Получение растительных масел

Производство растительных масел включает в себя подготовку семян к хранению и хранение семян; подготовительные операции, связанные с подготовкой семян к извлечению масла; прессование и экстракцию масла, первичную и комплексную очистку масла, переработку шрота.

Специфической особенностью подготовки семян подсолнечника к переработке является их разделение по размерам, как правило, на крупную и мелкую фракции, перерабатываемые отдельно по различным технологическим схемам.

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 3/4 всего масла, а затем экстракционным, с помощью которого извлекают остальное количество масла, и однократное извлечение масла из низкомасличных семян методом экстракции – метод прямой экстракции.

Кроме методов предварительного прессования и последующей экстракции и прямой экстракции, применяемых на крупных масложировых предприятиях, в последние годы широкое распространение получили небольшие установки, на которых осуществляется лишь один отжим масла (окончательный). Пресс является основным, а часто и единственным технологическим оборудованием мини-завода. Отжим масла из необрушенных, неизмельченных семян, без какой-либо предварительной тепловой или водно-тепловой обработки позволяет извлечь из масличного сырья лишь часть содержащегося в нем масла.

1. Подготовка к хранению и хранение семян. Период заготовки большинства видов масличных семян длится 2...3 месяца. Семена большинства масличных растений поступают на хранение с содержанием влаги, превышающим оптимальные значения для хранения и технологической переработки. Хранящиеся семена дышат это приводит к расходу питательных веществ, поэтому в процессе хранения масличность семян снижается, в масле растет содержание свободных жирных кислот и продуктов их окисления

При понижении температуры интенсивность дыхания падает. Охлаждение семян до низких плюсовых или небольших минусовых температур продуванием холодного воздуха через семенную массу благотворно влияет на их качество даже при хранении семян с влажностью выше критической.

Одним из перспективных способов хранения влажных семян является хранение в регулируемых газовых средах, содержащих кислород (1...2 %) и азот (98...99 %). Почти полное отсутствие кислорода тормозит дыхание семенной массы, в результате чего качество семян может быть сохранено.

При подготовке масличных семян к хранению необходимо снизить их влажность до уровня ниже критической. Наиболее распространенный метод снижения содержания влаги в семенах перед хранением – тепловая сушка, в процессе которой семена нагревают с помощью агента сушки (обычно смеси воздуха и дымовых газов). Высушенные семена затем охлаждают, продувая через них атмосферный воздух.

2. Обрушивание семян. При переработке многих масличных семян и плодов плодовые и семенные оболочки отделяют от основных маслосодержащих тканей – ядра.

Отделение оболочек от ядра складывается из операции разрушения покровных тканей семян – обрушивания и последующего разделения (отвеивания) полученной смеси – рушанки на ядро и шелуху (лузгу). Разрушение оболочки не должно сопровождаться дроблением или разрушением ядра. Способы обрушения ударом, трением, резанием.

Качество обрушивания семян (качество рушанки) характеризуется содержанием в ней нежелательных фракций – целых семян и разрушенных частично, так называемый целяк или недоруш, раздробленного ядра (сечка) и масличной пыли. Присутствие целых и частично разрушенных семян увеличивает лузжистость ядра, присутствие сечки и масличной пыли увеличивает потери масла с отделяемой лузгой.

3. Измельчение семян. Для извлечения масла из семян необходимо разрушить клеточную структуру их тканей. Конечным результатом операции измельчения является перевод масла, заключенного в клетках семян, в форму, доступную для дальнейшей технологической обработки. 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.

Хорошо измельченная мятка должна состоять из однородных по размеру частиц, проходящих через сито с отверстиями диаметром 1 мм, 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. Рабочими органами станка являются пять валков, расположенных один над другим; верхний валок рифленый, остальные гладкие. Все валки закреплены на станине.

4. Водно-тепловая обработка мятки. Масло, адсорбированное в виде тонких пленок на поверхности частиц мятки, удерживается поверхностными силами. Для эффективного извлечения масла используют гидротермическую обработку мятки. При увлажнении и последующей тепловой обработке мятки ослабевает связь липидов с нелипидной частью семян – белками и углеводами и масло переходит в относительно свободное состояние. Затем мятку нагревают до более высоких температур, вязкость масла заметно снижается, одновременно уменьшается и содержание влаги в мятке, происходит частичная денатурация белков, изменяющая пластические свойства мятки. Мятка превращается в мезгу.

