磷酸鹽

磷酸鹽 -簡介

磷酸鹽磷酸鹽

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。

天然存在的磷酸鹽是磷礦石(含磷酸鈣),用硫酸跟磷礦石反應,生成能被植物吸收的磷酸二氫鈣和硫酸鈣,可制得磷酸鹽。
磷酸鹽可分為正磷酸鹽和縮聚磷酸鹽:在食品加工中使用的磷酸鹽通常為鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽以及作為營養強化劑的鐵鹽和鋅鹽,常用的食品級磷酸鹽的品種有三十多種,
磷酸鈉鹽是國內食品磷酸鹽的主要消費種類,隨著食品加工技術的發展,磷酸鉀鹽的消費量也在逐年上升。

磷酸鹽 -化學特性

磷酸氫(HPO42−)分子的模型磷酸氫(HPO42−)分子的模型

在酸性溶液下磷酸官能團的結構式。在堿性的溶液下,該官能團會釋放兩個氫原子,並離化磷酸鹽帶有-2的形式電荷。[1]磷酸鹽離子是一個多原子的離子,其實驗式是PO43−,而分子量是94.97。它包含一個磷原子,並由四個氧原子所包圍,形成一個正四面體。磷酸鹽離子帶有-3的形式電荷,且是磷酸氫鹽離子(HPO42−)的共軛堿;磷酸氫鹽離子則是磷酸二氫鹽離子(H2PO4−)的共軛堿;而磷酸二氫鹽離子又是磷酸(H3PO4)的共軛堿。它是一個超價分子(磷原子在其價殼層有著10個電子)。磷酸鹽亦是一個有機磷化合物,其化學式為OP(OR)3。
除瞭一些堿金屬外,大部份磷酸鹽,在標準狀態下,都是不可溶於水的。

在酸性溶液下磷酸官能團的結構式。在酸性溶液下磷酸官能團的結構式。

在稀釋的水溶液中,磷酸鹽以四種形式存在。在強堿環境下,磷酸鹽離子(PO43−)會較多;而在弱堿的環境下,磷酸氫鹽離子(HPO42−)則較多。在弱酸的環境下,磷酸二氫鹽離子(H2PO4−)較為普遍;而在強酸的環境下,則水溶的磷酸(H3PO4)是主要存在的形式。

磷酸鹽 -出現

磷酸石樣本磷酸石樣本

磷酸鹽是元素磷自然產生的形態,在多種磷酸鹽礦物中可以找到。元素的磷或是磷化物是很難發現的(隻有極少量在隕石中可以找到)。在礦物學及地質學,磷酸鹽是指含有磷酸鹽離子的石或礦石。
在北美洲最大型的磷礦粉礦床位於美國的佛羅裏達州中部、愛德荷州的索達斯普陵、北卡羅萊那州沿岸區域。而其次的是位於蒙大拿州、田納西州、佐治亞州及南卡羅萊那州近查爾斯頓。瑙魯這個細少的島國就曾經是有著大量高質素的磷酸鹽礦產,但現時已被大量挖掘。磷礦粉亦可以在納弗沙島、摩洛哥、突尼斯、以色列、多哥及約旦找到,這些地方亦有大量的磷酸鹽礦業。

