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磷酸盐在食品加工中的应用:
磷酸盐在食品加工中的应用
               
            磷酸盐在食品加工中的应用
□ 磷酸盐是几乎所有食物的天然成分之一,作为重要的食品配料和功能添加剂被广泛用于食品加工中。本文讨论了磷酸盐作为食品添加剂的特性和应用领域。
  磷是人体所必需的重要的矿物质元素,人体摄入磷的主要来源为天然食物或食品磷酸盐添加剂,磷酸盐是几乎所有食物的天然成分之一。由于磷酸盐能改善或赋予食品一系列优异性能,因此早在一百多年前就开始应用于食品加工中,而大量使用则在二十世纪七十年以后。目前,磷酸盐是应用最广泛、用量较大的食品添加剂门类之一,作为重要的食品配料和功能添加剂广泛应用于肉制品、禽肉制品、海产品、水果、蔬菜、乳制品、焙烤制品、饮料、土豆制品、调味料、方便食品等的加工过程中。

  一、磷酸盐的简介
  1. 分类
  磷酸盐可分为正磷酸盐和缩聚磷酸盐:
  正磷酸盐指正磷酸(H3PO4)的各种盐:M3PO4、M2HPO4、MH2PO4(M为一价金属离子)。
  正磷酸盐加热脱水缩合形成缩聚磷酸盐,其通式为Mn+2PnO3n+1, 式中M为一价金属离子,n为磷原子数,当n值很大时,缩聚磷酸盐的极限化学式为MnPnO3n。
  焦磷酸的各种盐称为焦磷酸盐,M4P2O7 ;
  三磷酸的各种盐称为三聚磷酸盐,M5P3O10;
  分子含有3个以上的磷原子的缩聚磷酸盐统称为多聚磷酸盐,其分子中含O-P-O键的数目称为多聚磷酸盐的链长。
  偏磷酸盐分子式为(MPO3)n,大体可分环状偏磷酸盐、不溶性偏磷酸盐和偏磷酸盐玻璃体(这类物质实际上是链长在10以上的链状多聚磷酸盐及少量的环状偏磷酸盐的混合物)。
  2. 在食品加工中使用的磷酸盐通常为钠盐、钙盐、钾盐以及作为营养强化剂的铁盐和锌盐,常用的食品级磷酸盐的品种有三十多种,磷酸钠盐是目前国内食品磷酸盐的主要消费种类,随着食品加工技术的发展,磷酸钾盐的消费量也在逐年上升。
  为充分发挥各种磷酸盐以及磷酸盐与其他添加剂之间的协同增效作用,满足食品加工技术的发展需求,在实际应用中常常使用各种复配型磷酸盐作为食品配料和功能添加剂,复配型磷酸盐的研究与开发日益成为磷酸盐类食品添加剂开发与应用的发展方向。
  GB2760—96《食品添加剂使用卫生标准》规定许可使用及常用的食品级磷酸盐如表1所示。

  表1 常用的食品级磷酸盐
图1 磷酸盐的特性与链长的关系示意图


代码

名称

分子式

分子量

PH值
(1%溶液)

溶解度
20℃g/100g

P2O5
含量,%

15.005

磷酸二氢钠

NaH2PO4

119.98

4.5

46.0

59.2

15.006

磷酸氢二钠

Na2HPO4

141.96

9.1

7.8

50.0

15.001

磷酸三钠

Na3PO4

163.94

11.9

11.0

43.3

15.007

磷酸二氢钙

Ca(H2PO4)2

234.05

3

1.8(30℃)

60.6

06.007

磷酸氢钙

CaHPO4

136.06

7-8

0.02

52.2

15.007

磷酸三钙

Ca3(PO4)2

310.18

不溶

45.8

15.008

焦磷酸二氢二钠

Na2H2P2O7

221.97

4.1

14.5

64.0

15.004

焦磷酸钠

Na4P2O7

265.90

10.2

6.2

53.4

15.003

三聚磷酸钠

Na5P3O10

367.86

9.7

14.6

57.9

15.002

六偏磷酸钠

(NaPO3)n

(102)n

5.8-6.5

易溶

≥68

15.010

磷酸二氢钾

KH2PO4

136.09

4.5

22.7

52.2

15.009

磷酸氢二钾

K2HPO4

174.18

8.9

159.7

40.8

 

四聚磷酸钠

Na6P4O13

469.83

8.5

170

60.4

 

磷酸三钾

K3PO4

212.28

11.8

98.8

33.4

 

焦磷酸钾

K4P2O7

330.35

10.3

184.8

43.0

 

