Потребительская группа

Масла и жиры, идущие непосредственно на пищевые цели (потребительская группа) подвергаются полной или частичной рафинации. Масло нерафинированное вымороженное (Рис.8) проходит следующие этапы рафинации:

• Удаление механических примесей

• Удаление фосфолипидов

• Удаление восков

Рис. 8. Масло нерафинированное вымороженное

Масло рафинированное дезодорированное вымороженное (Рис.9) проходит следующие этапы рафинации:

• Удаление механических примесей

• Удаление фосфолипидов

• Удаление восков

• Удаление свободных жирных кислот

• Удаление красящих веществ

• Удаление одорирующих веществ

Рис. 9. Масло рафинированное дезодорированное вымороженное

Необходимость в проведении рафинации обусловлена улучшением товарного вида и повышением потребительских свойств:

· Такие сопутствующие вещества, как фосфолипиды и воска, способствуют появлению осадка при хранении и транспортировке

· Увеличение сроков годности (нерафинированное вымороженное – 9 месяцев, рафинированное дезодорированное вымороженное – 12 месяцев)

· Повышаются потребительские свойства масел. Температура дымообразования характеризует способность масла выдерживать высокую температуру. По сути, это та температура, при которой масло начинает распадаться, выделяя газ и побочные продукты. Рафинированное масло предпочтительнее использовать для жарки, так как его точка дымления составляет 232°С, а у нерафинированного масла - 107°С, что способствует образованию дыма, гари, пены, неприятного запаха и вкуса, а также образованию в пище некоторых вредных веществ (канцерогенов).

Промышленная группа

Масла и жиры, идущие на производство специализировнных жиров и маргариновой продукции (промышленная группа) подвергаются полной рафинации.

Необходимость в проведении рафинации обусловлена повышением технологических свойств жиров: сопутствующие вещества, содержащиеся в масле, затрудняют его дальнейшую переработку, отрицательно сказываются на активности катализаторов (веществ, ускоряющих реакцию) при производстве специализированных жиров.

Главное требование к сырью, поступающему на дальнейшую переработку при производстве специализированных жиров – высокая степень очистки от примесей, которые вызывают отравление катализаторов. Наиболее сильное дезактивирующее действие на катализаторы оказывают соединения серы, фосфолипиды, вода, продукты окисления масел и другие.

Технология рафинации жиров

Первичная очистка

Отстаивание– процесс разделения фаз различной плотности (масло - вода, масло - механические включения, волокна семян) под действием силы гравитационного поля (силы тяжести). Этот процесс в основном применяется в масложировой промышленности для удаления из жира слизей, обрывков клеточной ткани, белков, воды, части фосфолипидов, механических примесей и др.

Процесс отстаивания – это естественный процесс. Учитывая объем производства, в настоящее время метод отстаивания применяется редко. Тем более, что этот метод малоэффективен, так как отстой содержит значительное количество масла (70-80%).

Центрифугирование –разделение фаз в центробежном поле которое создается в центрифугах (сеператорах от лат. separator- отделитель).Этот процесс в основном применяется для очистки жиров и масел от влаги, механических примесей и др. Центрифуги обладают высокой разделяющей способностью и имеют большую производительность.

Фильтрация –разделение суспензий (масло + пыль + волокна семян) на фильтре (мелкоячеистая перегородка). Жидкость проходит через тонкие поры – капилляры - фильтрующего материала, а твердые частицы задерживаются и оседают на его поверхности. Понятно, что задерживаются частицы, размер которых больше диаметра капилляров фильтрующего материала, не задерживаются на фильтре вещества, растворенные в жидкости.

Этот процесс применяется для отделения масла от твердых частиц, фосфолипидов, слизей и других веществ. Сущность процесса фильтрации заключается в продавливании масла через поры фильтрующей перегородки. В качестве фильтрующей перегородки используют различные ткани, в том числе хлопчатобумажные, синтетические, а также тонкоплетеные металлические сетки, керамика и др.

С целью эффективного осуществления процесса, фильтрующие перегородки выбирают с учетом степени проницаемости, механической прочности, устойчивости к температуре, срока службы и стоимости.

На режим фильтрации большое влияние оказывает давление, скорость, температура, вязкость масла, характер и количество осадка, тип фильтрующей перегородки.

При повышении давления, при котором фильтруемая жидкость поступает в фильтр, соответственно увеличивается производительность последнего.

Однако при этом повышается опасность, что сквозь фильтрующий материал будут проходить примеси, находящиеся в жире, и фильтрат не получится достаточно прозрачным.

