Разработка инновационной технологии получения жидких лецитинов

В таблице 1 представлена оценка соответствия физико-химических показателей образцов фосфатидных концентратов требованиям ТУ 9146-203-00334534-97 «Концентраты фосфатидные. Технические условия» и ГОСТ Р 53970-2010 «Добавки пищевые. Лецитины Е322. Общие технические условия».

Рисунок 1 - Структурная схема исследования

Таблица 1 - Физико-химические показатели подсолнечных фосфатидных концентратов

2.3 Выбор и обоснование способов модификации фосфатидных концентратов. Для получения жидких лецитинов, удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р 53970-2010, необходимо решить следующие технологические задачи:

- снизить массовую долю веществ, нерастворимых в толуоле, до значений менее 0,3%,

- увеличить массовую долю веществ, нерастворимых в ацетоне (фосфолипидов), до значений более 60%,

- снизить вязкость до значений менее 12 Па·с,

- снизить цветность до значений менее 80 мг йода.

С целью разработки эффективного способа снижения массовой доли веществ, нерастворимых в толуоле, определяли их гранулометрический состав. Установлено, что размер частиц веществ, нерастворимых в толуоле, находится в диапазоне от 0,5 до 15 мкм.

В связи с тем, что фильтрация фосфатидных концентратов для удаления веществ, нерастворимых в толуоле, затруднена из-за повышенной вязкости было предложено снизить вязкость путем их растворения в неполярном растворителе. В качестве растворителя был выбран гексан как традиционный растворитель для липидных систем. Фильтрацию осуществляли через фильтр с размерами пор 0,5 мкм. Зависимости динамической вязкости и фильтруемости от концентрации мисцеллы представлены на рисунке 2.

Установлено, что мисцеллы фосфатидных концентратов в гексане в диапазоне концентраций до 25 % (в пересчете на фосфолипиды) представляют собой однородные легко фильтрующиеся жидкости. Максимальная концентрация мисцеллы, при которой обеспечивается достаточная скорость фильтрации при минимальном расходе растворителя составляет 25 % (в пересчете на фосфолипиды). При увеличении концентрации фильтруемость существенного снижается в связи с увеличением вязкости.

Установлено, что после фильтрации мисцеллы содержание веществ, нерастворимых в толуоле, составляет 0,1-0,2 %, что соответствует установленным требованиям (не более 0,3 %).

Для увеличения массовой доли ацетоннерастворимых веществ необходимо снизить массовую долю триацилглицеринов (ТАГ) в фосфатидном концентрате.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Влияние концент-рации фосфоли-пидов в мисцелле на ее фильтру-емость (1) и вязкость (2)

Разделение системы «гексан-ТАГ-фосфолипиды» на основе различия в плотности не представляется возможным, поскольку компоненты системы образуют устойчивые мисцеллы, не разделяемые даже в поле центробежных сил.

Увеличить массовую долю веществ, нерастворимых в ацетоне, можно путем гидратации фосфолипидов из мисцеллы. При этом произойдет перераспределение фосфолипидов и ТАГ между водой и растворителем, а также разделение системы на две фазы - фосфолипидную эмульсию и гидратированную мисцеллу.

2.4 Определение эффективных режимов гидратации фосфолипидов в мисцелле. На следующем этапе исследований определяли эффективные режимы гидратации для обеспечения максимальной гидратируемости фосфолипидов и увеличения в фосфолипидной эмульсии массовой доли веществ, нерастворимых в ацетоне, то есть собственно фосфолипидов.

Известно, что основными факторами, влияющими на эффективность гидратации фосфолипидов в растительных маслах являются температура процесса, а также природа и количество гидратирующего агента.

Предварительными экспериментами было установлено, что при гидратации фосфатидных концентратов в гексане изменение температуры в интервале 20-60 ⁰С практически не оказывает влияния на эффективность гидратации в связи с незначительным изменением вязкости мисцеллы в указанном температурном диапазоне. В связи с этим гидратацию проводили при температуре 20-25 ⁰С.

В качестве гидратирующего агента использовали воду, так как нами установлено, что использование в качестве гидратирующего агента растворов комплексообразователей практически не влияет на гидратируемость фосфолипидов

в мисцелле. Это обусловлено тем, что фосфолипиды, содержащиеся в фосфатидных концентратах, представлены, в основном, гидратируемыми формами.

