食品分析的pH值测试和pH计

pH值是一个介于0到14之间的可测量参数，它定义了溶液的酸度或碱度。pH = 7的溶液被认为是中性的，pH < 7的溶液被认为是酸性的，pH > 7的溶液被认为是碱性的。pH值一词可以定义为“氢离子的电位”，它的值决定了分子化学环境中的许多因素，影响化合物的溶解性、化学反应、营养物质的可用性、生物功能和微生物活性等特性。在这篇文章中，我们将考虑如何测量pH值，它告诉我们什么以及它在食品工业中的作用。

pH值测试是测定物质的酸度或碱度的过程。表达溶液的酸度带来了挑战，因为它涉及单一离子种类的量化，在很宽的浓度范围内。因此，基于溶液中氢离子浓度的对数测量，建立了一种更方便的表达这种性质的方法。

根据阿仑尼乌斯的酸碱理论，物质可以根据它们在水中解离时形成哪种离子来分类．也就是说，酸是一种物质，当溶解在水中时，产生解离氢(H⁺)离子或水合氢离子_3.O⁺碱是一种物质，当溶解在水中时，产生解离的羟基(OH^-)离子。¹在这种情况下，pH标度量化H⁺溶液中的离子，由倒数氢的对数来定义离子活度, (α_{H +})按下式计算:

pH = -log₁₀(α_{H +}) = log₁₀(1 /α_{H +}）

方程1: pH值的计算公式。

pH计是一种用于测量水基溶液中氢离子活性的电动设备。²pH计用于许多应用，如实验室实验，食品和饮料测试，石油和天然气工业，用于测试药物，验证水处理和农业等。图1表示了pH值和常见产品和物质的位置。

图1: 根据pH值，常见产品的pH值刻度和表示 ．资料来源:科技网188金宝搏备用络。

pH计测量放置在待测溶液中的电极之间的电势(或电压)差值。溶液酸性越强，带正电荷的H越多⁺离子存在，因此产生电流的电势越大。这种测量可以通过一个多种设计，但总是包括两个电极，可以单独或集成在单个探针中。最现代和紧凑的设计包括一个单一的玻璃探针(见图2)，包含两个电极，一个内部参考电极和外部样本电极。这些电极通常由镀有氯化银的银丝制成，探针内充满pH值为7的氯化钾(KCl)缓冲溶液。测量的pH值是H的差值⁺探针内的参考缓冲区与示例解决方案之间的活动。²

图2: pH值探针的表示 ．来源:作者。

由于pH值测量是相对于参考值进行的，校准对于获得准确的测量是至关重要的。校准确保pH电极的电压输出与已知溶液的pH值正确相关。此外，pH值的计算依赖于温度。^3.温度补偿对于准确的结果至关重要。这种补偿是由与测试溶液接触的温度传感器或在某些设计中集成在测量探头中进行的。

测量协议和探头几何形状可以根据测量方法进行调整。⁴最简单的测量形式是在透明的液体样品或低悬浮固体中，如透明的果汁，酒或醋。在这些样品中，直接测量是通过将探针插入液体并读取仪表进行的。直接测量也可以在凝胶或半固体食品中进行，如奶酪、酸奶或果酱。这些测定通常使用直接导入产品的锥形探针(或插入探针)进行。在凝胶或半固体中直接测量通常需要更长的时间才能获得稳定的读数，并且仅对均匀的样品有效。在不可能进行这些测量的样品中，可以根据特定的规程将测试样品稀释或混合在蒸馏水中。稀释和混合后，通过过滤或离心去除固体，可以测试液体馏分。其他探头设计是可用的，如“超薄”探头微量样品或“流动”类型，允许连续内联测量。

