Совершенствование технологии первичной обработки хлопковых семян и производство на его основе высококачественного масла

В настоящее время в промышленной практике применяются два способа извлечения масла из масличных семян в отдельности или в сочетании друг с другом: отжим масла (прессование) и растворение масла (экстракция) [1,6,9].

Переработка хлопковых семян с применением указанных способов может проводиться по различным технологическим схемам при различных технологических режимах [6], при этом под воздействием технологических факторов изменяется содержание веществ в семене [2]. В связи с этим в производстве растительных масел при использовании новых и совершенствовании существующих технологических схем необходимо учитывать следующие неразрывно связанные друг с другом технические задачи:

- наибольшее извлечение масла;

- получение масел, жмыхов и шротов улучшенного качества.

Совмещенный способ маслодобывания и рафинации масла в мятке именно и направлен на решение вопроса повышения качества «сырого» масла и жмыхов на стадии процесса подготовки к прессованию масличной мезги, что ставит задачу детального изучения этого способа извлечения масла из маслосодержащего сырья.

Прессовый способ производства растительных масел. Отжим масла из хлопковой мезги на шнековых прессах осуществляется по схемам однократного и двукратного прессования [1,6,9].

Получение хлопкового масла прессовым способом обуславливает некоторое снижение качества масла: образуется большое количество мелкой взвеси (для которой требуется обязательная фильтрация масла), в прессующем тракте шнековых прессов развивается за счет трения высокая температура до 1500С [6], в результате чего происходит превращение госсипола в измененную и связанную формы с переходом их в масло [12,39]. Это обстоятельство обуславливает резкое потемнение масла и ухудшение его рафинируемости [1].

В целях получения лучших результатов по цветности и рафинируемости хлопкового масла при переработке семян хлопчатника на шнековых прессах в работе [34] описаны условия максимального связывания госсипола с белковой частью мезги. Для этого автор увлажнял мятку паром и конденсатом в пропарочном шнеке и в первом чане дополнительной жаровни, затем проводил тепловую её обработку в высоких самопропаривающихся слоях в чанной жаровне или в жаровне пресса, доводя температуру мезги до 110...1200С. При такой обработке хлопковых семян I...III сортов были получены сырые масла цветностью 10...12,5 красных в 1 см.слое.

Двукратное извлечение масла применяется главным образом для переработки высокомасличного сырья [1,6]. Этот способ извлечения масла позволяет вести процесс при первом прессовании (форпрессовании) при слабом тепловом воздействии, в результате чего получается до 70 % масла повышенного качества. Остальная часть масла извлекается на шнековых прессах окончательного отжима после повторной тепловой обработки, качество этого масла значительно ниже, чем форпрессового [1,6].

Переработка хлопковых семян по схеме двукратного прессования на шнековых прессах осуществляется преимущественно на установках, оборудованных шнековыми прессами марок ФП и УМП-75, Г-24, выполняющих роль прессов предварительного прессования (форпрессов) и шнековыми прессами окончательного прессования марок МПЭ-1 и ЖП [1,6].

Недостатками, как однократного, так и двукратного прессования являются:

- потери значительного количества масла, которое остается в жмыхе-ракушке при однократном прессовании в количестве 6...6,5 % [6], а при двукратном - в лучшем случае в количестве 4,5...5,5 % [1,6,9];

- получение большого количества «обратного» товара, что снижает производительность основного оборудования и ухудшает рафинируемость масла;

- высокотемпературная тепловая обработка в жаровнях и в прессующем тракте ведет к денатурации белков жмыха, за счет чего снижаются его кормовые достоинства.

Таким образом, при разработке технологии извлечения растительного масла на стадии форпрессования необходимо учитывать также способы, обеспечивающие максимальное повышение качества «сырого» масла в жмыхах.

Большие потери масла в жмыхе при прессовом способе переработки масличного сырья и снижение кормовой ценности жмыхов в процессе прессования побудили нас изыскивать более совершенные способы переработки, при которых потери масла были бы наименьшими.