由焦磷酸鹽(以PPi來表示)水解由焦磷酸鹽(以PPi來表示)水解

在生物中,磷是以溶液中遊離的磷酸鹽離子的形態出現,稱為“無機磷酸鹽”,這是要與其他在磷酸酯中的磷酸鹽作出區別的。無機磷酸鹽是會以Pi來表示,它可以是由焦磷酸鹽(以PPi來表示)水解而得: 如左圖。
但是,磷酸鹽最普遍是以一磷酸腺苷(AMP)、二磷酸腺苷(ADP)、三磷酸腺苷(ATP)、去氧核糖核酸(DNA)及核糖核酸(RNA)的形式出現,且可以經由水解ADP或ATP而被釋放出來。對於其他的二磷或三磷核苷亦有相似的反應。在ADP及ATP,或其他二磷及三磷核苷中的磷酸酐鍵,包含著大量的能量,所以它們在生物中有著重要的地位。它們一般會被稱為高能磷酸磷,就像在肌肉組織中的磷酸肌酸一樣。一些如膦的化合物在有機化學上亦會被使用,但它卻似乎沒有自然的相應物。
由於磷酸鹽對生物的重要性,所以在生態學上,它是高度被采集。因此,它在環境中往往是限量試劑,而它的可得性則決定生物成長的速度。將大量的磷酸鹽加入缺乏磷酸鹽的環境或微生物環境中,會對生態有著重大的影響。例如,某一種生物的瀑漲會使其他生物死亡,及某種生物數量的減少會令如氧等資源的缺乏等(參富營養化)。在污染的問題下,磷酸鹽是總溶解固體量(一種主要的水質指標)的主要成份。

磷酸鹽 -分類

磷酸鹽磷酸鹽

磷酸鹽可分為正磷酸鹽和縮聚磷酸鹽:
正磷酸鹽指正磷酸(H3PO4)的各種鹽:M3PO4、M2HPO4、MH2PO4(M為一價金屬離子)。
正磷酸鹽加熱脫水縮合形成縮聚磷酸鹽,其通式為Mn+2PnO3n+1, 式中M為一價金屬離子,n為磷原子數,當n值很大時,縮聚磷酸鹽的極限化學式為MnPnO3n。
焦磷酸的各種鹽稱為焦磷酸鹽,M4P2O7 ;
三磷酸的各種鹽稱為三聚磷酸鹽,M5P3O10;
分子含有3個以上的磷原子的縮聚磷酸鹽統稱為多聚磷酸鹽,其分子中含O-P-O鍵的數目稱為多聚磷酸鹽的鏈長。
偏磷酸鹽分子式為(MPO3)n,大體可分環狀偏磷酸鹽、不溶性偏磷酸鹽和偏磷酸鹽玻璃體(這類物質實際上是鏈長在10以上的鏈狀多聚磷酸鹽及少量的環狀偏磷酸鹽的混合物)。

磷酸鹽 -用途

每年平均海水表面的磷酸鹽濃度每年平均海水表面的磷酸鹽濃度

磷酸鹽一般會用在清潔劑中作為軟水劑,但是因為藻類的繁榮衰退周期會影響磷酸鹽在分水嶺的排放,所以在某些地區磷酸鹽清潔劑是受到管制的。
在農業上,磷酸鹽是植物的三種主要養份之一,且是肥料的主要成份。磷礦粉是從沉積巖的磷層中開采。以前它在開采後不用加工便可使用,但現時未加工的磷酸鹽隻會用在有機耕種上。一般它都是會化學加工制成過磷酸石灰、重過磷酸鈣或磷酸二氫銨,它們的濃度都較磷酸鹽高,且較易溶於水,所以植物可以較快吸收。
肥料級數一般有三個數字:第一個是指氮的數量,第二個是指磷酸鹽的數量(以P2O5作基準),而第三個是指堿水(以K2O作基準)。所以一個10-10-10的肥料就每種成份各有10%,而其他的則是填充物。
從過度施肥的農地逕流的磷酸鹽會是富營養化、赤潮及其後缺氧的起因。這就像磷酸鹽清潔劑一樣會引起魚類及其他水中生物的缺氧癥。

磷酸鹽可分為正磷酸鹽和縮聚磷酸鹽:在食品加工中使用的磷酸鹽通常為鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽以及作為營養強化劑的鐵鹽和鋅鹽,常用的食品級磷酸鹽的品種有三十多種,
  磷酸鈉鹽是目前國內食品磷酸鹽的主要消費種類,隨著食品加工技術的發展,磷酸鉀鹽的消費量也在逐年上升

磷酸鹽 -常規使用

在食品加工中使用的磷酸鹽通常為鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽以及作為營養強化劑的鐵鹽和鋅鹽,常用的食品級磷酸鹽的品種有三十多種,磷酸鈉鹽是中國食品磷酸鹽的主要消費種類,隨著食品加工技術的發展,磷酸鉀鹽的消費量也在逐年上升。

