气/液态氮在食品加工技术中的应用机制和研究进展

程丽娜，余元善，吴炜俊, 3，邹颖，邹波，李俊，徐玉娟*，肖更生,2*

1(广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所/农业部功能食品重点实验室/ 广东省农产品加工重点实验室，广东 广州，510610) 2(仲恺农业工程学院，广东 广州，510225) 3(华南农业大学 食品学院，广东 广州，510640)

氮气(N2)是一种无色无味、安全无公害的气体，密度为1.25 kg/m3，熔点为-209.86 ℃，沸点为-196 ℃，蒸发潜热为161.2 MJ/m3，定压比热为1.03 kJ/(kg·K)，稍溶于水和乙醇，化学性质不活跃，常温下很难与其他物质发生反应，在1个大气压下的冷却和冷冻整个过程中吸收的总能量为382 kJ/kg。N2可通过膜分离器和膜系统、变压吸附制取氮、低温分馏空气等方式获得，制备简单。食品级N2纯度≥ 99.9%，作为加工助剂，已广泛应用于食品加工中，主要包括：防腐包装[1-3]、杀菌和改性[4-7]、浓缩[8-10]、冷冻[11-13]等。

1 食品包装

N2性质稳定，常用作替代(部分)氧气(O2)，从而减缓氧化、呼吸以及微生物作用；N2不溶于水和油脂，吸附作用微弱，故基本不存在由于气体吸收发生包装袋萎缩和残留问题。在食品包装盒内充入一定比例N2或/和其他气体(CO2、O2、CO等)，改变食品周围空气环境，调控生物化学反应、微生物生长、水分损失，抑制食品腐败的方式称为气调包装。目前N2参与的气调包装技术已广泛用于食品包装，包括高水分含量的新鲜食品与中、低水分含量的加工制品[1, 14]。

新鲜食品水分活度高、微生物作用活跃、酶促褐变强烈、易氧化腐败，通常采用包装联合涂抹、光动力等物理、生物手段以有效延长贮藏期。不同类生鲜食品的气调包装原理不同，其中果蔬类食品采后生理活动活跃，则主要通过控制呼吸作用[15]；红肉类O2既是色泽的保证，又会诱导氧化反应，则需要N2等其他气体的调控以达到最佳平衡[16]；鱼肉类食品微生物种类繁多、繁殖速率快，则需要重点控制微生物的生长[17]。廖李等[18]研究发现，75% N2、20% CO2、5% O2的组合气调包装结合丁香酚缓释处理能够有效抑制贮藏期间草莓氧化、微生物繁殖等品质劣变，延长货架期15 d。KUULIALA等[17]在有关鳕鱼的气调包装(35% N2，5% O2，60% CO2)的研究中发现，气调处理显著影响了冷藏期(4 ℃/8 ℃)鳕鱼的微生物数量、挥发性有机成分等，获得较好的贮藏品质。HUANG等[19]采用高电压介质阻挡放电(85 kV, 60 s)与60%气调包装(60% O2，20% N2，20% CO2)协同的模式，发现在贮藏期第12天的TBAR和羰基值都显著高于单独的气调包装。

半干型食品水分活度相对低，较生鲜食品包装条件温和，一般采用单独气调包装结合低温冷链的方法贮藏。半干型芦笋在70% N2+ 30% CO2包装处理下可有效延长贮藏期30 d[20]；半干型荞麦面条在30% N2+ 70% CO2包装环境下室温能存放9 d[21]；半干型洋蓟在70% N2+ 30% CO2的气体环境和4 ℃存放温度下，可贮藏超过30 d，且在植物化学成分和抗氧化能力保留方面较真空包装处理组显著性提高[22]。然而，不同食品物料的特性不同，不仅对气调工艺有针对性要求，更是对包装材料要求甚严，包括透气性、阻隔性、透湿性等[23]，同时气调包装设备也需与时俱进地进行改进、完善。综合而言，不同气体组分的气调包装联合生物试剂、非热杀菌等其他手段的处理模式是强化单独气调包装效果的有效方法，以及包装材料和设备的协同升级，是研究者们需要关注的重点。

2 低温等离子体杀菌/改性

低温等离子体是气体在高电压或者高温状态下产生的异于固、液、气三态的原子、离子、电子等粒子集合体，这种第四态粒子具有活性能量高、杀菌速度快、温度低、无副产物、保护品质等优点[5]。高能活性粒子可以作用于微生物的细胞膜成分、淀粉和蛋白质等有机大分子，起到一定的灭活、改性等作用。N2是低温等离子体主要气体源之一，高电压下产生N2+，与其他粒子一起作用于微生物，包括对微生物细胞产生蚀刻、细胞膜穿孔与静电干扰、胞内大分子氧化等现象(图1)。

