一．概述：

氮?dú)鈴V泛存在于大氣中，分子式:N2 、分子量:28.01，正常的空氣成分按體積計(jì)算:氮約占78%，氧約占21%，其它是稀有氣體和二氧化碳等。氮?dú)馐嵌栊詺怏w，無色、無嗅、無腐蝕性、不可燃、不支持燃燒；但是它不是維持生命的必要元素。液氮汽化時(shí)大量吸收熱量，人體接觸會(huì)造成凍傷。液氮純度：高純液氮：氮 ≥99.99％；工業(yè)級(jí)液氮：一級(jí)≥99.5％、二級(jí)≥98.5％。

液氮一般由空氣中物理分離獲得，空氣經(jīng)低溫條件下加壓，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，然后逐漸加溫分餾，此過程中氮?dú)馐紫葟囊簯B(tài)空氣中蒸發(fā)出來，收集后得到氮?dú)?，?duì)收集得到的氮?dú)庠俳禍丶訅壕褪且旱称芳?jí)液氮還要通過凈化處理，例如：空氣除塵、精餾純化等。液氮是一種高效制冷劑，可應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、施工、超導(dǎo)、生物等生產(chǎn)科研領(lǐng)域冷凍源。早在上個(gè)世紀(jì)初液氮制冷技術(shù)已應(yīng)用于修筑地下工程，通過土層凍結(jié)方法，為地下建筑施工提供了新的工程技術(shù)：液氮在凍結(jié)環(huán)境汽化吸熱后，氣氮經(jīng)管路排出地下釋入大氣，比常規(guī)制冷系統(tǒng)凍結(jié)快約10倍，典型應(yīng)用案例，如：英國(guó)地下水道工作面土壤凍結(jié)、日本新干線工程凍結(jié)施工等都曾有報(bào)道。

液氮用于冷凍食品是在上世紀(jì)50年代開始研究的，至1960年即正式用于速凍食品。一開始便在食品生產(chǎn)上迅速推廣，液氮用于食品冷凍技術(shù)迅速推廣的背景是：

1、由于美國(guó)宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，作為火箭燃料需要大量液態(tài)氧的生產(chǎn)，促進(jìn)了空氣液化分離技術(shù)的發(fā)展。在生產(chǎn)液氧的同時(shí)空氣中所含78%的氮的大量液化需要找到消化出口，從而推動(dòng)了冷凍行業(yè)新的冷媒應(yīng)用。

2、上世紀(jì)60年代初，美國(guó)的食品工業(yè)面臨一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，生活方式向快捷方便轉(zhuǎn)型，冷凍食品消費(fèi)增加并出現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：（1）應(yīng)用連續(xù)凍結(jié)裝置提高冷凍食品的產(chǎn)能；（2）“冰晶理論”研究要求冷凍食品向高品質(zhì)的速凍方式發(fā)展。由于這些要求促使凍結(jié)方法必須在技術(shù)上進(jìn)行更新，因此液氮速凍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到廣泛應(yīng)用。目前已應(yīng)用到各類食品冷凍和處理過程，包括：速凍食品、氣調(diào)保鮮、飲料灌裝、冷凍粉碎等。

液氮用于食品冷凍有哪些優(yōu)勢(shì)呢：

1.冷凍速度快：液氮在一個(gè)大氣壓下的溫度：-195.8℃，通過相變的超低溫對(duì)流和傳導(dǎo)可使食品迅速凍結(jié),這也是液氮用于食品冷凍的最大優(yōu)勢(shì)。

2.冷凍質(zhì)量好：冷媒直接作用于食物快速凍結(jié)，防止大冰晶在食物組織內(nèi)的生成，減少對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，從而更好的保持食物原有的形態(tài)、風(fēng)味和口感，以及減少化凍損傷。

3.防止凍干、減少冷凍食品的水分流失；提高冷凍得率，其它方式凍結(jié)干耗率一般在3%～6%之間，而用液氮凍結(jié)干耗率在0.6%～1% 。

4.由于液氮制冷的快速特點(diǎn)，使速凍的時(shí)間、流程大大縮短，速凍設(shè)備的體積相應(yīng)縮小，例如：一臺(tái)3噸左右的液氮速凍機(jī)（每小時(shí)速凍能力），占地只有20平米左右，比其它制冷方式的速凍設(shè)備可節(jié)省更多的空間。

目前液氮速凍技術(shù)廣泛應(yīng)用于魚、蝦、雞、鴨、肉、果、蔬、及各種加工食品過程（如：牛排、肉丸、水產(chǎn)品、漢堡包、速凍包點(diǎn)、冰激凌等）。