В производственных условиях приготовление мезги состоит из двух этапов. Первый — увлажнение мятки и первоначальный подогрев — осуществляется в инактиваторах или пропарочно-увлажнительных шнеках. Интенсивное кратковременное нагревание мятки до температуры 80...85 °С с одновременным увлажнением до 8...9 % (для семян подсолнечника, льна) способствует равномерному распределению влаги в мятке и частичной инактивации гидролитических и окислительных ферментов семян, ухудшающих качество масла. Второй этап – нагревание мятки до 105 °С и ее высушивание до конечного содержания влаги (5...6 %) — осуществляется в жаровнях. Жаровни для приготовления мезги по конструкции делятся на чанные, барабанные и шнековые.

5. Извлечение масла прессованием. Масло отжимается в шнековых прессах различных конструкций. Предварительное прессование осуществляется с помощью форпресса, окончательное – экспеллера. При прессовании давление повышают постепенно, т.к. при резком повышении давления поры запрессовываются, и выход масла снижается. С целью повышения выхода масла в процессе прессования повышают температуру обрабатываемого материала, не допуская его перегрева. При перегреве происходят нежелательные процессы: окисление масла и переход белковых веществ в масло. Прессовым способом невозможно добиться полного обезжиривания мезги, так как на поверхности жмыха, выходящего из пресса, всегда остаются тонкие слои масла, удерживаемые поверхностными силами, во много раз превышающими давление, развиваемое современными прессами. На прессах, развивающих максимальное давление и работающих с максимальным съемом масла, получают жмых масличностью 4...7 %. На прессах предварительного прессования – форпрессах, наиболее широко применяемых в промышленности, получают жмых масличностью 15...17 %.

6. Извлечение масла экстракцией. Обеспечивает практически полное извлечение масла.

Форпрессовый жмых перед экстракцией структурируют, придавая ему структуру крупки, гранул или лепестков, обеспечивающую максимальное извлечение масла растворителем.

В качестве растворителей для экстракции растительных масел применяют экстракционный бензин с температурой кипения 63...75 °С и нефтяной растворитель (нефрас) с температурой кипения (65...75 °С).

В результате экстракции образуется раствор масла в растворителе (мисцела) и обезжиренный материал (шрот).

Экстракцию растительных масел чаще всего ведут способом погружения экстрагируемого материала в противоточно движущийся растворитель в условиях абсолютного противотока или способом многоступенчатого орошения материала растворителем в условиях относительного противотока, когда перемещается только растворитель, а экстрагируемый материал остается в покое на перемещающейся ленте, в двигающемся ковше, секции ротора и др. Преимущества экстракции погружением: высокая скорость экстракции, небольшая продолжительность процесса, простота конструкции экстракционного аппарата и высокий коэффициент использования его геометрического объема (до 95 %). Последнее исключает возможность образования в экстракторе взрывоопасной смеси воздуха и паров растворителя. К недостаткам экстракторов этого типа относятся низкая концентрация конечной мисцеллы (15...20 %), высокое содержание примесей в мисцелле, большие габариты экстрактора по высоте.

Преимущества экстракции многоступенчатым орошением: получение чистых высококонцентрированных мисцелл (35...40 %); недостатки: более длительный процесс экстракции, невысокий коэффициент использования геометрического объема экстрактора (45 %) и возможность образования взрывоопасных смесей паров растворителя и воздуха внутри аппарата, сложная конструкция экстрактора.

Для очистки мисцеллы от твердых примесей применяют отстойники, гидроциклоны и тканевые фильтры. Если содержание примесей в мисцелле невелико, то мисцеллу очищают, пропуская ее через раствор электролита (5%-й раствор NaСl).

Дистилляция мисцеллы. Мисцелла состоит из легкокипящего растворителя и практически нелетучего масла. При невысоких концентрациях масла в мисцелле, растворитель выпаривают в обычных условиях. По мере повышения концентрации масла в мисцелле температура ее кипения очень быстро возрастает. Для уменьшения температуры отгонки и ускорения процесса применяют отгонку растворителя под вакуумом, а также с водяным паром. Различают дистилляцию распылением, дистилляцию в пленке – в стекающей и поднимающейся пленке и дистилляцию в слое.

В промышленных установках дистилляцию мисцеллы проводят по двух- и трехступенчатой схеме. Установка для трехступенчатой дистилляции состоит из двух пленочных дистилляторов (первая и вторая ступени дистилляции), работающих последовательно при атмосферном давлении (температура 80-90 º С, концентрация масла 75-80 %), и окончательного, работающего под вакуумом (остаточное давление 0, 04...0, 06 МПа, температура 110-120 º С).

