Разработка технологии получения модифицированных рапсовых лецитинов
На правах рукописи
БЕЛИНА Наталия Николаевна
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ РАПСОВЫХ ЛЕЦИТИНОВ
Специальность 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар - 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Герасименко Евгений Олегович
Официальные оппоненты: Быкова Светлана Федоровна
доктор технических наук, профессор,
директор Северо-Кавказского филиала
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский
институт жиров Россельхозакадемии
Щербакова Елена Владимировна
доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры хранения и переработки
растениеводческой продукции ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный
аграрный университет»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический
институт пищевой промышленности»
Защита состоится 05 ноября 2013 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
Автореферат разослан 04 октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент М.В. Филенкова
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность работы. В последние годы наблюдается тенденция увеличения мирового производства рапсового масла. В Российской Федерации на федеральном уровне приняты ряд программ, направленных на увеличение производства рапса для обеспечения потребности населения в растительном масле и животноводства в кормовом белке. В связи с этим увеличивается объем производства рапсового масла и рапсовых лецитинов, являющихся продуктами его переработки.
В настоящее время особый интерес представляют модифицированные лецитины, обладающие заданными физиологически и технологически функциональными свойствами. Однако, на отечественном рынке представлены в основном модифицированные соевые лецитины зарубежных производителей, полученные из соевых масел. К модифицированным лецитинам отечественного производства можно отнести БАД «Витол», а также БАД «Наш лецитин», получаемые из подсолнечных фосфолипидов.
Учитывая увеличение объемов выпуска рапсовых лецитинов, а также высокую потребность пищевой промышленности в лецитинах, обладающих заданными физиологически и технологически функциональными свойствами, разработка технологии получения модифицированных рапсовых лецитинов является актуальной.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР «Разработка комплексных экологически безопасных ресурсосберегающих технологий переработки растительного и животного сырья с применением физико-химических и биотехнологических методов с целью получения БАД, парфюмерно-косметических средств и продуктов питания функционального и специализированного назначения» на 2011-2015 годы (шифр работы 1.2.11-15, № госрегистрации 01201152075).
1.2 Цель работы. Разработка технологии получения модифицированных рапсовых лецитинов для расширения ассортимента отечественных конкурентоспособных лецитинов.
1.3 Основные задачи исследования:
- обоснование выбора рапсовых лецитинов в качестве сырья для получения модифицированных продуктов;
- разработка способа снижения в рапсовых лецитинах содержания веществ, нерастворимых в толуоле;
- определение режимов экстракции фосфатидилхолиновой фракции из рапсовых лецитинов;
- разработка способа повышения содержания фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции;
- определение режимов обезжиривания фосфатидилхолиновой фракции;
- разработка структурной схемы получения модифицированных рапсовых лецитинов;
- изучение показателей качества и безопасности модифицированных рапсовых лецитинов, полученных по разработанной технологии;
- оценка экономической эффективности разработанной технологии.
1.4 Научная новизна. Научно обоснована и экспериментально доказана эффективность использования рапсовых лецитинов в качестве сырья для получения модифицированных лецитинов. Выявлена температурно-концентрационная зависимость соотношения компонентов в системе «рапсовые лецитины - этиловый спирт», при которой сохраняется ее гомогенность.
Определена зависимость вязкости системы «рапсовые лецитины – этиловый спирт» от температуры и установлено, что добавление этилового спирта к рапсовым лецитинам способствует снижению вязкости исследуемой системы, что повышает эффективность последующего фильтрования с целью снижения содержания веществ, нерастворимых в толуоле.
Впервые установлено, что при охлаждении спиртовой мисцеллы, содержащей фосфатидилхолиновую фракцию рапсовых лецитинов и нейтральные липиды, с температуры 70-750С до 0-50С происходит образование осадка, содержащего, в основном, нейтральные липиды, при этом в фосфатидилхолиновой фракции увеличивается содержание веществ, нерастворимых в ацетоне, с 60,8% до 84,2%.
Установлено, что максимальное содержание фосфатидилхолинов (до 75% от общей суммы фосфолипидов) в обезжиренном продукте достигается при проведении ацетоновой экстракции фосфатидилхолиновой фракции в течение 45-50 минут при температуре 500С и соотношении «фосфатидилхолиновая фракция-ацетон», равном 1:10.
1.5 Практическая значимость. Разработана технология производства, а также технологическая инструкция по производству модифицированных рапсовых лецитинов, позволяющая получать лецитины с повышенным содержанием функциональных групп фосфолипидов, соответствующие требованиям ГОСТ Р 53970-2010 «Добавки пищевые. Лецитины Е322. Общие технические условия».
1.6 Реализация результатов исследования. Разработанная технология получения модифицированных рапсовых лецитинов принята к внедрению в производство в 3 квартале 2014 г. на ООО «Ювикс Фарм». Экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит 75,5 млн. руб. в год при переработке 500 т рапсовых лецитинов в год.