总的来说，pH计是一种多功能的设备，易于控制和操作，并产生快速和可重复的测量。有便携式pH计，所以它们可以很容易地运输和现场使用。然而，探针的清洁必须特别小心，以避免样品污染和避免损坏脆弱的探针结构。

pH计是最通用和最可靠的测定pH值的方法，因此被认为是pH值测试的金标准。^3.然而，还有其他可用的方法来确定pH值和酸度，这些方法可能更适合于某些工艺，或者需要不太先进的设备，成本更低。

pH值指标

酸- - - - - -碱指示剂或pH指示剂是根据溶液的pH值改变颜色的物质。这些化合物通常是弱酸或弱碱，当溶于水时，会轻微解离并形成离子，而不会对溶液的pH值产生显著影响。²有些指标会改变颜色，而另一些指标则会从有色状态变为无色状态。常见的pH指标的例子是酚酞(无色< 8.3,pH值在8.3和10之间是紫色的)-粉红色，从12开始再次变成无色)或甲基红(红色< 4.4，在4.4和6.2之间是橙色和黄色> 6.2)。还有天然存在的pH指标，如花、水果和蔬菜中的花青素或石蕊染料，这是从地衣中提取的pH敏感染料的混合物。这些天然pH值指示剂目前被用作合成染料的天然食品级替代品，用于pH敏感的智能食品包装等应用。⁵

不同的指示符可以组合在一个宽的pH值范围内，使颜色逐渐变化，创建一个通用指示符。当一种通用指示剂与溶液混合时，溶液的pH值就可以大致确定。或者，可以使用吸光度光谱利用比尔-兰伯特定律计算pH指标，⁶这将材料的光吸收与化合物的浓度等特性联系起来。用单一酸分光测定pH值- - - - - -基础指标精度高，两个或两个以上指标组合会导致精度降低。

pH值条

pH试纸基于石蕊试纸法，将pH敏感染料的混合物固定在试纸上。论文中的物质在不同的酸度下显示不同的颜色，可以与参考图表进行比较(图3)。一些pH试纸可以测量pH值从0到14，但也有pH试纸只能测量酸性或碱性物质，但测量精度更高。试纸使用方便，价格便宜，一次性使用，并提供快速结果。然而，测试条提供低精度和实验错误是常见的，特别是当该技术依赖于操作员的颜色感知时。⁷正因为如此，pH试纸是快速和低预算测定的一个很好的解决方案，其中精度不是最重要的，没有安全约束涉及。对于任何其他应用，必须使用更精确和可靠的方法。

图3: 的例子 pH带参考图。 来源:作者。

滴定法

在食品分析的背景下，有两个相互关联的概念处理酸度:pH值和可滴定酸度。我们已经确定pH值可以测量解离氢的浓度⁺离子，而可滴定的酸度测量的是溶液中自由质子和未解离酸的总和。换句话说，一种物质中可滴定的质子总数或它中和碱的能力。⁸这个参数很重要，因为它比pH值更能与食物的感官特性相关。

可滴定酸度是通过向已知量的测试样品中加入标准碱性溶液来确定的。滴定终点由pH计测量的目标pH值或指示染料的颜色变化决定(见图4)，最常见的是酚酞。考虑标准碱的加入量及其浓度，可求出样品上可滴定酸的浓度，用主要有机酸(如乳制品中的乳酸)的浓度(g/L)表示。测定不同食物中可滴定酸度的标准方法有几种;然而，样品要求和制备与pH计测量所描述的相似。⁴必须知道样品的数量，必须避免悬浮固体，在使用染料的情况下，必须特别注意样品的颜色，因为它会阻碍在指示器转折点的颜色感知。可滴定酸度测试的总体布局包括一个烧杯来保存样品，一个磁力搅拌器来确保均匀性和一个滴滴管来逐渐添加标准碱。