При повышении температуры жира вязкость его понижается и производительность увеличивается. Однако с повышением температуры ускоряется процесс окисления жира кислородом воздуха, что ухудшает его качество. Кроме того, в сильно нагретом жире растворяются некоторые примеси, которые проходят вместе с ним через фильтрующий материал и затем при остывании жира выпадают в осадок. Фильтрованный жир становится мутным [6].

Глубокая очистка

Гидратация– процесс удаления фосфолипидов из масла.

Фосфолипид – это липид, в состав молекулы которого входит фосфатная группа. Фосфолипиды обладают сочетанием гидрофобных (от др.-греч. гидро — вода и фобос — боязнь, страх) и гидрофильных (от гидро – вода, филиа – любовь, дружба) свойств. Остатки жирных кислот проявляют гидрофобные свойства, а остаток фосфорной кислоты – гидрофильные (Рис.10).

Рис.10. Фосфорные липиды - лецитин

Необходимость выведения фосфолипидов из масла обусловлена тем, что их присутствие понижает товарные качества масла и затрудняет его дальнейшую переработку. Фосфолипиды являются эффективным кормовым продуктом для сельскохозяйственных животных, успешно используются в хлебопекарном, кондитерском, лакокрасочном, парфюмерном и маргариновом производствах.

В связи с тем, что фосфолипиды обладают сочетанием гидрофильных и гидрофобных свойств – они концентрируются на границе раздела фаз масло/вода. (Рис. 11).

Рис.11. Концентрация молекул фосфолипида на границе раздела фаз масло/вода

При обработке растительных масел горячей водой (60-70°С), фосфолипиды, присоединяя воду, теряют растворимость в маслах и выделяются в виде объемистого осадка. Содержание фосфолипидов в маслах колеблется в широком интервале и зависит от вида масла и метода его получения.

В технологии гидратации важное значение имеет количество вводимой воды. Это зависит от вида масла, содержания фосфолипидов, примесей и их состава. Рекомендуется вводить от 0,3 до 10% воды от массы масла, а в некоторых случаях и больше.

Удаление фосфолипидов из масла облегчает последующую его переработку.

Нейтрализация масел -заключается в обработке их растворами щелочей с целью удаления свободных жирных кислот.

Нейтрализация проводится с целью очистки жиров от свободных жирных кислот. В процессе нейтрализации применяют каустическую соду (гидрокид натрия NaOH). Он наиболее полно обеспечивает связывание свободных жирных кислот, содержащихся в растительных жирах. Внесение щелочного раствора в сырое масло вызывает множество химических и физических реакций. Щелочь соединяется со свободными жирными кислотами, образуя мыла (Рис.1)

RCOOH + NaOH → RCOOHNA + H₂O

свободная щелочь мыло вода

жирная кислота

Рис.12.Реакция свободных жирных кислот со щелочью

Выбор режимов обработки каустической содой определяется видом неочищенного масла, содержанием свободных жирных кислот, предшествующим опытом рафинации подобных масел и особенностями имеющегося рафинирующего оборудования. Как правило, применяют минимально возможную для достижения конечного результата, интенсивность обработки, что позволяет уменьшить степень омыления нейтрального масла и предотвратить образование «трех фаз» (масло/мыло/вода), затрудняющих дальнейшее разделение.

Концентрация и количество каустической соды зависит от содержания свободных жирных кислот. После внесения каустической соды в сырое масло, смесь необходимо тщательно перемешать, чтобы обеспечить полный контакт щелочи со свободными жирными кислотами. Щелочной раствор смешивают с маслами в смесителе при 30 – 35 °С с выдержкой 5-15 минут.

На рисунке 13 показано взаимодействие капли щелочи и свободных жирных кислот при нейтрализации жиров. На молекулярном поверхностном слое капельки щелочи, представленном в виде ядра, частоколом расположены молекулы свободных жирных кислот. К центру ядра обращены радикалы (СООН) молекул жирных кислот, а в противоположную сторону – углеводородная цепь (R). Мыло в жире находится в виде микрочастиц, которые соединяясь друг с другом, образуют мыльные пленки. При движении мыльные пленки слипаются, образуя хлопья, которые выпадают в осадок. Осадок отделяется центрифугированием.

Рис. 13. Схема взаимодействия капли щелочи и свободных жирных кислот

При проведении нейтрализации очень важно тщательно контролировать условия проведения процесса. Например, при достаточно длительном нагревании избыточное количество щелочи может также вызвать омылении части нейтрального жира, поэтому выбор концентрации NaOH, продолжительность и интенсивность смешивания, температура и количество избыточной каустической соды - все эти параметры играют важную роль для наиболее эффективного проведения процесса нейтрализации [5].

