磷酸鹽

磷酸鹽

磷酸鹽(phosphate)是磷酸的鹽,在無機化學、生物化學及生物地質化學上是很重要的物質。磷酸鹽是幾乎所有食物的天然成分之一,作為重要的食品配料和功能添加劑被廣泛用於食品加工中。磷酸鹽用作耐火材料的結合劑在產生陶瓷結合之前的中、低溫範圍內具有較強的結合強度,所以被廣泛用作不定形耐火材料和不燒耐火材料的結合劑。磷酸鹽是植物生長所必需的營養物質,它催生了全球內磷酸鹽開採的蓬勃發展,美國地質調查局(USGS)預測,大約有620億噸的磷酸鹽儲存在地下,這其中有150億噸可開採。

基本信息

原材料

磷酸鹽磷酸鹽

磷是人體所必需的重要的礦物質元素,人體攝入磷的主要來源為天然食物或食品磷酸鹽添加劑,磷酸鹽是幾乎所有食物的天然成分之一。由於磷酸鹽能改善或賦予食品一系列優異性能,因此早在一百多年前就開始套用於食品加工中,而大量使用則在二十世紀七十年以後。目前,磷酸鹽是

套用最廣泛、用量較大的食品添加劑門類之一,作為重要的食品配料和功能添加劑廣泛套用於肉製品、禽肉製品、海產品、水果、蔬菜、乳製品、焙烤製品、飲料、土豆製品、調味料、方便食品等的加工過程中。

根據美國食品化學藥典(FCC)磷酸鹽在食品工業中的功能可分為15類:

酸味劑:磷酸

抗結塊劑:磷酸鈣

抗氧化劑:次磷酸鈣 4、緩衝劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸氫鈣、磷酸鈣、焦磷酸鈣、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、酸式焦磷酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、焦磷酸鈉

麵團改良劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸二氫鈣、磷酸氫鈣

乳化劑:磷酸鉀、聚偏磷酸鉀、焦磷酸鉀、磷酸鋁鈉(鹼性)、偏磷酸鈉(不溶性)、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、聚磷酸鈉(玻璃質)、焦磷酸鈉

硬化劑:磷酸二氫鈣

保濕劑:聚偏磷酸鉀

發酵劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、酸式焦磷酸鈉、磷酸鋁鈉(酸性)10、營養劑:磷酸二氫鈣、磷酸氫鈣、磷酸鈣、焦磷酸鈣、磷酸鐵、焦磷酸鐵、磷酸氫鎂、磷酸鎂、次磷酸錳、焦磷酸鐵鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、焦磷酸鈉

防腐劑:次磷酸鈉。 12、螯合劑:磷酸二氫鈣、磷酸、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、酸式焦磷酸鈉、偏磷酸鈉(不溶性),聚磷酸鈉(玻璃狀)。13、改良澱粉添加劑:三偏焦磷酸、磷酸二氫鉀。14、組織改良劑:焦磷酸鉀、三聚磷酸鉀、偏磷酸鈉(不溶性)、磷酸氫二鈉(玻璃質)、三聚磷酸鈉。15、發酵食品:磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、磷酸二氫鈣、磷酸二氫鈣、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀。由上可看出:磷酸鹽在食品加工中的功能主要有兩點,一是品質改良劑,二是營養強化劑。

磷酸鹽在食品加工工程的作用及機理,國外發表的論著一千餘篇,現將其主要作用歸納如下:

對金屬離子的封閉作用:聚磷酸鹽能與溶液 中的金屬離子Ca2+ 、Mg2+ 、Cu2+ 、Fe2+ 、等螯合,生成可溶性螯合物,從而降低硬度,防止金屬離子Cu2+ 、Fe2+ 等起催化作用,與水和蔬菜、水果果皮中的Cu2+ 螯合,使其很快軟化,縮短蒸煮時間和提高果膠等提取率。 特別是水果蔬菜罐頭溶液中存在Cu2+ 、Fe2+等離子時,能促進維生素C的分解和色素褪色、變色、可防止肉類、禽類、魚類腐敗,以延長食品儲存期限。同時磷酸鹽還能阻止罐頭中漂白劑過氧化氫的分解,從而提高漂白效果,並能除去金屬離子中的臭味。聚磷酸鹽可防止防止或延緩不飽和脂肪的氧化。抑制微生物生長,因而起防腐抑菌作用。