三聚磷酸钾

K5P3O10

448.43

9.9

200

47.5


正磷酸盐

焦磷酸盐

三聚磷酸盐

多聚磷酸盐

Orthophosphate

Pyro- / di-

Tripoly- / tri-

Poly-

N=1

N=2

N=3

链长 N


  3. 由于链长、PH值、P2O5含量以及所结合的金属阳离子的不同,导致不同种类的磷酸盐在物理和化学性质上有很大的差异。对直链状的聚磷酸盐而言,随着链长的增加,其乳化作用、分散性能和螯合钙离子的能力增大,而缓冲作用和PH值则随之减小。
  缩聚磷酸盐在加热或酸性增强的条件下会发生水解,生成正磷酸盐或短链的聚磷酸盐,在溶液中有酵素、凝胶、络合阳离子存在时,可大大加快水解速度,溶液的离子强度增加,水解速度可加快好几倍。
  在实际应用中,往往按食品加工工艺的要求,根据磷酸盐的PH值及缓冲作用、溶解性、持水作用、乳化作用、分散性能、螯合作用、水解稳定性等特性来合理选用磷酸盐作为食品配料和功能添加剂。
  二.磷酸盐的特性及其在食品加工中的作用
  磷酸盐在食品加工中的功能主要有两点:一是作为品质改良剂,改进食品的组织结构和口感;二是可用作矿物营养强化剂。
  磷酸盐在食品加工中的作用主要基于磷酸盐的如下特性:
  1. 缓冲作用:
  磷酸盐的PH值从中等酸性(PH~4)到强碱性(PH~12),当不同的磷酸盐以不同的比例相配合时,可以得到PH值稳定在PH4.5-11.7之间不同水平的缓冲剂。在大多数食品的PH值范围内(PH3.5-7.5),磷酸盐均可作为高效的PH调节剂和PH稳定剂,使食物味道更鲜美。缓冲作用最强的是正磷酸盐,对聚磷酸盐而言,随着链长的增加,缓冲能力将减弱。
  2. 持水作用:
  聚磷酸盐是亲水性很强的水分保持剂,它能很好地使食品中所含的水分稳定下来。其持水性的好坏,与聚磷酸盐的种类、添加量、食品的PH值、离子强度等因素有关。
对肉制品及海产品而言,持水能力最好的是焦磷酸盐,其次为三聚磷酸盐,随着链长的增加,多聚磷酸盐的持水能力将减弱。
  3. 聚阴离子效应:
  聚磷酸盐是一种聚合电介质,并具有无机表面活性剂的特性,能使水中难溶物质分散或形成稳定悬浮液,以防止悬浮液的附着、凝聚。由于聚磷酸盐能使蛋白质的水溶胶质在脂肪球上形成一种胶膜,从而使脂肪更有效地分散在水中,因而被广泛应用于淀粉的磷酸化处理、色素的分散、乳化食品(乳制品、冰淇淋、色拉、调味汁等)以及用作香肠、肉糜制品、鱼糜制品的分散稳定剂。
  对直链的聚磷酸盐而言,其乳化、分散能力随着链长的增加而增强。
  4. 螯合作用:
  聚磷酸盐易与溶液中的金属阳离子形成可溶络和物 ,从而降低水的硬度,抑制由Cu2+、Fe3+等金属阳离子引起的氧化、催化、变色、分解维生素C的作用,达到防止和延缓脂肪氧化,防止肉类、禽类、鱼类腐败,保持色泽的目的,以延长食品的货架期。

  表2. 聚磷酸盐对金属离子的螯合能力(g/100g聚磷酸盐)

