Zastosowanie związków fosforu w technologii żywności

Fosforany można pod względem chemicznym podzielić na dwie główne grupy: wielofosforany i ortofosforany. Kryterium różnicującym jest liczba atomów fosforu, w ortofosforanach jeden, wielofosforanach więcej, niejeden. Grupa ortofosforanowa zawiera centralny pięciowartościowy atom P, wiązany trzema podstawnikami z atomami tlenu, wodoru lub metali, ma zatem kształt krzyża greckiego. Grupy wielofosforanowe są ich pochodnymi o kształcie łańcuchowym, w których atomy P łączą się ze sobą za pośrednictwem mostków tlenowych -O-.Otrzymuje się je przez kontrolowane ogrzewanie mieszanek ortofosforanów. W procesie tym z mieszaniny wypada woda (1 cząsteczka na 1 powstałe wiązanie) i ortofosforany ulegają polikondensacji. Pirofosforany (dwufosforany, bifosforany, difosfaty) są to związki fosforu zawierające dwa atomy tego pierwiastka. Związki o trzech atomach fosforu są to trójfosforany (trifosforany, trifosfaty). Pirofosforany i trójfosforany są solami o postaci kryształów, zaś dłuższe wielofosforany są amorficzne (bezpostaciowe) lub szkliste. Polifosforany są mieszaniną różnej długości cząsteczek fosforanów (Rutkowski i Gwiazda, 1993). Fosforany odgrywają następujące role w technologii żywności i żywienia: (a) stabilizują pH - rola buforująca, (b) kompleksją jony metali (sekwestracja, wyłapywanie), (c) przeciwdziałają utlenieniu, (d) emulgują, (e) dyspergują, (f) zwiększają stopień uwolnienia koloidów białkowych, (g) zabezpieczają substancje sypkie przed zbrylaniem, (h) ograniczają rozwój drobnoustrojów (dezynfekują), (i) wzbogacają żywność w sole mineralne (mineralizują).

Fosforany silnie chłoną wodę, są więc dobrymi przeciwzbrylaczami, np. fosforany trójwapniowe (Schnie 1994). Tworzą związki kompleksowe (chelatowe) z jonami niektórych metali, inaktywując je i powstrzymując w ten sposób procesy utleniania, katalizatorami których są metale. Pirofosforany nadają się do kompleksowania metali ciężkich, typu żelazo, miedź, zaś długołańcuchowe fosforany, jak sześciometafosforan sodu stosowane są do wiązania jonów wapnia i magnezu. Właściwości chelatujące fosforanów są słabsze w zasadowym pH, silniejsze w kwaśnym (Rutkowski i Gwiazda 1993). Stwierdzono zdolność fosforanów do powstrzymywania lub opóźniania utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych (co ma miejsce w wyniku działalności mikroorganizmów gnilnych) oraz stabilizującą wzrost drobnoustrojów, które powodują psucie się żywności (Fischer 1988). Z kolei dodanie fosforu do pekli i przetworów parzonych polepsza przepływ w nich ciepła, wpływając pozytywnie na ich sterylność mokrobiologiczną. Dzieje się to na zasadzie przyspieszenia i większej równomierności oddziaływania podwyższonych temperatur, mających doprowadzić do pasteryzacji (Weber 1998).

Fosforanów używa się z powodzeniem jako składników roztworów buforujących w zakresie pH 5,0 ÷ 7,0. Stanowią jeden z głównych układów buforujących krwi zwierząt kręgowych i człowieka. Zdolność bufonująca jest tym słabsza, im dłuższy łańcuch fosforanu. Silniejsze właściwości buforujące wykazują mono- i difosforany. Wpływają ponadto na stan uwodnienia koloidów białkowych i stabilizują w ten sposób pożądaną barwę mięsa (Rutkowski i Gwiazda 1993). Przetwórstwo mięsa jest jednym z ważniejszych przykładów zastosowania fosforanów w technologii żywienia. Stosuje się tu głównie trzy typy fosforanów, zwierających 6, 12 i 22 reszty fosforanowe (Rutkowski i Gwiazda 1993). Według Dudy (1998) kryteria przesądzające o przydatności tych związków dla potrzeb przemysłu mięsnego są to (1) zdolność wiązania wody (np. KH₂PO₄, czyli ortofosforan jednopotasowy, K₃PO₄, czyli ortofosforan trójpotasowy, Na₂H₂P₂O₇ albo kwaśny ortofosforan sodu, K₄P₂O₇ albo pirofosforan czteropotasowy, Na₅P₃O₁₀ czyli trójpolifosforan sodowy, K₅P₃O₁₀ albo trójpolifosforan potasowy, (NaPO₃)₃ czyli trójmetafosforan sodowy oraz (NaPO₃)₄∙4H₂0 - czterouwodniony czterofosforan sodowy); (2) zdolność emulgacji (K₃PO_4, Na₂H₂P₂O_7, K₄P₂O_7, Na₅P₃O_10, K₅P₃O_10, (NaPO₃)₄∙4H₂0, (NaPO₃)₃); (3) zdolność buforowania wahań pH (K₃PO₄, Na₂H₂P₂O₇); (4) zdolność sekwestracji metali (Na₂H₂P₂O₇, (NaPO₃)₃, NaPO₃)₄∙4H₂0). sekwestant, emulgator, zwiększa związanie wody w wyrobach mięsnych.