乳化分散作用:聚磷酸鹽具有使水中難溶物質分散或現成穩定懸浮體的

作用於,以防止懸浮液的附著、凝聚,如脂肪及蛋白質的乳化作用等。由於聚磷酸鹽能使蛋白質的水溶膠質在脂肪球上現成一種膠膜,從而使脂肪更有效地分散在水中,因此廣泛用於澱粉的磷酸化處理,色素的分散,乳化食品(乾酪、乳製品、冰淇淋、色拉、調味汁等),以及用作香腸、肉末的分散穩定劑。

緩衝作用:無論正磷酸鹽或磷酸鹽,均為強緩衝劑,可有效的將介質中的液相穩定在一定PH值範圍內,因此廣泛的用作為食品調節劑,適當選擇其Me2O/P2O5之比或聚合度,可在廣泛規定的PH範圍內起強的緩衝作用,以控制和保持穩定的PH變化範圍,可使食品味道更鮮美。

蛋白作用:磷酸鹽對蛋白質,膠 球蛋白具有增強作用,因此可增加肉製品的水合性和保水性,提高水的浸透性,促進食品的軟化和改善食品的質量,保持食品的優良風味,同時磷酸鹽在奶製品中能防止牛奶加熱時的凝集,防止奶蛋白與脂肪水分的分離。

肉是動物的肌肉組織,它的的由稱作肌動球蛋白的蛋白質複合體組成的纖維組織肌動球蛋白是由肌動蛋白和肌球蛋白組成,在總蛋白質中,肌動蛋白約占13%,肌球蛋白約占38%,在PH=4.7處有一等電點。動物一旦死亡,新陳代謝即停止,肌肉的PH很快從4.7增至5.4-5.8。而PH值為5.5左右時,其保水性最低。提高或降低其PH值都可提高其保水性。加入磷酸氫二鈉、磷酸三鈉、焦磷酸鈉或三聚磷酸鈉均可使肉的PH值提高,從而提高其保水性。

肌肉蛋白是一種對鈣、鎂離子親和力極強的負電荷蛋白質。聚磷鹽能與球蛋白中結合的鈣、鎂離子螯合,肌肉蛋白質的網狀結構被破壞,包在結構中的可與水結合的極性基團被釋放出來,因此可提高其保水性。

加入聚磷酸鹽可增加肉中蛋白質周圍的離子強度,從而使肉的肌球蛋白的溶解性增加而成溶狀態,使肉的保水性增。

聚磷酸鹽可解離,促進蛋白中的肌動球蛋白轉化為肌動蛋白和肌球蛋白,而肌球蛋白能增加其保水性。

此外,由於聚磷酸鹽對金屬離子的吸附和螯合作用,使不溶晶體的晶型改變,使無結晶晶核存在。如在魚類罐頭中加入磷酸銨鎂(MgNH4PO4H2O),可防止晶花生成。

典型套用

磷酸鹽在耐火材料中的套用

磷酸鹽在耐火材料中用作結合劑。磷酸鹽結合劑是以酸性正磷酸鹽或縮聚磷酸鹽為主要化合物並具有膠凝性能的耐火材料結合劑。磷酸鹽結合劑的結合形式屬化學反應結合或聚合結合。磷酸與鹼金屬或鹼土金屬氧化物及其氫氧化物反應製成的結合劑多數為氣硬性結合劑,即不須加熱在常溫下即可發生凝結與硬化作用。磷酸與兩性氧化物及氫氧化物或酸性氧化物反應製成的結合劑多數為熱硬性結合劑,即須經加熱到一定溫度發生反應後方可產生凝結與硬化作用。磷酸鹽用作耐火材料的結合劑在產生陶瓷結合之前的中、低溫範圍內具有較強的結合強度,所以被廣泛用作不定形耐火材料和不燒耐火材料的結合劑。

