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95%乙醇浸出棉仁低温压榨饼的工艺研究

发布日期:2018-02-01 中国油脂网

 刘大川,李君君
(武汉工业学院 食品科学与工程学院,武汉 430023)
 
 
摘要:以95%的乙醇为溶剂对棉仁低温压榨饼进行浸出,同时浸出饼中油脂和脱除所含游离棉酚。探讨了原料粒度、原料水分、浸出温度、浸出时间和固液比等因素对粕中残油率和游离棉酚含量的影响。通过正交实验,得出最佳浸出工艺条件为:原料粒度7.5 mm,原料水分小于9%,浸出温度78 ℃,浸出次数12次(每次15 min),固液比1∶ 3。在此条件下,浸出棉粕中残油率为0.91%,游离棉酚含量为0.012 9%,粗蛋白含量为5181%(N×6.25,干基)。
关键词:棉仁低温压榨饼;95%乙醇;棉籽油;游离棉酚
中图分类号:TS224.4    文献标志码:A    文章编号:1003-7969(2009)12-0005-05
 
Extraction of low temperature pressed cottonseed cake with 95% ethanol
LIU Dachuan, LI Junjun
(Department of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)
 
 
Abstract:Ethanol with the concentration of 95% was used as a solvent to extract the residual oil and free gossypol in the low temperature pressed cottonseed cake.The effects on the residual oil and free gossypol content in the meal of influence factors,such as granular size,raw materials moisture, extraction temperature,extraction time and ratio of solid to liquid were researched.By orthogonal experiments,the optimal conditions were obtained as follows:granular size 7.5 mm,material moisture less than 9%,extraction temperature 78 ℃,extraction 12 times (each 15 min),ratio of solid to liquid 1∶ 3.Under these conditions,the residual oil,the free gossypol content and the protein content in the extracted cottonseed meal were 0.91%,0.012 9% and 51.81% (N × 6.25,dry basis),respectively.
Key words:low temperature pressed cottonseed cake;95% ethanol;cottonseed oil;free gossypol
 
  我国是世界上主要的产棉大国,年产棉籽800余万t。其中棉仁占50%~55%,棉仁蛋白质含量为35%~38%,棉仁提油后的粕中蛋白质含量最高可达60%,是巨大的蛋白质资源[1]。但是由于其中含有对畜禽有毒害作用的游离棉酚,使得丰富的蛋白质资源未能得到充分利用。
     棉酚是一种有毒酚型色素,棉籽中含棉酚0.15%~1.8%,按其存在形式分为游离棉酚(FG)和结合棉酚(BG),游离棉酚具有活性醛基和羟基,对单胃动物有较大毒性,而结合棉酚由游离棉酚与棉仁中的蛋白质、磷脂、糖类等通过化学结合而成,毒性较小。棉酚主要存在于棉仁的色腺体内,色腺体壁对极性溶剂十分敏感,遇极性溶剂即破裂,释放出色素微粒,其主要成分就是棉酚。但如果未遇到极性溶剂,色腺体壁可承受机械压力而保持完整,即使色腺体破裂也不会释放出其所含的色素 。因此,从棉仁中提取棉酚大都采用极性溶剂,如丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇等[2]。
     长期以来,国内外学者对棉籽脱酚技术进行了大量研究,主要有化学法、微生物发酵法、溶剂萃取法等。化学法是将游离棉酚破坏或形成结合态,微生物发酵法是使棉酚分解,这两种方法主要解决游离棉酚的问题, 而不能从根本上解决高温预处理过程造成的蛋白质变性、营养价值下降等问题。溶剂萃取法是研究较多且实现了工业化生产的技术,如乙醇-工业己烷混合溶剂浸出法,在混合溶剂中90%的乙醇与工业己烷之比为30∶ 70时,浸出棉籽油和脱除棉酚的效果都很好。但过程中乙醇与工业己烷的比例控制比较困难。再如,丙酮浸出法,在利用丙酮作溶剂浸出棉籽油的同时,棉酚也被浸出,从而使棉籽粕脱毒。但由于丙酮不能溶解磷脂,致使粕的风味受到影响。双溶剂分步法,即先用己烷浸出棉仁生坯中的油脂,再用甲醇萃取脱脂粕中游离棉酚。该法可使浸出棉粕中游离棉酚含量降到004%,粕中粗蛋白含量达到50%以上[3,4]。
     早在20多年前,美国新奥尔良南部地区研究中心的Abraham[5]和Hron[6]等人,就采用乙醇作溶剂来浸出棉仁生坯,提取油脂及其他副产品,由于该工艺采用混合油冷却分层和反渗透膜等先进设备,免除了己烷浸出工艺常规的混合油蒸发和汽提工序,从而减少了能耗,降低了操作费用。
     乙醇是一种利用农副产品经发酵生产的可再生溶剂,同时乙醇是一种安全性仅次于水的溶剂,使用它对环境没有负面影响。乙醇属于极性溶剂,可以溶解棉酚,同时90%~95%乙醇在接近沸点的温度下对油脂也有较大的溶解度。本文采用95%乙醇为溶剂,对棉仁低温压榨饼进行浸出,旨在同时提取棉籽油和脱除棉酚。由于棉仁在低温下压榨出油,所含游离棉酚未与蛋白质结合,有利于乙醇萃取脱酚。另外,棉仁低温压榨饼残油率低、容重大,有利于彻底脱脂,也有利于减小后续工业化生产设备的投资。 
1 材料与方法
1.1 实验原料
  棉仁低温压榨饼由安陆天鑫粮油机械设备有限公司提供。系采用含油率23.6%、水分10.02%、仁中含壳率10%的棉仁于42 ℃下用LYZX·24型低温螺旋榨油机压榨后所得棉仁低温压榨饼,其主要成分见表1。