Экстракционный способ производства растительных масел.

В экстракционном производстве предложен [1,6,9] принцип последовательного обогащения мисцелл маслом путем экстракции в батарее соединенных между собой экстракторов. Этим предусматривалась возможность получения высококонцентрированных мисцелл, сокращение рас хода пара на их дистилляцию и уменьшение потерь растворителя [6].

Преимуществом экстракционного способа извлечения масла из маслосодержащего сырья является максимальное извлечение масла из жмыхов с масличностью 13...18 %.

При совершенствовании технологии экстракции особое внимание уделялось созданию аппаратов непрерывного действия [6,9]. В настоящее время широкое распространение получили вертикальные шнековые и горизонтальные ленточные экстракторы [9].

Опыт переработки хлопковых семян показал, что применение чисто экстракционного метода сопровождается некоторыми трудностями [1,6]. Материал хорошо экстрагируется при условии, если он имеет структуру лепестка или пористых гранул. Излишне сухой материал рассыпается в муку, что затрудняет прокачку растворителя. Излишне влажный материал плохо смачивается гидрофобным растворителем. И в том, и в другом случае экстракция идет плохо, а масличность шрота получается высокой [1,6].

Отсюда возникла необходимость в кондиционировании материала (мятки) по влажности и его гранулировании. Одновременно родилась идея о схеме «фопрессование-экстракция». Преимущество такой схемы заключается в том, что значительная часть масла получается высококачественной [1,6,9], хотя экстракционное в этом случае теряет хуже мятки. Кроме того, сам процесс подготовки к прессованию и его прессование делает материал кондиционным по влажности и облегчает процесс последующей экстракции.

Экстракционный способ производства растительных масел без предварительного прессования применяется в настоящее время для переработки бобов сои [9]. Для переработки подсолнечных и хлопковых семян этот метод признан не целесообразным, а рекомендуется использовать двустадийное извлечение масла: «форпрессование-экстракция» [1,6,9]. Этот метод обеспечивает получение жмыха-ракушки с масличностью 14...17 % при влажности около 8,0 % [9]; масличность шрота из высокосортных семян снизилась до 1 %, а из дефектных - до 3,5 % [1,6,9]. Общие потери масла снижаются до 2,3 %.

Недостатками этого способа производства хлопкового масла являются:

- низкая концентрация получаемой мисцеллы;

- пожаро- и взрывоопасность производства;

- большая длительность экстракции;

- длительность воздействия острого и перегретого пара для удаления растворителя из масла и шрота, что понижает качество масла и кормовые достоинства шрота, так как при этом происходит частичная денатурация белков.

Схема форпрессования и экстракции в экстракторах непрерывного действия. При форпрессовании хлопковых семян выделяется до 75 % масла от общего его содержания в мятке, что способствует повышению пропускной способности экстрактора. Вместе с тем форпрессование масличных семян перед экстракцией улучшает структуру экстрагируемого материала [6,9].

Резюмируя часть аналитического обзора, посвященную способам извлечения масла из маслосодержащего сырья, можно заключить:

- наиболее приемлемым и распространенным методом извлечения масла из масличных семян, в частности, хлопковых, является способ «форпрессование-экстракция»;

- основными факторами, влияющими на ход технологического процесса переработки хлопковых семян и качество получаемых масел и жмыхов, являются температура и длительнось её воздействия на мятку;

- при разработке и совершенствовании технологических схем извлечения масла из хлопковых семян необходимо учитывать качественное и количественное изменение состава компонентов сырья.

Получение высококачественного пищевого рафинированного масла зависит и от способов очистки «сырого» масла и применяемых технологических схем в производстве. Исследования рафинируемости форрафинированных черных масел позволят создать способ очистки «сырых» масел от сопутствующих веществ.

1.3 Способы предварительной очистки и рафинации масел от примесей и сопутствующих веществ

К примесям, сопутствующим маслам, в частности хлопковому маслу, относятся органические и неорганические вещества.