為充分發揮各種磷酸鹽以及磷酸鹽與其他添加劑之間的協同增效作用,滿足食品加工技術的發展需求,在實際應用中常常使用各種復配型磷酸鹽作為食品配料和功能添加劑,復配型磷酸鹽的研究與開發日益成為磷酸鹽類食品添加劑開發與應用的發展方向。

磷酸鹽 -正磷酸鹽

磷酸鹽磷酸鹽五價磷含氧酸的鹽類,包括正磷酸鹽、焦磷酸鹽和偏磷酸鹽,通常指正磷酸鹽。
正磷酸是三元酸,有三種正磷酸鹽:①磷酸二氫鹽MIH2PO4,又稱一代磷酸鹽,都溶於水;②磷酸氫鹽MIHPO4,又稱二代磷酸鹽;③正磷酸鹽MI3PO4,又稱三代磷酸鹽。後二者除鈉、鉀、銨鹽外一般不溶於水。M 除為一價金屬外,也可以是其他價態的金屬,銨、鈣的磷酸二氫鹽和氫鹽都是重要的肥料成分。磷酸二氫鈉NaH2PO4用於控制溶液的氫離子濃度;磷酸氫二鈉 Na2HPO4用於水處理,作為多價金屬的沉淀劑;磷酸三鈉用於制造肥皂和洗滌劑。
焦磷酸是四元酸,有四種焦磷酸鹽:其中M2H2P2O7和M4P2O7型是常見的,M3HP2O7型較少,MH3P2O7型很少。
偏磷酸鹽通常是聚成環狀的化合物,通式是(MPO3)n,常見的有二聚偏磷酸鹽(六元環)和四聚偏磷酸鹽(八元環),多聚偏磷酸鹽不具備確定的晶體結構,又稱磷酸鹽玻璃體。六偏磷酸鈉是最常見的磷酸鹽玻璃體,它沒有固定的熔點,在水中的溶解度不定,水溶液的pH在5.5~6.4之間,實際是一個具有20~100個PO3-單元的長鏈化合物。鏈型磷酸鹽可做鍋爐用水的處理劑、顏料分散劑、泥漿分散劑和金屬防腐劑。
磷酸根離子可生成特征的磷鉬酸銨黃色沉淀,可用於分析檢定(見磷酸)。

磷酸鹽 -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應用於食品加工中,而大量使用則在二十世紀七十年以後。目前,磷酸鹽是應用最廣泛、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應用於肉制品、禽肉制品、海產品、水果、蔬菜、乳制品、焙烤制品、飲料、土豆制品、調味料、方便食品等的加工過程中。

磷酸鹽 -食品添加劑功能

磷酸鹽磷酸鹽一、根據美國食品化學藥碘(FCC)磷酸鹽在食品工業中的功能可分為15類:
1、酸味劑:磷酸
2、抗結塊劑:磷酸鈣
3、抗氧化劑:次磷酸鈣
4、緩沖劑: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
5、面團改良劑:磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸二氫鈣、磷酸氫鈣
6、乳化劑:磷酸鉀、聚偏磷酸鉀、焦磷酸鉀、磷酸鋁鈉(堿性)、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
7、硬化劑:磷酸二氫鈣
8、保濕劑:聚偏磷酸鉀
9、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
11、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、改良淀粉添加劑: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。

磷酸鹽磷酸鹽二、 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:
1、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。

2、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,因此廣泛用於淀粉的磷酸化處理,色素的分散,乳化食品(幹酪、乳制品、雪糕、色拉、調味汁等),以及用作香腸、肉末的分散穩定劑。

3、緩沖作用:無論正磷酸鹽或磷酸鹽,均為強緩沖劑,可有效的將介質中的液相穩定在一定PH值范圍內,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范圍內起強的緩沖作用,以控制和保持穩定的PH變化范圍,可使食品味道更鮮美。

磷酸鹽磷酸鹽4、蛋白作用:磷酸鹽對蛋白質,膠 球蛋白具有增強作用,因此可增加肉制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,同時磷酸鹽在奶制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復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。

