液氮凍結(jié)在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

液氮凍結(jié)在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

關(guān)于食品的冷凍技術(shù)，從使用天然冰雪到手動(dòng)冷凍技術(shù)的轉(zhuǎn)變是食品冷凍技術(shù)史上的第一次革命。為了提高冷凍食品的質(zhì)量，從早期冷凍到快速冷凍，它被稱為食品冷凍技術(shù)史上的第二次革命。而在諸多種食品速凍技術(shù)中,由于液氮速凍能實(shí)現(xiàn)低溫深冷的超速凍,因而極大地提高了冷凍食品的品質(zhì),延長(zhǎng)了食品的保鮮期限,在冷凍食品工業(yè)中顯示出特有的生命力。在國(guó)外已有將活魚(yú)用液氮凍結(jié),而在解凍后的魚(yú)又重現(xiàn)復(fù)活的實(shí)例,液氮凍結(jié)技術(shù)被國(guó)外譽(yù)為20世紀(jì)食品工業(yè)最杰出的成就之一,有“魔法凍結(jié)(Magicfreeze)”的美譽(yù),美國(guó)把這種凍結(jié)方式稱為瞬間凍結(jié)(Flashfreezing)。在西方國(guó)家液氮主要用在魚(yú)類、水果、蔬菜等的凍結(jié),在我國(guó)已有將液氮應(yīng)用于水產(chǎn)品生產(chǎn)的報(bào)道,而把液氮技術(shù)應(yīng)用于冰淇淋工業(yè)化生產(chǎn),開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)乳制品行業(yè)的先河。1傳統(tǒng)冰激凌設(shè)備在傳統(tǒng)的冰淇淋生產(chǎn)工藝中,使用氟利昂或液氨壓縮機(jī)制冷機(jī)組進(jìn)行產(chǎn)品凍結(jié)存在以下問(wèn)題:(1)在制造火炬型冰淇淋時(shí),由于冰淇淋產(chǎn)品脂肪含量較高,通常膨脹率達(dá)到85%~100%,經(jīng)凝凍機(jī)制造出來(lái)等待凍結(jié)的軟冰淇淋溫度僅為-5℃左右,軟冰淇淋灌充在威化筒上,其拉花火炬形狀因在普通冷凍隧道里溫度僅有-35℃左右,容易塌陷變形,產(chǎn)品外觀不好。(2)火炬型冰淇淋在傳統(tǒng)氟利昂(或液氨)壓縮機(jī)冷凍隧道中凍結(jié)速度太慢,會(huì)產(chǎn)生粗糙的冰屑而在食用時(shí)產(chǎn)生沙狀的口感。這是由于冰淇淋組織成分的每個(gè)細(xì)胞外溶液濃度較低,首先在細(xì)胞外產(chǎn)生了冰晶,此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的水分還以液相狀態(tài)殘留著,同溫度下水的蒸汽壓大于冰的蒸汽壓,在蒸汽壓差作用下,細(xì)胞內(nèi)的水分向外部冰晶移動(dòng),形成較大的冰晶,并且這些冰結(jié)晶分布不均勻。(3)按照傳統(tǒng)的制造巧克力脆皮雪糕條工藝,先將雪糕條直接浸入55℃的液體巧克力漿料中約2~3s,靠雪糕條本身的溫度凍結(jié)粘在其表面的巧克力漿料涂層,經(jīng)包裝后通過(guò)傳送帶進(jìn)入-25℃冷庫(kù)保存。由于制造過(guò)程溫度不夠低、冷凍效果差,雪糕條外層巧克力脆皮容易熔融、裂開(kāi)甚至脫落,影響了產(chǎn)品的感官質(zhì)量。(4)巧克力脆皮雪糕條中的巧克力漿料涂層脂肪含量達(dá)到50%以上,其油脂容易因氧化作用而產(chǎn)生油腥味。(5)傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷設(shè)備占地面積大,設(shè)備一次性投資費(fèi)用大,日常維護(hù)費(fèi)用高;而且電能消耗大、冷凍效率低。(6)冰淇淋產(chǎn)品需在包裝前完成凍結(jié),而傳統(tǒng)制冷吹風(fēng)凍結(jié)裝置凍結(jié)的產(chǎn)品,因凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng),汁液流失嚴(yán)重,其干耗率達(dá)到4%~6%,冰淇淋組織因水分蒸發(fā)而直接影響了產(chǎn)品質(zhì)量。