图1 低温等离子杀菌示意图[24]

黄明明等[25]采用72 kV高电压(86 s)处理30% N2，35% O2，35% CO2的混合气体，结果表明，产生的低温等离子体对牛肉表面的杀菌率高达93.75%。MEHTA等[26]比较了热处理、超声处理、紫外处理、等离子体(空气)处理对番茄汁的影响，结果显示，等离子体处理10 min与热处理在微生物杀灭上的效果等同，但是对绿原酸、没食子酸、Vc等生物活性的保留率最高。这种由气体和电压作用产生的低温等离子体广泛应用于果蔬、肉类等固体食品表面[5]、液体食品内部[27]以及食品包装空间内的杀菌去污[28]。低温等离子体通过作用于微生物致死、酶失活、包装材料的改性等方面，有效延长新鲜食品的货架期[29]。此外，低温等离子体作用产生的活性自由基，易被水吸收产生活性氮、活性氧等物质，极大提高了水的氧化还原电位，这种等离子活性水对食源性病原菌和生物膜菌具有较好的清除作用[30]。

低温等离子体具有修饰生物化学成分和表面性能的潜能。食品中淀粉、蛋白质等有机大分子的有效改性可以促进高效利用。BANURA等[31]研究发现,经低压射频低温等离子体(空气)处理后的玉米淀粉和木薯淀粉的直链淀粉发生改性，诱使水结合能力增强。BAHRAMI等[32]采用低温等离子体(空气，15、20 V)处理小麦粉，发现游离脂肪酸和磷脂含量下降，加速了面粉氧化；而且蛋白质谱向较高的分子质量转变，面粉结实度增加。YONG等[33]研究表明，肌红蛋白溶液在常压低温等离子处理20 min后，红度值下降，绿色加深，诱导亚硝化的高铁肌红蛋白产生。低温等离子体通过作用于酶蛋白质的高级结构，使酶出现激活或钝化表现，从而改变食品的储藏、功能等特性[34]。低温等离子体杀菌、改性效果极显著，是一种具备极大工业应用价值的新技术，可应用于固、液体食品。针对不同食品的不同气体成分组合的低温等离子体处理条件、处理设备、处理效率将是未来的研究重点，以促进其在食品工业中的应用。

3 气体水合物浓缩

气体水合物浓缩是一种利用是由小分子气体与水分子在低温和高压条件下形成的一种笼型晶体物质，水分子通过形成氢键相互结合成大小不同的笼状结构，而气体分子填充到笼内，除去稳定的笼形物质后，获得浓缩液的方法，可应用于果汁浓缩、纯水去污等食品加工中[9]。N2是应用气体其中之一，在0 ℃时，16.3 MPa下，可形成N2水合物；但是较同等温度下，CO2水合物、C2H4水合物的形成压力1.22、0.55 MPa相对较高[35]，故研究应用未及后二者广泛，可作为混合气体之一，作用于混合水合物晶体的生长；例如刘军等[36]考察了微粉硅胶中摩尔分数为80%的N2与20% CO2混合气体水合物形成特性，发现二者在(6.0～8.0 MPa,-20～-5 ℃)反应釜内诱变生成水合物的时间<1 min，且水分的摩尔转化率可达77.2%。水合物法浓缩原理示意图如图2所示。值得注意的是，此项浓缩技术只需零上低温，比冷冻浓缩节能，但却具有相似的浓缩效果，是浓缩行业未来之星[37]。例如以CO2为客体分子，4.1 MPa、2.75 ℃时，橙汁浓缩脱水率可达57.2%[8]，获得浓缩汁品质相当。

图2 气体水合物浓缩示意图

目前水合物浓缩技术在食品领域研究需要大力加强，主要存在浓缩液夹带、分离效率较低或分离压力高等问题而未能实现工业化应用；化工行业常采用此技术进行海水淡化、混合气体分离等，在欧美等发达国家已工业化应用，我国目前仍处在研究确认阶段，需要进一步推进。水合物晶体还可应用于甜点的生产中，PETERS等[38]采用CO2水合物晶体代替部分冰晶应用于冷冻甜点的制作中发现，CO2水合物晶体在口腔里的熔解过程，会带来更多的气泡和感官刺激感。虽然目前关于N2水合物晶体在食品领域的应用研究文献未见报道，这主要是由于此项技术在食品领域研究尚新，文献报道较少，但是该晶体可生成[39]。N2作为惰性安全的小分子气体，且液态具有降温作用，液态气化过程中释放的冷能用于降温，以达成水合物形成条件，气化的N2参与水合物的形成；同时可作为混合气体水合物晶体形成的主要备选气体之一，在水合物技术中的应用前景值得期待。

