氣/液態(tài)氮在食品加工技術(shù)中的應(yīng)用機(jī)制和研究進(jìn)展

◎ 王李壹一

（商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000）

氮?dú)饩哂袩o(wú)公害、無(wú)味、無(wú)色等特點(diǎn)，該氣體的密度可達(dá)到1.25 kg·m-3，沸點(diǎn)可達(dá)到-196 ℃，熔點(diǎn)可達(dá)到-209.86 ℃，定壓比熱能夠達(dá)到1.03 kJ·(kg·K)-1，蒸發(fā)潛熱可達(dá)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(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，且該氣體的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)得不活躍，在單位大氣壓條件下，該氣體若實(shí)現(xiàn)冷凍以及冷卻，則需要在整個(gè)過(guò)程中吸收總能量共計(jì)達(dá)到382 kJ·kg-1。氮?dú)饽軌蚶米儔何健⒛は到y(tǒng)以及膜分離裝置等方式獲取，因此氮?dú)獾闹苽浔容^簡(jiǎn)單。隨著我國(guó)食品行業(yè)的發(fā)展，氮?dú)庖呀?jīng)廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)，食品級(jí)氮?dú)饧兌缺仨毟哂?9.9%，屬于一種食品加工助劑，氮?dú)庠谑称芳庸ぶ械膽?yīng)用方向?yàn)闅⒕⒎栏b、濃縮、改性以及冷凍等方面。因此，氮?dú)庠谑称芳庸ば袠I(yè)中的應(yīng)用比較廣泛。本文研究的氣/液態(tài)氮在食品加工技術(shù)中的應(yīng)用，主要是對(duì)氣應(yīng)用機(jī)制進(jìn)行研究，因而需要從氮?dú)庠谑称芳庸ぶ械母黝悜?yīng)用方向出發(fā)，對(duì)其技術(shù)應(yīng)用機(jī)制進(jìn)行研究。

1 液氮速凍技術(shù)的應(yīng)用機(jī)制與研究進(jìn)展

1.1 應(yīng)用機(jī)制分析

液氮速凍技術(shù)，即對(duì)液氮進(jìn)行利用，事先將液氮存儲(chǔ)于密封的儲(chǔ)備容器中，在使用時(shí)將其噴出，通過(guò)與外部常溫常壓接觸，使超低溫的液態(tài)氮向氣態(tài)氮轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中能夠?qū)⒋罅康娘@熱和潛熱帶走，從而對(duì)食品進(jìn)行快速冷凍。因此，該技術(shù)在應(yīng)用時(shí)的冷凍速率非常快，可在冷凍過(guò)程中形成均勻、細(xì)小的冰晶，從而使冷凍食品的品質(zhì)得到保障。現(xiàn)階段，工業(yè)所用的冷凍技術(shù)主要包括風(fēng)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(dá)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(guò)相變產(chǎn)生冷能，具體研究?jī)?nèi)容包含設(shè)備設(shè)施的改造、食品處理工藝改進(jìn)等。

1.2 研究進(jìn)展

當(dāng)前液氮速凍技術(shù)應(yīng)用時(shí)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(shù)使用的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。例如，當(dāng)前已經(jīng)有研究人員設(shè)計(jì)了一種螺旋壓力噴頭，該噴頭設(shè)計(jì)時(shí)有效地運(yùn)用了流體力學(xué)，對(duì)孔口的直徑進(jìn)行了確定，并計(jì)算了壓差，這些設(shè)計(jì)因素均會(huì)對(duì)液氮噴淋過(guò)程中產(chǎn)生的傳熱傳質(zhì)造成影響，也就是說(shuō)可對(duì)冷凍食品產(chǎn)生更加理想的冷凍效果；還有研究人員對(duì)冷凍設(shè)備以及液氮冷卻進(jìn)行了改進(jìn)，主要是從安全、視覺(jué)、PID 算法以及控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使液氮制冷更加節(jié)能環(huán)保，且更加便攜、高效[1]。液氮以蒸發(fā)的方式進(jìn)行應(yīng)用可提升效率和安全性，這也是當(dāng)前諸多研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