(7)傳統(tǒng)制冷設(shè)備大量使用氟利昂或液氨等冷媒破壞大氣臭氧層,對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成危害。2液氮凍結(jié)技術(shù)運(yùn)用在冰淇淋生產(chǎn)冰淇淋屬于乳制品加工行業(yè),為了解決冰淇淋生產(chǎn)中的質(zhì)量、能耗、成本、環(huán)保等問(wèn)題,將應(yīng)用于水產(chǎn)品速凍的液氮凍結(jié)技術(shù)運(yùn)用在冰淇淋生產(chǎn)中,革新了傳統(tǒng)冰淇淋生產(chǎn)的工藝技術(shù)和設(shè)備裝置。2.1快速凍結(jié)、包裝經(jīng)凝凍機(jī)灌裝出來(lái)的軟雪糕,通過(guò)生產(chǎn)線上的加料斗定量灌注在不銹鋼模具上成形,裝有雪糕漿料的棒狀模具被置于-35℃的氯化鈣冰鹽水中凍結(jié),模具中的雪糕被凍結(jié)硬化后插上木簽,再經(jīng)過(guò)脫模工序,機(jī)械夾取裝置將帶木扦的雪糕條從模具中拔出,經(jīng)輸送帶移到裝有巧克力漿料的不銹鋼槽上方,雪糕條被浸入至55℃左右的巧克力漿料中約2s,機(jī)械手立即提升,漿液滴漏片刻后平行移動(dòng)到高強(qiáng)度不銹鋼制成的液氮槽上方,涂有巧克力漿的雪糕條被迅速浸入沸騰中的液體氮停留2~3s后立即提升,即完成了巧克力涂層表面的快速凍結(jié)操作,成品被移送入包裝段,經(jīng)枕形鍍鋁膜包裝機(jī)包裝后移至-25℃冷庫(kù)貯存。2.2用液體氮噴霧式冷凍冷凍設(shè)備它由不銹鋼隧道箱體、噴霧裝置、不銹鋼輸送帶、傳動(dòng)裝置、抽風(fēng)機(jī)等組成。10m3拉緊和液氮凍結(jié)液氮噴霧式凍結(jié)設(shè)備由隔熱隧道形式的組合箱體、儲(chǔ)液罐噴淋管系、不銹鋼傳送帶、無(wú)級(jí)變速器、軸流風(fēng)機(jī)、電磁閥、電控箱等主要部件組成。為了減少因溫差大而產(chǎn)生應(yīng)力引起變形,整個(gè)箱體由幾段相通的SUS304不銹鋼隔熱箱組成,不銹鋼箱體之間用耐低溫的硅橡膠密封條和黏結(jié)劑加以密封。隔熱箱內(nèi)外護(hù)板為不銹鋼板制成,其間填充75mm厚的聚氨基甲酸乙酯硬質(zhì)泡沫作隔熱層,箱體出入口端分別設(shè)有硅橡膠軟簾以阻擋氮?dú)馔饬?在箱體中的傳送帶其運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整,并有螺旋拉緊裝置調(diào)整鏈條松緊度,防止傳送帶鏈條因溫度變化發(fā)生卡住或冷脆等故障;電磁閥和調(diào)壓閥等自控閥用于液氮流量控制,通過(guò)溫度傳感器、溫控器、調(diào)壓閥來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟大小和液氮儲(chǔ)罐內(nèi)壓,控制噴嘴液氮流量;不銹鋼箱體上方設(shè)置有抽氣風(fēng)機(jī)和風(fēng)管,將氣化后的氮?dú)饧皶r(shí)排除室外,避免氮?dú)庠谲囬g內(nèi)聚集。抽氣風(fēng)機(jī)上設(shè)有T型蝶閥,當(dāng)排氣溫度過(guò)低時(shí),可打開(kāi)蝶閥,吸入部分空氣,以防止風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)冰影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。浸漬式液氮凍結(jié)設(shè)備的液氮槽要選用高強(qiáng)度不銹鋼材料制成,否則在極低溫下,普通不銹鋼材料會(huì)產(chǎn)生冷脆而導(dǎo)致設(shè)備損壞;由于浸漬式液氮凍結(jié)過(guò)程的強(qiáng)烈熱交換作用,液氮槽中的液態(tài)氮始終保持著強(qiáng)烈沸騰,這有利于單個(gè)雪糕條彼此間的分離;液氮在大氣壓下溫度為-195.8℃,人體皮膚接觸后會(huì)引起嚴(yán)重凍傷,為避免在液氮流入浸漬式液氮凍結(jié)裝置的敞開(kāi)式液氮槽時(shí),液氮噴濺到槽外傷人,設(shè)置了電磁閥和防液氮飛濺裝置;產(chǎn)品傳送帶的調(diào)速采用變頻調(diào)速,可以根據(jù)雪糕產(chǎn)品不同的形狀和凈含量而調(diào)整運(yùn)行速度。