磷酸鹽 -典型應用

磷酸鹽在耐火耐火材料中的應用

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。磷酸與堿金屬或堿土金屬氧化物及其氫氧化物反應制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制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、低溫范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應用十分普遍,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應用、功效及用量

磷酸鹽磷酸鹽

磷酸鹽 -安全問題

磷酸鹽磷酸鹽快速測試盒

磷酸鹽作為食品添加劑的食用安全性,是人們普遍關注的問題,國外許多科學工作者進行瞭大量關於磷酸鹽毒理學研究之後, 確定食品磷酸鹽為列毒安全性高的添加劑,其主要指標於表1和表2
聯合國糧農組織和世界衞生組織1970年專門委員會的安全評價為,成人每天允許攝入量為1.4—1.5克P2O5,1973年FAO/WHO公佈的有關磷酸鹽的12個品種,其添加劑量為每日允許攝入量0—70mg/KG 體重,而1985年食品添加劑專業委員會,研究瞭飲食中影響磷酸鹽毒性反應的各種因素,例如:在飲食中磷的總水平,鈣和其它礦物質的存在,取磷酸鹽水解成短鏈取磷酸鹽或亞磷酸鹽的程度等。為此專傢委員會推薦飲食中總磷的無條件接受量為<30毫克/千克體重,有條件接受用量為30—70毫克/千克體重。

磷酸鹽 -市場展望

磷酸鹽磷酸鹽

1、概述


磷酸鹽在食品中除瞭作營養強化劑外, 主要是作品質改良劑。通過保水、保濕、粘結、增塑、稠化、增容、改善流變性能和螫和金屬離子等作用, 以改進食品的組織結構和口感。

磷酸鹽是目前世界各國應用最廣泛的食品品質改良劑,越來越多地應用於加工型食品的各個領域,對食品品質的提高和改善起著重要的作用。

2、磷酸鹽在食品中的主要作用
2.1、螯合作用
磷酸鹽可螯和鈣、鎂、鐵、銅等離子。
2.2 pH值調節、緩沖作用
各種磷酸鹽pH 值各不相同,從pH=4到pH=12,各種磷酸鹽按一定的比例配合可以得到不同pH 值的緩沖劑, 以滿足各類食品的酸度調節和穩定。其中正磷酸鹽的緩沖作用最強。
2.3 乳化、分散作用
防止蛋白質、脂肪分離,增加粘接性,改善混合物的組織結構,使食品組織柔軟多汁。
2.4 蛋白質持水作用
防止蛋白質變性,磷酸鹽在食品組織表面發生增溶作用,加熱時形成一層凝結的蛋白質,從而改善水分的保持性。 2.5 陰離子效應
磷酸鹽中的陰離子為磷酸根離子,能與副絡蛋白復合物上的鈣相結合,還能參於構成蛋白質分子間的離子橋, 因而既可防止凝膠形成,又具有極強的分散、膠溶和乳化作用。
3 磷酸鹽在食品加工中的應用
3.1 在肉制品中的應用
磷酸鹽通過提高肉的離子強度, 改變pH 值。螯和肉中的金屬離子解離肉中的肌動球蛋白來提高肉的持水性,保證肉的鮮嫩度及原始風味,抑制肉制品的氧化變質而延長貨架期。
3.2 在面制品中的應用
磷酸鹽在加工面條和即食麵時可增加淀粉的吸水能力,增強面筋蛋白的吸水溶脹能力,從而增加面團的持水性,提高面條的彈性、口感滑爽並有筋道、復水快且耐煮泡。磷酸鹽的緩沖性可穩定面團的pH 值,防止色、變質、並改善面條的風味和口感。磷酸鹽螯和金屬離子的特性使面制品蛋白質形成網狀結構,增強面條筋度、提高粘彈性在烘焙食品加工中,磷酸鹽最重要的用途是與堿性物質中和反應釋放氣體而作膨松劑。此外磷酸鹽還用作面粉調節劑、面團改良劑、緩沖劑和酵母營養劑。
3.3 在水產品加工中的應用
磷酸鹽的抗氧化作用,可防止蝦頭變黑、脫落、防止魚丸、蝦球、蟹肉的腐敗變質,保持水產品的原有風味和營養。磷酸鹽的持水特性有效地提高水產品的保水能力,減少加工過程中解凍損失,使水產品的肉汁更豐富,口感鮮嫩。
磷酸鹽與碳水化合物混合使用,作為冷凍保護劑,可有效防止魚糜制品蛋白質的冷凍變性。
3.4 在飲料中的應用磷酸鹽應用於果汁飲料。
可使維生素C保持穩定,防止果汁類的氧化,穩定懸浮避免出現沉淀物,防止色調變化和香精氧化腐敗。在碳酸飲料中。磷酸鹽封鎖瞭水中的金屬離子,防止飲料氧化、變敗、色變,使產品長期穩定,而且使CO,保持的很好。
3.5 在乳制品加工中的應用
磷酸鹽可防止乳脂與水相分離,可使蛋白質變性、增溶,從而防止凝膠的形成。復合磷酸鹽在還原奶加工中是最好的酸度調節劑。磷酸鹽的分散、乳化作用使其廣泛應用於幹酪生產,使幹酪制品形成均勻、光滑的組織結構。
4 磷酸鹽的市場展望
食品磷酸鹽安全、無毒。對人體有補鈣、補鐵、補鋅等作用,而且磷酸根是人體合成細胞壁的基礎物質。因此磷酸鹽在食品加工中的應用越來越廣泛,市場需求量越來越大。
目前已開發使用的食品磷酸鹽類別有鈉鹽、鉀鹽、鈣鹽及特殊功能的鐵鹽、鋅鹽等,應用領域涉及肉制品、面制品、海產品、奶產品、飲料等行業。常用品種有三十多個,復配型磷酸鹽品種更為繁多,僅日本市場上就有300餘個品種。食品磷酸鹽的市場消費量增長很快。