После завершения фазы перемешивания масла с каустической содой смесь должна подаваться в сепараторы при температуре, обеспечивающей оптимальное разделение. Конечным этапом процесса нейтрализации – является промывка и высушивание нейтрализованных масел и жиров. После осуществления процесса нейтрализации получают рафинированное масло, отходы - мыльные растворы.

Остаточное содержание кислот после нейтрализации составляет 0,06...0,12%, что соответствует кислотному числу масла порядка 0,12...0,25 мг КОН/г.

Отбеливание

Окрашивающие вещества

Окраска масел и жиров обусловлена наличием в них примесей окрашенных веществ, называемых пигментами.При этом сами триглицериды, составляющие основу природных растительных масел — бесцветны.

При производстве растительных масел красящие вещества, содержащие в масличных семенах, легко попадают в масло и придают ему соответствующую окраску: каротиноиды - от желтого до красного цвета; хлорофиллы — зеленую; госсипол (в хлопковом масле) — темно-коричневую.

Растительные масла окрашены в различные цвета: золотисто-желтый (подсолнечное), желтовато-зеленый (соевое, кукурузное), зеленый с бурым оттенком (рапсовое, горчичное), от коричнево-красного до темно-бурого (хлопковое). На Рис. 14 наглядно представлено влияние пигментов на окраску некоторых видов растительных масел.

Рис. 14. Влияние пигментов на окраску некоторых видов растительных масел

Каротиноиды и хлорофиллы в основном присутствуют в маслах совместно, их соотношение и определяет специфическую окраску масла. Так, в подсолнечном, соевом и некоторых других маслах в большом количестве присутствуют каротиноиды, маскируя цвет хлорофиллов и сообщают маслу окраску от красного до желтого цвета. В рапсовом, льняном и других подобных маслах, наоборот, превалирует окраска, имеющая зеленый оттенок из-за содержания в большем количестве хлорофиллов. В хлопковом масле много других пигментов, в том числе каротиноидов и хлорофиллов, но специфическую его окраску от коричневой до черной определяет госсипол, который является токсичным веществом, и всевозможные формы его изменений и превращений.

Отбеливание растительных масел является важным этапом их подготовки к процессу дальнейшей переработки и производству специализированных жиров. Проведение отбеливания обусловлено тем, что каротиноиды, хлорофиллы и некоторые другие окрашивающие вещества, как правило, более прочно концентрируются на поверхности катализатора, чем триглицериды. Эти вещества в дальнейшем разрушаются под влиянием катализатора, водорода и повышенных температур. Однако до этого момента они блокируют каталитическую поверхность, что приводит к торможению реакции.

Отбеливание- извлечение из масел окрашивающих веществ - пигментов, а также веществ, которые вносятся в жир в процессе производства.

Пигменты активно концентрируются на поверхности специальных веществ (отбельные глины, активированный древесный уголь и др.). Концентрирование (осаждение) происходит под действием молекулярных сил на поверхности отбельной глины. Это свойство и положено в основу технологии удаления их из масел.

Вещества, которые вносятся в жир в процессе производства

В процессе получения специализированных жиров могут применяться специальные вещества, ускоряющие реакцию – катализаторы, которые загрязняют получаемый продукт. Для выведения остатков этих веществ применяется процесс отбеливания. Самое распространенное вещество – никель. Никель является токсичным металлом, данный показатель занесен в СанПиН 2.3.2.1078-01 и Федеральный Закон №90 «Технический регламент на масложировую продукцию». Остаточное содержание никеля - показатель качества масел и жиров, направленный на обеспечение их безопасности для жизни и здоровья населения. Норма остаточного содержания никеля – не более 0,7 мг/кг (в компании ЭФКО – не более 0,2 мг/кг). В пищевых продуктах никель подлежит контролю. На Рис. 15 представлен жир, прошедший переработку с использование никелевого катализатора, до и после отбеливания.

Рис. 15. Жир, прошедший переработку с использование никелевого катализатора, до и после отбеливания

«В последнее время основным источником поступления никеля в организм человека стали пищевые продукты. В среднем в наш организм ежедневно поступает порядка 150 мкг никеля, в том числе с пищей около 120, а безвредным считается только 25-35 мкг. Физиологическая потребность человека в жирах в среднем около 100 г/сутки. Если потреблять столько жиров, произведенных в соответствии с действующим нормам безопасности (0,7 мг/кг), то организм ежедневно будет получать порядка 75 мкг никеля. Это означает, что основным источником избыточного никеля в нашем организме, почти ¾, является наша масложировая промышленность, действующая в соответствии с утвержденными нормативами. Поэтому именно она в основном и ответственна за то, что в наш организм может поступать в 4 раза больше никеля, чем допустимо» (Профессор Остапов В.В.)