图4: 使用pH计确定终点(a)或使用pH指示器通过颜色变化确定终点(B)的滴定布局表示。 来源:作者。

挥发性酸

挥发性酸度是衡量食品中挥发性酸的指标。它最常用于葡萄酒和其他酒精饮料，作为产品质量和腐败的指标。这些值表示为醋酸的浓度，因为它是该参数的最大贡献者，但其他酸，如乳酸、甲酸、丁酸和丙酸也可以贡献。⁹挥发性酸度更多地与通过香气而不是味觉检测到的酸有关，因此许多食品的质量与挥发性脂肪酸的含量有关。因此，挥发性酸度是一个重要的参数，例如，评估黄油质量和跟踪奶酪成熟。通常，挥发性酸度的测定方法是蒸馏挥发性酸，并通过滴定法确定其浓度。如今，更先进的技术(例如，气相色谱法)，可更精确地测定和鉴定样品中不同的挥发性酸。

pH值在食品和饮料生产中具有很大的影响，其可变性可导致食品质量、一致性和安全性方面的严重差异。由于这些原因，pH值是生产和发布前质量控制中最常控制的参数之一。

pH值在很大程度上影响由酶或微生物活性驱动的生物过程，影响工艺产量和特异性。味觉从根本上受到pH值的影响，因为pH值可以帮助调节对甜味和酸味的感知。此外，食物的质地取决于酸碱度，许多食物(例如,奶酪、果酱和奶油)依靠准确的pH值来创造和控制所需的口感。pH值还通过稳定或破坏胶体混合物的稳定而影响食品外观，从而导致在透明混合物中形成朦胧外观或沉淀物。许多食物成分也是天然的pH值指示物，根据pH值改变颜色。葡萄酒、水果和蔬菜中的花青素就是如此。¹⁰在食品安全中，pH值在抑制细菌生长方面起着至关重要的作用腐败微生物．由于这些原因，大多数监管机构对某些商业食品的pH值制定了规定，因为一般酸性食品(pH值< 4.6)被认为更安全，保质期更长。¹¹

pH值检测涉及食品生产的各个领域和阶段，是食品工业中最常见和最重要的分析方法之一。食品生产的几乎每一个方面都可以通过pH值的微小变化进行调整，从而影响食品安全和质量。

• 食品安全
  也许食品工业最关心的是食品安全。在这种情况下，pH值控制对于确保食品的物理化学和微生物安全至关重要。大多数工业设施依靠标准化的程序来确保足够的卫生。这些程序通常包括使用强酸和强碱清洗沉淀物、管道和食品加工设备，通过几个洗涤和漂洗周期。pH值测试，无论是通过pH计或使用指示器，都是一个标准程序，以确保从生产线上正确去除危险的清洁产品。此外，pH值水平调节着可以在食品中生长的微生物类型;食品的酸性越强，微生物就越难在其中生存和生长。
  
  
• 质量控制
  当然，pH值测试对于确保食品符合要求的规格是必不可少的。这对于水果和蔬菜的生产是有效的，其中pH值和酸度是影响产品质量的基本因素。¹²此外，在控制原料、最终产品甚至在储存期间，pH值测试将确保食品符合要求的规格。
  
  
• 过程控制与优化
  如前所述，pH值控制是酶和微生物驱动过程的基础。酒发酵和陈酿受到pH值的广泛影响，因为在较低的pH值下，酵母活性会受到损害，而在较高的pH值下，葡萄酒和葡萄酒容易受到腐败细菌的影响。啤酒酿造过程也依赖于pH值的准确控制，不仅在发酵过程中，而且在整个过程中都是如此。在捣碎阶段，酶活性受pH值的调节，并影响淀粉降解为可发酵糖，从而影响整个过程的产量。适当的pH值也会导致更好的啤酒花提取和清晰度，最终产品的外观不那么朦胧。
  
  乳制品行业也提供了一个常见的例子来说明pH值测试的重要性。在奶酪和酸奶生产过程中，牛奶蛋白质的凝固受到pH值的影响，影响过程产量和最终的质地。同样，这两种生产过程都涉及微生物活动，对产品的风味、香气和保质期有很大影响。从工艺上看，pH监测可作为工艺控制参数。以前面的例子为例，制作酸奶主要是通过降低牛奶的pH值来诱导蛋白质凝固。通过监测pH值，可以在不采样产品或干扰产品过程的情况下知道工艺何时完成。
  
