油脂加工化学

 

一、油脂精炼(Refining) 

未精炼的粗油脂中含有数量不同的、可产生不良风味和色泽或不利于保藏的物质,这些物质包括游离脂肪酸、磷脂、糖类化合物,蛋白质及其降解产物。其中水、色素(主要是胡萝卜素和叶绿素)以及脂肪氧化产物,在粗油脂经过逐步精炼过程以后可以除去。

1、沉降和脱胶(degumming)

沉降包括加热脂肪、静置和分离水相,这样可使油脂中的水分、蛋白质物质、磷脂和糖类被清除。特别是含有大量磷脂的油,例如豆油,在脱胶预处理时应加入2%3%的水,并在温度约50℃搅拌混合,然后静置沉降或离心分离水化磷脂。

2、中和 (deacidification)

碱处理的主要目的是除去油脂中的游离脂肪酸,同时也能使油脂中的磷脂和有色物质明显减少向油脂中加入适量氢氧化钠可除去游离脂肪酸,加碱后混合加热,剧烈搅拌一段时间,静置至水相出现沉淀,得到可用于制作肥皂的油脚或皂脚。油脂用热水洗涤,随后静置或离心,使中性油与残余的皂脚分离。

3、漂白 (bleaching)

油脂加热至85℃左右,用吸附剂如漂白土(Fuller’s earth)或活性炭处理,有色物质几乎全部被清除,漂白时应注意防止油脂氧化。其它物质例如磷脂、皂化物和某些氧化产物也同色素一起被吸附,然后过滤除去漂白土,便得到纯净的油脂。

4、脱臭 (deodorization)

油脂中非需要的挥发性化合物多半是油脂氧化时产生的,用减压蒸汽蒸馏可以除去。通常添加柠檬酸是为了螯合微量重金属离子,这种处理方法同样也可以使非挥发性异味物质通过热分解转变成挥发性物质,然后再经过水蒸汽蒸馏除去。

虽然油脂经过精炼后可提高氧化稳定性,但精炼过程中会造成油脂中天然抗氧化物质的损失。例如,粗棉油中含有大量的棉酚和生育酚,比精炼棉油的抗氧化作用强。另一方面,精炼过的棉油明显优于粗棉油的品质,无论是色泽、风味或稳定性都明显提高,此外还能有效地清除油脂中某些毒性很强的物质,例如花生油中可能存在的污染物黄曲霉毒素以及棉籽油中的棉酚。

  二、油脂氢化(hydrogenation)

油脂氢化是三酰基甘油(triacylglycerols)的不饱和脂肪酸双键与氢发生加成反应的过程,油脂的这种加工方法在油脂工业中是很重要的。因为它可以使液体油脂转变成更适合于特殊用途的半固体脂肪或可塑性脂肪(plastic fats),例如,起酥油(shortenings)和人造黄油(margavine),而且还能提高油脂的熔点与氧化稳定性,也改变了三酰甘油的稠度和结晶性。

油脂氢化分为全氢化和部分氢化,全氢化用骨架镍作为催化剂加热至250℃,通入氢气使压力达到8.08×105 Pa,全氢化可生成硬化型氢化油脂,主要用于生产肥皂。部分氢化是在1.52.5 ×105 Pa125190℃用镍粉催化并不断地搅拌,因搅拌有利于氢溶解和使催化剂与油混合均匀,同时还有助于反应生成热很快散失,部分氢化生成乳化型可塑性脂肪,用于加工人造奶油、起酥油。油脂氢化前必须经过精炼、漂白和干燥,游离脂肪酸和皂的含量要低,另外,氢气还必须干燥且不含硫、CO2和氨等杂质,催化剂应具有持久的活性,使氢化和异构化的选择性按期望的方式进行,同时应容易过滤除去。氢化反应过程通常按油脂折光指数的变化来进行监控,因为油脂的折光指数与其饱和程度有关。当氢化反应达到所要求的终点时,将氢化油脂冷却,并过滤除去催化剂。  

三、酯交换(interesterification) 

一种脂肪的物理特性在很大程度上依赖于组成它的脂肪酸的链长和不饱和度,脂肪酸在分子中的分布。酯交换是使脂肪酸重排,以提高油脂的稠度和适用性。

1、酯交换原理

酯交换是指酯和酸(酸解)、酯和醇(醇解)或酯和酯(酯基转移)之间发生的酰基交换反应。酯和酯的交换反应与工业油脂酯交换反应有关(又称无规分布作用),它包括在一种三酰基甘油分子内的酯交换和不同分子间的酯交换反应。

