气/液态氮在食品加工技术中的应用机制和研究进展

2022-02-13 03:29:50王李壹一
现代食品 2022年24期
关键词:气调速冻液氮

◎ 王李壹一

(商洛学院,陕西 商洛 726000)

氮气具有无公害、无味、无色等特点,该气体的密度可达到1.25 kg·m-3,沸点可达到-196 ℃,熔点可达到-209.86 ℃,定压比热能够达到1.03 kJ·(kg·K)-1,蒸发潜热可达到161.2 MJ·m-3。该气体可与乙醇以及水相溶,但在常温条件下很难同其他物质之间产生化学反应,且该气体的化学性质表现得不活跃,在单位大气压条件下,该气体若实现冷冻以及冷却,则需要在整个过程中吸收总能量共计达到382 kJ·kg-1。氮气能够利用变压吸附、膜系统以及膜分离装置等方式获取,因此氮气的制备比较简单。随着我国食品行业的发展,氮气已经广泛应用于食品加工行业,食品级氮气纯度必须高于99.9%,属于一种食品加工助剂,氮气在食品加工中的应用方向为杀菌、防腐包装、浓缩、改性以及冷冻等方面。因此,氮气在食品加工行业中的应用比较广泛。本文研究的气/液态氮在食品加工技术中的应用,主要是对气应用机制进行研究,因而需要从氮气在食品加工中的各类应用方向出发,对其技术应用机制进行研究。

1 液氮速冻技术的应用机制与研究进展

1.1 应用机制分析

液氮速冻技术,即对液氮进行利用,事先将液氮存储于密封的储备容器中,在使用时将其喷出,通过与外部常温常压接触,使超低温的液态氮向气态氮转变,在转变过程中能够将大量的显热和潜热带走,从而对食品进行快速冷冻。因此,该技术在应用时的冷冻速率非常快,可在冷冻过程中形成均匀、细小的冰晶,从而使冷冻食品的品质得到保障。现阶段,工业所用的冷冻技术主要包括风冷、浸渍冷冻、平面接触冷冻、喷射冷冻以及液氮速冻,因液氮速冻的温度为超低温,一般可达到-196 ℃,因此液氮速冻的冷冻速度要快于其他冷冻方式。如何使液氮通过相变产生冷能,具体研究内容包含设备设施的改造、食品处理工艺改进等。

1.2 研究进展

当前液氮速冻技术应用时采取的模式主要为喷雾模式。目前,很多研究人员从液氮速冻技术使用的设备进行改进。例如,当前已经有研究人员设计了一种螺旋压力喷头,该喷头设计时有效地运用了流体力学,对孔口的直径进行了确定,并计算了压差,这些设计因素均会对液氮喷淋过程中产生的传热传质造成影响,也就是说可对冷冻食品产生更加理想的冷冻效果;还有研究人员对冷冻设备以及液氮冷却进行了改进,主要是从安全、视觉、PID 算法以及控制系统等方面进行改进设计,使液氮制冷更加节能环保,且更加便携、高效[1]。液氮以蒸发的方式进行应用可提升效率和安全性,这也是当前诸多研究人员关注的热点。

超低温液氮具有广泛的调控范围,对于各种特性的食品,其冻结模式以及温度均存在差异。例如,梭子蟹在冷冻时若使用液氮喷淋进行冷冻,会比冰柜冻结以及平板冻结更加有效,无论是冷冻速度还是冷冻后食品的品质,均要优于其他两种冷冻方式,可使梭子蟹内含的肌原纤维得以最大限度的保留,使之与鲜品之间的差异减小,主要是因肌纤维之间的间隙变小,则细胞的完整程度便会越高,从而降低冰晶对食品的破坏率。速冻水饺通过液氮速冻能够降低速冻水饺的冻裂率,但果蔬食品在冷冻时若采用液氮速冻技术则容易冻裂。此外,液氮速冻技术还经常用于食品脱水、发酵、干燥等处理,能够对食品内部的水分、质构等特性进行改变,说明该技术对食品品质的提升可发挥重要作用。

2 气调包装技术的应用机制与研究进展

2.1 应用机制分析

由于氮气的性质比较稳定,通常会取代部分氧气,使呼吸、氧化得以减缓,并对微生物进行控制。氮气与油脂和水不相溶,且吸附能力也不强,因此基本上不会出现因气体吸收而产生包装萎缩及残留。将氮气与其他气体混合融入食品包装内部,食品面临的空气环境发生变化,从化学反应、生物反应、水分损失以及微生物生长等方面进行调控,从而对食品腐败进行有效的抑制,这便是所谓的气调包装。当前氮气已经应用于气调包装技术中,在食品包装方面广泛应用,包括一些水分含量较高或较低的食品。

