食品级磷酸钠盐微观结构研究

李 维，范佳利，屈 云，张亚娟，郑 旺

（湖北兴发化工集团股份有限公司，湖北 宜昌 443007）

食品级磷酸钠盐微观结构研究

李 维，范佳利，屈 云，张亚娟，郑 旺

（湖北兴发化工集团股份有限公司，湖北 宜昌 443007）

采用扫描电镜系统研究食品级磷酸钠盐微观结构，对比了不同磷酸钠盐的微观结构，分析了同一磷酸钠盐在不同工艺条件下的微观结构差异。研究表明，磷酸钠盐的微观结构与聚合温度、反应工艺、进料方式等关系较大。利用扫描电镜分析食品级磷酸盐的微观结构，可对产品定向改进起到一定的指导作用。

扫描电镜；食品级；磷酸钠盐；微观结构

磷对动物和人体骨骼、血液、细胞组织都起着重要的组成和新陈代谢作用，必须从食物中补充。磷酸盐从20世纪初首次应用于食品加工以来，已逐渐成为使用最广泛的食品添加剂之一。目前全球食品级磷酸盐消费量约30万t，消费额超8亿美元，年平均增长率约3%。我国食品级磷酸盐需求旺盛，长期保持8%～18%高增长[1]。磷酸盐在食品加工中主要用作品质改良剂或营养强化剂，广泛应用于肉制品、水产品、米面烘焙食品、乳制品和饮料等食品加工领域[2]。目前，食品级磷酸盐的研究深度无法满足行业高速发展需求，导致磷酸盐在生产和应用中的许多问题难以有效解决。例如传统磷酸钠盐（三聚磷酸钠、焦磷酸钠等）溶解性不佳，导致产品使用时会出现结块、溶解缓慢或溶解不完全等现象，影响加工效率。扫描电镜作为一种有效显微结构分析工具，可对目标物进行多形式表面形貌观察和分析[3]，但鲜有关于食品级磷酸盐微观结构研究的报道。为改善传统磷酸钠盐理化性质，增强应用效果，可通过扫描电镜观察磷酸钠盐的颗粒形状、大小、分布情况等，还可依据颗粒破裂程度分析其结构强度、中空比例。以此为基础，结合磷酸盐生产工艺、应用效果进行深入分析，可为磷酸盐定向改进提供理论指导。

1 实验

1.1 仪器与样品

JSM-7500F型扫描电子显微镜。

三聚磷酸钠（五钠），焦磷酸钠（焦钠），焦磷酸二氢二钠（酸焦），六偏磷酸钠（六偏）。

1.2 方法

分别取适量五钠、焦钠、酸焦、六偏固体粉末，通过830μm、106μm筛网，取106～830μm间的粉末为待处理样品。称取10mg待处理样品于1mL 99.5%的无水乙醇溶液中，超声分散成磷酸钠盐-乙醇悬浮液。将磷酸钠盐-乙醇悬浮液滴于洁净铝箔片上，待红外灯烘干悬浮液后，放置在E-1045型离子溅射仪样品舱中，在15mA电流下喷金90s，置于JSM-7000F扫描电镜观察室进行观察。挑选较好成像倍率，按需求对比样品。

2 结果与讨论

2.1 不同磷酸盐微观结构对比

首先分析不同磷酸钠盐的微观结构。为保证测试结果一致性，均选取一步法聚合产出的五钠、焦钠和六偏样品进行分析。选择100倍率下成像图以便整体观察，结果见图1。

图1 不同磷酸盐扫描电镜图Fig.1 The SEM of different sodium phosphates

由图1可知，一步法的五钠和焦钠都为颗粒状结构，且五钠以球形颗粒为主，而焦钠颗粒中异状物较多，且颗粒度明显比五钠要大一些。六偏结构与五钠、焦钠的结构明显不同，为片状晶体。这是因为六偏聚合温度很高，达到700℃左右，料浆在高温下干燥、聚合并呈熔融态，从炉尾流出骤冷降温，最后经破碎形成了片状晶体；而五钠和焦钠聚合温度较低，仅为300～400℃，在聚合炉内并没有形成熔融态，因此最后形成的是颗粒状产品。由此说明，聚合温度对磷酸钠盐微观结构起着决定性影响。

2.2 不同反应工艺下五钠微观结构对比

五钠在水产品、肉制品等食品领域用作水分保持剂，用量很大，且一般配成溶液使用。客户在使用过程中对产品的各项指标不断提出新的需求，尤其对产品溶解性能的要求很高。普通五钠产品已无法满足高端客户需求，因此速溶型五钠的开发迫在眉睫。通过研究不同反应工艺下五钠的微观结构，可对速溶型产品的开发起到很好的指导作用。为更清晰认识五钠在不同反应工艺下的微观结构，采用200倍率分析成像图，结果见图2。

