Лекция 29. Основы производства растительных жиров и масел

План лекции:

1.     Технологические схемы производства масел

2.     Основы технологии рафинирования масел

3.     Процессы, происходящие на отдельных стадиях: прессование, экстракция, рафинирование

 Жиры (липиды) – это сложная смесь органических соединений с близкими физико-химическими свойствами, содержащимися в тканях растений и животных. Общими признаками для всех жиров являются нерастворимость в воде (гидрофобность) и хорошая растворимость в органических растворителях. Жиры являются важным компонентом пищи. Они применяются при получении многих продуктов питания, во многом определяя их пищевую и биологическую полноценность. В растениях липиды накапливаются главным образом в семенах и плодах. Их содержание зависит не только от индивидуальных особенностей – вида растений, но и от сорта, места и условий произрастания.

По своему составу липиды делятся на простые и сложные. По своей химической природе они являются ацилглицеринами – производными многоатомных карбоновых кислот и трехатомного спирта глицерина. В природе известна и другая группа простых липидов – воски, однако содержание их в липидах невелико.

В состав жиров входят в основном триацилглицерины, но присутствуют в небольших количествах ди- и моноацилглицерины. В их построении участвует до 100 карбоновых кислот, однако наибольшее распространение получили: насыщенные кислоты – лауриновая, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая; ненасыщенные кислоты – олеиновая, эруковая, линолевая, линоленовая, арахидоновая; оксикислоты – рицинолевая.

Липиды по своим функциям в живых организмах делят на запасные и структурные. Запасные липиды, в основном ацилглицерины, обладая высокой калорийностью, являются энергетическим и строительным (резервным) материалом организма, они используются им при недостатке питания и заболевания. Структурные липиды, в первую очередь фосфолипиды, образуют сложные комплексы с белками (липопротеины), с углеводами и в составе клеточных структур участвуют в разнообразных биохимических процессах, протекающих в клетках.

Растительные жиры и масла являются обязательным компонентом пищи, источником энергетического и пластического материала для человека, поставщиком ряда необходимых для него веществ, т.е. являются незаменимыми. К незаменимым относятся в первую очередь ненасыщенные кислоты – олеиновая, эруковая, линолевая, линоленовая, архидоновая. Рекомендуемое содержание жиров в рационе человека (по калорийности) составляет 30-35%.

Наиболее важные источники жиров в питании – растительные масла (в рафинированных маслах 99,7-99,8% липидов), сливочное масло (61,5-82,5%), маргарин (до 82%), кулинарные жиры (99%).

Получение растительных масел

Современная технология производства растительных масел включает в себя операции: подготовки и хранения семян, подготовки семян к извлечению масла, прессования и экстракции масла, первичную и комплексную очистку масла, переработки шрота (рис. 38).

В настоящее время для извлечения масла из семян применяют два способа: последовательное извлечение масла при переработке семян с высоким содержанием масла – сначала прессовым способом, при котором получают примерно ¾ всего масла, а затем экстракционным, с помощью которого извлекают остальное масло, и однократное извлечение масла из низкомасличных семян методом экстракции, получившее название метода прямой экстракции. 

 Сушка и хранение масличного сырья

Период заготовки большинства видов масличного сырья длится не более 2-3 мес, поэтому необходимо сохранить большие партии семян до переработки в течение длительного времени с минимальными потерями без ухудшения качества.

Семена большинство масличных культур поступают после уборки на хранение с содержанием влаги, превышающим оптимальные значения. Для хранящихся семян характерен дыхательный массообмен. Дыхание требует расхода запасных веществ семян, в первую очередь липидов. Поэтому в ходе хранения масличность семян снижается, в масле растет содержание свободных жирных кислот и продуктов их окисления. Это обстоятельство заставляет при хранении либо охлаждать семена до низких температур (около нуля), либо продувать азотсодержащий воздух (кислорода не более 2%), либо подвергать сушке. Последний метод наиболее распространен. Это тепловая сушка, в процессе которой семена нагревают с помощью сушильных агентов (обычно в смеси воздуха и дымовых газов). Высушенные семена охлаждают, продувая атмосферный воздух.

Обрушивание семян

Запасы масла в тканях масличных семян и плодов распределены неравномерно: главная часть сосредоточена в ядре семян – в зародыше и эндосперме, плодовая и семенная оболочки содержат относительно небольшое количество масла, имеющего другой, худший по пищевой ценности липидный состав. В связи с этим при переработке многих масличных семян и плодов оболочки отделяют от основных маслосодержащих тканей – ядра. Этот процесс складывается из операций разрушения покровных тканей семян – обрушивания и последующего разделения (отвеивания) полученной смеси – рушанки на ядро и шелуху (лузгу). Эти операции производятся на специальных обрушительных машинах.