Кроме того в масле содержатся:

- фосфатиды - вещества липоидного характера, содержащие фосфор;

- белки и другие вещества, содержащие азот;

- стерины (жирорастворимые витамины)- неомыляемые вещества липоидного характера;

- воски - сложные эфиры, образованные жирными кислотами и высокомолекулярными одноатомными жирными спиртами и спиртами ароматического ряда;

- углеводы - моно-, ди- и трисахариды, пектины, водорастворимые полисахариды;

- глюкозиды - сложные соединения моносахаридов с другими органическими соединениями;

- красящие вещества - каротин и каротиноиды, хлорофилл, госсипол и госсиполопроизводные, флавоновые, фитомиэлановые пигменты и др.;

- ферменты и витамины - токоферол, витамины F и К:

- фосфосодержащие вещества нелипоидного характера, минеральные фосфаты, инозитфосфорная кислота.

Для установления рационального технологического способа и режима очистки и рафинации масла большое значение имеет классификация процессов его очистки и рафинации. В литературе методы очистки и рафинации обычно классифицируют по видам реакций или процессов [14,17,24].

Одни исследователи [24] делят методы рафинации жиров на две группы: физические и химические. При этом к физическим методам относят отстаивание, центрифугирование и фильтрацию, а иногда и адсорбцию, а к химическим - сернокислотную обработку, применение окислительных и восстановительных реактивов, нейтрализацию растворами едких щелочей и углекислой содой. В последние время особое внимание обращают на использование физико-химических методов, то есть применение адсорбентов и технологии дезодорации.

Другие авторы, придерживаясь такой же классификации, включают в физико-химические методы адсорбционную отбелку жиров и гидратацию.

В настоящее время для очистки и рафинации сырого хлопкового масла, полученного методами форпрессования и экстракции, существуют три метода [6,14,17]: физические, химические и физико-химические. К физическим методам относятся: отстаивание, центрифугирование и фильтрация. К химическим - нейтрализация растворами едкой щелочи и углекислой содой, методы адсорбции и дезодорации относят к физико-химическим методам. Кратко охарактеризуем основные методы очистки и рафинации масла.

Хлопковое масло, наряду с фосфатидами, содержит некоторое количество госсипола, поэтому при его гидратации вместе с фосфатидами выпадает в осадок и госсипол. Первоначальные работы [14] по гидратации хлопкового масла, полученного прессованием, касались только поведения госсипола при гидратации.

При исследовании шнекопрессовых и экстракционных масел установлено, что в одних случаях гидратация снижала кислотное число и ухудшала цвет масла, улучшала эффект последующей нейтрализации; в других - гидратация не оказывала влияния на эффект последующей обработки масла раствором щелочи [6,14,17].

Эти результаты послужили основанием к дальнейшему всестороннему исследованию этой проблемы. В работе [34] исследовались особенности взаимодействия госсипола с фосфатидами в условиях, близких к производственным. Установлено, что при гидратации форпрессовых и экстракционных хлопковых масел не происходит полного выведения фосфатидов даже из свежедобытых масел. Это указывает на наличие в хлопковых маслах некоторого количества негидратируемых фосфатидов. Для реальных образцов хлопковых масел найдено, что степень выведения фосфатидов колеблется от 50 до 90 %, в зависимости от качества масла, определяемого качеством семян и режимом маслодобывания. Показано также, что хранение хлопкового масла приводит к снижению гидратируемости фосфатидов.

Снижение гидрофильных свойств фосфатидов происходит при хранении масляных растворов фосфатидов в присутствии нативного госсипола. Связывание госсипола с фосфатидами с образованием негидратируемых госсифосфатидов идет даже при температуре 15...200С. Потеря гидратируемости в этом случае зависит от срока хранения, температуры и количественного соотношения между нативным госсиполом и фосфатидами. При гидратации хранившегося масла, содержащего в начале срока хранения нативный госсипол и фосфатиды в соотношении, при котором фосфатиды полностью связываются с госсиполом, гидратационный осадок не выделяется.

