食品級(jí)磷酸鈉鹽微觀結(jié)構(gòu)研究

李 維，范佳利，屈 云，張亞娟，鄭 旺

（湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司，湖北 宜昌 443007）

食品級(jí)磷酸鈉鹽微觀結(jié)構(gòu)研究

李 維，范佳利，屈 云，張亞娟，鄭 旺

（湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司，湖北 宜昌 443007）

采用掃描電鏡系統(tǒng)研究食品級(jí)磷酸鈉鹽微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)比了不同磷酸鈉鹽的微觀結(jié)構(gòu)，分析了同一磷酸鈉鹽在不同工藝條件下的微觀結(jié)構(gòu)差異。研究表明，磷酸鈉鹽的微觀結(jié)構(gòu)與聚合溫度、反應(yīng)工藝、進(jìn)料方式等關(guān)系較大。利用掃描電鏡分析食品級(jí)磷酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)，可對(duì)產(chǎn)品定向改進(jìn)起到一定的指導(dǎo)作用。

掃描電鏡；食品級(jí)；磷酸鈉鹽；微觀結(jié)構(gòu)

磷對(duì)動(dòng)物和人體骨骼、血液、細(xì)胞組織都起著重要的組成和新陳代謝作用，必須從食物中補(bǔ)充。磷酸鹽從20世紀(jì)初首次應(yīng)用于食品加工以來(lái)，已逐漸成為使用最廣泛的食品添加劑之一。目前全球食品級(jí)磷酸鹽消費(fèi)量約30萬(wàn)t，消費(fèi)額超8億美元，年平均增長(zhǎng)率約3%。我國(guó)食品級(jí)磷酸鹽需求旺盛，長(zhǎng)期保持8%～18%高增長(zhǎng)[1]。磷酸鹽在食品加工中主要用作品質(zhì)改良劑或營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，廣泛應(yīng)用于肉制品、水產(chǎn)品、米面烘焙食品、乳制品和飲料等食品加工領(lǐng)域[2]。目前，食品級(jí)磷酸鹽的研究深度無(wú)法滿(mǎn)足行業(yè)高速發(fā)展需求，導(dǎo)致磷酸鹽在生產(chǎn)和應(yīng)用中的許多問(wèn)題難以有效解決。例如傳統(tǒng)磷酸鈉鹽（三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉等）溶解性不佳，導(dǎo)致產(chǎn)品使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)塊、溶解緩慢或溶解不完全等現(xiàn)象，影響加工效率。掃描電鏡作為一種有效顯微結(jié)構(gòu)分析工具，可對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行多形式表面形貌觀察和分析[3]，但鮮有關(guān)于食品級(jí)磷酸鹽微觀結(jié)構(gòu)研究的報(bào)道。為改善傳統(tǒng)磷酸鈉鹽理化性質(zhì)，增強(qiáng)應(yīng)用效果，可通過(guò)掃描電鏡觀察磷酸鈉鹽的顆粒形狀、大小、分布情況等，還可依據(jù)顆粒破裂程度分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、中空比例。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合磷酸鹽生產(chǎn)工藝、應(yīng)用效果進(jìn)行深入分析，可為磷酸鹽定向改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與樣品

JSM-7500F型掃描電子顯微鏡。

三聚磷酸鈉（五鈉），焦磷酸鈉（焦鈉），焦磷酸二氫二鈉（酸焦），六偏磷酸鈉（六偏）。

1.2 方法

分別取適量五鈉、焦鈉、酸焦、六偏固體粉末，通過(guò)830μm、106μm篩網(wǎng)，取106～830μm間的粉末為待處理樣品。稱(chēng)取10mg待處理樣品于1mL 99.5%的無(wú)水乙醇溶液中，超聲分散成磷酸鈉鹽-乙醇懸浮液。將磷酸鈉鹽-乙醇懸浮液滴于潔凈鋁箔片上，待紅外燈烘干懸浮液后，放置在E-1045型離子濺射儀樣品艙中，在15mA電流下噴金90s，置于JSM-7000F掃描電鏡觀察室進(jìn)行觀察。挑選較好成像倍率，按需求對(duì)比樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同磷酸鹽微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

首先分析不同磷酸鈉鹽的微觀結(jié)構(gòu)。為保證測(cè)試結(jié)果一致性，均選取一步法聚合產(chǎn)出的五鈉、焦鈉和六偏樣品進(jìn)行分析。選擇100倍率下成像圖以便整體觀察，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同磷酸鹽掃描電鏡圖Fig.1 The SEM of different sodium phosphates