磷酸鹽 -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。他發明瞭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傢污水處理廠引進,並於今年正式投入使用。英國的一傢污水處理廠也於今年9月份成功地實驗瞭這項技術。這項技術除瞭去除討厭的副產物以外,鳥糞石的循環也解決瞭一個大問題,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、摩洛哥和其他國傢在內,每年都會從地下開采成百萬噸的磷酸鹽,然後制成肥料,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,科學傢持有不同的意見。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,對於許多國傢來說,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。一些科學傢和工業界人士也普遍認為,國傢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傢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。
隻剩幾十年嗎?
磷酸鹽是植物生長所必需的營養物質,它催生瞭全球內磷酸鹽開采的蓬勃發展,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150億噸可開采。另外一些磷酸鹽主要分佈於遠岸,或者是伴生鎘等有毒物質而不易開采。
根據USGS2008年的最新數據,全世界已開采瞭1.61億噸磷酸鹽,磷礦石專傢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隻能持續125年,這是一個相對樂觀的時間范圍。
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。但是其他一些科學傢認為,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和其他一些科學傢認為,人們不能依賴於這些難以開采的磷酸鹽礦石,如果增長速度維持在每年3%,剩餘的可開采的清潔的磷酸鹽礦石將在50年內開采耗竭。
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采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傢所控制,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。為瞭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瞭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采場衛星圖約旦的磷酸鹽礦石開采場衞星圖

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傢發調查表,收集廣泛的數據,以瞭解世界上到底還有多少磷酸鹽。作為這個項目的首席科學傢,Van Kauwenbergh希望在明年5月份公佈第一批數據,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,這會迫使公司去開采新的、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,人們發現瞭一些新的磷酸鹽礦石儲藏地,技術的進展也使得在遠岸開采磷酸鹽變得可行。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,那麼開采低品相的礦石根本不是解決之道,這不僅是因為開采成本非常昂貴,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傢手裏,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,美國和摩洛哥簽署瞭一項自由貿易協定,這項協議就包括磷酸鹽礦石買賣。2008年摩洛哥向美國出口瞭價值6500萬美元的肥料,盡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年裏,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,當新的技術得以應用的時候,幾十年就已經過去瞭。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。