1.7 Апробация работы. Материалы работы были представлены и обсуждены на: Международной научной конференции студентов и аспирантов «Техника и технология пищевых производств», г. Могилев, апрель 2006 г.; Международной конференции «Масложировая индустрия-2006», г. Санкт-Петербург, октябрь 2006 г.; Всероссийской конференции аспирантов и студентов «Пищевые продукты и здоровье человека», г Кемерово, апрель 2008 г., I Международном молодежном научном форуме «Молодая наука – 2013», г. Туапсе. 19-20 апреля 2013 г.; IX Всероссийской школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Инноватика-2013» с международным участием, г. Томск, 23-26 апреля 2013 г.; II Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире», г. Уфа, 29-30 апреля 2013 г.; III Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья», г. Краснодар, 23-24 мая 2013 г., VI Международной научно-технической конференции «Перспективы развития масложировой отрасли: технология и рынок», г. Алушта, АР Крым, Украина, 29-30 мая 2013 г.
1.8 Публикации. По материалам работы опубликовано 12 научных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, 2 статьи в журналах по отраслевой тематике, 8 материалов докладов и тезисов конференций, получен 1 патент РФ на изобретение.
1.9 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической части, экспериментальной части, технологической части, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, имеет 28 таблиц и 25 рисунков. Список литературы состоит из 102 наименований, из них 46 на иностранных языках.
2 экспериментальная часть
2.1 Методы исследования. При проведении исследований использовали методики, рекомендованные ВНИИЖ, методики в соответствии с ГОСТ Р 53970-2010 «Добавки пищевые. Лецитины Е322. Общие технические условия», а также специализированные методы физико-химического анализа.
Оценку результатов полученных данных проводили с помощью методов статистической обработки данных и математического планирования.
Структурная схема исследования приведена на рисунке 1.
2.2 Обоснование выбора рапсовых лецитинов в качестве сырья для получения модифицированных продуктов. В качестве объектов исследования были выбраны рапсовые лецитины, полученные на филиал «Лабинский МЭЗ» ООО «МЭЗ Юг Руси».
Известно, что физиологически и технологически функциональные свойства лецитинов преимущественно определяются особенностями группового состава фосфолипидов, содержащихся в них. Учитывая это, изучали групповой состав фосфолипидов, содержащихся в рапсовых лецитинах (таблица 1).
Рисунок 1 – Структурная схема исследования
Таблица 1 – Групповой состав фосфолипидов рапсовых лецитинов
| Наименование группы | Содержание индивидуальной группы фосфолипидов, % | |
| к сумме фосфолипидов | в лецитине | |
| Фосфатидилхолины (ФХ) | 27-29 | 16-18 |
| Фосфатидилэтаноламины (ФЭА) | 19-21 | 11-13 |
| Фосфатидилинозитолы (ФИ) | 9-11 | 5-7 |
| Фосфатидилсерины (ФС) | 11-13 | 6-8 |
| Фосфатидные и полифосфатидные кислоты (ФК и ПФК) | 13-15 | 7-9 |
| Дифосфатидилглицерины (ДФГ) | 14-16 | 8-10 |
Анализ данных таблицы 1 свидетельствует о том, что в рапсовых лецитинах преобладающей группой фосфолипидов являются фосфатидилхолины, а также в значительных количествах содержатся фосфатидилэтаноламины.
С целью определения биологической эффективности изучали жирнокислотный состав фосфолипидов, содержащихся в рапсовых лецитинах.
Таблица 2 – Состав жирных кислот фосфолипидов рапсовых лецитинов
| Наименование жирной кислоты | Содержание жирной кислоты, % к общей сумме жирных кислот |
| Пальмитиновая | 6,2-7,3 |
| Стеариновая | 1,0-1,5 |
| S | 7,2-8,8 |
| Олеиновая | 66,4-69,4 |
| Линолевая | 17,9-18,4 |
| Линоленовая | 5,5-6,4 |
| Эруковая | отсутствие |
| Эйкозеновая | отсутствие |
| US | 89,8-94,2 |
Показано (таблица 2), что в жирнокислотном составе фосфолипидов, содержащихся в рапсовых лецитинах, преобладает олеиновая кислота, в значительных количествах содержится линолевая кислота, а также присутствует линоленовая кислота, при этом следует отметить низкое содержание насыщенных жирных кислот.
Учитывая групповой состав фосфолипидов и состав жирных кислот, содержащихся в рапсовых лецитинах, можно сделать вывод о том, что они являются перспективным сырьем для получения модифицированных продуктов.
В таблице 3 приведены физико-химические показатели рапсовых лецитинов.