Czynnikiem decydującym o powodzeniu konserwacji mięsa jest właściwy dobór fosforanów do zamierzonego celu i potrzeb, jak też sposobu, czasu i ilości, w jakiej są stosowane. Na przykład związki odpowiednie dla szynki i bekonu mogą zupełnie zawodzić w konserwach sterylizowanych i peklach czy też wędlinach (Rutkowski i Gwiazda 1993). Wysokiej zdolności emulgowania tłuszczu zawdzięczają fosforany swe zastosowanie w kutrowaniu, w czym najchętniej stosuje się difosforany sodu i potasu (Dąbrowski, 1997; Jankiewicz i Słowiński, 1998).

Zastosowanie fosforynów w przetwórstwie mięsa polega na (1) dysocjacji kompleksów aktynomiozyny i zwiotczaniu mięsa, (2) kompleksowaniu kationów dwuwartościowych zwł. wapnia i magnezu, co blokuje metabolizm tkanki mięśniowej i organizmów gnilnych, (3) zwiększaniu siły jonowej, (4) stabilizacji pH. Dysocjacja aktynomiozyny powoduje odkłonienie miejsc wiążących tych białek tkanki mięśniowej, wskutek czego przyciągają one jony i cząsteczki polarne, co przeciwdziała wyciekowi soku mięsnego (Rutkowski i Gwiazda, 1993). Ważnym czynnikiem wpływającym na obniżenie wycieku soku jest odsunięcie pH mięsa od punktu izoelektrycznego jego białek. Pod wpływem dodania fosforanów obserwuje się niewielki tylko wzrost pH (o 0,2 - 0,5), co jednak jest wystarczające dla efektywnego powstrzymania wycieku termicznego. Fosforany wpływają na zwiększenie siły jonowej w mięsie (Słowiński i Jankiewicz, 1995). Naśladują w swoim działaniu obecny powszechnie w tkance żywej trofosforan adenozyny (ATP), powodując dysocjację kompleksu aktyny z miozyną i bierny rozkurcz mięśnia (Theno i wsp., 1978). Ułatwia to pęcznienie miofibryli, chłonięcie przez nie wody i zwiększenie ich rozpuszczalności, co ma znaczenie w procedurach produkcji farszów. W następstwie tego polepsza się zdolność wiązania przez miofibryle wody i tłuszczu (Kotter i Fischer, 1975; Wierbicki i wsp., 1976; Theno i wsp., 1978; Grabowska i Hamm, 1979; Hamm i Egginger, 1979; Puolanne i Ruusunen, 1980).

Godna podkreślenia jest rola soli fosforanowych w procesie konserwacji mięsa (Rutkowski i Gwiazda 1993). Ograniczają one rozwój mikroorganizmów gnilnych, ponadto wiążą kompleksowo jony żelaza i miedzi, co powstrzymuje procesy oksydacyjne. Między innymi stwierdzono wpływ dodatku fosforanów na tempo rozkładu tłuszczów obojętnych do kwasów tłuszczowych i glicerolu, co ma typowo miejsce w psującym się mięsie. Ochrona przed utlenieniem mioglobiny, białka nadającego czerwoną barwę mięsu, zapewnia trwałość tej charakterystycznej barwy. Na podobnej zasadzie konserwacji ulega różowa barwa pekli mięsnych, a mięso drobiowe nie żółknie wskutek oksydacji tłuszczów (Dziezak 1990).

Dodatek polifosforanów do solanki, w której namacza się mięso, zwiększa zdolność wiązania przez nie wody. Sole fosforu wytwarzają wokół siebie otoczkę hydratacyjną, ponadto ułatwiają asocjację jonów do grup bocznych aminokwasów białkowych o ładunku dodatnim, które następnie przyciągają wodę na zasadzie osmozy lub hydratacji. Te fosforany, które są solami silnych zasad i słabych kwasów, przyjmują odczyn alkaliczny i dodatkowo zwiększają hydratację mięsa (Tyszkiewicz i Tyszkiewicz, 1972).