置于室外的液氮儲(chǔ)罐是專業(yè)工廠加工的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)為不銹鋼內(nèi)槽和碳素鋼外槽相連,其間充填高真空粉末-珠光砂,并抽真空到1.33KPa,外層有聚氨酯隔熱材料形成雙重保溫;為避免罐內(nèi)液氮壓力過(guò)高會(huì)影響安全生產(chǎn),因此設(shè)置了安全閥;罐內(nèi)液氮數(shù)量可由液面指示計(jì)顯示,用完后由供應(yīng)商的液氮槽車通過(guò)加液閥向罐內(nèi)填充液氮。氮?dú)鉄o(wú)色無(wú)味,如果生產(chǎn)車間環(huán)境空氣中的氧氣含量低于20%,可造成窒息環(huán)境而引起人體昏迷。為避免因空氣過(guò)濾換氣系統(tǒng)故障而造成車間內(nèi)空氣的氧含量不足,設(shè)置了液氮供應(yīng)自鎖安全裝置,確保生產(chǎn)工人的安全。4液氮凍結(jié)設(shè)備液氮是無(wú)色、無(wú)味、低黏度的透明液體,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,與任何物質(zhì)不起化合作用,在常壓下的沸點(diǎn)是-195.8℃,液氮?dú)饣瘯r(shí)體積膨脹647倍,從它的沸點(diǎn)到-25℃凍結(jié)終溫所揮發(fā)的制冷量為383.1KJ/kg,是一種理想的載冷劑,是近年全世界食品速凍應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。(1)液氮凍結(jié)速度快,生產(chǎn)效率高。液氮的沸點(diǎn)比氨(-33℃)和氟利昂(-30~-40℃)的沸點(diǎn)低得多,由于液氮與冰淇淋直接接觸時(shí),以將近200℃的溫差進(jìn)行劇烈的熱交換,液氮凍結(jié)與傳統(tǒng)的凍結(jié)設(shè)備相比較,換熱強(qiáng)度增加了30~40倍。生產(chǎn)實(shí)踐證明,液氮浸漬凍結(jié)巧克力脆皮雪糕條的時(shí)間僅為2~3s,液氮噴霧凍結(jié)火炬型冰淇淋時(shí)間僅為1~2min,而傳統(tǒng)制冷機(jī)組將上述產(chǎn)品凍結(jié)到-25℃需要30min以上的時(shí)間,單位時(shí)間內(nèi)液氮設(shè)備所能凍結(jié)的產(chǎn)品量顯著增加。(2)減少冰淇淋產(chǎn)品因大顆冰晶體引起的沙狀口感。冰淇淋組織成分里含有乳蛋白質(zhì)、乳脂肪、乳糖、蔗糖等有機(jī)物質(zhì),這些有機(jī)物來(lái)源于動(dòng)植物,動(dòng)植物原料由大量細(xì)胞構(gòu)成,冰淇淋的凍結(jié)點(diǎn)(Freezingpoint)低于純水冰點(diǎn)。由于傳統(tǒng)制冷設(shè)備凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng),冰淇淋組織內(nèi)部所形成的冰晶粒度大、分布極不均勻。而液氮冷凍速度(FreezingRate)極快,可使食品迅速通過(guò)-1℃~-5℃的最大冰結(jié)晶生成帶(Zoneofmaximumicecrystalformation),冰淇淋組織內(nèi)結(jié)冰層推進(jìn)速度大于水分移動(dòng)的速度,產(chǎn)生冰結(jié)晶的分布接近于組織中原有液態(tài)水的分布狀態(tài),冰淇淋組織細(xì)胞內(nèi)的膠體結(jié)合水及游離水和細(xì)胞間隙中的游離水同時(shí)凍結(jié)成無(wú)數(shù)細(xì)微均勻的冰晶體。由于產(chǎn)品快速到達(dá)凍結(jié)終溫,使組織內(nèi)大部分的水分在凍結(jié)過(guò)程中來(lái)不及移動(dòng),而在原位置變成微細(xì)均勻的冰晶(見(jiàn)表1),消除了食用時(shí)冰淇淋的沙狀感。(3)保持冰淇淋的新鮮度、色香味和營(yíng)養(yǎng)成分。