Процесс отбеливания

В качестве веществ, концентрирующих на своей поверхности пигменты, а также вещества, загрязняющие масло в процессе переработки (никель) в основном используют активные отбельные глины.

Активные отбельные глины –получают из природных глин, активированных минеральными (серная, соляная) кислотами.

Отбельные глины представляют собой продукты минерального происхождения силикатной (SiO2) или алюмосиликатной (Al2O3⋅nSiO2) природы. Для повышения отбеливающего эффекта глины активируют, т.е. увеличивают их удельную поверхность. (Рис. 16).

Рис. 16. Электронная микрофотография частицы глины

При активировании отбельные глины размалывают до размера частиц не более 0,07 мм, обрабатывают минеральными кислотами (чаще серной, соляной) и прокаливают при температуре 250...350°С.

Процесс отбеливания заключается в предварительном смешивании масла и отбельной глины. Затем смесь поступает в реактор – отбеливатель. Отбелку жиров (масел) проводят при температуре 60...90°С, иногда 130°С, в вакууме при остаточном давлении Рост. = 4...6 кПа. Создание разрежения необходимо для удаления газов с поверхности отбельных глин, что повышает их поглотительную способность, а также для предотвращения окисления жиров кислородом воздуха. После выдержки при температуре отбеливания под вакуумом в течение заданного времени партию отбеленного масла охлаждают до 70°С, сбрасывают вакуум и фильтруют масло.

Отработанные отбеливающие глины утилизируют. Но ввиду того, что они содержат некоторое количество жира, их могут использовать при производстве специальных мыльных паст. Минеральные вещества, находящиеся в таких пастах, играют роль абразивных наполнителей, которые облегчают мытье сильно загрязненных поверхностей. Отработанные отбельные глины могут также быть использованы как добавки в корм животным, например, их вводят в шрот.

Отбельные глины обладают следующими свойствами:

· Имеют развитую поверхность (пористость)

· Не вступают в химическое взаимодействие с маслом

· Легко отделяются от масла отстаиванием или фильтрованием

· Имеют низкую степень поглощения масла

Винтеризация

Восковые вещества представляют собой сложные смеси с преобладающим содержанием растительных восков — эфиров высокомолекулярных жирных кислот и одноатомных (реже двухатомных) высокомолекулярных спиртов, спиртов каротиноидной природы (цветные воски).

Воски в основном локализованы в оболочке семени и в процессе извлечения масла переходят в него. Количество восковых веществ в масле колеблется от 0,01 до 0,3 %.

Наличие восковых веществ в масле в основном обусловливает степень его прозрачности.

Вследствие высокой температуры плавления (32. ..98 °С) восковые вещества образуют в масле при его охлаждении тонкую и очень стойкую взвесь кристаллов, так называемую сетку, существенно ухудшающую товарный вид масла. (Рис. 17).

Рис. 17. Товарный вид подсолнечного масла, не прошедшего винтеризацию

Ни одна из стадий рафинации масла (гидратация, щелочная нейтрализация, отбеливание, дезодорация) практически не приводит к выведению восковых веществ. Из-за их наличия не только нельзя получить масло с хорошим товарным видом, но и возникают трудности при переработке. Восковые вещества затрудняют процессы фильтрования рафинированных масел. Имеются сведения об их отрицательном влиянии на катализаторы.

Винтеризация (вымораживание) – процесс удаления воскоподобных веществ.

В основу его положено свойство восковых веществ, при относительно низких плюсовых температурах образовывать в маслах кристаллы. Вымораживанию подвергаются масла, прошедшие полный цикл пищевой рафинации, до или после дезодорации [7].

Технология выведения восковых веществ вымораживанием заключается в медленном охлаждении масла, выдержке его при низкой температуре и последующем отделении осадка фильтрованием. Для интенсификации процесса отделения восковых веществ фильтрованием в настоящее время используют вспомогательные фильтровальные порошки. Их наносят на поверхность фильтровальной перегородки. В качестве фильтровальных порошков в основном используют измельченные диатомиты (кизельгуры).

Диатомиты — это отложения панцирей микроскопических водорослей (диатомей), благодаря геологическим изменениям земной коры около 5 млн. лет назад оказавшиеся на поверхности. По месторождению диатомиты подразделяют на пресноводные и морские. Панцири пресноводного происхождения имеют, как правило, четырехугольную, круглую или игольчатую формы и их размеры меньше. Формы морских диатомитов разнообразнее. На Рис. 18 представлен фильтровальный порошок (увеличение – 3000).