聚磷酸盐

Ca 2+

Mg 2+

Fe 3+

焦磷酸钠

4.7

8.3

0.273

三聚磷酸钠

13.4

6.4

0.184

四聚磷酸钠

18.5

3.8

0.092

六偏磷酸钠

19.5

2.9

0.031


  聚磷酸盐的螯合作用取决于链的长短和PH值。一般说来,长链聚磷酸盐对轻金属离子具有较强的螯合能力,并随PH值的增高而增加;短链聚磷酸盐对重金属离子具有较强的螯合能力,但随PH值的增高,螯合作用减弱。
  5. 蛋白作用:
磷酸盐对蛋白质、胶朊球蛋白具有增强作用,因而可提高肉制品的水合性和持水性,提高水的浸透性,促进食品的软化和改善食品的质量,保持食品的风味。同时磷酸盐在乳制品中能防止牛奶加热时的凝聚,防止酪蛋白与脂肪水分的分离。
  6. 膨松作用:
  酸性的磷酸盐(如酸式焦磷酸钠、磷酸氢钙)通常用作焙烤制品膨松剂的膨松酸,和碳酸氢盐反应为焙烤过程提供所需的二氧化碳气体。
  7. 抗结块作用:
  磷酸三钙通常用作抗结块剂以提高粉末状或吸湿性食品的自由流动性能。
  磷酸三钙的比表面积较大,能结合较多的水分;而且它的特殊球状晶体结构能产生“滚珠效应”,从而使粉料具有良好的自由流动性能。
  8. 延长食品货架期 :
  聚磷酸盐可增强食品的贮存稳定性,延长产品货架期。这种作用主要基于:(1)PH调节作用;(2)抑菌作用:微生物细胞生长必需依赖二价金属阳离子,特别是Ca2+ 和Mg2+,,而磷酸盐能与这些金属阳离子螯合,并且它在细胞分裂时能降低细胞壁的稳定性,还能降低许多细胞的热稳定性,从而有效抑制细菌滋生。
  聚磷酸盐的抑菌作用和其种类(链长)、含量、PH值、盐含量、亚硝酸盐含量等因素有关。一般来说,随着链长的增大,抑菌作用增强。
  9. 矿物营养强化作用:
  磷酸钙盐、磷酸镁盐、磷酸铁盐、磷酸锌盐常在食品加工中用作矿物营养强化剂(Mineral enhancer)。
  在胃液中添加磷酸铁和磷酸锌能因其较好的溶解性而增强胃液的生物药效应,并且不会促进自然氧化现象发生。
  三.磷酸盐的安全性问题
  磷酸盐作为食品添加剂使用的安全性是人们非常关心的问题,国外许多科学工作者进行了大量关于磷酸盐毒理学研究之后,确认食品磷酸盐为无毒、安全性高的添加剂。
  联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO)1970年专门委员会的安全评价为,成年人每天允许摄入量为1.4-1.5gP2O5,而1985年食品添加剂委员会推荐饮食中总磷的无条件接受量为<30mg/kg体重,有条件接受量为30--70 mg/kg体重。
  在此必须指出的是,在食品磷酸盐的应用中,要重视钙、磷平衡(钙、磷比以1:1.2为好),并且要严格按食品添加剂使用卫生标准的规定合理使用食品磷酸盐,以免发生因钙、磷不平衡或滥用磷酸盐而导致对人体健康产生不良影响。
  四. 磷酸盐在食品加工中的应用
  1. 在肉制品和禽肉制品加工中的应用:
  1.1 为提高肉制品的品质,通常肉制品加工中加入磷酸盐,其作用为:
    a. 提高肉制品的粘结性,改善肉制品的切片性能;
    b. 提高肉的持水能力,使肉制品在加工和烹调过程中仍能保持其天然水分、减少肉的营养成分损失,保存了肉制品的嫩度,提高成品率;
    c. 控制肉制品的PH值在最适合蛋白质发胀的范围并使肉制品产生最佳的颜色;
    d. 增进乳化性能和乳化稳定性,有效防止脂肪和水分离;
    e. 封闭金属阳离子,延缓肉制品加工中的氧化反应,能有效降低产品的酸败速度,抑制肉制品的脱色、酸败,延长肉制品的货架期;
    f. 改善肉制品的加工性能,提高生产效率。
  1.2肉的持水性一般指在加工过程中,肉的水分及添加到肉中的水分的保持能力,持水性的高低直接关系到肉制品的质地和成品率,添加磷酸盐能有效提高肉制品的持水能力。
  如何在不影响肉制品风味的情况下合理地使用磷酸盐及其他添加剂,最大限度地提高肉制品的持水性和粘结性、降低肉制品的烧煮损失,一直是肉制品研究开发的重要课题。
  1.3 磷酸盐在肉制品加工中的合理使用:
  在实际应用中,应根据肉制品的类型、质地要求、生产工艺、原料等情况结合各种磷酸盐的特性选择适宜的磷酸盐种类及添加量。