二.液氮在食品冷凍中的應(yīng)用：

1.液氮速凍食品的方式：

液氮凍結(jié)方式大致有沉浸式、噴淋式、冷風(fēng)循環(huán)式等種類。

沉浸式冷凍：是將食品完全浸入液氮中，它可以達(dá)到所期望的快速凍結(jié)目的，食品占用的空間小，同時(shí)產(chǎn)生狀態(tài)變化的幅度也很顯著，但液氮耗量較大，因?yàn)閮H利用了液氮潛熱的部分冷量。

噴淋式冷凍：一般通過分段：預(yù)冷區(qū)、凍結(jié)區(qū)和均溫區(qū)。液氮經(jīng)噴嘴成霧狀與食品進(jìn)行熱交換，液氮吸熱蒸發(fā)成氮?dú)?，氮?dú)庥直挥脕眍A(yù)冷新進(jìn)入的食品，這樣既利用了液氮的潛熱，又利用了液氮的顯熱，使冷量得到充分利用。

冷空氣循環(huán)式冷凍：由液氮冷卻循環(huán)的冷空氣，用空氣作為載冷體冷凍食品，可簡(jiǎn)化的制冷控制設(shè)備，減少一次性投入。

2.液氮冷凍及應(yīng)用設(shè)備：

凍結(jié)及應(yīng)用設(shè)備可以分為：液氮柜式凍結(jié)裝置、隧道式凍結(jié)裝置、沉浸式凍結(jié)裝置、攪拌成型凍結(jié)裝置等。

液氮柜式冷凍機(jī)：液氮柜式冷凍機(jī)由三部分組成：高保溫凍結(jié)室、液氮噴射系統(tǒng)、冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，超低溫的液氮汽霧均勻的通過凍結(jié)室內(nèi)的推車或托盤，對(duì)食品進(jìn)行快速冷凍，柜式機(jī)一般為小型凍結(jié)設(shè)備，凍結(jié)室多在1-3立方，通常在10幾分鐘可將一百至數(shù)百公斤單體食物的中心溫度降低到-18℃以下。

液氮隧道式冷凍機(jī)：液氮隧道式冷凍機(jī)一般由輸送系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，冷凍過程按冷凍曲線要求動(dòng)態(tài)控制，對(duì)食品進(jìn)行高效速凍，隧道機(jī)一般凍結(jié)能力很大，冷凍能力從幾百公斤/小時(shí)到幾千公斤/小時(shí)，即可得到中心溫度在-18℃以下的凍品。

沉浸式冷凍機(jī)：沉浸式冷凍機(jī)配備了液位控制和運(yùn)行系統(tǒng)，使冷凍機(jī)穩(wěn)定的供給冷量，適合單體超快速凍結(jié)食品，例如：?jiǎn)蝺鑫r、單凍貝、單凍果等。

攪拌、成型式冷凍機(jī)：攪拌、成型式冷凍機(jī)可與現(xiàn)有的食品加工工序?qū)?，通過攪拌、成型的食品加工過程進(jìn)行冷凍食品，通過將液氮噴射工藝，可在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)將食品冷凍或冷卻，并同步伴隨生產(chǎn)流程連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.應(yīng)用舉例：

（1）速凍包點(diǎn)：一個(gè)蒸熟的包子，放入液氮速凍柜中只需要短短的幾分鐘，中心溫度則可以達(dá)到-18℃，由于包子在迅速凍結(jié)時(shí)很少發(fā)生冰晶對(duì)組織的損傷，所以，包子在回溫后的口感跟剛出鍋時(shí)幾乎一樣，這就是液氮速凍的優(yōu)勢(shì)所在。

（2）冷凍水產(chǎn)品：以單體蝦為例，短短數(shù)十秒內(nèi)就能迅速通過０℃到－５℃這一最大冰晶生成帶，再將蝦體速凍至適宜儲(chǔ)藏溫度－１８℃，解凍后不但風(fēng)味和口感得到保持，甚至口感的粘附性、咀嚼性與鮮蝦均無顯著差異。

有研究表明：由于液氮的超冷性，所以在冷凍過程中除了保持水產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分和品質(zhì)外，還可以抑制和殺死微生物。生食刺身研究表明液氮冷凍易達(dá)到微生物和寄生蟲（含蟲卵）致死溫度，使一直困擾著生食消費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)得以規(guī)避。

（3）速凍果蔬：要保證冷凍食品中營(yíng)養(yǎng)不受損失，果蔬應(yīng)該是最難控制的（果蔬大多屬生命活體），超冷是解決這一難點(diǎn)的關(guān)鍵，液氮速凍的果蔬由于不易出現(xiàn)凍傷害，維生素和礦物質(zhì)含量保持的會(huì)更完好，特別是對(duì)鮮切果蔬，液氮汽化時(shí)使得果蔬切口在氮的防氧化作用下，可以更好的減緩酶促褐變的發(fā)生。