Таблица 3 – Физико-химические показатели рапсовых лецитинов
| Наименование показателя | Значение показателя | Требования СТО 2481-55505939-001-2011 «Лецитин растительный» |
| Массовая доля, %: фосфолипидов | 55,3-61,5 | 46,5-65,0 |
| влаги и летучих веществ | 0,3-0,5 | Не более 1,5 |
| веществ, нерастворимых в диэтиловом эфире нейтрального масла | 0,8-1,5 38,9-42,6 | Не более 3,0 26,5-45,0 |
| Кислотное число смеси нейтрального масла и свободных жирных кислот, мг КОН/г | 1,5-5,8 | Не более 20,0 |
| Перекисное число смеси нейтрального масла и свободных жирных кислот, ммоль активного кислорода /кг | 1,2-4,3 | Не более 25,0 |
| Цветное число, мг йода | 7-14 | Не более 15,0 |
Однако, как свидетельствуют данные, характеризующие физико-химические показатели (таблица 3), в рапсовых лецитинах, полученных в соответствии с требованиями СТО 2481-55505939-001-2011 «Лецитин растительный», такой показатель как «массовая доля веществ, нерастворимых в диэтиловом эфире», несмотря на соответствие требованиям СТО, не позволит без специальной предварительной подготовки использовать их в качестве сырья для производства модифицированных лецитинов, так как указанный показатель практически равнозначен показателю «массовая доля веществ, нерастворимых в толуоле», который нормируется для модифицированных (обезжиренных и фракционированных) лецитинов, выпускаемых в соответствии с ГОСТ Р 53970-2010 «Добавки пищевые. Лецитины Е322. Общие технические условия», и составляет не более 0,3%.
Учитывая это, на следующем этапе разрабатывали способ предварительной подготовки рапсовых лецитинов, позволяющий снизить содержание в них веществ, нерастворимых в толуоле.
2.3 Разработка способа снижения содержания в рапсовых лецитинах веществ, нерастворимых в толуоле. Для разработки эффективного способа снижения содержания в рапсовых лецитинах веществ, нерастворимых в толуоле, определяли их гранулометрический состав. Установлено, что размер основной массы (более 90%) частиц веществ, нерастворимых в толуоле, содержащихся в рапсовых лецитинах, составляет от 10 до 30 мкм.
Учитывая это, предложено снизить содержание веществ, нерастворимых в толуоле, в рапсовых лецитинах путем фильтрования через фильтр с размером пор не более 10 мкм, однако, для реализации этого предложения необходимо предварительно снизить вязкость системы, направляемой на фильтрование.
Для модификации рапсовых лецитинов в качестве экстрагента был выбран этиловый спирт, обладающий селективностью по отношению к фосфатидилхолинам. Учитывая это, для снижения вязкости системы перед фильтрованием в рапсовые лецитины добавляли этиловый спирт.
Установлено, что при добавлении этилового спирта к рапсовым лецитинам происходит снижение их вязкости. Однако, при достижении определенного соотношения «рапсовые лецитины – этиловый спирт» наблюдается расслоение системы на две фазы, что делает невозможным проведение процесса фильтрования.
На рисунке 2 приведена зависимость влияния этилового спирта на вязкость и точку расслоения системы «рапсовые лецитины – этиловый спирт» при различных температурах.
Рисунок 2 – Влияние этилового спирта на вязкость и точку расслоения ( ) системы «рапсовые лецитины (РЛ) – этиловый спирт (ЭС)» при температуре:
1 – 250С; 2, – 350С;
3 – 450С; 4 – 550С;
5 – 650С; 6 – 750С
Показано, что при повышении температуры количество этилового спирта, добавленного к рапсовым лецитинам, при котором не происходит расслоения системы, увеличивается.
Установлено, что при температуре 750С добавление этилового спирта в количестве 65-68% к массе рапсовых лецитинов обеспечивает максимальное снижение вязкости системы до значений 0,1 Пас, что позволяет эффективно осуществить фильтрование мисцеллы через фильтр с размером пор 10 мкм.
Для повышения эффективности фильтрования изучали свойства полученного слоя осадка веществ, нерастворимых в толуоле, при проведении процесса через фильтровальную перегородку с размером пор 10 мкм. Установлено, что вещества, нерастворимые в толуоле, являются сжимаемым осадком. Удельное объемное сопротивление слоя осадка составило 2,5104 м-2, сопротивление фильтровальной перегородки 7,0107м-1.
В таблице 4 приведены данные, характеризующие изменение показателей качества рапсовых лецитинов при фильтровании.