液氮無(wú)毒,對(duì)食品成分呈惰性,使脂肪含量較高的巧克力脆皮雪糕等冰淇淋產(chǎn)品減少與空氣的接觸,幾乎不發(fā)生氧化變色和脂肪的酸敗,消除因氧化造成的油腥味;快速降低的溫度能減緩冰淇淋的生化反應(yīng),降低由酶引起的一系列變質(zhì)現(xiàn)象;液氮對(duì)細(xì)菌和其他微生物還有窒息和抑制作用,更好地保持了冰淇淋原有的新鮮度、色香味及其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,延長(zhǎng)了產(chǎn)品的貨架期。(4)改善冰淇淋產(chǎn)品外觀質(zhì)量。實(shí)踐證明,即使在生產(chǎn)脂肪含量高、膨脹率達(dá)到100%的拉花火炬型冰淇淋時(shí),液氮凍結(jié)也能確保產(chǎn)品外觀堅(jiān)挺,不容易出現(xiàn)塌陷變形現(xiàn)象;經(jīng)液氮浸漬生產(chǎn)的巧克力脆皮雪糕條,由于表層巧克力漿與液氮的直接接觸時(shí)間極短,巧克力涂層溫度在瞬間遠(yuǎn)低于內(nèi)層雪糕的溫度,熱脹冷縮作用下巧克力脆皮緊緊裹住內(nèi)層雪糕組織,使涂層不容易剝落。同時(shí),由于液氮凍結(jié)的極低溫,巧克力脆皮的硬度較高,脆皮涂層外表十分平整和光滑,不會(huì)產(chǎn)生熔融、粘結(jié)和表面龜裂、脫落等現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)單體快速凍結(jié)(Individualquickfrozen)的脆皮雪糕產(chǎn)品,其感官質(zhì)量指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)制冷設(shè)備凍結(jié)的產(chǎn)品。(5)液氮凍結(jié)設(shè)備占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、維護(hù)容易。與傳統(tǒng)機(jī)械凍結(jié)設(shè)備的比較,液氮凍結(jié)設(shè)備有不少優(yōu)點(diǎn)(表2)。液氮凍結(jié)設(shè)備只需配置一個(gè)儲(chǔ)罐,該裝置可向液氮供應(yīng)商租用,整套設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件只有傳送帶和軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)工作壓力低,不像普通制冷系統(tǒng)的大型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件多,而且系統(tǒng)中有高壓設(shè)備,需要專業(yè)人士進(jìn)行維護(hù),設(shè)備發(fā)生故障的機(jī)會(huì)較多;液氮凍結(jié)設(shè)備屬于傳送帶化、直線連續(xù)作業(yè)方式,操作者只需在液氮噴霧裝置箱體外操作按鈕和在進(jìn)出口端接送產(chǎn)品,自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的效率高,有效改善工人低溫下的操作條件和勞動(dòng)強(qiáng)度。(6)液氮凍結(jié)能耗較低。設(shè)備依靠液氮相變制冷及內(nèi)能的轉(zhuǎn)變來(lái)達(dá)到凍結(jié)產(chǎn)品的目的,不像傳統(tǒng)冷凍系統(tǒng)在凍結(jié)產(chǎn)品時(shí)需要消耗大量的電能來(lái)運(yùn)行制冷壓縮機(jī)機(jī)組,從制冷原理上液氮凍結(jié)基本屬于不直接消耗電能的。(7)液氮凍結(jié)成本低。根據(jù)最新的國(guó)外資料數(shù)據(jù),凍結(jié)能力在3000kg/h的液氮噴淋設(shè)備其基本投資為7.5萬(wàn)美元,而普通壓縮機(jī)冷凍機(jī)組要投資16.5萬(wàn)美元。在凍結(jié)能力相同情況下,經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,液氮凍結(jié)設(shè)備投資成本僅為機(jī)械制冷設(shè)備成本的1/2,安裝面積僅需1/6,動(dòng)力消耗只有1/10,用工人數(shù)節(jié)省2/5,每年可以節(jié)省一大筆土地和廠房的租金。