◎ 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(fā)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(chǎn)生化學反應，且該氣體的化學性質表現(xiàn)得不活躍，在單位大氣壓條件下，該氣體若實現(xiàn)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(tǒng)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(yè)的發(fā)展，氮氣已經(jīng)廣泛應用于食品加工行業(yè)，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(yè)中的應用比較廣泛。本文研究的氣/液態(tài)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(fā)，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(tài)氮向氣態(tài)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?？?，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(xiàn)階段，工業(yè)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(chǎn)生冷能，具體研究內(nèi)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(jīng)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(chǎn)生的傳熱傳質造成影響，也就是說可對冷凍食品產(chǎn)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(tǒng)等方面進行改進設計，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(diào)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(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(jīng)常用于食品脫水、發(fā)酵、干燥等處理，能夠對食品內(nèi)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(fā)揮重要作用。

2 氣調(diào)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(wěn)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(xiàn)因氣體吸收而產(chǎn)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(nèi)部，食品面臨的空氣環(huán)境發(fā)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(diào)控，從而對食品腐敗進行有效的抑制，這便是所謂的氣調(diào)包裝。當前氮氣已經(jīng)應用于氣調(diào)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(fā)生氧化和腐敗，且水分的活度非常高，微生物也比較活躍，一般會以包裝聯(lián)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(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?？欤枰獙ξ⑸锷L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(diào)包裝聯(lián)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(diào)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(diào)包裝聯(lián)合非熱殺菌以及生物制劑等手段，可有效地實現(xiàn)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(huán)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(chǎn)生氫鍵后相互結合而成，當氣體分析在籠內(nèi)發(fā)揮填充作用時，將籠狀結構中的穩(wěn)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(huán)境處于0 ℃，且氣壓能夠達到16.3 MPa 的情況下，能夠產(chǎn)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(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(shù)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(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，會產(chǎn)出水合物，且水合物產(chǎn)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(xiàn)零上低溫，與冷凍濃縮技術相比更加節(jié)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(jīng)應用后發(fā)現(xiàn)，二氧化碳水合物晶體進入口腔后會出現(xiàn)溶解，且產(chǎn)生一些氣泡，對人的口腔會產(chǎn)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(tài)氮同時還具備降溫作用，當液態(tài)氮出現(xiàn)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(tài)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(huán)境有關，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)的多種粒子結合體，屬于第四態(tài)粒子，其具有殺菌快、活性強、品質保護作用強、無副產(chǎn)物以及溫度低等突出特點?；钚阅芰勘容^高的粒子能夠對淀粉、微生物細胞膜以及蛋白質產(chǎn)生作用，發(fā)揮改性和滅活等作用。在低溫等離子體之中，氮氣屬于重要的一種低溫體源，氮氣在高壓環(huán)境下容易形成氮離子，氮離子同其他粒子之間會產(chǎn)生協(xié)同作用，對微生物發(fā)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(jīng)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(xù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)部空間以及液體類食品的內(nèi)部均可適用，可實現(xiàn)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(diào)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。