品加工領域屬于一種新興技術。但氮氣屬于一種小分子氣體，具有一定的安全性和惰性，液態氮同時還具備降溫作用，當液態氮出現氣化后，會釋放出一定量的冷能，從而形成水合物，氮氣能夠加入水合物形成。因此，液態氮在食品加工領域的應用前景廣闊。

4 低溫等離子體殺菌/改性技術的應用機制與研究進展

4.1 應用機制分析

低溫等離子體的形成與高溫、高壓環境有關，是氣體處于高溫高壓環境下產生的一種有異于三態的多種粒子結合體，屬于第四態粒子，其具有殺菌快、活性強、品質保護作用強、無副產物以及溫度低等突出特點。活性能量比較高的粒子能夠對淀粉、微生物細胞膜以及蛋白質產生作用，發揮改性和滅活等作用。在低溫等離子體之中，氮氣屬于重要的一種低溫體源，氮氣在高壓環境下容易形成氮離子，氮離子同其他粒子之間會產生協同作用，對微生物發揮作用，包括細胞膜穿孔、細胞蝕刻、大分子氧化以及靜電干擾等[3]。

4.2 研究進展

低溫等離子體殺菌/改性技術在食品加工領域中同樣屬于一種新興技術，但與氣體水合物濃縮技術相比，目前對該技術的研究已經取得了一定的進展。有研究人員采用了高電壓對30%的氮氣、35%的二氧化碳以及35%的氧氣形成的混合氣體進行處理，電壓為72 kV，持續時間為86 s。處理結果顯示，低溫等離子體得以在處理過程中形成，其能夠對牛肉表層上的細菌進行清殺，且殺菌率能夠達到93.8%[4]；也有研究人員采用了紫外線、超聲波、等離子體以及熱處理等方式對番茄汁產生的影響進行研究，研究結果表明，通過等離子體對番茄汁進行10 min 的處理，其產生的滅菌效果與熱處理的效果大體相似，沒食子酸、綠原酸等生物活性物質依然存在較高的保留率[5]。該低溫等離子體是在電壓以及氣體的雙重作用下形成的，在肉類食品和果蔬品等固體類食品表面、食品包裝的內部空間以及液體類食品的內部均可適用，可實現食品保質期延長，使食品的新鮮程度得到保持。

5 結語

綜上所述，當前用于食品加工的保鮮技術、防腐技術以及包裝技術比較多，在本次研究中，主要介紹了液氮速凍技術、氣調包裝技術、氣體水合物濃縮技術以及低溫等離子體殺菌/改性技術。其中，前兩種屬于當前食品加工中常見的技術類型，雖然得以廣泛應用，但仍需進一步改進；后兩種技術屬于食品加工新興技術，具有良好的應用前景，但由于投入應用時間較短，該兩項技術的相關功能還需進一步探究。