Качество масла в ходе дистилляции мисцеллы зависит как от технологических параметров процесса – конечной температуры масла и продолжительности обработки мисцеллы, так и от содержания и состава липидов, извлекаемых при экстракции из экстрагируемого материала — фосфолипидов, каротиноидов и других жирорастворимых пигментов, витаминов и провитаминов, а также продуктов окисления липидов и др. Тепловое воздействие на эти группы липидов приводит к их изменению и не только снижает качество масла, но и существенно затрудняет проведение дистилляции мисцеллы. Особое значение приобретает проблема удаления перед дистилляцией жирорастворимого пигмента семян хлопчатника – госсипола, который при нагревании подвергается разнообразным химическим превращениям и образует продукты, трудноудаляемые из масла. Для удаления госсипола мисцеллу перед дистилляцией подвергают щелочной рафинации.

Рафинация (нейтрализация) масла в мисцелле эффективно идет при оптимальной концентрации мисцеллы 35...45 %. Мисцеллу, выходящую из экстрактора с более низкой концентрацией, или сначала упаривают на первой ступени дистилляции, или добавляют в мисцеллу масло предварительного прессования, полученное из этих же семян. Мисцелла оптимальной концентрации (35...45 %) при температуре 20...22°С поступает в струйный смеситель, где смешивается с щелочью. Смесь мисцеллы, хлопьев мыла, образующихся при взаимодействии щелочи со свободными жирными кислотами масла, фосфолипидов, госсипола и других веществ, подогревают до 60...70 °С и обрабатывают обессоленной водой при температуре 90...95 °С в отстойниках непрерывного действия при этом от масла отделяется растворимый в воде соапсток. Отсюда очищенная мисцелла поступает в дистилляторы второй ступени. Отгонку растворителя из соапстока, проводят в колонне. Колонна работает под вакуумом. Нагретый до 110°С соапсток с растворителем через форсунки выбрасывается в паровое пространство колонны, растворитель испаряется, а соапсток поступает на склад.

Отгонка растворителя из шрота. Выходящий из экстрактора шрот содержит от 20 до 30 % растворителя, который удаляется нагреванием в чанных испарителях (тостерах).

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

Шрот, предназначенный для использования в качестве корма для животных, подвергают гранулированию, предварительно смешивая его с гидрофузом – массой, выпадающей в осадок при обработке водой прессовых и экстракционных масел, или с соапстоком – осадком, который получают при обработке мисцеллы или растительного масла раствором щелочи.

Получение белковых изолятов из шрота. Белок извлекают из шрота сначала водным раствором NaCl, затем NaОН. 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 º С.

Готовый белок с содержанием влаги 3...8 % фасуют и отправляют потребителям. Суммарный выход белка составляет 20...25 % к массе шрота. Нерастворимый остаток шрота после высушивания используют на корм животным.

7. Рафинация масел и жиров. Процесс очистки масла от нежелательных групп липидов и примесей называется рафинацией, конечной целью которой является выделение из природных масел и жиров триацилглицеридов, свободных от других групп липидов и примесей. Рафинацию не всегда проводят до полного удаления всех структурных липидов и примесей, за исключением механических примесей и воды, удаление которых является обязательным уже при первичной очистке масла.

Способы очистки: физические (фильтрация, отстаивание, центрифугирование), химические (гидратация, кислотна и щелочная рафинация), физико-химические (дистилляция, дезодорация, адсорбция).

Удаление из масла твердых взвешенных примесей и воды проводят методом отстаивания в отстойниках, механических гущеловушках, с помощью осадительных центрифуг и при фильтровании через ткань на рамных фильтр-прессах.

Полную рафинацию проводят при получении салатного масла, используемого для непосредственного употребления в пищу, для масел и жиров, применяемых при производстве маргарина, кондитерских, кулинарных жиров и майонеза.

Гидратация – это удаление из масла с помощью воды группы веществ с гидрофильными свойствами, важнейшими из которых являются фосфолипиды. Фосфолипиды – ценные в пищевом отношении соединения с антиокислительными свойствами. При хранении масел они выпадают в виде легко разлагающегося осадка, который затрудняет ряд технологических операций по переработке масла. Поэтому фосфолипиды выделяют из масла путем гидратации, а затем используют в качестве самостоятельного продукта в пищевых, кормовых и лечебных целях.