В ходе дальнейших исследований определяли необходимое количество гидратирующего агента (воды) и время гидратации для обеспечения максимальной гидратируемости фосфолипидов из мисцеллы. Гидратируемость оценивали по степени выведения фосфолипидов из мисцеллы. Количество гидратирующего агента варьировали в зависимости от содержания фосфолипидов в мисцелле. После смешивания с водой и последующей экспозиции систему разделяли в поле гравитационных сил на две фазы - фосфолипидную эмульсию и гидратированную мисцеллу.

Установлено, что максимальная гидратируемость при экспозиции системы «мисцелла-вода» достигалась в течение 45 минут, дальнейшее увеличение времени экспозиции не приводило к увеличению гидратируемости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Зависимость гидратируемости (1) и массовой доли веществ, нерастворимых в ацетоне, в фосфолипидной эмульсии (в пересчете на а.с.в.) (2) от количества гидратирующего агента *Ф - массовая доля фосфо- липидов в мисцелле, %

Зависимость гидратируемости и массовой доли веществ, нерастворимых в ацетоне, в фосфолипидной эмульсии в пересчете на абсолютно сухое вещество (а.с.в.), от количества гидратирующего агента приведена на рисунке 3.

Из представленных данных видно, что при введении гидратирующего агента в количестве (1,5 Ф - 2,5 Ф) % к массе мисцеллы, гидратируемость составляет более 60 %, при этом массовая доля веществ, нерастворимых в ацетоне, в фосфолипидной эмульсии (в пересчете на а.с.в.) также составляет более 60 %. При недостатке гидратирующего агента гидратируемость и массовая доля веществ, нерастворимых в ацетоне, снижается, что объясняется неполным выведением фосфолипидов из мисцеллы. При увеличении количества гидратирующего агента снижение массовой доли веществ, нерастворимых в ацетоне, обусловлено солюбилизацией нейтральных липидов.

С целью повышения гидратируемости исследовали влияние различных факторов на эффективность процесса гидратации.

Гидратируемость фосфолипидов во многом определяется степенью их полярности. Известно, что молекулы фосфолипидов поляризуются под действием электрического поля, причем степень поляризации фосфолипидов зависит от напряженности поля.

При увеличении полярности молекулы фосфолипидов образуют крупные ассоциаты, которые при взаимодействии с гидратирующим агентом легче коагулируют, в результате чего увеличивается их гидратируемость.

Известно, что фосфолипиды в неполярном растворителе имеют электрофоретический характер проводимости. При увеличении полярности молекул фосфолипидов электропроводность системы снижается в связи с уменьшением количества токопроводящих частиц, следовательно, по снижению электропроводности системы можно судить об эффективности поляризующего действия на молекулы фосфолипидов.

Учитывая это, нами были проведены исследования по влиянию напряженности электрического поля постоянного тока на электропроводность мисцелл фосфатидных концентратов в гексане концентрацией 25 % (в пересчете на фосфолипиды). Обработку мисцеллы осуществляли путем ее пропускания между двумя электродами. Напряжение, подаваемое на электроды, варьировали в диапазоне от 5 до 150 В, что соответствовало напряженности поля в межэлектродном пространстве 5-150 кВ/м. Результаты приведены на рисунке 4.

В результате обработки в электрическом поле электропроводность мисцелл снижается и достигает постоянного значения в течение 4 минут. При этом наибольший поляризующий эффект наблюдается при напряженности поля 50 кВ/м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Влияние обработки в электрическом поле на электропроводность мисцелл при напряженности поля: 1 - 5 кВ/м; 2 - 10 кВ/м; 3 - 25 кВ/м; 4 - 50 кВ/м; 5 - 100 кВ/м; 6 - 150 кВ/м

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Размер ассоциатов фосфолипидов в мисцелле до обработки в электрическом поле (1) и после обработки (2)

Использование полей с большей напряженностью не приводит к существенному снижению электропроводности мисцелл.

Для оценки влияния электрического поля на формирование ассоциатов фосфолипидов, изучали их размеры до и после обработки в поле (рисунок 5).

Из представленных данных видно, что после обработки в электрическом поле размер ассоциатов фосфолипидов увеличивается, что свидетельствует об эффективности поляризующего действия электрического поля на молекулы фосфолипидов.

Установлено, что после прекращения воздействия поля на мисцеллу наблюдается релаксация ее характеристик, выражающаяся в увеличении электропроводности практически до исходных значений (рисунок 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 - Релаксация мисцеллы после обра-ботки в электрическом поле

Это связано с тем, что после прекращения воздействия электрического поля на систему полярность фосфолипидов снижается, следовательно, происходит смещение динамического равновесия в сторону образования ассоциатов низких порядков, при этом наблюдается рост электропроводности практически до первоначальных значений.