Таблица 4 - Изменение показателей качества рапсовых лецитинов при фильтровании
| Наименование показателя | Значение показателя | ||
| до фильтрования | после фильтрования | Требование ГОСТ Р 53970-2010 (Стандартный жидкий лецитин) | |
| Массовая доля веществ, нерастворимых в толуоле, % | 1,3 | 0,1 | не более 0,3 |
| Цветное число 10 %-ного раствора в толуоле, мг йода | 96 | 52 | не более 80 |
Показано, что фильтрование 32-35%-ной мисцеллы рапсовых лецитинов в этиловом спирте позволяет снизить массовую долю веществ, нерастворимых в толуоле, и цветное число 10 %-ного раствора в толуоле до уровня, регламентированного ГОСТ Р 53970-2010.
2.4 Определение режимов экстракции фосфатидилхолиновой фракции из рапсовых лецитинов. Известно, что наиболее технологически функциональными группами фосфолипидов являются фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. В связи с этим основной задачей исследований на данном этапе был выбор режимов экстракции, обеспечивающих максимальное содержание указанных групп фосфолипидов в получаемых модифицированных продуктах.
С целью определения необходимого соотношения «рапсовые лецитины – этиловый спирт» изучали влияние указанного соотношения на изменение выхода фосфатидилхолиновой фракции при экстракции.
На рисунке 3 приведены данные по влиянию соотношения «рапсовые лецитины – этиловый спирт» на выход фосфатидилхолиновой фракции рапсовых лецитинов при различных температурах и продолжительности экстракции 60 минут.
Рисунок 3 – Влияние соотношения «рапсовые лецитины (РЛ) – этиловый спирт (ЭС)» на выход фосфатидилхолиновой фракции (ФХФ) при продолжительности экстракции 60 минут и температуре:
1 – 250С;
2 – 500С; 3 – 75 0С
Показано, что с увеличением температуры и соотношения «рапсовые лецитины – этиловый спирт» повышается выход фосфатидилхолиновой фракции, при этом увеличение соотношения более 1:12 при температуре 750С не приводит к дальнейшему существенному повышению выхода. В связи с этим, при последующих экспериментах проводили экстракцию фосфатидилхолиновой фракции при соотношении «рапсовые лецитины – этиловый спирт», равном 1:12.
Для интенсификации процесса экстракции фосфатидилхолиновой фракции необходимо увеличить коэффициент массопередачи и площадь межфазной поверхности, что достигается использованием диспергирующего устройства. Экстракцию проводили в течение 5-30 минут в диапазоне температур 25-750С. После экстракции система разделялась на осадок фосфатидилэтаноламиновой фракции и спиртовую мисцеллу фосфатидилхолиновой фракции.
После удаления растворителя из осадка получали фосфатидилэтаноламиновую фракцию, а из спиртовой мисцеллы – фосфатидилхолиновую фракцию.
На рисунке 4 приведена зависимость концентрации фосфатидилхолиновой фракции в спиртовой мисцелле от времени экстракции при различных температурах.
Рисунок 4 – Зависимость концентрации фосфатидилхолиновой фракции в спиртовой мисцелле от времени экстракции при различных температурах:
1 –250С; 2 - 500С;
3 – 600С;4 – 750С
Установлено, что повышение температуры экстракции до 750С способствует возрастанию скорости процесса, а также увеличению концентрации фосфатидилхолиновой фракции в спиртовой мисцелле, при этом максимальное содержание фосфатидилхолиновой фракции в спиртовой мисцелле достигается при температуре экстракции 750С.
Для оценки влияния времени экстракции на групповой состав фосфолипидов, содержащихся в фосфатидилхолиновой фракции, изучали изменение группового состава фосфолипидов (рисунок 5).
Рисунок 5 – Влияние времени экстракции рапсовых лецитинов при температуре 750С на удельное содержание индивидуальных групп фосфолипидов в фосфатидилхолиновой фракции:
1–ФХ; 2– ДФГ; 3 –НЛ;
4 – ФК и ПФК; 5 – ФЭА;
6 – ФИ; 7 – ФС
Установлено, что изменение удельного содержания фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции имеет экстремальную зависимость от времени экстракции. Показано, что с увеличением времени экстракции в фосфатидилхолиновой фракции увеличивается содержание нейтральных липидов.
Для определения режимов экстракции проводили двухфакторный эксперимент. В качестве факторов варьирования были выбраны температура и время экстракции, в качестве функции отклика – удельное содержание фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции. В результате математической обработки данных было получено уравнение, адекватно описывающее процесс:
ФХ = 22,8129-0,1588t +0,5751 +0,0023t2+0,0018t -0,02 2,
где ФХ – содержание фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции, %; t – температура экстракции, 0С; – время экстракции, мин.
Обработка данных в среде MathCad позволила определить эффективные режимы экстракции фосфатидилхолинов: время 17,7 мин, температура процесса 750С, при этом максимальное удельное содержание фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции составило 31,9 %.
В полученной после удаления растворителя фосфатидилхолиновой фракции содержание веществ, нерастворимых в ацетоне, составило 60,8%, массовая доля нейтральных липидов – 38,3%.
