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山茶油冷冻脱脂工艺的研究

2007年4月26日   曾益坤,胡文龙2
(1.湖州职业技术学院,313000浙江省湖州市学府路299号;2.浙江省龙游县和隆粮油机械有限公司)

摘要:山茶油在冬季气温较低时出现混浊现象是销售中经常遇到的问题。根据食用油新的国家标准,研究了山茶油的储藏特性,分析了影响了冷冻脱脂的影响因素,确定了山茶油冷冻脱脂的工艺与设备,并对工艺参数、设备选择、生产操作作了说明。
关键词:脱脂;山茶油;冷冻;工艺

       山茶油(又称油茶籽油)是从山茶科(camellia)油茶(camellia oleifera abel)树种子中获得的,是我国特有的传统木本食用植物油之一,其生产和发展的历史源远流长。山茶油属不干性油,色清味香,作为一种高含油酸(单不饱和脂肪酸)油脂,脂肪酸组成与橄榄油极为相似,但山茶油中含微量山茶甙、山茶皂甙、茶多酚等在橄榄油中没有的活性物质,其结构和组成非常符合人体营养之必需,很容易被人体吸收。历史上,山茶油曾经是“皇封御膳”用油,高档次的山茶油已经是健康食用油的消费热点。其中山茶甙有强心作用,山茶皂甙有溶血栓作用,茶多酚可降低胆固醇、预防肿瘤作用。

        经常食用山茶油对提高高密度胆固醇(HDL)、降低低密度胆固醇(LDL)、增强血管弹性和韧性、降低血脂、提高人体免疫力具有很好的功效,对防止心脑血管疾病、心脏病、冠心病具有很好的疗效,山茶油是一种具有食疗兼备功能的优良食用油。有关山茶油生产和加工的报道已较多,本文根据作者多年的实践,针对2003年国家油茶籽油新标准(GB11765-2003)的要求,在传统制油方法的基础上,探讨利用现代工艺制取高品质的山茶油,所生产的山茶油既秉承了传统茶油的色清、味香,保持了油品的纯天然品质的纯正风味,又非常符合现代人们流行的审美情趣和品味习惯,产品清澈透明,色淡,完全符合国家规定的一、二级茶油质量标准。  


1 山茶油的储藏特征
食用油从生产厂家出厂到消费者手中,往往要经过一个较长时间的储藏期,在这期间保证油品的各项指标达到国家标准,显得非常重要。作为一般的消费者,最关心或直接的要求是油品必须在储藏期尤其是货架上保持清亮透明,没有感官上的缺陷。
根据多年的生产实践,经脱臭、过滤等精制的山茶油在气温较高时,外观及透明度等很好,但在冬天气温低于10℃特别是接近0℃时,未经脱脂的液态山茶油成浑浊状,从小包装(一般为聚酯瓶)中往往可见在油壶中下部出现云状、丝带形、雪花状的絮状飘浮物[1](根据化验为非蜡质而为固体脂),造成透明度变差,给人以不适的感觉,从而严重影响产品的外在质量。
国家标准对高档食用油(一、二级)的要求是:冷冻试验(0℃,5.5小时)时保持澄清、透明。对山茶油浊点的测定结果表明,山茶油在冰水浴中缓慢冷却,当油温降至14℃时可出现混浊现象(确定茶籽油的浊点为14℃)[2]。由于山茶油在冬天生产较多,气温通常低于14℃,市售时实际临柜温度可能低于5℃,故未经脱脂的山茶油出现混浊甚至有沉淀物的现象屡有发生,往往被一般消费者误认为不合格产品。由于目前山茶油多在每年11月以后以小包装推向市场,气温一般低于山茶油的浊点,如果不脱去容易引起絮状物这部分固态脂,则很难赢得消费者的青睐。


2 山茶油冷冻脱脂的原理及影响因素
2.1 冷冻脱脂原理
天然油脂中不同类型的甘三酯的熔点有一定的差异,且随着温度的降低固体脂与液体油的互溶度降低,因此,通过使油脂冷却能促使固体脂结晶,然后进行固液分离即可达到脱脂的目的。山茶油的冷冻脱脂正是利用其中的饱和酸酯(固体脂)在熔点上与油酸酯等不饱和酸酯的区别,通过冷冻降温使其中的固体脂结晶而与液体脂加以分离的。
固体脂的结晶可分为三个阶段:一是油脂的冷却、过饱和;二是晶核的形成;三是脂晶的成长。由于油脂是多种甘三酯的混合物并且普遍存在同质多晶(晶型按熔点由低到高依次为α、β/、β型)现象,各甘三酯在冷却结晶中有可能形成低共熔物,加上低温时油脂的粘度大,高、低熔点组分有可能生成混合结晶,给结晶的分离带来操作上的困难,从而使天然油脂的脱脂操作更加复杂。因此,在山茶油的生产中要千方百计地促进形成最容易过滤的脂晶,才能获得比较好的脱脂效果。


