超临界CO2闪冻技术在冰淇淋清洁标签生产中的系统效能与品质创新研究

本文推荐：该研究创新性地开发了基于超临界二氧化碳（SC-CO2）的闪冻系统，通过伯努利原理（Bernoulli principle）和焦耳-汤姆逊效应（Joule-Thomson effect）实现冰淇淋混合物的高效真空吸入与瞬时冷冻。系统性能显示：相比传统机械制冷，能耗降低20.6%，碳足迹减少24.8%，且生产的清洁标签（clean label）冰淇淋冰晶更小、质地更优，为可持续冷冻食品技术提供了突破性解决方案。

　　

闪冻工艺亮点

该闪冻系统采用超临界CO₂（SC-CO₂）作为冷冻介质，核心组件包括5.5 MPa的液态CO₂储罐、增压至7.58 MPa的气体增压器，以及确保超临界状态（临界温度T_c=30.97°C，临界压力P_c=7.58 MPa）的喷嘴。当SC-CO₂通过喷嘴时，其快速膨胀引发焦耳-汤姆逊降温效应，实现冰淇淋混合物的秒级冷冻。

闪冻系统性能

SC-CO₂质量流量恒定为50 g/s，但喷嘴扩张比（喉部与出口截面积比）显著影响效率。其中N1喷嘴扩张比达1.78，能产生更强真空吸力，使冰淇淋混合物的吸入效率提升65%，而N2喷嘴（扩张比1.0）则因缺乏压力差导致产量受限。

结论

研究证实，通过优化喷嘴几何结构与替换商业乳化剂为酪乳粉，SC-CO₂闪冻系统可生产出与常规工艺品质相当的清洁标签冰淇淋。该系统兼具能耗优势（COP值提高223%）与环保特性，为即需即产（on-demand）冷冻食品技术开辟了新路径。