 
1.2 主要实验试剂
  95%乙醇为化学纯,丙酮、苯胺、石油醚、硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸、氢氧化钠、盐酸、硼酸等试剂均为分析纯。
1.3 主要实验仪器、设备
  GZX-GF101-MBS电热恒温鼓风干燥箱,电热恒温水浴锅,HYP消化炉,电子万用炉,微量凯氏定氮仪,双频超声波清洗机,7200型可见分光光度计,RE52CS旋转蒸发器,SHZ-Ⅲ型循环水真空泵,DZF-6050型真空干燥箱,电子分析天平,SHA-C水浴恒温振荡器,SYC-15B超级恒温水浴,渗滤式玻璃浸出器(自制),索氏抽提器,高速万能粉碎机,SCOUT SCA210型电子天平,501型超级恒温器。
1.4 实验方法
1.4.1 原料和浸出粕中成分的测定 粗蛋白的测定,GB 5511-1985[7];粗脂肪的测定,GB 5512-1985[7];水分的测定,GB 13101-1991[7];游离棉酚含量的测定,参照文献[8],用苯胺显色法测定。
1.4.2 浸出实验 称取一定量原料饼,破碎到一定粒度置入自制的玻璃浸出器中,在浸出器加热夹套内通入恒温热水,改变原料粒度、原料水分、浸出温度、浸出次数、浸出固液比5个因素对棉仁低温压榨饼进行浸出,测定浸出粕中的残油率和游离棉酚含量,确定合适的工艺参数,通过正交实验优化浸出工艺条件。
2 结果与讨论
2.1 单因素实验
2.1.1 原料粒度对粕中残油率和游离棉酚含量的影响 在浸出温度70 ℃、固液比1∶ 3、浸出次数12次(每次15 min)、原料水分9.88%条件下,用95%的乙醇浸出棉仁低温压榨饼,原料粒度对粕中残油率和游离棉酚含量的影响结果如图1所示。

  由图1可看出,随着原料粒度的减小,粕中残油率和游离棉酚含量均逐渐降低。油料的浸出过程是通过溶剂渗透的方式进入物料内部达到萃取油脂的目的,物料粒度太大不利于溶剂渗透,从而导致残油率较高。游离棉酚的提取原理与油脂的提取原理类似,因此浸出粕中游离棉酚含量与残油率有相同的趋势。但是当原料的粒度降到5 mm的时候,粕中残油率和游离棉酚含量都相应升高,这是因为原料粒度太小,粉末度增加,会影响到溶剂向物料内部的渗透和渗滤,从而导致粕中残油率和游离棉酚含量有所升高。因此,选择原料粒度为7.5 mm比较适宜。
2.1.2 原料中水分对粕中残油率和游离棉酚含量的影响 在浸出温度70 ℃,固液比1∶ 3,浸出次数为12次(每次15 min),原料粒度为7.5 mm条件下,用95%的乙醇浸出棉仁低温压榨饼,原料水分对粕中残油率和游离棉酚含量的影响结果如图2所示。

  由图2可看出,粕中残油率随着原料水分的减少而逐渐降低。由于原料水分影响溶剂对油料的渗透及向内部扩散,原料水分较高时将使物料外表面、细胞壁、二次结构组织、毛细孔壁被溶剂润湿的情况变差,故粕中残油率较高,而此时乙醇浓度被稀释,溶剂极性增大,故粕中游离棉酚含量较低。棉酚与油脂的极性相差很大,油脂不溶于水,是典型的非极性物质,而棉酚带有多个  O H,可溶于水,极性较强[9]。根据“相似相溶”原理[10],当原料中的水分减少时,也就减少了乙醇浓度被稀释的可能性,浸出后粕中残油率会随之降低,而粕中游离棉酚含量却随之升高。故原料水分应低于9%。
2.1.3 浸出温度对粕中残油率和游离棉酚含量的影响 在原料粒度7.5 mm,原料水分为7.67%,固液比为1∶ 3,浸出次数为12次(每次15 min)条件下,改变浸出温度,用95%的乙醇浸出棉仁低温压榨饼,浸出温度对粕中残油率和游离棉酚含量的影响结果如图3所示。
图3 浸出温度对粕中残油率和游离棉酚含量的影响
  由图3可看出,随着浸出温度的升高,粕中残油率和游离棉酚含量都逐渐降低。浸出属分子扩散控制过程,温度升高,分子运动速度加快,浸出速率也加快[11]。萃取棉酚也属分子扩散控制过程,萃取温度对萃取速率影响很大[12],温度升高,分子扩散速度加快,萃取速率提高。因此,粕中的残油率和游离棉酚含量都随温度的升高而降低。当温度达到70 ℃以后,粕中残油率的降低趋势减缓。
2.1.4 浸出次数对粕中残油率和游离棉酚含量的影响 在原料粒度7.5 mm,原料水分7.58%,固液比1∶ 3,浸出温度78 ℃的条件下,改变浸出次数(每次15 min),用95%的乙醇浸出棉仁低温压榨饼,浸出次数对粕中残油率和游离棉酚含量的影响结果如图4所示。
 