由圖1可知，一步法的五鈉和焦鈉都為顆粒狀結(jié)構(gòu)，且五鈉以球形顆粒為主，而焦鈉顆粒中異狀物較多，且顆粒度明顯比五鈉要大一些。六偏結(jié)構(gòu)與五鈉、焦鈉的結(jié)構(gòu)明顯不同，為片狀晶體。這是因?yàn)榱酆蠝囟群芨?，達(dá)到700℃左右，料漿在高溫下干燥、聚合并呈熔融態(tài)，從爐尾流出驟冷降溫，最后經(jīng)破碎形成了片狀晶體；而五鈉和焦鈉聚合溫度較低，僅為300～400℃，在聚合爐內(nèi)并沒(méi)有形成熔融態(tài)，因此最后形成的是顆粒狀產(chǎn)品。由此說(shuō)明，聚合溫度對(duì)磷酸鈉鹽微觀結(jié)構(gòu)起著決定性影響。

2.2 不同反應(yīng)工藝下五鈉微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

五鈉在水產(chǎn)品、肉制品等食品領(lǐng)域用作水分保持劑，用量很大，且一般配成溶液使用。客戶(hù)在使用過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)不斷提出新的需求，尤其對(duì)產(chǎn)品溶解性能的要求很高。普通五鈉產(chǎn)品已無(wú)法滿(mǎn)足高端客戶(hù)需求，因此速溶型五鈉的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。通過(guò)研究不同反應(yīng)工藝下五鈉的微觀結(jié)構(gòu)，可對(duì)速溶型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)起到很好的指導(dǎo)作用。為更清晰認(rèn)識(shí)五鈉在不同反應(yīng)工藝下的微觀結(jié)構(gòu)，采用200倍率分析成像圖，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同工藝條件下五鈉微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The SEM of STPP under different reaction conditions

五鈉主流生產(chǎn)方法有兩種，一步法和二步法。一步法包含高塔一步法和聚合爐一步法（本文一步法特指聚合爐一步法），即通過(guò)一步聚合生產(chǎn)出五鈉產(chǎn)品。二步法即先在高塔內(nèi)進(jìn)行干燥，再進(jìn)入聚合爐聚合。兩步法與一步法相比，投資較大，設(shè)備占地更廣，但其能耗低、產(chǎn)能較大、工藝柔性好。由圖2可知，一步法產(chǎn)五鈉與二步法相比，顆粒表面光滑，表面豁口少，分布不均勻，部分顆粒緊實(shí)致密，溶解時(shí)總體表現(xiàn)為與水接觸不充分。經(jīng)測(cè)試比較發(fā)現(xiàn)，一步法五鈉溶解后會(huì)殘留少許難溶顆粒，溶解性稍弱于二步法五鈉。特殊工藝生產(chǎn)的五鈉是通過(guò)優(yōu)選磷酸鹽生產(chǎn)原料，嚴(yán)格控制中和反應(yīng)過(guò)程中的料漿溫度、攪拌槳速率等參數(shù)，促使中和反應(yīng)更加充分。開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“動(dòng)噴沸騰聚合爐”，在爐頭中心設(shè)置可調(diào)控噴霧進(jìn)料器，在爐體內(nèi)壁設(shè)置環(huán)形布料器，強(qiáng)化物料與熱空氣的熱交換，促進(jìn)了分子間的脫水聚合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)進(jìn)料、均勻霧化、快速干燥和高效聚合，使產(chǎn)品反應(yīng)過(guò)程達(dá)到最佳。由此得到的產(chǎn)品顆粒度更大，呈疏松多孔、薄壁中空結(jié)構(gòu)，在溶解過(guò)程中，大大提升了五鈉與水的接觸面積，使產(chǎn)品溶解速度明顯變快。

2.3 不同焦鈉微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

焦鈉在25℃下的溶解度約6g，而在冰水中焦鈉會(huì)迅速團(tuán)聚結(jié)塊，溶解速度更慢，因此其在食品中的應(yīng)用受限。另一方面，焦鈉在肉制品中持水能力特別優(yōu)異，因此，在有限條件下提升焦鈉的溶解性很有必要。采用300倍率研究普通焦鈉和速溶焦鈉的微觀結(jié)構(gòu)（圖3），可更為直觀地認(rèn)識(shí)焦鈉溶解性的影響因素。

圖3 不同焦鈉微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.3 The SEM of different TSPP

