我國(guó)是世界上主要的產(chǎn)棉大國(guó)，年產(chǎn)棉籽800余萬(wàn)t。其中棉仁占50%~55%，棉仁蛋白質(zhì)含量為35%~38%，棉仁提油后的粕中蛋白質(zhì)含量最高可達(dá)60%，是巨大的蛋白質(zhì)資源。但是由于其中含有對(duì)畜禽有毒害作用的游離棉酚，使得豐富的蛋白質(zhì)資源未能得到充分利用。
棉酚是一種有毒酚型色素，棉籽中含棉酚0.15%~1.8%，按其存在形式分為游離棉酚(FG)和結(jié)合棉酚(BG)，游離棉酚具有活性醛基和羥基，對(duì)單胃動(dòng)物有較大毒性，而結(jié)合棉酚由游離棉酚與棉仁中的蛋白質(zhì)、磷脂、糖類(lèi)等通過(guò)化學(xué)結(jié)合而成，毒性較小。棉酚主要存在于棉仁的色腺體內(nèi)，色腺體壁對(duì)極性溶劑十分敏感，遇極性溶劑即破裂，釋放出色素微粒，其主要成分就是棉酚。但如果未遇到極性溶劑，色腺體壁可承受機(jī)械壓力而保持完整，即使色腺體破裂也不會(huì)釋放出其所含的色素 。因此，從棉仁中提取棉酚大都采用極性溶劑，如丙酮、乙醇、甲醇、異丙醇等。
長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)棉籽脫酚技術(shù)進(jìn)行了大量研究,主要有化學(xué)法、微生物發(fā)酵法、溶劑萃取法等。化學(xué)法是將游離棉酚破壞或形成結(jié)合態(tài)，微生物發(fā)酵法是使棉酚分解，這兩種方法主要解決游離棉酚的問(wèn)題， 而不能從根本上解決高溫預(yù)處理過(guò)程造成的蛋白質(zhì)變性、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值下降等問(wèn)題。溶劑萃取法是研究較多且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)，如乙醇-工業(yè)己烷混合溶劑浸出法，在混合溶劑中90%的乙醇與工業(yè)己烷之比為30∶ 70時(shí)，浸出棉籽油和脫除棉酚的效果都很好。但過(guò)程中乙醇與工業(yè)己烷的比例控制比較困難。再如，丙酮浸出法，在利用丙酮作溶劑浸出棉籽油的同時(shí)，棉酚也被浸出，從而使棉籽粕脫毒。但由于丙酮不能溶解磷脂，致使粕的風(fēng)味受到影響。雙溶劑分步法，即先用己烷浸出棉仁生坯中的油脂，再用甲醇萃取脫脂粕中游離棉酚。該法可使浸出棉粕中游離棉酚含量降到004%，粕中粗蛋白含量達(dá)到50%以上。
早在20多年前，美國(guó)新奧爾良南部地區(qū)研究中心的Abraham[5]和Hron[6]等人，就采用乙醇作溶劑來(lái)浸出棉仁生坯，提取油脂及其他副產(chǎn)品，由于該工藝采用混合油冷卻分層和反滲透膜等先進(jìn)設(shè)備，免除了己烷浸出工藝常規(guī)的混合油蒸發(fā)和汽提工序，從而減少了能耗，降低了操作費(fèi)用。
乙醇是一種利用農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的可再生溶劑，同時(shí)乙醇是一種安全性?xún)H次于水的溶劑，使用它對(duì)環(huán)境沒(méi)有負(fù)面影響。乙醇屬于極性溶劑，可以溶解棉酚，同時(shí)90%~95%乙醇在接近沸點(diǎn)的溫度下對(duì)油脂也有較大的溶解度。本文采用95%乙醇為溶劑，對(duì)棉仁低溫壓榨餅進(jìn)行浸出，旨在同時(shí)提取棉籽油和脫除棉酚。由于棉仁在低溫下壓榨出油，所含游離棉酚未與蛋白質(zhì)結(jié)合，有利于乙醇萃取脫酚。另外，棉仁低溫壓榨餅殘油率低、容重大，有利于徹底脫脂，也有利于減小后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的投資。
材料與方法
實(shí)驗(yàn)原料
棉仁低溫壓榨餅由安陸天星糧油機(jī)械設(shè)備有限公司提供。系采用含油率23.6%、水分10.02%、仁中含殼率10%的棉仁于42 ℃下用LYZX·24型低溫螺旋榨油機(jī)壓榨后所得棉仁低溫壓榨餅，其主要成分見(jiàn)表1。
主要實(shí)驗(yàn)試劑
95%乙醇為化學(xué)純，丙酮、苯胺、石油醚、硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、硼酸等試劑均為分析純。
主要實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備