Для оценки влияния электрического поля на гидратируемость мисцеллы концентрацией 25 % (в пересчете на фосфолипиды), осуществляли гидратацию с предварительной обработкой в поле при выявленном эффективном значении напряженности поля - 50 кВ/м.

Установлено, что обработка мисцеллы в электрическом поле перед гидратацией позволяет повысить гидратируемость фосфолипидов на 25-30 %.

Известно, что сила воздействия на молекулы, движущиеся в зоне электрического поля, пропорциональна их полярности. При этом, электрическое поле будет оказывать наибольшее воздействие на наиболее полярные группы фосфолипидов, то есть на фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины, которые преимущественно должны образовывать ассоциаты и взаимодействовать с водой при гидратации.

Для оценки выдвинутых предположений исследовали влияние обработки в электрическом поле на изменение группового состава фосфолипидов в фосфолипидной эмульсии (таблице 2).

Как видно из представленных данных, в результате обработки в поле изменяется групповой состав гидратируемых фосфолипидов в сторону увеличения содержания наиболее полярных групп - фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов.

Таблица 2 - Групповой состав фосфолипидов в фосфолипидной эмульсии

2.5 Исследование режимов сушки фосфолипидной эмульсии. Сушку фосфолипидной эмульсии, полученной после гидратации и разделения фаз, осуществляли в лабораторном ротационном испарителе при температурах 60-90 єC и остаточном давлении 5 кПа. В связи с тем, что, помимо влаги, в составе фосфолипидной эмульсии содержится от 1 до 3 % гексана, контролировали полноту его удаления при выбранных технологических режимах сушки. Кинетика сушки представлена на рисунке 7.

Показано, что сушка при температуре 70-90 ⁰С в течение 50 минут обеспечивает снижение влажности до значений, регламентированных ГОСТ Р 53970-2010 (менее 1 %), при этом происходит полное удаление гексана.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7 -Изменение содержания гексана () и влаги () в фосфолипидной эмуль-сии в процессе ее сушки при температуре

1- 60 ⁰С;

2 - 70 ⁰С;

3 - 80 ⁰C;

4 - 90 ⁰C

Протекание окислительных процессов при сушке фосфолипидной эмульсии контролировали путем определения перекисного числа получаемого жидкого лецитина. Показано (рисунок 8), что при температуре более 80 ⁰С происходит интенсификация окислительных процессов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Влияние температуры сушки фосфолипидной эмульсии на перекисное число

Таким образом, были установлены следующие эффективные режимы сушки фосфолипидной эмульсии: температура 70-80 ⁰С, остаточное давление - 5 кПа, продолжительность сушки - 50 минут.

Удаление растворителя из гидратированной мисцеллы после отделения фосфолипидной эмульсии осуществляли в лабораторном ротационном испарителе при известных режимах (температура 120 ⁰С, остаточное давление 5 кПа). Выход кубового остатка составил 26 %, к массе исходного фосфатидного концентрата, его физико-химические показатели приведены в таблице 3.

Кубовый остаток может быть рекомендован для использования в технических целях, например, для мыловарения, производства смазочных материалов и лакокрасочной продукции.

Установлено, что использование в качестве разжижающего агента 30%-ного раствора хлорида кальция в количестве 0,2 - 0,4 % к массе фосфолипидной эмульсии в пересчете на абсолютно сухое вещество позволяет снизить вязкость до величины менее 12 Па·с, что соответствует требованиям ГОСТ Р 53970-2010 и обеспечивает хорошую текучесть продукта.

Рисунок 10 - Структурная схема получения жидкого лецитина

2.7 Разработка технологических режимов и схемы получения жидких лецитинов. На основе проведенных исследований разработана технология получения жидких лецитинов. Структурная схема представлена на рисунке 10, технологические режимы приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Технологические режимы получения жидких лецитинов

* Ф- массовая доля фосфолипидов в мисцелле, %

2.8 Оценка физико-химических показателей жидких лецитинов. В результате реализации разработанной технологии на пилотной установке в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» КубГТУ была выработана опытная партия жидкого лецитина, выход которого составил 73 % к массе исходного фосфатидного концентрата. Результаты оценки показателей качества полученного жидкого лецитина в сравнении с подсолнечным фосфатидным концентратом марки ПП-1, и одним из наиболее распространенных на российском рынке лецитинов, импортным соевым жидким лецитином «Солек-Ф-10» представлены в таблице 5.