При внедрении методов извлечения госсипола из масла до его рафинации (например, антраниловой кислотой) основное значение гидратации сводится к процессу извлечения фосфатидов, имеющих самостоятельную ценность. При этом создается возможность получения светлоокрашенных фосфатидных концентратов, которые с успехом можно использовать в качестве добавки к кормовым шротам.

На модельных образцах была исследована [34] способность гидратированного осадка извлекать из масла различные формы госсипола. Было показано, что на гидратационном осадке хлопкового масла адсорбируются госсифосфатиды, осветление хлопкового масла при гидратации происходит за счет выведения гидратируемых фосфатидов и адсорбции гидратационным осадком нативного и некоторого количества измененного госсипола. Цветность гидратированного хлопкового масла определяется, главным образом, продуктами изменения госсипола и его взаимодействием с фосфатидами [32].

В связи с развитием работ по выведению госсипола из хлопкового масла при помощи антраниловой кислоты было изучено поведение фосфатидов при гидратации реальных форпрессовых и экстракционных масел, обезгоссиполенных при помощи антраниловой кислоты. Для форпрессовых масел наблюдалось резкое снижение фосфоросодержащих веществ и несколько меньшее - для экстракционного. При гидратации обезгоссиполенных форпрессовых масел из первосортных семян в них остается меньшее количество фосфоросодержащих веществ, чем в случае экстракционных или форпрессовых масел из низкосортных семян.

Гидратационные осадки, полученные из масла до и после его обработки антраниловой кислотой, значительно различаются между собой по цвету, в частности, цвет фосфатидных концентратов без обработки масел антраниловой кислотой составляет 60...62 единицы красных (в слое 13,5 см.).

Гидратация сырых масел распространена при очистке подсолнечного, соевого, арахисового, рапсового масел и является обязательной стадией технологического процесса рафинации.

Щелочная обработка (нейтрализация) хлопкового масла значительно отличается от нейтрализации других растительных масел. Особенности поведения этого масла при нейтрализации объясняются наличием в нем специфических красящих веществ - госсипола и его производных. В результате механического и теплового воздействия на семена хлопчатника происходят значительные изменения в составе нежировой части масла. В зависимости от режима маслодобывания, интенсивности и условий теплового воздействия госсипол будет переходить в масло в различных количествах и в различном состоянии: в виде неизмененной, частично потерявшей исходные свойства и, наконец, в виде значительно измененной модификации. Этим, в основном, и объясняются различия в рафинируемости хлопковых масел, полученных по различным схемам маслодобывания [6,9].

По рафинируемости хлопковые масла условно располагают в следующий ряд: форпрессовое, экспеллерное и, наконец, экстракционное. В пределах каждой группы масел их качество может меняться в зависимости от режима маслодобывания и от сорта исходных семян. При этом особенно сильно снижается рафинируемость масла при увеличении количества нестандартных семян в перерабатываемом сырье.

Большое число экспериментальных работ [24,53], выполненных при периодическом методе рафинации хлопкового масла, позволили четко установить значение технологических параметров нейтрализации хлопкового масла, что оказалось справедливым и применимым и для новых непрерывных схем рафинации данного масла.

К числу первых из этих параметров следует отнести температуру масла, поступившего в рафинационный цех из цехов, в которых осуществляется извлечение масла из семян. При этом особенно важно, чтобы масло после его получения (при выходе из форпресса) немедленно охлаждалось до температуры 20...220С.

Было четко показано, что щелочная обработка неохлажденного масла приводит к неудовлетворительным результатам. Так, например, нейтрализация форпрессового масла, охлажденного до 20...220С, давала выход рафината до 94...95 %, а при нейтрализации без предварительного охлаждения выход нейтрализованного масла составил всего 78...79 % [35].