生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明,每?jī)鼋Y(jié)lkg冰淇淋的液氮耗用量在0.2~0.6kg之間,以目前液氮市場(chǎng)價(jià)0.8元/kg計(jì)算,浸漬法凍結(jié)生產(chǎn)一支巧克力脆皮雪糕條(85g/支),成本約為0.015元/支;噴霧法生產(chǎn)一個(gè)火炬型冰淇淋(100g/個(gè)),成本約為0.045元/個(gè),低于傳統(tǒng)機(jī)械制冷在產(chǎn)生同樣凍結(jié)效果時(shí)所用電費(fèi)成本。(8)降低冰淇淋產(chǎn)品干耗。由于傳統(tǒng)制冷設(shè)備凍結(jié)冰淇淋的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),冰淇淋表面的水分被蒸發(fā)造成重量減輕,所丟失的水分占冰淇淋原重量的4%~6%,而液氮凍結(jié)時(shí)間極短,冰淇淋表面溫度急劇下降至冰點(diǎn)以下,冰淇淋的汁液被封在產(chǎn)品內(nèi)部,液氮凍結(jié)冰淇淋干耗率僅為0.3%~0.5%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于慢速凍結(jié)的干耗值。冰淇淋表面有一層很薄的凍膜,冰淇淋的機(jī)械強(qiáng)度高,凍品表面色澤好、失水率低。(9)質(zhì)量改善使銷售單價(jià)提高,經(jīng)濟(jì)效益顯著。液氮浸漬凍結(jié)設(shè)備和噴霧凍結(jié)設(shè)備投產(chǎn)以來(lái),經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐和不斷的技術(shù)改造,現(xiàn)已形成了規(guī)?；谋苛苌a(chǎn)線,產(chǎn)品質(zhì)量得到根本性改善,產(chǎn)品美譽(yù)度的提高使銷售單價(jià)和銷售量均同步提升。(10)液氮凍結(jié)技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)尤為突出。在21世紀(jì)的今天,發(fā)展液氮凍結(jié)技術(shù)具有明顯的社會(huì)效益和生態(tài)效益。傳統(tǒng)冰淇淋生產(chǎn)所用的大型制冷設(shè)備需要耗用大量的氟利昂或液氨,這些冷媒對(duì)大氣臭氧層造成嚴(yán)重危害,當(dāng)前國(guó)際上正在限制和禁止使用氟利昂,我國(guó)目前對(duì)環(huán)保事業(yè)空前重視,減少CFC、HCFC等制冷劑的使用功在千秋、勢(shì)在必行。液氮在空氣中的含量約為78%,是無(wú)色無(wú)味的惰性介質(zhì),是地球大氣中取之不盡的資源,液態(tài)氮復(fù)溫氣化后排放到大氣中,對(duì)環(huán)境沒(méi)有增加任何有害物質(zhì)排放;其次,液氮凍結(jié)比傳統(tǒng)制冷設(shè)備消耗電能少得多,屬于真正的低碳環(huán)保技術(shù);再者,相對(duì)于噪音極大的傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷設(shè)備,液氮設(shè)備向外排放的噪音非常小?？梢?jiàn)液氮凍結(jié)是當(dāng)今世界最環(huán)保的新興技術(shù),應(yīng)該得到大力推廣和發(fā)展;此外,對(duì)食品進(jìn)行大規(guī)模流化態(tài)液氮噴霧速凍處理,能加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化和集約化的進(jìn)程,對(duì)促進(jìn)農(nóng)副產(chǎn)品的深加工具有重要的社會(huì)意義。5食品與肉制品行業(yè)通過(guò)冰淇淋生產(chǎn)中應(yīng)用液氮凍結(jié)技術(shù)幾年來(lái)的實(shí)踐,充分證明了液氮凍結(jié)是最環(huán)保的冷凍技術(shù),所制造的冰淇