文献解读：等容冷冻食品所带来的全球能源节约

全球冷冻食品市场预计将从2019年的2918亿美元增至2027年的4048亿美元。

 

食品冷冻是一种减少全球食品损失的有效方法，在应对食品浪费和安全方面具有重要作用。

 

目前全球冷链的运作需要付出巨大的能量成本，据估计，仅国内食品冷冻每年就占全球总耗电量的近4%，相当于6.54×108吨的二氧化碳排放，耗资约1200亿美元。

 

降低温度可以减少新陈代谢，从而减缓食品的恶化和污染微生物的生长。然而，在一个向大气开放的等压（恒压）热力学环境中（目前几乎所有的现代食品储存都是如此），食品物质（主要由水组成）将在0℃以下的温度结冰。冻结后形成的冰晶会大大降低食品的质地和营养质量，而现代食品冷冻界的主要工作是设法改善这些冰晶的有害影响，同时保留低温保存的有益效果。

 

作为一种新兴的存储技术，“等容冷冻”旨在用恒定体积（等容，isochoric）条件下的冷冻方式取代标准大气压（等压，isobaric）条件下的冷冻方式。等压系统是向大气开放的，而等容系统是与大气封闭的。从物理观点来看，如果水被限制在一个恒定体积（等容）的容器中，当冷冻开始时，密度较低的冰不能自由膨胀，因此它压缩了液体中尚未冻结的部分，迫使冻结过程沿着温度-压力相图的 "液体线 "进行。

 

热力学理论和实验表明，等容系统的冷冻与等压系统存在根本性的差异，可以使保存的食品质量有很大的改善。

 

比较了敏感食品的等容冷冻和等压冷冻结果。从中可以看出等容冷冻对食品质量有明显的提高，冷冻这些难以冷冻的产品的能力可以对世界范围内减少食品浪费的工作产生重大影响。

 

图1.等容冷冻和传统的等压冷冻的比较▲ 

 

(a)到(e). 新鲜西红柿储存4周。(a) 新鲜对照组，(b) 在-2.5℃的等容冷冻，(c) 在10℃和85%相对湿度下的传统冰箱储存，(d) 传统速冻并在传统冰箱-20℃冷冻储存，(e) 在-2.5℃的等压冷冻。(f)至(i). 储存一周的新鲜菠菜。(f)新鲜对照组，(g)-4℃的等容冷冻，(h)-4℃的等压冷冻，(i)传统速冻并在传统冰箱-20℃冷冻储存。(j)到(m). 储存24小时的新鲜樱桃。(j)新鲜对照组，(k)-7℃的等容冷冻，(l)-7℃的等压冷冻，(m) 传统液氮冷冻并在传统冰箱-20℃冷冻储存。

 

并且，等容冷冻只是用密封的、恒定容积的容器取代了传统的储存容器；它不依赖于任何特定的制冷手段，因此也可以与目前的传统基础设施和未来可能的任何新型制冷系统无缝整合。

 

研究人员开发了一个简单的两部分相变模型来描述冷冻食品在几种热力学储存模式下的热力学：传统的等压冷冻；高压（或移压）冷冻；等容冷冻和等容过冷（Isochoric Supercooling）。等容过冷是一个过程，通过这个过程，系统被冷却到仅略低于其冻结温度，并保持在亚稳态过冷的液体状态。

 

研究模型处理了食品冷冻过程中两个具有热力学意义的部分：初始冷冻阶段和延伸储存阶段。

 

在等容冷冻/储存过程中，考虑了两种不同的配置，反映了不同的使用情况。在配置1中，适用于果汁和其他液体产品、预冻食品或任何其他食品的等容储存，其中冰的形成被认为是可以接受的，等容系统的质量与等压系统相同。在配置2中，它代表了迄今为止大多数等容食品保存的研究，敏感的食品材料，如新鲜水果和蔬菜，储存在冰点之下仍能保持液体状态的系统中，保证其免受冰晶的损害。因此，等容系统的大小是为了确保食品保持不冻，并且有足够的过剩溶液，以便在系统外部限制冰的形成。

 

 

3.1 初始冷冻阶段的能源节省
 

图3d的结果表明，等容条件，无论是等容过冷还是等容冷冻，都会减少初始冷却/冻结过程中消耗的能量。

 

 

图3d. 不同热力学系统在冷冻过程中的能量消耗▲

 

 

 

图4a和b比较了在-18℃的等容冷冻和等压冷冻期间的食品外表面和中心温度波动情况。这些数字说明了等容冷冻在冷冻期间的温度波动更低，而温度波动会导致解冻和再冻结以及冰晶的重新结晶的循环，并导致滴漏，这对冷冻食品的质量是有害的。

 

此外，等容系统中的相界面变化起到了稳定温度的PCM（相变材料）的作用，这是一种众所周知的节能和储存机制。这导致了：在等容条件下持续储存冷冻食品比传统的等压储存需要更少的制冷设备的电功。 

 

图4c显示了与等压冷冻相比，长时间的等容冷冻所节省的能源与储存时间的关系。在-5℃的等容无冰储存（配置1）相对于在-18℃的传统等温储存，每公斤食品每年将节省429.21千焦耳的能量。

 

 

图4. 冷冻期间的温度和能量▲ 

 

(a)等容(配置2)和等压系统在食物表面的温度反应。(b)等容(配置2)和等压系统的食品中心区的温度反应。(c)在等容过冷（在-2.5、-5和-10℃时）、等容配置1（在-2.5、-5、-10和-18 ℃时）和等容配置2（在-2.5、-5和-10℃时）条件下储存每公斤食物365天，相对于在-18℃的等压系统中存储食物所节省的能量。

 

 

2019年全球冷冻食品的总容量约为313亿公斤。如果所有这些食品都在-5℃的等容条件下（配置1），而不是在-18℃的行业标准的等压条件下处理，可以实现64.9亿千瓦时的能源节约。这一能源节约转化为每年约8.433亿美元的经济节约和每年45.9亿公斤的二氧化碳环境节约（相当于从道路上移除大约100万辆汽车）。

 

 

等容冷冻技术的结果是大大改善了被保存食品的质量，大大延长了保存期，并能长期保存其他冷冻方法无法保存的食品。并且它有可能对医学和生物保存产生重大影响。