Показано, что по показателям качества полученный жидкий лецитин соответствует требованиям ГОСТ Р 53970-2010, превосходит фосфатидный концентрат, и является конкурентоспособным по отношению к импортному жидкому лецитину.

Таблица 5 - Сравнительная характеристика физико-химических показателей

Групповой состав фосфолипидов полученного жидкого лецитина в сравнении с исходным фосфатидным концентратом приведен в таблице 6.

Показано, что полученный жидкий лецитин выгодно отличается по групповому составу фосфолипидов, а именно содержит большее количество физиологически ценных фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов при меньшем количестве фосфатидных и полифосфатидных кислот.

Таблица 6 - Групповой состав фосфолипидов

Показатели безопасности полученных жидких лецитинов приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Показатели безопасности жидких лецитинов

Показано, что по показателям безопасности полученный по разработанной технологии лецитин соответствует требованиям ГОСТ Р 53970-2010 «Добавки пищевые. Лецитины Е 322. Общие технические условия».

2.9 Оценка технологически функциональных свойств жидких лецитинов. Результаты оценки технологически функциональных свойств жидких лецитинов, полученных по разработанной технологии, приведены в таблице 8.

Показано, что по технологически функциональным свойствам полученный жидкий лецитин не уступает импортному аналогу, и существенно превосходит подсолнечный фосфатидный концентрат.

Таблица 8 - Сравнительная оценка технологически функциональных свойств

ВЫВОДЫ

На основании проведенных исследований разработана технология получения жидких лецитинов из фосфатидных концентратов.

1. Установлено, что для снижения в фосфатидных концентратах массовой доли веществ, нерастворимых в толуоле, размер частиц которых находится в диапазоне от 0,5 до 15 мкм, необходимо осуществлять фильтрацию мисцелл фосфатидных концентратов в неполярном растворителе (гексане), при этом для обеспечения фильтруемости концентрация мисцелл не должна превышать 25 % (в пересчете на фосфолипиды).

2. Показано, что обработка мисцелл фосфатидных концентратов в неполярном растворителе в электрическом поле напряженностью 50 кВ/м в течение 4-5 минут способствует поляризации молекул фосфолипидов, что характеризуется укрупнением ассоциатов фосфолипидов и, как следствие, снижением их электропроводности.

3. Релаксация характеристик системы «триацилглицерины - фосфолипиды - гексан» после прекращения воздействия электрического поля выражается в увеличении ее электропроводности практически до исходных значений.

4. Установлено, что предварительная обработка мисцелл в электрическом поле перед гидратацией при установленных режимах позволяет повысить гидратируемость фосфолипидов на 25-30 %.

5. Определены эффективные режимы гидратации фосфолипидов из мисцелл фосфатидных концентратов в гексане, позволяющие повысить гидратируемость до 85 %: предварительная обработка мисцеллы в электрическом поле напряженностью 50 кВ/м в течение 4-5 минут, температура гидратации - 20-25 ⁰С, время гидратации - 45 минут, количество гидратирующего агента - 1,8 Ф - 2,2 Ф к массе мисцеллы, где Ф - массовая доля фосфолипидов в мисцелле, %.

6. Показано, что сушка фосфолипидной эмульсии при температуре 70-80 ⁰С и остаточном давление 5 кПа в течение 50 минут обеспечивает снижение влажности до регламентированных значений (менее 1 %), при этом происходит полное удаление растворителя.

7. Установлено, что для снижения вязкости жидких лецитинов до требуемых значений (не более 12 Па·с) в фосфолипидную эмульсию при сушке необходимо вводить хлорид кальция в количестве 0,2-0,4 % к массе эмульсии в пересчете на абсолютно сухое вещество.

8. Разработанная технология получения жидких лецитинов включает следующие этапы: растворение фосфатидного концентрата в неполярном растворителе; фильтрацию мисцеллы; обработку мисцеллы в электрическом поле; гидратацию фосфолипидов в мисцелле, экспозицию, разделение системы на фосфолипидную эмульсию и гидратированную мисцеллу, сушку фосфолипидной эмульсии и кондиционирование ее по вязкости.

9. Показано, что полученные по разработанной технологии жидкие лецитины по показателям качества и безопасности соответствуют установленным требованиям, по технологически функциональным свойствам не уступают импортным жидким лецитинам, и значительно превосходят фосфатидные концентраты.

10. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит более 7,6 млн. руб. при производстве 960 тонн жидкого лецитина в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