Процесс гидратации заключается в смешивании подогретого масла с дозированным количеством воды или других гидратирующих реагентов (водных растворов NaCl и ПАВ). При этом фосфолипиды образуют гидрофильные частицы с водой, теряют способность растворятся в жире и выпадают в осадок (гидратационный фуз). Оптимальная температура гидратации масел: подсолнечного – 45...50 °С, соевого – 65...70 °С; количество воды, добавляемое в масло, также различно: для подсолнечного масла 0, 5...3, 0 % от массы масла, для соевого — до 6 %.

Вымораживания – это очистка масла от восков и воскоподбных веществ. Сущность процесса заключается в медленном охлаждении масла до 10... 12 º С при слабом перемешивании в экспозиторе — цилиндрическом аппарате, снабженном рамной мешалкой. Масло выдерживают в экспозиторе в течение 4...6 ч. Здесь происходит кристаллизация восков, растворенных в масле. Затем масло подогревают до 16...18 °С для снижения его вязкости и фильтруют на рамных фильтр-прессах. Для ускорения процесса на фильтрующую поверхность наносят вспомогательные порошки (кизельгур, перлит и др.), улучшающие дренажные свойства осадка.

Нейтрализация масел щелочью основана на обработке рафинируемого масла водными растворами NаОН, в процессе которой свободные жирные кислоты, взаимодействуя с щелочью, образуют водные растворы мыла — соапстоки.

Соапстоки нерастворимы в масле, и, так как их относительная плотность выше, чем у масла, они образуют осадки (отстой), которые затем отделяют от масла в сепараторах.

Температура нейтрализации 85...90 °С, концентрация щелочи от 70 до 150 г/л и избыток щелочи от теоретического количества 5...20 % в зависимости от кислотного числа масла, поступившего на нейтрализацию.

Отбеливание масла (адсорбционная рафинация) – удаление из масла жирорастворимых пигментов – каротиноидов, хлорофиллов, а для хлопкового масла также госсипола и его производных предусмотрено для растительных масел (кроме подсолнечного), предназначенных для гидрирования и производства маргариновой продукции. Для отбеливания масел применяют активированные кислотной и термической обработкой отбеливающие бентонитовые глины и активированный уголь. Основным компонентом бентонитовых глин являются алюмосиликаты Аl₂О₃ и SiO₂, в состав которых входят щелочные и щелочноземельные металлы.

При отбеливании в масле протекают нежелательные процессы: изомеризация жирных кислот, снижающая биологическую ценность масла; образование жирных кислот с сопряженными двойными связями, что приводит к активированию окислительных процессов в отбеленном масле при хранении. Для снижения окислительных процессов в масле процесс отбеливания ведут под вакуумом.

Дезодорация масел – удаление из масла одорирующих веществ – низкомолекулярных жирных кислот, альдегидов, кетонов и других летучих продуктов, определяющих запах и вкус масла, а также выделение из растительных масел нежелательных чужеродных соединений — полициклических ароматических углеводородов, ядохимикатов, токсичных продуктов — афлатоксинов и др.

Температура кипения масла и ароматобразующих веществ сильно отличается, поэтому дезодорацию осуществляют перегонкой под вакуумом.

Получение гидрированных жиров (саломасов)

Для производства таких продуктов, как маргарин, кондитерские и кулинарные жиры, спреды, мыла, стеарин, технологические смазки различного назначения, необходимы пластичные, высокоплавкие и твердые (при комнатной температуре) жиры. Они получаются из жидких растительных масел путем гидрогенизации.

Гидрогенизация масел и жиров – это целенаправленное изменение жирнокислотного, состава исходного жира в результате присоединения водорода в присутствии катализатора к ненасыщенным остаткам жирных кислот, входящим в состав триацилглицеридов подсолнечного, хлопкового, соевого, рапсового и других жидких масел.

Основная химическая реакция, протекающая при гидрогенизации, – присоединение водорода к двойным связям непредельных жирных кислот:

Гидрирование остатков полиненасыщенных жирных кислот, входящих в триацилглицериды, происходит ступенчато, т.е. более ненасыщенные кислоты последовательно насыщаются:

Наиболее распространенный метод получения водорода для гидрирования – электролитический, который позволяет получить наиболее чистый водород. Электролизу подвергают слабые водные растворы щелочей и кислот в электролизерах. Хранят водород в газгольдерах. На гидрирование поступает тщательно отрафинированное масло, так как примеси способны снизить активность катализаторов.