GZX-GF101-MBS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，電熱恒溫水浴鍋，HYP消化爐，電子萬(wàn)用爐，微量凱氏定氮儀，雙頻超聲波清洗機(jī)，7200型可見(jiàn)分光光度計(jì)，RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，DZF-6050型真空干燥箱，電子分析天平，SHA-C水浴恒溫振蕩器，SYC-15B超級(jí)恒溫水浴，滲濾式玻璃浸出器(自制)，索氏抽提器，高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，SCOUT SCA210型電子天平，501型超級(jí)恒溫器。
實(shí)驗(yàn)方法
原料和浸出粕中成分的測(cè)定 粗蛋白的測(cè)定，GB 5511-1985[7];粗脂肪的測(cè)定，GB 5512-1985[7];水分的測(cè)定，GB 13101-1991[7];游離棉酚含量的測(cè)定，參照文獻(xiàn)，用苯胺顯色法測(cè)定。
浸出實(shí)驗(yàn) 稱(chēng)取一定量原料餅，破碎到一定粒度置入自制的玻璃浸出器中，在浸出器加熱夾套內(nèi)通入恒溫?zé)崴淖冊(cè)狭６取⒃纤帧⒔鰷囟取⒔龃螖?shù)、浸出固液比5個(gè)因素對(duì)棉仁低溫壓榨餅進(jìn)行浸出，測(cè)定浸出粕中的殘油率和游離棉酚含量，確定合適的工藝參數(shù)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化浸出工藝條件。
結(jié)果與討論
單因素實(shí)驗(yàn)
原料粒度對(duì)粕中殘油率和游離棉酚含量的影響 在浸出溫度70 ℃、固液比1∶ 3、浸出次數(shù)12次(每次15 min)、原料水分9.88%條件下,用95%的乙醇浸出棉仁低溫壓榨餅，原料粒度對(duì)粕中殘油率和游離棉酚含量的影響。
隨著原料粒度的減小，粕中殘油率和游離棉酚含量均逐漸降低。油料的浸出過(guò)程是通過(guò)溶劑滲透的方式進(jìn)入物料內(nèi)部達(dá)到萃取油脂的目的，物料粒度太大不利于溶劑滲透，從而導(dǎo)致殘油率較高。游離棉酚的提取原理與油脂的提取原理類(lèi)似，因此浸出粕中游離棉酚含量與殘油率有相同的趨勢(shì)。但是當(dāng)原料的粒度降到5 mm的時(shí)候，粕中殘油率和游離棉酚含量都相應(yīng)升高，這是因?yàn)樵狭６忍。勰┒仍黾樱瑫?huì)影響到溶劑向物料內(nèi)部的滲透和滲濾，從而導(dǎo)致粕中殘油率和游離棉酚含量有所升高。因此，選擇原料粒度為7.5 mm比較適宜。
粕中殘油率隨著原料水分的減少而逐漸降低。由于原料水分影響溶劑對(duì)油料的滲透及向內(nèi)部擴(kuò)散，原料水分較高時(shí)將使物料外表面、細(xì)胞壁、二次結(jié)構(gòu)組織、毛細(xì)孔壁被溶劑潤(rùn)濕的情況變差，故粕中殘油率較高，而此時(shí)乙醇濃度被稀釋,溶劑極性增大,故粕中游離棉酚含量較低。棉酚與油脂的極性相差很大，油脂不溶于水，是典型的非極性物質(zhì)，而棉酚帶有多個(gè) O H，可溶于水，極性較強(qiáng)。根據(jù)“相似相溶”原理，當(dāng)原料中的水分減少時(shí)，也就減少了乙醇濃度被稀釋的可能性，浸出后粕中殘油率會(huì)隨之降低,而粕中游離棉酚含量卻隨之升高。故原料水分應(yīng)低于9%。
浸出溫度對(duì)粕中殘油率和游離棉酚含量的影響
隨著浸出溫度的升高，粕中殘油率和游離棉酚含量都逐漸降低。浸出屬分子擴(kuò)散控制過(guò)程,溫度升高,分子運(yùn)動(dòng)速度加快,浸出速率也加快。萃取棉酚也屬分子擴(kuò)散控制過(guò)程，萃取溫度對(duì)萃取速率影響很大，溫度升高，分子擴(kuò)散速度加快，萃取速率提高。因此，粕中的殘油率和游離棉酚含量都隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃以后，粕中殘油率的降低趨勢(shì)減緩。
浸出次數(shù)對(duì)粕中殘油率和游離棉酚含量的影響