  添加了焦磷酸盐的肉制品,其肌肉蛋白质的天然保水能力得以恢复和增强,多聚磷酸盐在肌肉酶的作用下能很快转化成焦磷酸盐,因而亦能达到同样的效果。尽管焦磷酸盐的保水效果最佳,但其溶解性太差,因而决大多数情况下不能单独使用,而是常常和溶解性较好的长链聚磷酸盐或磷酸钾盐一起复合使用。此外,为发挥各种磷酸盐以及磷酸盐与其他添加剂之间的协同增效作用,常常使用各种复配型肉制品改良剂。
  a. 对于香肠和肉糜类制品,通常使用焦磷酸盐和中等链长的聚磷酸盐,以干粉形式在斩拌时加入。所用的复合磷酸盐的PH值一般在7左右,有时也使用PH值高于9的复合磷酸盐。
  b. 注射盐水用的复合磷酸盐必须满足以下要求:1)在冰盐水中的溶解性好;2)高溶解速率;3)在冰盐水中的稳定性好。所用的复合磷酸盐的PH值一般为8.5--9.5。在制备注射用的冰盐水时为达到最佳的肌肉蛋白活化效果,最好先将磷酸盐溶解于冰水中,然后再加盐,这一顺序一般不能颠倒。
  c. 混合磷酸盐的添加量一般为0.1—0.4%,但使用时应严格控制用量。若添加量过高,会损害肉本来的风味,并且因PH值上升而影响发色。
  2. 在海产品加工中的应用:
  2.1 磷酸盐作为性能优异的保水剂、PH调节剂和抗冻剂被大量用于海产品特别是冷冻海产品的加工过程,其作用为:
   a. 有效提高海产品的持水能力,使肉汁更丰富,有效保持营养物质及水分;
   b. 抑制脂肪的氧化,有效延长海产品的货架期;
   c. 减少解冻后的流滴损失,减小烧煮重量损失;
   d. 保持海产品的天然色泽和风味;
   e. 与糖类协同增效,有效防止鱼糜蛋白质冷冻变性。
  2.2 在加工冷冻虾、鱼、贝类海产品时,通常将产品浸泡于3~10%复合磷酸盐溶液中进行处理(温度小于10℃),浸泡液浓度及浸泡时间根据虾、鱼、贝类海产品的种类、大小及捕捞时间来决定。
   合理选择浸泡用的复合磷酸盐时应考虑以下因素:a)能有效提高海产品的持水能力;b)在冰水中溶解性好;c)在冰水中能迅速溶解;d)在冰水中的稳定性好。所用的复合磷酸盐的PH值一般高于9。
   2.3 一般冷冻鱼糜中添加的复合磷酸盐主要为焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠,添加量为鱼糜的0.1-0.3%。
   3. 磷酸盐在面制品中的应用
   3.1 在烘焙制品中的应用:
酸性的磷酸盐(如酸式焦磷酸钠、磷酸氢钙)通常用作焙烤制品膨松剂的膨松酸,和碳酸氢盐反应为焙烤过程提供所需的二氧化碳气体。不同的磷酸盐具有不同的生面团反应速率(ROR),可根据预期的烘焙效果(膨松体积、孔隙结构、口味)合理选择磷酸盐。
此外磷酸盐还可用作面粉调节剂、面团改良剂、缓冲剂及酵母营养剂。
   3.2 磷酸盐作为面条品质改良剂广泛应用于方便面及普通面条的加工,其主要作用为:
   a. 增加淀粉糊化程度,增加淀粉吸水能力,使面团的持水性增加,使方便面复水快、易冲泡;
   b. 增强面筋蛋白的吸水溶胀性能,提高其弹性,使面条口感滑爽并有筋道、耐煮耐泡;
   c. 磷酸盐优异的缓冲作用能稳定面团的PH值,防止变色、变质,改善风味和口感;
   d. 磷酸盐在面团中能与金属阳离子络合,对葡萄糖基团有“架桥”作用,形成淀粉分子的交联,使耐高温蒸煮,经高温油炸的面条在复水后仍能保持淀粉胶体的粘弹性特征;
   e. 提高面条的光洁度;
   4. 在乳制品中的应用
磷酸盐作为稳定剂和乳化剂用于UHT-灭菌奶、奶油制品、炼乳、奶粉、咖啡伴侣、乳饮料、奶酪制品,其作用为:
   a. 缓冲和PH稳定作用;
   b. 与蛋白质的相互作用:分散食品配料,稳定乳化体系,增强酪蛋白结合水能力, 有效防止蛋白质、脂肪和水分离;
   c. 螯合多价金属离子,使得在加热过程中和贮存过程中蛋白质凝集沉淀现象大大减少,从而提高了牛奶的热稳定性和贮存稳定性。并能有效延缓乳糖凝结现象的发生。
   5. 磷酸盐还被广泛用于以下食品加工领域:
   ◎ 饮料:用作酸度调节剂、稳定剂和矿物营养强化剂;
   ◎ 土豆制品:用作稳定剂、保色剂;
   ◎ 米制品:提高制品弹性、改善制品口感;
   ◎ 调味料和速食汤:稳定剂、酸度调节剂;
   ◎ 吸湿性粉状食品:防结块,提高其自由流动性能;
   ◎ 淀粉制品及改性淀粉;
   ◎ 婴儿食品、功能食品:矿物营养强化剂。

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