图4 浸出次数对粕中残油率和游离棉酚含量的影响
  由图4可看出,随着浸出次数的增加,粕中残油率和游离棉酚含量都随之降低。浸出过程是一个多次打破传质动态平衡的过程,随着浸出次数的增加,打破传质动态平衡的次数也就越多,可使平衡向有利于油脂浸出的方向移动。同时,随着浸出次数增加,总浸出时间延长,溶剂与物料接触的时间也就越长,这有利于油脂和棉酚的萃取。当浸出次数达到12次时,残油率已经降到1.71%,继续增加浸出次数,粕中残油率的降低已经变化不大,故选择浸出次数为12次较为适宜。
2.1.5 固液比对粕中残油率和游离棉酚含量的影响 在原料粒度7.5 mm,原料水分787%,浸出温度78 ℃,浸出次数12次(每次15 min)条件下,改变固液比,用95%的乙醇浸出棉仁低温压榨饼,固液比对粕中残油率和游离棉酚含量的影响结果如图5所示。

图5 固液比对粕中残油率和游离棉酚含量的影响
  由图5可以看出,粕中残油率和游离棉酚含量都随着固液比的增加而减小。浸出过程是固液萃取过程,是动态平衡过程,固液比大,对油脂和游离棉酚的提取能力就强,但固液比太大会消耗大量溶剂,加大溶剂回收负荷,实际生产过程应该在保证降低粕中残油率的情况下尽量减小固液比。从图中还可看出,当固液比达到1∶ 3的时候,粕中残油率已经降到2%以下,继续增大固液比,粕中残油率下降趋势很弱,故选择固液比为1∶ 3。
2.2 正交实验
  在单因素实验基础上,以原料粒度(A)、浸出温度(B)、固液比(C)、浸出次数(D)4个因素设计正交实验,因素水平见表2,正交实验结果见表3,以粕中残油率为考察指标的方差分析见表4。



 
 
  由表3可知,影响乙醇浸出粕中残油率的因素主次顺序为:浸出温度>原料粒度>固液比>浸出次数。最佳的工艺组合为A1B3C2D1,即采用95%的乙醇作溶剂,浸出温度为78 ℃,原料粒度为5 mm,固液比为1∶ 4,浸出次数为12次。影响乙醇浸出粕中游离棉酚的因素主次顺序为:浸出温度>浸出次数>固液比>原料粒度。最佳的工艺组合为A1B3C1D3,即采用95%的乙醇作溶剂,浸出温度为78 ℃,原料粒度为5 mm,浸出固液比为1∶ 3,浸出次数为14次。
  由表4的方差分析得出浸出温度和原料粒度具有显著性影响。
 
2.3 重复实验及产品主要成分
  综合粕中残油率和游离棉酚含量为指标的正交实验结果,考虑到原料粒度为5 mm太小,在浸出过程中容易形成粉尘,使浸出器渗沥困难,故选用原料粒度为7.5 mm。另外,考虑到粕中的残油率在浸出次数为12次时即可以达到1%左右,此条件下粕中游离棉酚含量也已降到规定的0.045%标准以下,故确定95%乙醇浸出棉仁低温压榨饼的工艺条件为:原料粒度7.5 mm,浸出温度78 ℃,固液比为1∶ 3,浸出次数12次。在此条件下重复实验获得的产品其主要成分如表5所示。

  从表5可看出,产品的粗脂肪含量由原料的9.7%降到了0.91%,粗蛋白含量由原料的44.71%富集到51.81%,游离棉酚含量由原料的0.144 6%降到0.012 9%。
3 结 论
  (1)本实验首次采用95%乙醇单一溶剂浸出棉仁低温压榨饼,在浸出油脂的同时脱除了其中所含的游离棉酚。
     (2)通过单因素实验和正交实验得出用95%乙醇浸出棉仁低温压榨饼的最佳工艺条件是:原料水分小于9%,原料粒度7.5 mm,浸出温度78 ℃,浸出次数12次(每次15 min),固液比1∶ 3。
     (3)在最佳工艺条件下重复实验所得棉粕中残油率由原料的9.7%降为0.91%,粗蛋白含量由原料的44.71%(N×6.25,干基)富集到51.81%(N×6.25,干基),游离棉酚含量由原料的0.144 6%降为0.012 9%。
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