  
• 研发
  最终，pH值反映了溶液的化学条件。这个参数可以控制营养物质的可用性、大分子的生物学功能、微生物活性和化学物质的行为。正因为如此，监测或控制pH值在食品科学和技术中是必不可少的，在研究、开发和测试食品配料、产品和工艺时都要仔细执行。一个很好的例子就是处理蛋白质时pH值控制的重要性。¹³蛋白质是许多食品的结构和功能组成部分。它们是动态大分子，对环境条件高度敏感，pH值是影响它们行为和性能的最基本因素。蛋白质的表面电荷(通常是其结构)取决于pH值，因此它的溶解性、乳化、凝胶化、增稠、起泡和水结合能力以及与其他分子相互作用的能力都受pH值的调节。¹⁴pH值的准确控制，关键地决定了依赖于这些和其他特性的任何食品配方的成功和性能。

什么是酸性食物?

由于天然存在的酸，食物的pH值可能很低，因此，大多数食物都被认为是酸性的(表1)。根据科学标准，任何pH值低于7的食物都被认为是酸性的，但根据酸度水平有分类。pH值在4.6到7之间的食品被认为是低酸食品，更容易受到微生物(如真菌、酵母和致病菌，如肉毒梭状芽胞杆菌）.¹⁵出于这个原因，共同的生产标准和监管立法通常要求在这些产品中使用严格的保存过程。高酸食品，如大多数水果和发酵食品，pH值自然低于4.6，确保更高的安全性，要求更低的保护问题。同样，安全标准适用于酸化食品，通过添加食用酸来实现pH值低于4.6。¹⁶为了确保足够的pH值，延长保质期并防止腐败，制造商通常会添加调节酸度的成分，如纯形式的柠檬酸或醋酸，或柠檬汁和醋。

表1:一些常见食物的pH值的例子。

碱性饮食已经普及，据称可以改善健康，对抗疾病，降低癌症风险。基本的说法是，这样的饮食可以改善酸碱平衡，提高尿液ph值。然而，这些说法并没有科学依据都建立在不可靠的前提上．一些提倡这种饮食的人认为，这种分类与食物的实际pH值无关，而是与它们对身体的影响或这些食物中产生碱的灰分或矿物质含量的丰度有关。这并不能改变一个事实，即目前这种趋势所倡导的酸性和碱性食物的分类实际上与它们的实际pH值无关。因此，根据碱性饮食标准对食物进行分类的常见表格和图表从根本上是错误的。在图5中可以看到这样一个“碱性食品”图表的例子。

图5: 代表食品根据“碱性饮食”的概念。 资料来源:科技网188金宝搏备用络。

事实上，从表1的数据可以看出，绝大多数食物都是酸性或中性的图5等例子中提供的信息并不能反映食物的实际pH值．这些图表中的食物分布似乎更多地与它们对健康影响的定性感知有关，例如,水果和蔬菜被放在碱性的一边，而高脂肪和高糖含量的食物，如快餐和糖果，被放在酸性的一边。很少有食品的pH值是碱性的，例如鸡蛋、一些贝类和椒盐卷饼等烘焙产品。椒盐脆饼的pH值最高，因为在制造过程中，这些产品浸泡在小苏打或氢氧化钠溶液中。此外，碱性饮食可以改变人体pH值的说法是可疑的，因为没有研究证明这一点，人体有几种机制来维持稳定的pH值水平。然而，尽管存在科学上的不准确性和对食物pH值的依赖性很小，“碱性饮食”确实鼓励健康的饮食模式，重点是新鲜水果、蔬菜和植物性替代品。¹⁷动物蛋白摄入的限制，与碱性饮食的指导方针相关，也可能导致减少酸性化合物在体内的积累，并可能改善肾功能。¹⁸不管这种饮食的有效性或最终的健康益处如何，它的分类以及其列表中所列食物的pH值都应该谨慎对待，并意识到它并不遵循pH值测定和分类的科学标准。

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