Качество работы этих машин оценивают по величине остаточного содержания лузги в готовом ядре и потерям масла с отводимой лузгой.

Измельчение семян

Для извлечения масла из семян необходимо разрушить клеточную структуру их тканей. Конечным результатом измельчения является перевод масла, заключенного в клетках семян, в форму, допустимую для дальнейших технологических воздействий. Необходимая степень измельчения достигается путем воздействия на обрабатываемый материал механических усилий, производящих раздавливающие, раскалывающие, истирающие или ударные действия. Обычно измельчение достигается сочетанием нескольких видов указанных усилий. Получаемый после измельчения семян материал называется мяткой и отличается очень большой удельной поверхностью. Хорошо измельченная мятка должна состоять из однородных по размеру частиц, проходящих через сито с отверстием диаметром 1 мм и не должна содержать целых, неразрушенных клеток, и в то же время содержание очень мелких (мучнистых) частиц в ней должно быть невелико. Для получения мятки применяют вальцовые станки.

Извлечение масла

Масло, адсорбированное в виде тонких пленок на поверхности частиц мятки, удерживается значительными поверхностными силами. Для эффективного извлечения масла необходимо эту связь ослабить. С этой целью используют гидротермическую (влаготепловую) обработку мятки – приготовление мезги и жарение. При увлажнении и последующей тепловой обработке мятки ослабевает связь липидов с белками и углеводами и масло переходит в относительно свободное состояние. Затем мятку нагревают до более высоких температур, вязкость масла заметно снижается, одновременно снижается и содержание влаги, происходит частичная денатурализация белков, изменяющая пластические свойства мятки. Мятка превращается в мезгу.

В производственных условиях приготовление мезги состоит из двух этапов. Первый – увлажнение мятки до 8-9% и первоначальный подогрев до 80-85^оС осуществляется в инактиваторах или пропарочно-увлажнительных шнеках. Второй этап – нагревание мятки до 105^оС и ее высушивание до конечного содержания влаги 5-6% - осуществляется в жаровнях различных конструкций. Мезга с такими характеристиками обеспечивает эффективный предварительный отжим масла, который осуществляется в шнековых прессах.

Прессовым способом, однако, невозможно добиться полного обезжиривания мезги, так как на поверхности жмыха, всегда остаются тонкие слои масла, удерживаемые поверхностными силами, во много раз превышающими давление, развиваемое современными прессами.

Единственным способом, обеспечивающим практически полное извлечение масла, является экстракционный способ. Схема экстракционного процесса представлена на рис. 39.

 Жмых перед экстракцией структурируют, придавая ему структуру крупки, гранул или лепестков, обеспечивающую максимальное извлечение масла растворителем. В качестве растворителя применяют бензин марки А (ТУ 38.101303) и нефрас (ОСТ 38.01199) с температурой кипения 63-75^оС. Экстракцию растительного масла чаще всего ведут способом погружения экстрагируемого материала в противоточно движущийся растворитель. Преимущества экстракции погружением – высокая скорость экстракции, небольшая продолжительность процесса, простота конструкции экстракционного аппарата и высокий коэффициент использования его геометрического объема. Последнее исключает возможность образования в экстракторе взрывоопасной смеси воздуха и паров растворителя.

После экстракции получается мисцелла, содержащая масло. Для ее очистки от твердых примесей применяют отстойники, гидроциклоны и тканевые фильтры.

 Дистилляция мисцеллы

Мисцелла состоит из легкокипящего растворителя и практически нелетучего масла. В масложировой промышленности операцию отгонки растворителя из мисцеллы называют дистилляцией. Этот процесс осуществляют по двух- и трехступенчатой схеме под вакуумом для снижения температуры кипения. Масло во всех схеме дистилляции не нагревается выше 90^оС. После предварительной отгонки мицеллу подвергают рафинации (нейтрализации) путем смешивания со щелочью, подогревания до 60-70^оС и обработки обессоленной водой при температуре 90-95^оС, а затем отстаиваия в отстойниках непрерывного действия. Рафинация (нейтрализация) масла эффективно идет при оптимальной концентрации мисцеллы 35-45%. После рафинации очищенная мисцелла поступает в дистилляторы второй ступени. При необходимости проводят и третью отгонку.

Отгонка растворителя из шрота

Выходящий из экстрактора шрот содержит от 20 до 30% растворителя, который удаляется нагреванием в чанных испарителях (тостера), конструкция которых аналогична жаровням для приготовления мезги. В процессе отгонки происходят также изменения, улучшающие качество шрота как кормового продукта: инактивируются токсичные и нежелательные соединения, присутствующие в семенах, снижается содержание гликозинолатов и горчичных эфирных масел, достигается оптимальная денатурация белков семян. В шроте, выходящем из тостера, содержание влаги должно быть в пределах 8,5-9%, растворителя – не выше 0,1%, ферропримесей – не более 0,01%, липидов 2,5-4%, белков (протеина) – 42-45%. Шрот, предназначенный для использования в качестве корма для животных, подвергают гранулированию.