超低溫液氮具有廣泛的調(diào)控范圍，對(duì)于各種特性的食品，其凍結(jié)模式以及溫度均存在差異。例如，梭子蟹在冷凍時(shí)若使用液氮噴淋進(jìn)行冷凍，會(huì)比冰柜凍結(jié)以及平板凍結(jié)更加有效，無(wú)論是冷凍速度還是冷凍后食品的品質(zhì)，均要優(yōu)于其他兩種冷凍方式，可使梭子蟹內(nèi)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(xì)胞的完整程度便會(huì)越高，從而降低冰晶對(duì)食品的破壞率。速凍水餃通過(guò)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(shí)若采用液氮速凍技術(shù)則容易凍裂。此外，液氮速凍技術(shù)還經(jīng)常用于食品脫水、發(fā)酵、干燥等處理，能夠?qū)κ称穬?nèi)部的水分、質(zhì)構(gòu)等特性進(jìn)行改變，說(shuō)明該技術(shù)對(duì)食品品質(zhì)的提升可發(fā)揮重要作用。

2 氣調(diào)包裝技術(shù)的應(yīng)用機(jī)制與研究進(jìn)展

2.1 應(yīng)用機(jī)制分析

由于氮?dú)獾男再|(zhì)比較穩(wěn)定，通常會(huì)取代部分氧氣，使呼吸、氧化得以減緩，并對(duì)微生物進(jìn)行控制。氮?dú)馀c油脂和水不相溶，且吸附能力也不強(qiáng)，因此基本上不會(huì)出現(xiàn)因氣體吸收而產(chǎn)生包裝萎縮及殘留。將氮?dú)馀c其他氣體混合融入食品包裝內(nèi)部，食品面臨的空氣環(huán)境發(fā)生變化，從化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)、水分損失以及微生物生長(zhǎng)等方面進(jìn)行調(diào)控，從而對(duì)食品腐敗進(jìn)行有效的抑制，這便是所謂的氣調(diào)包裝。當(dāng)前氮?dú)庖呀?jīng)應(yīng)用于氣調(diào)包裝技術(shù)中，在食品包裝方面廣泛應(yīng)用，包括一些水分含量較高或較低的食品。

2.2 研究進(jìn)展

新鮮食品容易發(fā)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(huì)以包裝聯(lián)合光動(dòng)力和涂抹等手段將食品貯藏期延長(zhǎng)。各種類別的生鮮食品在氣調(diào)包裝的原理方面存在差異，果蔬類食品通常在后生理活動(dòng)方面比較活躍。對(duì)于魚(yú)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(duì)微生物生長(zhǎng)加強(qiáng)控制。研究表明，采用75%的氮?dú)狻?%的氧氣以及20%的二氧化碳的氣調(diào)包裝聯(lián)合丁香酚能夠有效控制微生物生長(zhǎng)，延長(zhǎng)食品的貯藏期。對(duì)于半干型食品而言，其水分活度不高，通常采取單獨(dú)氣調(diào)包裝與冷鏈低溫的方式對(duì)氣進(jìn)行存儲(chǔ)[2]。綜合來(lái)講，各種氣體組分形成的氣調(diào)包裝聯(lián)合非熱殺菌以及生物制劑等手段，可有效地實(shí)現(xiàn)食品的儲(chǔ)存，但還需要對(duì)包裝設(shè)備和材料進(jìn)行及時(shí)升級(jí)，從而使食品的存儲(chǔ)和保鮮效果得到提升。

3 氣體水合物濃縮技術(shù)的應(yīng)用機(jī)制與研究進(jìn)展

3.1 應(yīng)用機(jī)制分析

氣體水合物濃縮主要是在高壓低溫環(huán)境下，將小分子氣體同水分子結(jié)合，從而形成晶體物質(zhì)。該晶體物質(zhì)呈籠狀結(jié)構(gòu)，且大小不同，是水分子產(chǎn)生氫鍵后相互結(jié)合而成，當(dāng)氣體分析在籠內(nèi)發(fā)揮填充作用時(shí)，將籠狀結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定物質(zhì)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(yīng)用于純水去污、果汁濃縮等方面。氮?dú)馐菤怏w水合物濃縮技術(shù)應(yīng)用的一種有效氣體，當(dāng)溫度環(huán)境處于0 ℃，且氣壓能夠達(dá)到16.3 MPa 的情況下，能夠產(chǎn)生氮?dú)馑衔铩５谕瑯訙囟葪l件下，二氧化碳水合物以及乙烯水合物產(chǎn)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(shí)際研究中應(yīng)用比較廣泛，能夠當(dāng)作一種混合氣體，主要應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)。例如，在微粉硅膠之中，將摩爾分?jǐn)?shù)為20%的二氧化碳與80%的氮?dú)膺M(jìn)行混合，形成的混合氣體水合物便會(huì)形成一定的特性，混合后得知當(dāng)溫度環(huán)境處于-20 ～-5 ℃，壓力環(huán)境在6.0 ～8.0 MPa 條件下發(fā)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)出水合物，且水合物產(chǎn)出時(shí)間低于1 min，水分摩爾轉(zhuǎn)化率為77.2%。以濃縮果汁為例，氣體水合物濃縮技術(shù)的原理如圖1 所示。