由圖3可知，普通焦鈉與速溶焦鈉顆粒表面都比較光滑，普通焦鈉雖可破裂，但碎片均堆積在一起，說(shuō)明顆粒內(nèi)部空間極小，接近實(shí)心結(jié)構(gòu)；而速溶焦鈉顆粒有較大的孔洞，在溶解過(guò)程中與水接觸更充分，更有利于溶解。速溶焦鈉生產(chǎn)工藝是在普通焦鈉生產(chǎn)工藝上進(jìn)行的改進(jìn)，改進(jìn)思路和方法與五鈉相似。

2.4 不同進(jìn)料方式下未破碎酸焦樣品微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

酸焦是磷酸二氫鈉（一鈉）經(jīng)干燥脫水、高溫聚合得到的產(chǎn)品，其主要用作泡打粉原料，產(chǎn)品一般需經(jīng)過(guò)粉碎制得粉末狀成品，因此不便于微觀結(jié)構(gòu)分析，取未破碎顆粒樣品進(jìn)行電鏡掃描最為合適。一鈉料漿進(jìn)料方式有兩種，一種是離心進(jìn)料，另一種是壓力噴霧，分析這兩種進(jìn)料條件下未破碎酸焦樣品的微觀結(jié)構(gòu)（圖4），可進(jìn)一步了解進(jìn)料方式對(duì)產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 不同進(jìn)料方式下酸焦未破碎樣品微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.4 The SEM of SAPP under different feeding methods

由圖4可知，離心進(jìn)料產(chǎn)酸焦樣顆粒度更小一些，顆粒與顆粒之間更緊密一些，說(shuō)明采用離心進(jìn)料方式，料漿霧化得更充分一些，進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)液滴更小，而壓力噴霧方式產(chǎn)生的液滴更大一些。

3 結(jié)論與展望

利用掃描電鏡技術(shù)對(duì)磷酸鈉鹽的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)五鈉、焦鈉微觀結(jié)構(gòu)呈球狀顆粒，六偏呈片狀晶體，說(shuō)明磷酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)與聚合溫度關(guān)系密切。一步法生產(chǎn)的五鈉與二步法、特殊工藝產(chǎn)的五鈉結(jié)構(gòu)不同；普通焦鈉與速溶焦鈉的結(jié)構(gòu)不同；離心進(jìn)料產(chǎn)酸焦樣與壓力噴霧進(jìn)料產(chǎn)酸焦樣結(jié)構(gòu)也有差異，這說(shuō)明改變某一種加工條件都會(huì)對(duì)磷酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

通過(guò)分析磷酸鹽產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)，把產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝聯(lián)系起來(lái)，并建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，既有利于我們深入了解磷酸鹽的性質(zhì)，也有利于在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定向改進(jìn)。另外，還可借助掃描電鏡技術(shù)研究磷酸鉀鹽等其他磷酸鹽種類(lèi)及非磷食品添加劑的微觀結(jié)構(gòu)，以期促進(jìn)食品行業(yè)更好地向前發(fā)展。

[1] 貢長(zhǎng)生. 現(xiàn)代磷化工技術(shù)和應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：593-598.

[2] 范佳利，李維，屈云，等. 食品磷酸及磷酸鹽的食品安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀[J].食品工程，2016(9)：15-18.

[3] 王紹清，王琳琳，范文浩，等. 掃描電鏡法分析常見(jiàn)可食用淀粉顆粒的超微形貌[J].食品科學(xué)，2011，32(15)：74-79.

Study on Microstructure of Food Grade Sodium Fhosphates

LI Wei, FAN Jali，QU Yun, ZHANG Yajuan, ZHENG Wang
(Hubei Xingfa Chemicals Group Limited Company, Yichang 443007, China)

The microstructure of food sodium phosphates was studied systematically by scanning electron microscope. The microstructure of diあerent sodium phosphates was compared, and the microstructure of the same sodium phosphate under diあerent process conditions was analyzed. Research showed that the microstructure of sodium phosphate was closely related to polymerization temperature, reaction process, feed method and so on; scanning electron microscope used to analyze the microstructure of food phosphates played a vital role in directional modi fi cation of phosphate products.

sodium phosphates; microstructure; scanning electron microscope; food grade

TQ 126.3+5

A

1671-9905(2017)12-0030-03

李維（1988-），男，湖北宜昌人，碩士，從事功能型磷酸鹽和復(fù)配磷酸鹽新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及質(zhì)量提升研究。電話(huà)：13477109233，E-mail:lw999ok@163.com

2017-08-30