2.2 影响脱脂的因素
一是结晶温度和冷却速率:某种油脂最稳定晶型的获得是由冷却速度和结晶温度决定的,温差过大的急骤冷却易形成无法分离的玻璃质体,只有缓慢冷却至一定的结晶温度,才能获得相应的晶型,冷却速率取决于冷却介质与油脂的温差和传热面积,过大的温差会在换热器表面形成晶核垢,影响换热和延缓脱脂历程。山茶油的脱脂效果主要取决于晶粒的数量与大小,在冷冻脱脂过程中晶核的生成及晶粒的生长速率与山茶油的冷却速率有着极大的相关性;二是结晶时间:达到稳定晶型需要足够的时间,延长结晶时间有利于稳定晶型的形成和成长,但劳动生产率低;三是搅拌速度:适当的搅拌,可使油脂中各处冷却均匀,使已经析出的脂晶与将要析出的脂分子碰撞,有利于晶粒的形成和长大。但搅拌速度过大,则会打碎已经形成的晶粒,也不利于结晶。故搅拌速度要适宜,一般控制在10r/m左右,以有利于晶粒的形成与成长为度;四是输送及分离方式:冷冻形成的脂晶仅是甘三酯熔点差异下的产物,其结构强度有限,不能承受剪切和压力,因此,在输送过程中应尽量避免受到紊流剪切,最好用真空吸滤或压缩空气输送。过滤压强不宜太大,最好在开始1小时左右借其重力进行过滤,然后再慢慢加压过滤,最高压力不宜超过0.2MPa,否则脂晶受压易堵塞滤布孔眼,使过滤困难。为了提高过滤速度,过滤温度可比结晶温度稍高,必要时还可使用助滤剂;五是油品品质:天然油脂中的某些杂质对结晶及其分离也有很大影响,如过氧化物的存在不仅会降低油脂的固脂指数,而且会增大油脂的粘度,对结晶和分离均有不良影响,须将其预先脱除。
3.山茶油冷冻脱脂工艺流程
无论是从实施山茶油新国家标准或满足山茶油在市场上良好销售的角度,现在都要求生产山茶油这种高档油脂时,必须增加脱脂这一道工序,才能使山茶油的品质更高。为此,我们在确定山茶生产的工艺与设备时,根据山茶油特性,对相关的设备进行科学的组合,主机组采用U管热交换的不锈钢冷冻锅、自动控制系统冷冻水机组、冷冻液体循环系统、冷却水循环系统(包括冷却塔),工艺流程示意图如下:
  冷冻液循环系统→冷冻机组
↓   ↑
脱臭山茶油→泵→冷冻结晶罐→压滤机→净油罐    