如果一种脂肪只含AB二种脂肪酸,根据机率法则,可能有下面八种三酰基甘油分子(n3)。

        

 

 

不论这两种酸在原来脂肪的三酰基甘油分子中怎样分布,例如AAABBBABBABABBA,但在酯交换反应中可使脂肪酸在一种三酰基甘油分子内和三酰基甘油分子间进行“改组”(shuffling),直至形成各种可能的结合形式并最终达到平衡为止。不同种类的甘油酯分子的比例取决于原来脂肪中每种脂肪酸含量。

2、工业酯交换方法

脂肪在较高温度(<200℃)下长时期加热,可完成酯交换反应,但若使用催化剂通常能在50℃短时间内(30分钟)完成,碱金属和烷基化碱金属是有效的低温催化剂,其中甲醇钠是最普通的一种。催化剂用量一般约为油脂重量的0.1%,若用量较大,会因反应中形成肥皂和甲酯使油脂损失过多。

油脂酯交换时必须非常干燥,而且游离脂肪酸、过氧化物和其它任何能与甲醇钠起反应的物质都必须含量很低。在催化剂加入油脂后的几分钟,由于甘油酯和甲醇钠之间形成复合物,油脂变为红棕色,一般认为这种复合物才是“真正的催化剂”。酯交换结束用水或酸终止反应,使催化剂失活。

 3、定向酯交换

酯交换反应引起的随机分布,并非总是最符合食品加工的需要。如果脂肪保持在熔点温度以下,则酯交换反应是定向而不是无规的,结果使三饱和甘油酯选择性地结晶出来,因而可将这类甘油酯从反应混合物中不断除去并改变液相中脂肪酸的平衡。如继续进行反应,则三饱和甘油酯的得率将比其它甘油酯高,由于新生成的三饱和甘油酯可以结晶和沉淀,因此能不断生成更多的三饱和甘油酯这种过程将一直持续到脂肪中大部分的饱和脂肪酸沉淀为止。若原来脂肪是含有一定量饱和脂肪酸的液体油脂,用这种酯交换方法,能够使油转变成具有起酥油稠度的产品,而不需要采用氢化或向液体油脂中掺合硬化脂肪。由于酯交换反应在低温下进行,形成晶体需要经过一段时间而且催化剂易被覆盖,所以反应过程较缓慢。通常采用液体钠-钾合金分散体使形成的覆盖层很快脱落。

在进行酯交换反应时,添加过量的脂肪酸并不断地蒸馏所释放的强挥发性酸也可以选择性地控制重排反应。利用这种方法可除去脂肪中的全部低分子量酸。酯交换反应中,用合适的溶剂萃取脂肪中的酸,也可降低某些脂肪酸的含量。

 

4、酯交换油脂产品的应用

酯交换反应广泛应用在起酥油的生产中,猪油中二饱和三酰基甘油分子的碳2位置上大部分是棕榈酸,即使在工业冷却器中迅速固化,也会形成较大的粗粒结晶体。如果直接用猪油加工成的起酥油,不但会出现粒状稠性,而且在焙烤中表现出不良性能。然而将猪油酯交换后,得到的无规分布油脂可改善其塑性范围并制成性能较好的起酥油。若在高温下定向酯交换,则得到固体含量较高的产品,使可塑性范围扩大。

   起酥油(shortening)﹐俗称白油﹐是用来造饼干﹑糕点﹐挞皮﹐酥皮时﹐使制品酥脆易碎的油脂。起酥油具可塑性﹐起酥性和酪化性能。可塑性是指起酥油在温室下呈固态不大流动﹐不太硬﹐不太软﹐可任意形成各种形状而不变形。 起酥性是指起酥油使食品酥脆易碎。原因是起酥油揉和到面粉团内﹐隔离面粒颗粒间的粘合﹐阻碍面筋网的形成﹐烘焙后内部形成片状﹐口感酥脆。 酪化性是指油脂在高速搅拌时﹐混入空气﹐形成大量小气泡﹐使到面浆体积增大。烘焙后﹐糕点有很多海绵状的蜂窝﹐质地柔软。从前猪油是被公认为天然的起酥油﹐但现在渐渐被人造起酥油所取代。

棕榈油定向酯交换后可制成浊点(cloud point)较低的色拉油,酯交换还用于生产稳定性高的人造黄油和熔化特性符合要求的硬奶油。一般采用二甲基酰胺逆流柱进行定向酯交换,可以选择性减少豆油中亚麻酸的含量,获得商业上期望的产品。    

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