磷酸鹽在食品加工過程中的套用十分普遍,效果顯著,現將典型實例列於下表中:

磷酸鹽在食品加工過程中的套用、功效及用量

添加劑

磷酸鹽磷酸鹽

抗結塊劑:磷酸鈣

3、抗氧化劑:次磷酸鈣

緩衝劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸氫鈣、磷酸鈣、焦磷酸鈣、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、酸式焦磷酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、焦磷酸鈉

麵團改良劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸二氫鈣、磷酸氫鈣

乳化劑:磷酸鉀、聚偏磷酸鉀、焦磷酸鉀、磷酸鋁鈉(鹼性)、偏磷酸鈉(不溶性)、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、聚磷酸鈉(玻璃質)、焦磷酸鈉

硬化劑:磷酸二氫鈣

保濕劑:聚偏磷酸鉀

發酵劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、酸式焦磷酸鈉、磷酸鋁鈉(酸性)

營養劑:磷酸二氫鈣、磷酸氫鈣、磷酸鈣、焦磷酸鈣、磷酸鐵、焦磷酸鐵、磷酸氫鎂、磷酸鎂、次磷酸錳、焦磷酸鐵鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、焦磷酸鈉

防腐劑:次磷酸鈉。

螯合劑:磷酸二氫鈣、磷酸、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、酸式焦磷酸鈉、偏磷酸鈉(不溶性),聚磷酸鈉(玻璃狀)。

改良澱粉添加劑:三偏焦磷酸、磷酸二氫鉀。

組織改良劑:焦磷酸鉀、三聚磷酸鉀、偏磷酸鈉(不溶性)、磷酸氫二鈉(玻璃質)、三聚磷酸鈉。

發酵食品:磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、磷酸二氫鈣、磷酸二氫鈣、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀。

由上可看出:磷酸鹽在食品加工中的功能主要有兩點,一是品質改良劑,二是營養強化劑。

磷酸鹽在食品加工工程的作用及機理,國外發表的論著一千餘篇,現將其主要作用歸納如下:

對金屬離子的封閉作用:聚磷酸鹽能與溶液 中的金屬離子Ca2+ 、Mg2+ 、Cu2+ 、Fe2+ 、等螯合,生成可溶性命攸關螯合物,從而降低硬度 ,防止金屬離子Cu2+ 、Fe2+ 等起催化作用,與水和蔬菜、水果果皮中的Cu2+ 螯合,使其很快軟化,縮短蒸煮時間和提高果膠等提取率。 特別是水果蔬菜罐頭溶液中存在Cu2+ 、Fe2+等離子時,能促進維生素C的分解和色素褪色、變色、可防止肉類、禽類、魚類腐敗,以延長食品儲存期限。同時磷酸鹽還能阻止罐頭中漂白劑過氧化氫的分解,從而提高漂白效果,並能除去金屬離子中的臭味。聚磷酸鹽可防止防止或延緩不飽和脂肪的氧化。抑制微生物生長,因而起防腐抑菌作用。

乳化分散作用:聚磷酸鹽具有使水中難溶物質分散或現成穩定懸浮體的

作用於,以防止懸浮液的附著、凝聚,如脂肪及蛋白質的乳化作用等。由於聚磷酸鹽能使蛋白質的水溶膠質在脂肪球上現成一種膠膜,從而使脂肪更有效地分散在水中,因此廣泛用於澱粉的磷酸化處理,色素的分散,乳化食品(乾酪、乳製品、冰淇淋、色拉、調味汁等),以及用作香腸、肉末的分散穩定劑。