Растворитель, удаляемый при обработке мисцеллы и шрота, регенерируется путем конденсации из парогазовой смеси в теплообменниках-конденсаторах и затем возвращается в производство. 

Получение белковых изолятов из шрота 

Белок извлекают из шрота сначала водным раствором NaCl, a затем NaOH. Нерастворимый осадок отделяют, а экстракт, содержащий 2-3% белка, очищают и осаждают НСl. Осажденный белок промывают и высушивают в распылительной сушилке воздухом при температуре 180-200^оС. Нерастворимый осадок шрота после высушивания используется на корм скоту, а пищевой белок с содержанием влаги 3-8%, протеина не менее 85% (растворимого протеина не менее 80%), масла не более 1,5%, золы и клетчатки не более 3%фасуют и отправляют потребителям.

Рафинация масел и жиров

В растительных маслах в зависимости от их природы, способа извлечения из исходного сырья. Условий хранения, кроме основной группы – запасных липидов (триацилглицеринов) содержатся также структурные липиды, определяющие цвет, вкус, запах, свойственные данному маслу. В зависимости от назначения масла некоторые из этих групп липидов нежелательны. Кроме того при получении мала прессованием в него попадают частицы мезги, а также группа чужеродных веществ – остатки гербецидов и пестицидов, полициклические ароматичекие углеводороды, продукты жизнедеятельности микрофлоры и др.

Процесс очистки масла от нежелательных групп липидов и примесей называют рафинацией, конечной целью которой является выделение из природных масел и жиров триацилглицеринов.

Удаление из масла твердых взвешенных примесей и воды проводят методом отстаивания, центрифугирования и фильтрованием через ткань на рамных фильтр-прессах. Полная схема рафинации масел и жиров приведена на рис. 40.

 Современная технология полной рафинации предусматривает удаление из масел фосфолипидов (операция гидратации масла), восков и воскоподобных веществ (операция вымораживания), свободных жирных кислот (операция щелочной нейтрализации), красящих веществ (операция отбеливания масла), веществ, ответственных за вкус и запах (операция дезодорации).

Гидратация

Это удаление из масла группы веществ с гидрофильными свойствами, важнейшими из которых являются фосфолипиды – ценные в пищевом отношении соединения с антиокислительными свойствами. Процесс гидратации заключается в медленном (20-40 мин) смешивании подогретого масла с дозированным количеством воды (до 3%). После смешения, в результате которого происходит коагуляция и формирование хлопьев осадков гидратированных фосфолипидов, масло подается на сепаратор, а затем на дальнейшую рафинацию. Гидратационный осадок (фосфолипидную эмульсию) подают для высушивания и фасования.

 Вымораживание

Гидратированное подсолнечное масло освобождается от восков и воскоподобных веществ вымораживанием. Сущность процесса заключается в медленном охлаждении масла до 10-12оС при слабом перемешивании в экспозиторе в течение 4-6 ч. Здесь происходит кристаллизация восков, растворенных в масле. Затем масло подогревают до 16-18^оС для снижения его вязкости и фильтруют на рамных фильтр-прессах.

 Нейтрализация 

Способ нейтрализации масел щелочью основан на обработке рафинируемого масла раствором едкого натра, в ходе которой свободные жирные кислоты, взаимодействуя со щелочью, дают водные растворы мыла – соапстоки. Соапстоки нерастворимы в масле и, так как их относительная плотность выше, чем у масла. образуют осадки (отстои), которые затем отделяют от масла.

 Отбеливание

Для отбеливания масел – удаления из них жирорастворимых пигментов - каротиноидов, хлорофиллов и др. применяют активированные кислотой и термической обработкой отбеливающие бентонитовые глины. Реже для осветления масел применяют активированные угли – в смеси с глиной и отдельно. Адсорбционная очистка предусматривается для растительных масел (кроме подсолнечного), предназначенных для гидрирования и производства маргариновой продукции.

Дезодорация

Представляет собой дистилляционный процесс, цель которого – удаление из масла одорирующих веществ – низкомолекулярных жирных кислот, альдегидов, кетонов и других летучих продуктов, определяющих запах и вкус масла. Дезодорация является обязательной операцией для получения масел и жиров, применяемых при производстве маргарина, а также в консервном производстве, а также масла, непосредственно используемого в питании. Дезодорацию проводят путем обработки масла при низком остаточном давлении – в вакууме и высокой температуре (130-180^оС), при одновременном введении в нагретое масло острого водяного пара.