2.2 研究进展

新鲜食品容易发生氧化和腐败,且水分的活度非常高,微生物也比较活跃,一般会以包装联合光动力和涂抹等手段将食品贮藏期延长。各种类别的生鲜食品在气调包装的原理方面存在差异,果蔬类食品通常在后生理活动方面比较活跃。对于鱼肉类食品而言,其微生物的种类非常多,且繁殖速度非常快,需要对微生物生长加强控制。研究表明,采用75%的氮气、5%的氧气以及20%的二氧化碳的气调包装联合丁香酚能够有效控制微生物生长,延长食品的贮藏期。对于半干型食品而言,其水分活度不高,通常采取单独气调包装与冷链低温的方式对气进行存储[2]。综合来讲,各种气体组分形成的气调包装联合非热杀菌以及生物制剂等手段,可有效地实现食品的储存,但还需要对包装设备和材料进行及时升级,从而使食品的存储和保鲜效果得到提升。

3 气体水合物浓缩技术的应用机制与研究进展

3.1 应用机制分析

气体水合物浓缩主要是在高压低温环境下,将小分子气体同水分子结合,从而形成晶体物质。该晶体物质呈笼状结构,且大小不同,是水分子产生氢键后相互结合而成,当气体分析在笼内发挥填充作用时,将笼状结构中的稳定物质去除之后,从而能够获得浓缩液,这种浓缩液在食品加工中可应用于纯水去污、果汁浓缩等方面。氮气是气体水合物浓缩技术应用的一种有效气体,当温度环境处于0 ℃,且气压能够达到16.3 MPa 的情况下,能够产生氮气水合物。但在同样温度条件下,二氧化碳水合物以及乙烯水合物产生的压力分别为1.22 MPa 和0.55 MPa,这两种水合物的压力比较高。因此,这两种水合物在实际研究中应用比较广泛,能够当作一种混合气体,主要应用于晶体生长。例如,在微粉硅胶之中,将摩尔分数为20%的二氧化碳与80%的氮气进行混合,形成的混合气体水合物便会形成一定的特性,混合后得知当温度环境处于-20 ~-5 ℃,压力环境在6.0 ~8.0 MPa 条件下发生反应,会产出水合物,且水合物产出时间低于1 min,水分摩尔转化率为77.2%。以浓缩果汁为例,气体水合物浓缩技术的原理如图1 所示。

图1 气体水合物浓缩技术原理图

气体水合物浓缩技术可实现零上低温,与冷冻浓缩技术相比更加节能,且浓缩效果也比较近似,是浓缩技术应用的一个重要方向。

3.2 研究进展

气体水合物浓缩技术在食品加工领域中属于新兴技术,通过使用二氧化碳水合物晶体对一些冰晶进行取代,该技术可应用于甜点加工。经应用后发现,二氧化碳水合物晶体进入口腔后会出现溶解,且产生一些气泡,对人的口腔会产生一定程度的刺激感。当前有关氮气水合物晶体应用于食品方面的研究非常少,主要是因该技术在食品加工领域属于一种新兴技术。但氮气属于一种小分子气体,具有一定的安全性和惰性,液态氮同时还具备降温作用,当液态氮出现气化后,会释放出一定量的冷能,从而形成水合物,氮气能够加入水合物形成。因此,液态氮在食品加工领域的应用前景广阔。

4 低温等离子体杀菌/改性技术的应用机制与研究进展

4.1 应用机制分析

低温等离子体的形成与高温、高压环境有关,是气体处于高温高压环境下产生的一种有异于三态的多种粒子结合体,属于第四态粒子,其具有杀菌快、活性强、品质保护作用强、无副产物以及温度低等突出特点。活性能量比较高的粒子能够对淀粉、微生物细胞膜以及蛋白质产生作用,发挥改性和灭活等作用。在低温等离子体之中,氮气属于重要的一种低温体源,氮气在高压环境下容易形成氮离子,氮离子同其他粒子之间会产生协同作用,对微生物发挥作用,包括细胞膜穿孔、细胞蚀刻、大分子氧化以及静电干扰等[3]。

4.2 研究进展

低温等离子体杀菌/改性技术在食品加工领域中同样属于一种新兴技术,但与气体水合物浓缩技术相比,目前对该技术的研究已经取得了一定的进展。有研究人员采用了高电压对30%的氮气、35%的二氧化碳以及35%的氧气形成的混合气体进行处理,电压为72 kV,持续时间为86 s。处理结果显示,低温等离子体得以在处理过程中形成,其能够对牛肉表层上的细菌进行清杀,且杀菌率能够达到93.8%[4];也有研究人员采用了紫外线、超声波、等离子体以及热处理等方式对番茄汁产生的影响进行研究,研究结果表明,通过等离子体对番茄汁进行10 min 的处理,其产生的灭菌效果与热处理的效果大体相似,没食子酸、绿原酸等生物活性物质依然存在较高的保留率[5]。该低温等离子体是在电压以及气体的双重作用下形成的,在肉类食品和果蔬品等固体类食品表面、食品包装的内部空间以及液体类食品的内部均可适用,可实现食品保质期延长,使食品的新鲜程度得到保持。

5 结语

综上所述,当前用于食品加工的保鲜技术、防腐技术以及包装技术比较多,在本次研究中,主要介绍了液氮速冻技术、气调包装技术、气体水合物浓缩技术以及低温等离子体杀菌/改性技术。其中,前两种属于当前食品加工中常见的技术类型,虽然得以广泛应用,但仍需进一步改进;后两种技术属于食品加工新兴技术,具有良好的应用前景,但由于投入应用时间较短,该两项技术的相关功能还需进一步探究。

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