緩衝作用:無論正磷酸鹽或磷酸鹽,均為強緩衝劑,可有效的將介質中的液相穩定在一定PH值範圍內,因此廣泛的用作為食品調節劑,適當選擇其Me2O/P2O5之比或聚合度,可在廣泛規定的PH範圍內起強的緩衝作用,以控制和保持穩定的PH變化範圍,可使食品味道更鮮美。

蛋白作用:磷酸鹽對蛋白質,膠 球蛋白具有增強作用,因此可增加肉製品的水合性和保水性,提高水的浸透性,促進食品的軟化和改善食品的質量,保持食品的優良風味,同時磷酸鹽在奶製品中能防止牛奶加熱時的凝集,防止奶蛋白與脂肪水分的分離。

肉是動物的肌肉組織,它的的由稱作肌動球蛋白的蛋白質複合體組成的纖維組織肌動球蛋白是由肌動蛋白和肌球蛋白組成,在總蛋白質中,肌動蛋白約占13%,肌球蛋白約占38%,在PH=4.7處有一等電點。動物一旦死亡,新陳代謝即停止,肌肉的PH很快從4.7增至5.4-5.8。而PH值為5.5左右時,其保水性最低。提高或降低其PH值都可提高其保水性。加入磷酸氫二鈉、磷酸三鈉、焦磷酸鈉或三聚磷酸鈉均可使肉的PH值提高,從而提高其保水性。

肌肉蛋白是一種對鈣、鎂離子親和力極強的負電荷蛋白質。聚磷鹽能與球蛋白中結合的鈣、鎂離子螯合,肌肉蛋白質的網狀結構被破壞,包在結構中的可與水結合的極性基團被釋放出來,因此可提高其保水性。

加入聚磷酸鹽可增加肉中蛋白質周圍的離子強度,從而使肉的肌球蛋白的溶解性增加而成溶狀態,使肉的保水性增。

聚磷酸鹽可解離,促進蛋白中的肌動球蛋白轉化為肌動蛋白和肌球蛋白,而肌球蛋白能增加其保水性。

此外,由於聚磷酸鹽對金屬離子的吸附和螯合作用,使不溶晶體的晶型改變,使無結晶晶核存在。如在魚類罐頭中加入磷酸銨鎂(MgNH4PO4H2O),可防止晶花生成。

最新動態

磷酸鹽礦或在百年內消失 將影響世界糧食安全

鹽酸磷礦是約旦的主要產業鹽酸磷礦是約旦的主要產業

10年前,加拿大英屬哥倫比亞大學市政工程師Don Mavinic致力於去除污水處理廠中的沉積物,當細菌被運用於去除這些污泥的時候,一種被認為是鳥糞石的固定物質會在管道和抽水泵中形成。

Mavinic認識到鳥糞石不僅僅是一種垃圾,它還是磷酸鹽、鎂、氨鹽基的合成物,這些物質是植物生長所必需的營養元素。他發明了一種去除污水處理工程中沉積物的方法,這種沉積物被他以綠色肥料來銷售,並且這項技術於2007年在加拿大首先在商業中得以使用。

隨後,這項技術被美國波特蘭的一家污水處理廠引進,並於今年正式投入使用。英國的一家污水處理廠也於今年9月份成功地實驗了這項技術。這項技術除了去除討厭的副產物以外,鳥糞石的循環也解決了一個大問題,那就是磷酸鹽礦石逐年減少的局面。

所有的生命形式,都需要磷酸鹽。它在RNA、DNA和細胞新陳代謝中扮演重要的角色,包括中國、美國、摩洛哥和其他國家在內,每年都會從地下開採成百萬噸的磷酸鹽,然後製成肥料,用於農業發展。但是作為非常有限的資源,磷酸鹽將在百年之內消失,對於地球上到底還有多少磷酸鹽,以及它將在多長時間內消耗殆盡,科學家持有不同的意見。但是他們都認為,磷酸鹽的減少是必然的,它將帶來未來世界糧食供應的不足。