（4）低溫粉碎：是將冷卻到脆化點(diǎn)溫度的食物，在外力作用下破碎成粉體的過程。食品低溫粉碎是最新發(fā)展的食品加工技術(shù)，該技術(shù)特別適宜于加工含芳香成分多、含脂量高、含膠狀物質(zhì)多的食品。用液氮進(jìn)行低溫粉碎處理，其超冷性可使粉末食品的微粒最小組織保持最佳狀態(tài)。如：經(jīng)液氮凍結(jié)后的海藻類、可食花蕾、軟體甲殼等經(jīng)粉碎,可使食品的微細(xì)粒度高達(dá)100μｍ以下，基本保持了原有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，特別是：得到的超細(xì)顆粒具有特別的吸附力和親和力，有極強(qiáng)的分散性和溶解性，對(duì)促進(jìn)人體對(duì)營(yíng)養(yǎng)食物的有效吸收很有幫助。

（5）冷凍萃取：有資料顯示利用液氮淬冷協(xié)同高溫解凍進(jìn)行花粉破壁具有效果好、破壁率高、速度快及花粉生理活性保持穩(wěn)定、減少加工過程損傷等特點(diǎn)。

（6）低溫干燥：低溫干燥的機(jī)理是利用冰晶升華的物理性質(zhì)，將含水食品進(jìn)行超低溫冷凍，然后，在真空狀態(tài)下使食物中的冰晶升華，最終得到干制品，俗稱：凍干。這種加工方式對(duì)熱敏感度高、容易出現(xiàn)氧化的食品最為適合，它在保留了食品味道、口感、風(fēng)味、色澤、形態(tài)的同時(shí)，也使得食物的營(yíng)養(yǎng)得到了保護(hù)。

例如：利用冷凍干燥技術(shù)生產(chǎn)方便面，使方便面的色澤更佳、風(fēng)味和口感更好，避免了高溫?zé)h干或油炸脫水對(duì)品質(zhì)的影響，方便面的品質(zhì)得到很大的提高。由于大多食品在冷凍干燥時(shí)需將溫度降到很低（一般在-40℃以下），所以，液氮更具備超低溫冷凍干燥優(yōu)勢(shì)。

三．液氮使用安全：

液氮屬低溫液體，在貯存、使用中應(yīng)按《低溫液體貯存設(shè)備 使用安全規(guī)則》（JB/T6898-2015）的規(guī)定執(zhí)行，并注意以下幾點(diǎn)：

1.液氮在101.325kpa壓力下，沸點(diǎn)為-195.65℃，與人體皮膚、眼睛接觸會(huì)引起凍傷（冷燒灼）。低溫液體汽化為氣體時(shí)，體積會(huì)迅速膨脹，在0℃/101.325kpa狀態(tài)下，1L氮汽化為氣體647L，在密閉容器內(nèi)，因液體汽化使壓力升高，易引起容器超壓危險(xiǎn)。氮?dú)庥兄舷⑿裕瑫?huì)引起窒息危險(xiǎn)。

2.對(duì)低溫液體貯存壓力容器的安裝、使用要求：除符合JB/T6898-2015外，還應(yīng)符合TSGR0004及TSGR7001的規(guī)定。液氮容器宜安裝在室外。儲(chǔ)存液氮的容器嚴(yán)禁過量充裝。

3.操作人員應(yīng)熟悉低溫液體的特性及其危害。應(yīng)熟悉產(chǎn)品使用說明書，設(shè)備工藝流程和操作程序。操作人員在充灌或處理低溫液體時(shí)應(yīng)戴上干凈易脫的低溫防護(hù)手套和護(hù)目鏡，若有產(chǎn)生液體噴射或飛濺可能，應(yīng)戴上面罩。操作人員的皮膚因接觸低溫液體或低溫氣體而被凍傷時(shí)，應(yīng)及時(shí)將受傷部位放入溫水浸泡或沖洗，切勿干加熱，并及時(shí)到醫(yī)院治療。

4.在進(jìn)入通風(fēng)不良且有發(fā)生窒息危險(xiǎn)場(chǎng)所處理液氮，必須分析大氣含氧量，當(dāng)含氧量低于19.5%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，操作人員必須戴上自供式防護(hù)面具，并需在有人監(jiān)護(hù)下進(jìn)行操作處理。室內(nèi)使用液氮制冷設(shè)備，應(yīng)有空氣監(jiān)測(cè)設(shè)施。