На следующем этапе разрабатывали способ повышения содержания фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции, полученной по установленным выше режимам.
2.5 Разработка способа повышения содержания фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции. Учитывая имеющиеся данные о температурной зависимости растворимости рапсового масла в этиловом спирте, предположили, что при снижении температуры спиртовой мисцеллы часть нейтральных липидов, находящихся в ней, выделится в виде отдельной фазы – осадка.
На рисунке 6 приведены зависимости влияния времени и температуры экспозиции спиртовой мисцеллы на выход осадка.
Рисунок 6 – Влияние времени экспозиции спиртовой мисцеллы на выход осадка при температуре экспозиции:
1 – 200С; 2 – 150С;
3 – 100С; 4 – 50С; 5 – 00С;
6 – -50С
Установлено, что охлаждение спиртовой мисцеллы приводит к ее разделению на две фазы: спиртовую мисцеллу и осадок, при этом максимальный выход осадка наблюдается при охлаждении спиртовой мисцеллы с 750С до температуры минус 50С при экспозиции в течение 8 ч. Разделение системы на две фазы начиналось при температуре 200С, причем при температуре охлаждения ниже 50С, выход осадка увеличивался незначительно, при этом скорость охлаждения существенного влияния на выход указанной фракции не оказывает.
Из спиртовой мисцеллы и осадка, удаляли растворитель и исследовали состав полученных фосфатидилхолиновой фракции и липидно-фосфолипидного продукта.
Установлено (таблица 5), что содержание веществ, нерастворимых в ацетоне, (фосфолипидов) в фосфатидилхолиновой фракции после низкотемпературного фракционирования увеличивается более, чем на 20%, что обусловлено снижением содержания нейтральных липидов, выделяющихся в виде осадка, в связи со снижением их растворимости в этиловом спирте.
Таблица 5 – Состав и выход фосфатидилхолиновой фракции (ФХФ) и липидно-фосфолипидного продукта (ЛФП)
| Наименование показателя | Значение показателя | ||
| ФХФ | ЛФП | ||
| до низко-температурного фракционирования | после низко-температурного фракционирования | ||
| Массовая доля, %: веществ, нерастворимых в ацетоне | 60,80 | 84,20 | 38,00 |
| нейтральных липидов | 38,30 | 15,25 | 61,40 |
| Выход, % к исходному лецитину | 81,54 | 40,23 | 41,31 |
Групповой состав фосфолипидов фосфатидилхолиновой фракции (ФХФ) и липидно-фосфолипидном продукте (ЛФП), представлен в таблице 6.
Таблица 6 – Групповой состав фосфолипидов ФХФ и ЛФП
| Наименование индивидуальной группы фосфолипидов | Значение показателя, % от суммы фосфолипидов | ||
| ФХФ | ЛФП | ||
| до низко-температурного фракционирования | после низко-температурного фракционирования | ||
| Фосфатидилхолины | 35 | 50 | 3 |
| Фосфатидилэтаноламины | 17 | 5 | 42 |
| Фосфатидилинозитолы | 10 | 6 | 18 |
| Фосфатидилсерины | 8 | 1 | 21 |
| Фосфатидилглицерины | 15 | 17 | 11 |
| Фосфатидные и полифосфатидные кислоты | 15 | 21 | 5 |
Показано, что охлаждение спиртовой мисцеллы позволяет увеличить удельное содержание фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции до 50% от общей суммы фосфолипидов за счет перехода в липидно-фосфолипидную фракцию фосфатидилэтаноламинов, фосфатидилсеринов, фосфатидилинозитолов.
Из фосфатидилхолиновой фракции удаляли растворитель и определяли ее физико-химические показатели (таблица 7).
Таблица 7 – Физико-химические показатели фосфатидилхолиновой фракции
| Наименование показателя | Значение показателя | |
| Модифицированный лецитин | ||
| Фосфатидилхолиновая фракция | Требования ГОСТ Р 53970-2010 (Фракционированный лецитин) | |
| Массовая доля веществ, %: нерастворимых в толуоле | 0,05 | Не более 0,3 |
| нерастворимых в ацетоне | 84,2 | Не менее 60,0 |
| влаги и летучих веществ | 0,5 | Не более 1,0 |
| Кислотное число, мг КОН/г | 24,4 | Не более 36,0 |
| Перекисное число, ммоль активного кислорода/кг | 3,2 | Не более 10,0 |
Проведение процесса по разработанным выше режимам позволяет получить модифицированный продукт, а именно, фосфатидилхолиновую фракцию с повышенным содержанием фосфатидилхолинов, соответствующий требованиям ГОСТ Р 53970-2010.
2.6 Определение режимов обезжиривания фосфатидилхолиновой фракции рапсовых лецитинов. С целью расширения ассортимента модифицированных продуктов на основе рапсовых лецитинов на следующем этапе разрабатывали режимы получения обезжиренной фосфатидилхолиновой фракции лецитинов.