总体而言，水合物晶体形成技术的未来应用可观[37]，根据其零上低温高效浓缩的独特优势，不仅可用于果汁浓缩中，还可对功能性成分提取液、营养制剂、药用制剂等进行高效保质浓缩。目前关于此技术的研究主要在模型建立及机理探索方面[40-42]，研究者们可加大对此项技术的研究，促进气体水合物晶体技术在食品领域的应用。

4 液氮速冻

液氮速冻是利用液氮从储备容器喷出到常温常压下时，超低温液态氮迅速转变成气态氮，此相变过程可带走大量的潜热与显热，从而快速冷冻食品，极快的冷冻速率使得形成的冰晶细小、均匀，保证了冻品品质。目前工业上采用的冷冻技术有：风冷、平板接触式冷冻、浸渍冷冻、液氮速冻、喷射混合式冷冻等；其中液氮速冻由于其超低温(-196 ℃)的优势，是较其他冷冻方式更快的一种手段[43]。如何充分利用液氮相变冷能，包括设备的升级改造和不同特性食品处理工艺，是研究者们一直聚焦的工作。

目前液氮速冻设备的主要作用模式为喷雾式。LIU等[44]设计了压力螺旋喷头，通过流体力学雷诺系数模拟计算和实验验证，确认孔口直径、压差、相变等主要作用因素显著影响液氮喷淋时的传热传质，即影响冻品的冷冻效果。MEI等[43]进行了液氮冷却和冷冻装备的改善，包括视觉、结构、安全、控制系统以及PID算法设计等，确认液氮制冷具有高效、节能、环保、体积轻便等优势。液氮蒸发的安全性、高效性等相关方面也一直在研究者们的视野中[45-46]。

超低温液氮可调控范围广，不同特性食品的适宜冻结温度、冻结模式皆不同。KIM等[47]研究表明,-70 ℃液氮环温处理的鸡胸肉，较鼓风冷冻脂肪氧化程度低、持水力高，无后者解冻后在冰箱冷藏过程中持续失水的现象。鲁珺等[48]在三疣梭子蟹的冷冻研究中发现，液氮喷淋(-40 ℃，20 min)处理较平板冻结(-20 ℃，6 h)以及冰柜冻结(-18 ℃，20 h)的肌原纤维与新鲜样品最为接近，肌纤维间隙较小，细胞最完整，冰晶的破坏率最低。黄忠民等[49]指出饺子在液氮中的浸渍时间显著影响饺子的冻裂率，制作好的饺子立即速冻后的冻裂率达37%。液氮速冻的龟裂问题易出现在果蔬冷冻中，但相关研究报道较少，研究者们通过工艺及设备参数等改进以避免解决此问题。

此外，液氮速冻常作为食品干燥、脱水、提取、制汁、发酵等前处理手段，具有改变质构、细胞、水分、热力学等特性的作用。ZIELINSKA等[50]验证液氮深冷前处理显著加速蔓越莓干燥第一阶段脱水，缩短干燥时间约43%左右；NADULSKI等[51]发现冻融前处理能够将制汁(大黄)效率提高30%，且所得果汁固形物含量高、流体力学特性好。

液氮速冻具有对象限制性小、营养价值及品质保护效果好、传热传质速率快、环境友好型等优势，未来应用前景可观；但仍存在耗能成本相对较高、引起果蔬龟裂、解冻后只够软塌、冷冻工艺因物料而特异等不足之处，因此当前的研究重点为：设备升级改造(节能提效)、工艺流程完善改进、与其他加工方式的强强联合。不仅丰富传热传质理论，而且促进食品产业的增值转型。

5 结论与展望

气态氮与液态氮可应用于食品的防腐、杀菌、改性、冷冻等各方面。新兴研发的技术主要为低温等离子体杀菌/改性和气体水合物浓缩，二者属于非热加工技术，前景相当可观；目前急需进一步扩大研究对象范围及相应机理，同时研发相应的稳定设备。已工业化应用的气调包装和液氮速冻技术，仍需进一步升级。气调包装技术需与其他手段联合使用，才能最大程度发挥其价值；包装材料的特性需完善，以及设备需多元化设计。液氮速冻中龟裂、能耗(液氮消耗、相变转化方式、设备设计等)是当前面临的主要问题，需进行更多研究，以进一步推动产业化应用。