图2 不同工艺条件下五钠微观结构图Fig.2 The SEM of STPP under different reaction conditions

五钠主流生产方法有两种，一步法和二步法。一步法包含高塔一步法和聚合炉一步法（本文一步法特指聚合炉一步法），即通过一步聚合生产出五钠产品。二步法即先在高塔内进行干燥，再进入聚合炉聚合。两步法与一步法相比，投资较大，设备占地更广，但其能耗低、产能较大、工艺柔性好。由图2可知，一步法产五钠与二步法相比，颗粒表面光滑，表面豁口少，分布不均匀，部分颗粒紧实致密，溶解时总体表现为与水接触不充分。经测试比较发现，一步法五钠溶解后会残留少许难溶颗粒，溶解性稍弱于二步法五钠。特殊工艺生产的五钠是通过优选磷酸盐生产原料，严格控制中和反应过程中的料浆温度、搅拌桨速率等参数，促使中和反应更加充分。开发的具有自主知识产权的“动喷沸腾聚合炉”，在炉头中心设置可调控喷雾进料器，在炉体内壁设置环形布料器，强化物料与热空气的热交换，促进了分子间的脱水聚合，实现了动态进料、均匀雾化、快速干燥和高效聚合，使产品反应过程达到最佳。由此得到的产品颗粒度更大，呈疏松多孔、薄壁中空结构，在溶解过程中，大大提升了五钠与水的接触面积，使产品溶解速度明显变快。

2.3 不同焦钠微观结构对比

焦钠在25℃下的溶解度约6g，而在冰水中焦钠会迅速团聚结块，溶解速度更慢，因此其在食品中的应用受限。另一方面，焦钠在肉制品中持水能力特别优异，因此，在有限条件下提升焦钠的溶解性很有必要。采用300倍率研究普通焦钠和速溶焦钠的微观结构（图3），可更为直观地认识焦钠溶解性的影响因素。

图3 不同焦钠微观结构对比图Fig.3 The SEM of different TSPP

由图3可知，普通焦钠与速溶焦钠颗粒表面都比较光滑，普通焦钠虽可破裂，但碎片均堆积在一起，说明颗粒内部空间极小，接近实心结构；而速溶焦钠颗粒有较大的孔洞，在溶解过程中与水接触更充分，更有利于溶解。速溶焦钠生产工艺是在普通焦钠生产工艺上进行的改进，改进思路和方法与五钠相似。

2.4 不同进料方式下未破碎酸焦样品微观结构对比

酸焦是磷酸二氢钠（一钠）经干燥脱水、高温聚合得到的产品，其主要用作泡打粉原料，产品一般需经过粉碎制得粉末状成品，因此不便于微观结构分析，取未破碎颗粒样品进行电镜扫描最为合适。一钠料浆进料方式有两种，一种是离心进料，另一种是压力喷雾，分析这两种进料条件下未破碎酸焦样品的微观结构（图4），可进一步了解进料方式对产品微观结构的影响。

图4 不同进料方式下酸焦未破碎样品微观结构对比图Fig.4 The SEM of SAPP under different feeding methods

由图4可知，离心进料产酸焦样颗粒度更小一些，颗粒与颗粒之间更紧密一些，说明采用离心进料方式，料浆雾化得更充分一些，进入塔内时液滴更小，而压力喷雾方式产生的液滴更大一些。

3 结论与展望

利用扫描电镜技术对磷酸钠盐的微观结构进行研究，发现五钠、焦钠微观结构呈球状颗粒，六偏呈片状晶体，说明磷酸盐的微观结构与聚合温度关系密切。一步法生产的五钠与二步法、特殊工艺产的五钠结构不同；普通焦钠与速溶焦钠的结构不同；离心进料产酸焦样与压力喷雾进料产酸焦样结构也有差异，这说明改变某一种加工条件都会对磷酸盐的微观结构产生一定影响。

通过分析磷酸盐产品微观结构，把产品结构与生产工艺联系起来，并建立基础数据库，既有利于我们深入了解磷酸盐的性质，也有利于在此基础上对产品进行定向改进。另外，还可借助扫描电镜技术研究磷酸钾盐等其他磷酸盐种类及非磷食品添加剂的微观结构，以期促进食品行业更好地向前发展。

[1] 贡长生. 现代磷化工技术和应用[M]. 北京：化学工业出版社，2013：593-598.

[2] 范佳利，李维，屈云，等. 食品磷酸及磷酸盐的食品安全法规标准现状[J].食品工程，2016(9)：15-18.

[3] 王绍清，王琳琳，范文浩，等. 扫描电镜法分析常见可食用淀粉颗粒的超微形貌[J].食品科学，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

李维（1988-），男，湖北宜昌人，硕士，从事功能型磷酸盐和复配磷酸盐新产品开发及质量提升研究。电话：13477109233，E-mail:lw999ok@163.com

2017-08-30