В соответствии с ГОСТ Р 53970-2010 обезжиренный продукт должен содержать не менее 95% веществ, нерастворимых в ацетоне, то есть собственно фосфолипидов. Учитывая это, для получения обезжиренной фосфатидилхолиновой фракции в качестве экстрагента был выбран ацетон – селективный растворитель, хорошо растворяющий нейтральные липиды и не растворяющий фосфолипиды.
На рисунке 7 приведена зависимость влияния соотношения «фосфатидилхолиновая фракция - ацетон» на содержание в обезжиренной фосфатидилхолиновой фракции веществ, нерастворимых в ацетоне, при температуре 500С и времени экстракции 60 минут.
Рисунок 7 – Влияние соотношения «фосфатидилхолиновая фракция (ФХФ) – ацетон (А)» на содер жание в обезжиренной ФХФ веществ, нерастворимых в ацетоне, при температуре экстракции 200С и продолжительности экстракции 60 минут
Установлено, что с увеличением соотношения «фосфатидилхолиновая фракция – ацетон» увеличивается содержание веществ, нерастворимых в ацетоне в фосфатидилхолиновой фракции; дальнейшее увеличение соотношения более 1:10 не приводит к повышению содержания веществ, нерастворимых в ацетоне.
Для определения режимов обезжиривания был проведен двухфакторный эксперимент. В качестве факторов варьирования были выбраны продолжительность и температура обезжиривания, а в качестве функции отклика – содержание в обезжиренном продукте веществ, нерастворимых в ацетоне. Графическая интерпретация данных приведена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Зависимость содержания веществ, нерастворимых в ацетоне, в обезжиренной фосфатидилхолиновой фракции от температуры и времени экстракции
Установлено, что с увеличением температуры и времени экстракции содержание в обезжиренной фосфатидилхолиновой фракции веществ, нерастворимых в ацетоне, увеличивается.
Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить уравнение, адекватно описывающее процесс:
Ф = 87,5956+0,1656t +0,1929 -0,0014t2+0,0004t -0,00212,
где Ф – содержание в обезжиренном продукте веществ, нерастворимых в ацетоне, %; t – температура обезжиривания, 0С; – время обезжиривания, мин.
Обработка данных в среде MathCAD позволила получить следующие эффективные режимы обезжиривания фосфатидилхолиновой фракции: температура процесса 500С, продолжительность процесса 46,2 мин, максимальное содержание в обезжиренном продукте веществ, нерастворимых в ацетоне, 97,5%.
2.7 Разработка технологических режимов и схемы получения модифицирования рапсовых лецитинов. На основании проведенных исследований были разработаны технологические режимы производства модифицированных рапсовых лецитинов, приведенные в таблице 8.
Таблица 8 – Технологические режимы получения модифицированных рапсовых лецитинов
| Наименование технологической стадии и технологического режима | Значение режима |
| 1 Экстракция рапсовых лецитинов этиловым спиртом: | |
| 1.1 Подготовка рапсовых лецитинов к фильтрованию: | |
| Температура, 0С | 70-75 |
| Количество предварительно вводимого этилового спирта, % к массе лецитинов | 65-68 |
| 1.2 Фильтрование: | |
| Температура, 0С | 70-75 |
| 1.3 Экстракция: | |
| Температура, 0С | 70-75 |
| Соотношение «рапсовые лецитины-этиловый спирт» | 1:12 |
| Время экстракции, мин | 15-20 |
| 1.4 Охлаждение спиртовой мисцеллы: | |
| Температура, 0С | 0-5 |
| Время экспозиции, час | 8 |
| 2 Удаление этилового спирта из спиртовой мисцеллы: | |
| Температура, 0С | 65 |
| Остаточное давление, МПа | 0,005 |
| 3 Удаление этилового спирта из фосфатидилэтаноламиновой фракции: | |
| Температура, 0С | 65 |
| Остаточное давление, МПа | 0,005 |
| 4 Обезжиривание полученной фосфатидилхолиновой фракции (ФХФ) ацетоном: | |
| Температура, 0С | 50 |
| Соотношение «ФХФ-ацетон» | 1:10 |
| Время экстракции, мин | 45-50 |
| 5 Удаление ацетона из обезжиренной ФХФ: | |
| Температура, 0С | 55 |
| Остаточное давление, МПа | 0,005 |
Структурная схема получения модифицированных рапсовых лецитинов представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Структурная схема получения модифицированных
рапсовых лецитинов
2.8 Изучение показателей качества и безопасности модифицированных рапсовых лецитинов. В таблицах 9 – 10 приведены физико-химические показатели качества модифицированных рапсовых лецитинов, полученных по разработанным режимам.