“我認為,對於許多國家來說,磷酸鹽礦石是一種戰略性物質,在未來它將變得越來越寶貴。”國際土壤肥料和農業發展中心(IFDC)Steven Van Kau說。一些科學家和工業界人士也普遍認為,國家政治和經濟的發展都將建立在磷酸鹽礦石的儲藏上,整個世界將從一個依賴於油的經濟轉變為依賴於磷酸鹽的經濟。

“但是,非常奇怪的是,這樣一個重要的物質卻很少被人理解,也很少在政治領域內給予討論。”瑞典斯德哥爾摩環境研究所水資源學家Arno Rosemarin說。雖然世界各國並沒有特別關注磷酸鹽的缺失,但是聯合國將在下個月有關全球食品安全的會議將會討論這個話題。這表明,磷酸鹽的缺失開始引起世界的關注。

只剩幾十年嗎?

磷酸鹽是植物生長所必需的營養物質,它催生了全球內磷酸鹽開採的蓬勃發展,美國地質調查局(USGS)預測,大約有620億噸的磷酸鹽儲存在地下,這其中有150億噸可開採。另外一些磷酸鹽主要分布於遠岸,或者是伴生鎘等有毒物質而不易開採。

根據USGS2008年的最新數據,全世界已開採了1.61億噸磷酸鹽,磷礦石專家Stephen Jasinski說,在未來5年內,對肥料的需求將會以每年2.5%~3%的速度增長,如果以此速度持續發展,全世界的磷酸鹽礦石產量大約只能持續125年,這是一個相對樂觀的時間範圍。

另外,國際肥料工業協會(IFA)的成員們也認可這樣的數據,該協會生產和國際貿易委員會執行秘書Michel Prud’homme 認為,全球對肥料的需求將以一個相對緩慢的速度增長,而且將在本世紀中葉降下來,這將使磷酸鹽礦石儲量至少維持另外一個100年。但是其他一些科學家認為,對肥料的需求是快速增長的,這將使得磷酸鹽礦石儲量在短時間內耗竭。這種快速的需求部分來自於日益增長的全球人口,根據世界糧農組織(FAO)的數據,在2050年全世界人口對糧食的需求至少翻倍。

Rosemarin和其他一些科學家認為,人們不能依賴於這些難以開採的磷酸鹽礦石,如果增長速度維持在每年3%,剩餘的可開採的清潔的磷酸鹽礦石將在50年內開採耗竭。

但是所有的這些預測,都缺乏可靠的數據支持,世界上大部分的磷酸鹽開採公司都與肥料公司聯合在一起,而磷酸鹽礦山又大多被公司或國家所控制,所以很難獲得關於磷酸鹽儲量準確而獨立的數據。FAO植物生長和保護分部副部長Eric Kueneman說:“作為一個公共組織,我們並不知道工業界內一些事。為了準確回答磷酸鹽什麼時候會耗盡,我們確實需要一個預言未來的方法。”

IFA從它的組織成員中獲取了有關磷酸鹽的儲量數據,但是一些學者質疑這些數據的準確性,這些生產者並不願意提供這些數據,因為這其中涉及許多商業秘密。

沒有定論

約旦的磷酸鹽礦石開採場衛星圖約旦的磷酸鹽礦石開採場衛星圖

剛剛在澳大利亞悉尼科技大學完成自己博士論文的Dana Cordell說,政府提供的數據也存在很大的不確定性,如中國和摩洛哥,中國2001年加入世貿組織時,曾報告磷酸鹽礦石儲量接近80億噸,而此前這個數據僅為20億噸。

