一．概述：

氮氣廣泛存在于大氣中，分子式:N2 、分子量:28.01，正常的空氣成分按體積計算:氮約占78%，氧約占21%，其它是稀有氣體和二氧化碳等。氮氣是惰性氣體，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。液氮汽化時大量吸收熱量，人體接觸會造成凍傷。液氮純度：高純液氮：氮 ≥99.99％；工業(yè)級液氮：一級≥99.5％、二級≥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，此過程中氮氣首先從液態(tài)空氣中蒸發(fā)出來，收集后得到氮氣，對收集得到的氮氣再降溫加壓就是液氮，食品級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，可應用于食品、醫(yī)藥、施工、超導、生物等生產(chǎn)科研領(lǐng)域冷凍源。早在上個世紀初液氮制冷技術(shù)已應用于修筑地下工程，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，典型應用案例，如：英國地下水道工作面土壤凍結(jié)、日本新干線工程凍結(jié)施工等都曾有報道。

液氮用于冷凍食品是在上世紀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)，促進了空氣液化分離技術(shù)的發(fā)展。在生產(chǎn)液氧的同時空氣中所含78%的氮的大量液化需要找到消化出口，從而推動了冷凍行業(yè)新的冷媒應用。

2、上世紀60年代初，美國的食品工業(yè)面臨一個新的轉(zhuǎn)折點，生活方式向快捷方便轉(zhuǎn)型，冷凍食品消費增加并出現(xiàn)兩個特點：（1）應用連續(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)上進行更新，因此液氮速凍技術(shù)應運而生，并迅速得到廣泛應用。目前已應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)勢呢：

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

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，減少對細胞結(jié)構(gòu)的破壞，從而更好的保持食物原有的形態(tài)、風味和口感，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，使速凍的時間、流程大大縮短，速凍設備的體積相應縮小，例如：一臺3噸左右的液氮速凍機（每小時速凍能力），占地只有20平米左右，比其它制冷方式的速凍設備可節(jié)省更多的空間。

目前液氮速凍技術(shù)廣泛應用于魚、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、冰激凌等）。

二.液氮在食品冷凍中的應用：

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，它可以達到所期望的快速凍結(jié)目的，食品占用的空間小，同時產(chǎn)生狀態(tài)變化的幅度也很顯著，但液氮耗量較大，因為僅利用了液氮潛熱的部分冷量。

噴淋式冷凍：一般通過分段：預冷區(qū)、凍結(jié)區(qū)和均溫區(qū)。液氮經(jīng)噴嘴成霧狀與食品進行熱交換，液氮吸熱蒸發(fā)成氮氣，氮氣又被用來預冷新進入的食品，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，可簡化的制冷控制設備，減少一次性投入。

2.液氮冷凍及應用設備：

凍結(jié)及應用設備可以分為：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：液氮柜式冷凍機由三部分組成：高保溫凍結(jié)室、液氮噴射系統(tǒng)、冷風循環(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，對食品進行快速冷凍，柜式機一般為小型凍結(jié)設備，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：液氮隧道式冷凍機一般由輸送系統(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態(tài)控制，對食品進行高效速凍，隧道機一般凍結(jié)能力很大，冷凍能力從幾百公斤/小時到幾千公斤/小時，即可得到中心溫度在-18℃以下的凍品。

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

攪拌、成型式冷凍機：攪拌、成型式冷凍機可與現(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)運轉(zhuǎn)。

3.應用舉例：

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

（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藏溫度－１８℃，解凍后不但風味和口感得到保持，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的風險得以規(guī)避。

（3）速凍果蔬：要保證冷凍食品中營養(yǎng)不受損失，果蔬應該是最難控制的（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)含量保持的會更完好，特別是對鮮切果蔬，液氮汽化時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,可使食品的微細粒度高達100μｍ以下，基本保持了原有營養(yǎng)價值，特別是：得到的超細顆粒具有特別的吸附力和親和力，有極強的分散性和溶解性，對促進人體對營養(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。

（6）低溫干燥：低溫干燥的機理是利用冰晶升華的物理性質(zhì)，將含水食品進行超低溫冷凍，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、風味、色澤、形態(tài)的同時，也使得食物的營養(yǎng)得到了保護。

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、風味和口感更好，避免了高溫焗干或油炸脫水對品質(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。

三．液氮使用安全：

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

1.液氮在101.325kpa壓力下，沸點為-195.65℃，與人體皮膚、眼睛接觸會引起凍傷（冷燒灼）。低溫液體汽化為氣體時，體積會迅速膨脹，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。氮氣有窒息性，會引起窒息危險。

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

3.操作人員應熟悉低溫液體的特性及其危害。應熟悉產(chǎn)品使用說明書，設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應戴上干凈易脫的低溫防護手套和護目鏡，若有產(chǎn)生液體噴射或飛濺可能，應戴上面罩。操作人員的皮膚因接觸低溫液體或低溫氣體而被凍傷時，應及時將受傷部位放入溫水浸泡或沖洗，切勿干加熱，并及時到醫(yī)院治療。

4.在進入通風不良且有發(fā)生窒息危險場所處理液氮，必須分析大氣含氧量，當含氧量低于19.5%（體積分數(shù)）時，操作人員必須戴上自供式防護面具，并需在有人監(jiān)護下進行操作處理。室內(nèi)使用液氮制冷設備，應有空氣監(jiān)測設施。