Таблица 9 – Физико-химические показатели обезжиренной фосфатидилхолиновой фракции
| Наименование показателя | Значение показателя | |
| Модифицированный лецитин | ||
| Обезжиренная фосфатидил-холиновая фракция | Требования ГОСТ Р 53970-2010 (Обезжиренный лецитин) | |
| Массовая доля, %: веществ, нерастворимых в толуоле | 0,06 | Не более 0,3 |
| веществ, нерастворимых в ацетоне | 97,5 | Не менее 95,0 |
| влаги и летучих веществ | 0,7 | Не более 1,0 |
| Кислотное число, мг КОН/г | 23,5 | Не более 36,0 |
| Перекисное число, ммоль активного кислорода /кг | 3,6 | Не более 10,0 |
| Цветное число 10%-го раствора в толуоле, мг йода | 45 | Не более 80 |
Таблица 10 – Физико-химические показатели фосфатидилэтаноламиновой фракции
| Наименование показателя | Значение показателя | |
| Модифицированный лецитин | ||
| Фосфатидил-этаноламиновая фракция | Требования ГОСТ Р 53970-2010 (Фракционированный лецитин) | |
| Массовая доля, %: веществ, нерастворимых в толуоле | 0,2 | Не более 0,3 |
| веществ, нерастворимых в ацетоне | 61,4 | Не менее 60,0 |
| влаги и летучих веществ | 0,6 | Не более 1,0 |
| Кислотное число, мг КОН/г | 29,6 | Не более 36,0 |
| Перекисное число, ммоль активного кислорода /кг | 2,8 | Не более 10,0 |
Установлено, что модифицированные лецитины, полученные по разработанным технологическим режимам, соответствуют требованиям, предъявляемым ГОСТ Р 53970-2010.
Групповой состав фосфолипидов, содержащихся в полученных модифицированных рапсовых лецитинах, представлен в таблице 11.
Таблица 11 – Групповой состав фосфолипидов модифицированных лецитинов
| Наименование индивидуальной группы | Содержание индивидуальной группы фосфолипидов, % от общей суммы | |
| Модифицированный лецитин | ||
| Обезжиренная фосфатидилхолиновая фракция | Фосфатидил-этаноламиновая фракция | |
| Фосфатидилхолины | 75 | 1 |
| Фосфатидилэтаноламины | 8 | 35 |
| Фосфатидилинозитолы | 2 | 13 |
| Фосфатидилсерины | 5 | 29 |
| Фосфатидилглицерины | 9 | 15 |
| Фосфатидные и полифосфатидные кислоты | 1 | 7 |
Как следует из данных, представленных в таблице 14, обезжиренная фосфатидилхолиновая фракция содержит до 75% фосфатидилхолинов, фосфатидилэтаноламиновая фракция – до 35% фосфатидилэтаноламинов и до 29% фосфатидилсеринов.
Полученные модифицированные лецитины могут быть рекомендованы для использования в качестве пищевой добавки и сырья для производства БАД или фармпрепаратов.
Липидно-фосфолипидный продукт, полученный после удаления растворителя из осадка, содержащего нейтральные липиды и вещества, нерастворимые в ацетоне, можно рекомендовать в качестве добавки для кормления сельскохозяйственных животных.
Кубовый остаток, полученный после дистилляции ацетоновой мисцеллы, содержащий, в основном, нейтральные липиды, может быть рекомендован в качестве сырья при мыловарении, производстве лакокрасочной продукции, смазочных материалов.
Установлено, что полученные модифицированные рапсовые лецитины по показателям безопасности соответствуют требованиям ГОСТ Р 53970-2010.
ВЫВОДЫ
- В качестве сырья для производства модифицированных лецитинов с повышенным содержанием физиологически и технологически функциональных групп фосфолипидов целесообразно использовать рапсовые лецитины.
- Добавление этилового спирта в количестве 65-68% к массе рапсовых лецитинов при температуре 70-750С позволяет снизить вязкость полученной спиртовой мисцеллы до 0,1 Пас при сохранении гомогенности системы.
- Показано, что фильтрование спиртовой мисцеллы рапсовых лецитинов при температуре 70-750С позволяет снизить содержание веществ, нерастворимых в толуоле, до значений, регламентированных ГОСТ Р 53970-2010 «Добавки пищевые. Лецитины Е322. Общие технические условия» (менее 0,3%).
- Установлены эффективные режимы экстракции рапсовых лецитинов, обеспечивающие максимальное содержание фосфатидилхолинов в фосфатидилхолиновой фракции: температура 70-750С, время экстракции 15-20 минут, соотношение «рапсовые лецитины – этиловый спирт», равное 1:12.