隨著浸出次數(shù)的增加，粕中殘油率和游離棉酚含量都隨之降低。浸出過(guò)程是一個(gè)多次打破傳質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，隨著浸出次數(shù)的增加，打破傳質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡的次數(shù)也就越多，可使平衡向有利于油脂浸出的方向移動(dòng)。同時(shí)，隨著浸出次數(shù)增加，總浸出時(shí)間延長(zhǎng)，溶劑與物料接觸的時(shí)間也就越長(zhǎng)，這有利于油脂和棉酚的萃取。當(dāng)浸出次數(shù)達(dá)到12次時(shí)，殘油率已經(jīng)降到1.71%，繼續(xù)增加浸出次數(shù)，粕中殘油率的降低已經(jīng)變化不大，故選擇浸出次數(shù)為12次較為適宜。
固液比對(duì)粕中殘油率和游離棉酚含量的影響
粕中殘油率和游離棉酚含量都隨著固液比的增加而減小。浸出過(guò)程是固液萃取過(guò)程，是動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，固液比大，對(duì)油脂和游離棉酚的提取能力就強(qiáng)，但固液比太大會(huì)消耗大量溶劑，加大溶劑回收負(fù)荷，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)該在保證降低粕中殘油率的情況下盡量減小固液比。從圖中還可看出，當(dāng)固液比達(dá)到1∶ 3的時(shí)候，粕中殘油率已經(jīng)降到2%以下，繼續(xù)增大固液比，粕中殘油率下降趨勢(shì)很弱，故選擇固液比為1∶ 3。
由實(shí)驗(yàn)可知，影響乙醇浸出粕中殘油率的因素主次順序?yàn)椋航鰷囟?gt;原料粒度>固液比>浸出次數(shù)。******的工藝組合為A1B3C2D1，即采用95%的乙醇作溶劑，浸出溫度為78 ℃，原料粒度為5 mm，固液比為1∶ 4，浸出次數(shù)為12次。影響乙醇浸出粕中游離棉酚的因素主次順序?yàn)椋航鰷囟?gt;浸出次數(shù)>固液比>原料粒度。******的工藝組合為A1B3C1D3，即采用95%的乙醇作溶劑，浸出溫度為78 ℃，原料粒度為5 mm，浸出固液比為1∶ 3，浸出次數(shù)為14次。
由表4的方差分析得出浸出溫度和原料粒度具有顯著性影響。
2.3 重復(fù)實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品主要成分
綜合粕中殘油率和游離棉酚含量為指標(biāo)的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮到原料粒度為5 mm太小，在浸出過(guò)程中容易形成粉塵，使浸出器滲瀝困難，故選用原料粒度為7.5 mm。另外，考慮到粕中的殘油率在浸出次數(shù)為12次時(shí)即可以達(dá)到1%左右，此條件下粕中游離棉酚含量也已降到規(guī)定的0.045%標(biāo)準(zhǔn)以下，故確定95%乙醇浸出棉仁低溫壓榨餅的工藝條件為：原料粒度7.5 mm，浸出溫度78 ℃，固液比為1∶ 3，浸出次數(shù)12次。
產(chǎn)品的粗脂肪含量由原料的9.7%降到了0.91%，粗蛋白含量由原料的44.71%富集到51.81%，游離棉酚含量由原料的0.144 6%降到0.012 9%。
3 結(jié) 論
(1)本實(shí)驗(yàn)首次采用95%乙醇單一溶劑浸出棉仁低溫壓榨餅，在浸出油脂的同時(shí)脫除了其中所含的游離棉酚。
(2)通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出用95%乙醇浸出棉仁低溫壓榨餅的******工藝條件是：原料水分小于9%，原料粒度7.5 mm，浸出溫度78 ℃，浸出次數(shù)12次(每次15 min)，固液比1∶ 3。
(3)在******工藝條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得棉粕中殘油率由原料的9.7%降為0.91%，粗蛋白含量由原料的44.71%(N×6.25，干基)富集到51.81%(N×6.25，干基)，游離棉酚含量由原料的0.144 6%降為0.012 9%。
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上一個(gè)：亞麻籽油及其關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)
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下一個(gè)：不同純度花生紅衣原花青素的制備工藝研究