                           山茶脂等
4 山茶油冷冻脱脂工艺说明
4.1对山茶油原油要求
由于山茶油在脂肪酸组成上与一般的油脂不同,因此,进入冷冻工艺之前要求严格控制油品的质量:一般要求酸值在0.15以下,过氧化值在1.0以下,否则会影响到冷冻效果、处理量以及最后产品质量。根据山茶油游离脂肪酸的特性、特点,如果游离脂肪酸与过氧化值均超标(据测算,脂肪酸含量在千分之二以上,则过氧化值为0.1),由于脂肪酸和过氧化物在国家规定检测温度零度下时也会析出,所以冷冻过程中无形加大了冷冻结晶物产生,并且在这个过程中还伴随大量的非固体脂带到冷冻析出物中(一般每0.1个酸价可多带3%的油量),从而降低了成品油的出率,所以必须要严格控制原油质量。
4.2 对冷冻液温度的控制
根据实验,山茶油结晶温度控制在4~8℃时(相应的冷冻液温度低4℃左右),既有利于液-固油脂的分离,又能满足耐寒性的要求。从山茶籽油冷却曲线上可看出,当温度降至9℃时,降温速率明显变慢,到5℃时由于结晶放热而使温度回升至6℃左右,此后冷却曲线几乎为一水平线,持续几小时后降温速率方才加快[2]。
目前国内很多山茶油生产企业在脱脂过程中,多采用普通冷冻机工艺(某些油脂设备企业在配套中也一直推崇)。这样做固然是降低了设备换热面积减少了设备成本,但是在实际使用中,由于冷冻液体温度过低造成了原本不饱和山茶油脂肪也在交换时大量析出而混到固体脂肪中去。过去很多解释认为,开始冷冻温度低可快速达到冷冻温度,在养晶过程中过量析出的脂肪会在逐步解析,实际上几乎是不可能的。因为山茶油脱脂时,冷冻温度要求控制在2℃以下,但已结晶的不饱和酯解析温度在没有光线照射情况为16~18℃。我们在经过大量研究对比后得出,对于完全符合要求的山茶原油,一般采用适当的较高温度进行冷冻脱脂:即冷冻液体温度保持在0~4℃之间;而当冬天环境气温在5~10℃时候,冷冻液体温度控制在:-1~2℃之间。
4.3冷冻时间的控制
根据计算,仅将32℃原油冷冻到0℃左右,速度很快,大约在2.5h即可,但在实际应用中这样的速度是不可取的。由于冷冻脱脂过程是一个结晶析出与分离的过程,本身我们需要析出的物质(固体脂)和山茶油其他组份之间特性相差不大,如果冷冻速度过快,则没有办法让其中的饱和酸酯与部分过氧化物从不饱和酸酯中快速聚集成大片晶体。所以整个冷冻过程要控制在8小时以上,最好在12小时,具体可视原油析出物量而定(一般来说压榨油比浸出油析出物要少三分之二,控制也相对容易),操作过程中的剩余时间要可能可能养晶的需要,使得析出物能成为大片晶体,以利于后道过滤操作。
4.4 搅拌速度的控制
在油脂精炼过程中,过去搅拌都是采用一般的单速电机或者后来改良的双速电机。根据山茶油冷冻结晶的特点,采用单速或双速搅拌均不能满足要求。冷冻开始时,一般油温度比较高(在25℃左右),这个时候搅拌可以采用高速度,这样可以提高热交换效率节约时间;在中途(一般冷却至8~14℃之间)时,山茶油中固体脂已经有部分析出(根据产地和品质不同,析出量会有不同),这时必须逐渐降低转速;第三阶段,就是油温降至4~8℃之间,固体脂大量结晶的时候,为保证结晶效果,冷冻时间持续较长,这时需维持较低的搅拌速度,以利于有效结晶(指工艺中需要脱除的饱和酸酯、类脂物和过氧化物等)的形成。很显然在结晶之后的养晶阶段是需要更低的搅拌速度的,因此,采用无级调速电机则是一个正确的选择。
4.5 过滤设备及过滤介质的选择
为保证冷冻脱脂效果,工序后段的过滤也很重要,在选择过滤设备及过滤介质时,就需要考虑产品等级、过滤温度及原料油脂的组成情况等。过去,油脂厂一般采用板框过滤机加上普通滤布过滤,根据我们的实践,在山茶油冷冻后的脱脂过滤中采用过滤纸并控制中速,则效果很好。同时,我们在给较大企业中配套使用微孔过滤机组也取得了可喜的效果,唯一不足的是造价很高。当然,微孔过滤机在山茶油脱脂中应用中还需要作一定改良,否则效果可能不理想。为提高过滤速度并保证产品的质量,一般应先过滤上层油后过滤下层油。
    4.6 冷冻设备材料和换热管形式选择
过去很多企业采用普通钢管,其使用寿命可想而知。由于使用冷冻液体循环,为保证产品质量及换热效果,我们在设计中采用了304以上的不锈钢材料。
采用U管串联换热,可避免一般盘管换热容易低温结硬脂,影响效果的现象;和夹套加热比又可保证换热效率和保持设备美观,同时减少了冷冻液体流量。一个合理的流量对整个冷冻机组运行节能是最有效的。比如在冷冻每天4t山茶油脱脂工艺中,我们的冷冻机组整个装机功率一般在3.7kw,而同比一般冷冻机组都在11 kw。
4.7整体控制
由于整个冷冻脱脂过程较长,从一个单元操作来说,操作员工很容易疏忽,但整个过程温度控制要求却较高,为此,在整个过程控制中,我们设计了智能(电脑板块)控制,操作人员在熟练后只要设定好温度就可以轻松操作。冷冻液体温度以及冷冻锅内温度全部采用数字显示仪表,如发生断电断水现象,则系统就自动关机,从而保证冷冻机组和整个系统运行安全。
主要参考资料:
[1] 傅长根、周鹏. 硅藻土在茶籽油脱脂工艺中的应用.中国油脂.2003年第28卷第7期; 
[2] 周建平、郭华.茶籽油的冬化条件研究.湖南农业大学学报(自然科学版).2002年第28卷第5期;
[3] 徐学兵.茶油研究进展述评.中国油脂.1995年第20卷第5期。


Research of the Oil Frozen Degrease Craft of the Tea Seed Oil
ZENG Yi-kun,HU Wen-long
(1.HuZhou Vocational & Technology College, 313000 Zhejiang Province HuZhou City XueFu Road NO.299;
2.zhejiang Province Longyou County Helong Machinery Co., Ltd. of grain and oil)
Abstract:It is a question that is often met while selling that the tea seed oil presents the muddy phenomenon when the temperature is lower in winter. According to the new national standard of edible oil , have studied the storage characteristic of the tea seed oil, have analyse that has influenced the influence factor of the frozen degrease , has confirmed the craft and equipment of the frozen degrease of camellia oil, and chose craft parameter , equipment , production operation has been explained.
Key words: degrease ;tea seed oil; refrigeration;craft.