Для установления роли концентрации щелочного раствора при нейтрализации хлопкового масла использовались растворы щелочи концентрацией от 80 до 500 г/л. Избыток щелочи изменялся от 30 до 300 %. Полученные результаты [64,65] свидетельствуют о том, что требуемый эффект рафинации достигается при применении определенного избытка щелочи, и позволяет высказать некоторые соображения о механизме щелочной обработки хлопкового масла. Небольшой избыток щелочи достаточен для связывания свободных жирных кислот (даже при избытке 10...20 %). Остаточное кислотное число не превышает 0,2 %, но при этом не достигается нужного осветления. Более высокий избыток щелочи оказывается необходимым для воздействия на красящие вещества. «Недостаток» щелочи дает худшие результаты и по цветности и по выходу рафинированного масла.

Оптимальное количество щелочи создает благоприятные условия для формирования соапстока и меньшего омыления нейтрального жира. Снижение выхода при избытке свыше 200 % происходит уже за счет омыления нейтрального жира, дальнейшее осветление масла при этом незначительно, следовательно, воздействие щелочи на пигментный комплекс прекратилось и уже началось омыление нейтрального жира.

Таким образом, можно наметить определенную последовательность в протекании отдельных реакций, имеющих место в процессе щелочной обработки хлопкового масла:

- нейтрализация свободных жирных кислот и образование мыл и госсиполата натрия;

- выведение красящих веществ за счет (в основном) адсорбции их натриевыми солями жирных кислот;

- омыление нейтрального жира.

Из этого следует, что к определению избытка щелочи нужно подходить осторожно, так как переход за оптимальное его количество приводит к снижению выхода рафинированного масла.

Эффект щелочной рафинации определяется не только режимом самой рафинации, но и характером тех производных госсипола, которые обуславливают специфическую окраску хлопкового масла, в частности, способностью этих производных вступать во взаимодействие с щелочью, их способностью тем или иным образом реагировать с щелочью. Недостаточное осветление масла при его нейтрализации объясняется наличием в нем тех производных госсипола, которые даже при значительном избытке щелочи остаются в растворе масла.

Можно предположить, что действие щелочи при нейтрализации таких масел будет проявляться в нескольких направлениях. Безусловно, имеет место прямое взаимодействие щелочи со свободными жирными кислотами и с неизмененным госсиполом с последующей адсорбцией красящих веществ на поверхности образующегося соапстока. Можно приписывать некоторые разрушающее воздействие концентрированных растворов щелочи на производные госсипола, а также некоторое каталитическое воздействие, приводящее к уплотнению сложных молекул до смолообразного состояния, при котором эти продукты выделяются из масла. Последнее предположение находит свое подтверждение при нейтрализации некоторых образцов шнекпрессового масла, при которой получается «резинообразный» соапсток с резко выраженной щелочной реакцией, после охлаждения такой соапсток превращается в твердую массу типа гудрона.

При меняющемся качестве сырого масла (в зависимости от качества семян и режима маслодобывания) необходимо было устанавливать параметры щелочного режима опытным путем для каждого вида и сорта масла.

Важным средством, обеспечивающим оптимальное ведение процесса, является систематическое выполнение пробных рафинаций хлопкового масла. При помощи пробной рафинации устанавливается необходимая концентрация раствора щелочи и оптимальный ее избыток. Для маслодобывающих заводов это не является затруднительным, так как на этих заводах рафинируют большие партии масла, одинакового (или близкого) качества, что позволяет устанавливать оптимальные условия щелочной обработки масла на достаточно длительный срок.

С изменением свойств госсипола и его производных связано и изменение рафинируемости масла при его хранении [9,33]. При хранении масел происходит изменение структуры пигментного комплекса хлопкового масла и связанное с этим изменение реакционной его способности. Это неоднократно наблюдалось при проведении рафинации одних и тех же масел на маслодобывающих и жироперерабатывающих заводах, где масло подвергается рафинации, в лучшем случае через месяц после его получения. Режим рафинации, установленный для свежих масел, дающий хороший эффект, не дает положительного результата в отношении цветности масел применительно к маслам, хранившимся в течение определенного времени. Этот вывод многократно проверялся на различных производственных образцах масла [35].