- Охлаждение спиртовой мисцеллы, полученной при экстракции рапсовых лецитинов этиловым спиртом, с температуры 70-750С до 0-50С позволяет повысить удельное содержание фосфатидилхолинов в спиртовой мисцелле (до 50 % от общей суммы фосфолипидов) за счет выделения липидно-фосфолипидной фракции, состоящей из смеси нейтральных липидов и фосфолипидов, при этом содержание нейтральных липидов в фосфатидилхолиновой фракции рапсовых лецитинов снижается в 3 раза.
- Установлены эффективные режимы обезжиривания фосфатидилхолиновой фракции ацетоном, обеспечивающие в обезжиренном модифицированном продукте содержание веществ, нерастворимых в ацетоне, не менее 97% при максимальном содержании фосфатидилхолинов (до 75% от общей суммы фосфолипидов): температура 500С, время экстракции 45-50 минут, соотношение «фосфатидилхолиновая фракция - ацетон», равное 1:10.
- Полученные по разработанной технологии модифицированные лецитины по показателям качества и безопасности соответствуют требованиям, предъявляемым ГОСТ Р 53970-2010.
- Разработанная технология принята к внедрению на ООО «Ювикс Фарм» в 3 квартале 2014 года. Экономический эффект от производства и реализации полученных продуктов составит 75,5 млн. рублей при переработке 500 тонн рапсовых лецитинов в год.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Белина Н.Н. Технология получения растительных лецитинов / Н.Н. Белина, Е.О. Герасименко, В.Н. Пащенко, Э.А. Бутина, И.А. Дубровская // Масложировая промышленность. – М: Пищевая промышленность, 2013. - № 3, с.26-28
- Белина Н.Н. Разработка технологии получения модифицированных лецитинов / Н.Н. Белина, Е.О. Герасименко, Е.А. Бутина, О.С. Воронцова, Е.П. Спильник // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2013. – №07(091). – IDA [article ID]: 0911307035. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/07/pdf/35.pdf, 0,625 у.п.л.
- Белина Н.Н. Разработка способов модификации фосфатидных концентратов с целью получения растительных лецитинов / Н.Н. Белина, Е.О. Герасименко, Бутина Е.А., Н.Н. Белина, И.А. Дубровская, В.Н. Пащенко // Наука Кубани, 2013. - № 2, с. 13-18.
- Белина Н.Н., Герасименко Е.О., Картаева Д.В. Разработка технологии получения модифицированных рапсовых лецитинов // Масложировой комплекс. – Днепропетровск: ИА «Эксперт Агро», 2013. - № 2 (41), с.40-41.
- Патент 2377785 Российская Федерация, МПК А23D9/00 (2006.01). Способ получения пищевых растительных фосфолипидов [Текст] // Герасименко Е.О., Белина Н.Н. и др.; заявитель и патентообладатель ООО НПП «Базис А» № 2008111931/13; заявл. 31.03.2008, опубл. 10.01.2010.
- Белина Н.Н., Лобанов А.А. Усовершенствованный процесс получения обезжиренных фосфолипидов // Тез. Докл.5-й Международной научной конференции студентов и аспирантов «Техника и технология пищевых производств», 26-27апреля 2006 г. Республика Беларусь, г. Могилев
- Белина Н.Н. ТСХ – метод для количественной оценки группового состава фосфолипидных продуктов / Белина Н.Н., Корнена Е.П., Юхвид И.М., Руссу Е.И. // Тез. Докл. 6-й Международной конференции «Масложировая индустрия - 2006», 25-26 октября 2006 г., г. Санкт – Петербург, ВНИИЖ с.67-69
- Белина Н.Н., Сонин С.А., Герасименко Е.О. Экспресс-способы оценки качества жировых продуктов // Всероссийская конференция аспирантов и студентов «Пищевые продукты и здоровье человека», КемТИПП, г. Кемерово, 23 апреля 2008 г.
- Белина Н.Н. Разработка технологии получения лецитинов для повышения эффективности переработки вторичных ресурсов масложировой промышленности/ Белина Н.Н., Пащенко В.Н., Герасименко Е.О., Дубровская И.А. // I Международный молодежный научный форум «Молодая наука – 2013», посвященный Году охраны окружающей среды, г. Туапсе, 19-20 апреля 2013 г.
- Белина Н.Н., Пащенко В.Н., Герасименко Е.О., Разработка технологических режимов получения жидких лецитинов // IX Всероссийская школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика-2013» с международным участием, г. Томск, 23 – 26 апреля 2013 г.
- Белина Н.Н., Пащенко В.Н. Оценка потребительских свойств жидких лецитинов // II Международная научно-практическая конференция «Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире», г. Уфа, 29-30 апреля 2013 г.
- Белина Н.Н., Герасименко Е.О., Абаева И.Н. Разработка технологии получения рапсовых лецитинов с повышенным содержанием функциональных групп фосфолипидов // III Международная научно-практическая конференция «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья», г. Краснодар, 23-24 мая 2013 г.