圖1 氣體水合物濃縮技術(shù)原理圖

氣體水合物濃縮技術(shù)可實(shí)現(xiàn)零上低溫，與冷凍濃縮技術(shù)相比更加節(jié)能，且濃縮效果也比較近似，是濃縮技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

3.2 研究進(jìn)展

氣體水合物濃縮技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中屬于新興技術(shù)，通過(guò)使用二氧化碳水合物晶體對(duì)一些冰晶進(jìn)行取代，該技術(shù)可應(yīng)用于甜點(diǎn)加工。經(jīng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，二氧化碳水合物晶體進(jìn)入口腔后會(huì)出現(xiàn)溶解，且產(chǎn)生一些氣泡，對(duì)人的口腔會(huì)產(chǎn)生一定程度的刺激感。當(dāng)前有關(guān)氮?dú)馑衔锞w應(yīng)用于食品方面的研究非常少，主要是因該技術(shù)在食品加工領(lǐng)域?qū)儆谝环N新興技術(shù)。但氮?dú)鈱儆谝环N小分子氣體，具有一定的安全性和惰性，液態(tài)氮同時(shí)還具備降溫作用，當(dāng)液態(tài)氮出現(xiàn)氣化后，會(huì)釋放出一定量的冷能，從而形成水合物，氮?dú)饽軌蚣尤胨衔镄纬伞Ｒ虼耍簯B(tài)氮在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

4 低溫等離子體殺菌/改性技術(shù)的應(yīng)用機(jī)制與研究進(jìn)展

4.1 應(yīng)用機(jī)制分析

低溫等離子體的形成與高溫、高壓環(huán)境有關(guān)，是氣體處于高溫高壓環(huán)境下產(chǎn)生的一種有異于三態(tài)的多種粒子結(jié)合體，屬于第四態(tài)粒子，其具有殺菌快、活性強(qiáng)、品質(zhì)保護(hù)作用強(qiáng)、無(wú)副產(chǎn)物以及溫度低等突出特點(diǎn)。活性能量比較高的粒子能夠?qū)Φ矸邸⑽⑸锛?xì)胞膜以及蛋白質(zhì)產(chǎn)生作用，發(fā)揮改性和滅活等作用。在低溫等離子體之中，氮?dú)鈱儆谥匾囊环N低溫體源，氮?dú)庠诟邏涵h(huán)境下容易形成氮離子，氮離子同其他粒子之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，對(duì)微生物發(fā)揮作用，包括細(xì)胞膜穿孔、細(xì)胞蝕刻、大分子氧化以及靜電干擾等[3]。

4.2 研究進(jìn)展

低溫等離子體殺菌/改性技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中同樣屬于一種新興技術(shù)，但與氣體水合物濃縮技術(shù)相比，目前對(duì)該技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。有研究人員采用了高電壓對(duì)30%的氮?dú)狻?5%的二氧化碳以及35%的氧氣形成的混合氣體進(jìn)行處理，電壓為72 kV，持續(xù)時(shí)間為86 s。處理結(jié)果顯示，低溫等離子體得以在處理過(guò)程中形成，其能夠?qū)εＨ獗韺由系募?xì)菌進(jìn)行清殺，且殺菌率能夠達(dá)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(duì)番茄汁產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，通過(guò)等離子體對(duì)番茄汁進(jìn)行10 min 的處理，其產(chǎn)生的滅菌效果與熱處理的效果大體相似，沒(méi)食子酸、綠原酸等生物活性物質(zhì)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(nèi)部空間以及液體類食品的內(nèi)部均可適用，可實(shí)現(xiàn)食品保質(zhì)期延長(zhǎng)，使食品的新鮮程度得到保持。

5 結(jié)語(yǔ)

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