Cordell和Kueneman 呼籲要對磷酸鹽礦石儲量數據進行獨立收集。Cordell說,磷酸鹽不像能源和水資源等都具有自己的組織,目前,還沒有一個關於磷酸鹽的國際性的獨立組織。目前,IFDC正著手開展一項調查,希望就世界磷酸鹽礦石儲量資源獲得更加詳實的數據。通過對磷酸鹽生產商、學會和其他一些礦石專家發調查表,收集廣泛的數據,以了解世界上到底還有多少磷酸鹽。作為這個項目的首席科學家,Van Kauwenbergh希望在明年5月份公布第一批數據,如果這項研究能夠獲得更多發現的話,他們將在未來5年內繼續開展研究。

USGS關於磷酸鹽儲量的數據是目前引用率最高的數據,但是這些數據也存在一些問題,因為這些數據來源於各國政府,而不是生產商,所以這些二手甚至三手信息是不可靠的,它們還會隨時間而變化。

也有一些人士認為,沒有必要過多地關注磷酸鹽儲量有多少這個問題。Jasinski說:“我不認為這是一個危機,但確實是一個值得我們關注的事情。”

Prud’homme卻對未來充滿信心,如果需求增長的話,必然帶來價格的上升,這會迫使公司去開採新的、品相低的、遠岸等地的礦藏。“我們認為,地球上有足夠的儲量滿足食品和物質需求。”

事實上,人們發現了一些新的磷酸鹽礦石儲藏地,技術的進展也使得在遠岸開採磷酸鹽變得可行。但是有些人則認為,這並不能解決長期的問題,因為“我們不可能發現另外一個摩洛哥。”Jasinski說。

公司開發新技術的動力來自於2008年磷酸鹽礦石需求的飆升,這個價格曾經一度達到500美元/噸,幾乎是2007年平均價格的5倍多。而在過去的5年內,磷酸鹽價格基本保持穩定,中國和印度對磷酸鹽的肥料需求的增加導致其供應緊張,直接造成磷酸鹽礦石價格的上升。

別無選擇

如果想要保持可持續發展,那么開採低品相的礦石根本不是解決之道,這不僅是因為開採成本非常昂貴,而且還會污染土壤,如鎘就對植物和動物具有較大的毒性。

世界上磷酸鹽儲藏的不確定性還伴隨一個不爭的事實,即磷酸鹽供給被控制在幾個少數國家手裡,中國、摩洛哥、美國和俄羅斯共占有世界磷酸鹽儲量的70%。

其實,對磷酸鹽市場的戰略性操縱早已顯現。2004年3月,美國和摩洛哥簽署了一項自由貿易協定,這項協定就包括磷酸鹽礦石買賣。2008年摩洛哥向美國出口了價值6500萬美元的肥料,儘管美國是世界上最大的磷酸鹽礦石儲量國之一,但是在過去的25年裡,美國的磷酸鹽肥料生產顯著下降。Rosemarin說,與摩洛哥的交易旨在保護美國未來的肥料和食品供應。

對某些有限的資源如石油來講,我們可以找到它的替代品,但是目前還沒有發現磷酸鹽的替代品。目前有可能的途徑就是回收和循環使用,如Mavinic的技術。粗略地估算,如果加拿大所有的污水處理廠使用Mavinic的技術的話,生產的肥料足以滿足加拿大國內30%的需求。但是這項技術與糞便相比,將會變得更加蒼白。因為動物糞便含磷酸鹽量大約是人類糞便的5倍。如果能將動物糞便中的磷酸鹽提取出來,這將產生巨大的經濟和社會效應。

但是,所有這些技術的實現都需要時間,當新的技術得以套用的時候,幾十年就已經過去了。這些新技術出現的時候,那時的世界可能已陷入糧食和肥料匱乏的窘境。

無機化學

無機化學是除碳氫化合物及其衍生物外,對所有元素及其化合物的性質和他們的反應進行實驗研究和理論解釋的科學,是化學學科中發展最早的一個分支學科。現在讓我們來認識一下這部分化學知識吧。

食品添加劑

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