Рис. 18. Фильтровальный порошок (увеличение – 3000)

Рекомендуемые расходы диатомитовых фильтровальных порошков в зависимости от содержания восков в масле составляют 0,1–1 % от массы масла.

Технология выведения восковых веществ вымораживанием заключается в медленном охлаждении масла (4 ч), выдержке его при низкой температуре (10-12°С) и последующем отделении осадка фильтрованием.

Масло подается в охладитель, где охлаждается до температуры 10 - 12°С и поступает в емкость, представляющую собой вертикальный цилиндрический аппарат, и там выдерживается в течение 4 часов при постоянном перемешивании. За это время происходит выделение восков. Далее масло вместе с выделенным осадком поступает в подогреватель, где происходит образование более крупных взвесей восков с целью дальнейшей эффективной фильтрации. Нагретое до температуры 18 - 20°С масло направляется в смеситель. Для интенсификации процесса фильтрации в смеситель добавляют вспомогательный фильтрующий порошок. Из смесителя масло самотеком подается в фильтрпресс. Отфильтрованное масло должно быть прозрачным и не мутнеть при относительно низкой температуре.

Дезодорация

Завершающей и наиболее ответственной стадией рафинации любого жира является дезодорация.

Дезодорация – это процесс удаления из масел и жиров веществ, определяющих вкус и запах, - одорирующих веществ [2].

Одорирующие вещества попадают в жиры из масличных семян при получении, а часть – при переработке жиров.

Установлено, что чем ниже качество исходного масличного сырья, например, семян подсолнечника, тем больше одорирующих веществ в масле, при этом в масле появляется привкус горечи, а также другие посторонние привкусы. Специфический запах и вкус могут ощущаться в масле даже при содержании сотых долей процента веществ, действующих на слизистую оболочку носа и вкусовые раздражители. Так, вкус и запах кокосового масла, обусловлены присутствием низкомолекулярных кислот. В рапсовом масле, присутствуют продукты распада горчичных и эфирных масел, имеющих специфический запах.

Одорирующие вещества обладают летучестью, что позволяет применять для их удаления метод дезодорации. Количество летучих ароматических веществ в жире 0,1 – 0,15%. Температура масла при дезодорации 230 – 250°С. Для интенсификации процесса дезодорации обрабатывают жир острым водяным паром, чаще перегретым.

Процесс дезодорации слагается из трех стадий:

1. Перенос ароматических веществ из слоя жидкости к поверхности испарения

2. Испарения ароматических веществ

3. Удаление молекул испарившихся веществ из зоны испарения

Схема удаления ароматических веществ представлена на Рис. 19.

Рис. 19. Схема удаления ароматических веществ

Барботажный пар, попадая в жир в виде мельчайших пузырьков, образует парожировую смесь с большой поверхностью соприкосновения пузырьков пара с жиром. Молекулы летучего вещества встречаются друг с другом и с пузырьками впрыскиваемого пара. Основное влияние на скорость дезодорации оказывает столкновение молекул летучих веществ с паром, который в направленном потоке захватывает молекулы летучего вещества и выносит их к поверхности испарения. Необходимо, чтобы все молекулы летучих веществ, достигшие поверхности испарения, полностью поглотились впрыскиваемым паром. Пар высвобождается из масла и увлекает за собой летучие вещества, удаление которых и является целью дезодорации. Дезодорация жира происходит в условиях глубокого разрежения (отрицательного давления, вакуума).

Процесс отгонки одорирующих веществ также существенно облегчается при уменьшении толщины слоя дезодорируемого жира. Обычно толщина слоя дезодорируемого жира составляет 30...50 см.

Отгонка ароматических веществ производится в специальных аппаратах – дезодораторах.

Дезодоратор представляет собой вертикальную колонну (Рис.20), состоящую из нескольких (7 – 9) тарелок или отсеков, предназначенных для осуществления следующих технологических процессов:

• Предварительный нагрев жира и деаэрация (удаление воздуха)

• Нагрев жира до температуры дезодорации

• Дезодорация

• Охлаждение до температуры 60 -65°С

Рис. 20. Дезодоратор

Косвенный показатель эффективности дезодорации - количественное изменение содержания свободных жирных кислот. Также в процессе дезодорации наблюдается разрушение перекисных соединения. В Компании ЭФКО норма кислотного числа в жирах, прошедших дезодорацию – не более 0,1 мг КОН/г, перекисного числа – не более 0 ммоль активного кислорода/кг.