Об экстракции липидных компонентов из семян сосны сибирской

Химия растительного сырья. 1998. №2. С. 25-29

УДК 634.0.813 : 674.8

ОБ ЭКСТРАКЦИИ ЛИПИДНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ СЕМЯН СОСНЫ СИБИРСКОЙ

© О.И. Лебедева, Л.П. Рубчевская, В.М. Ушанова, С.М. Репях

Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск (Россия) Е-mail: root@stin.krasnoyarsk.su

В работе изучено влияние способа подготовки семян сосны сибирской и температурных условий их экстракции органическим растворителем на выход липидов. Установлено, что при измельчении из сырья извлекается до 24% липидов (в расчете на а.с. массу семян), тогда как из неизмельченных семян извлекается всего до 8.15% липидов. Полученный концентрат липидов по своим показателям соответствует пищевому растительному маслу.

Введение

Среди семян хвойных растений семейства Ршасеае особое место отводится семенам Ршш БШшса. Семена сосны сибирской являются сырьем для получения целого ряда пищевых продуктов. Благодаря уникальному составу липидов кедровое масло по своим качественным показателям превосходит все известные в мире растительные масла. Отсутствие современной технологии переработки семян сосны сибирской привело к полному отсутствию на рынке продуктов, получаемых из них, в том числе кедрового масла.

В настоящее время в масло-жировой промышленности для выделения липидов из маслосодержащего растительного сырья широко используют процесс экстракции.

Изучения процесса экстрагирования семян сосны сибирской с целью разработки технологии кедрового масла до настоящего времени не проводилось, нет и названной технологии.

В настоящей статье представлены результаты исследования процесса экстрагирования семян кедра сибирского, дана характеристика полученного продукта.

Для определения оптимальных значений тех-

нологических параметров процесса экстракции были проведены исследования с целью выяснения их влияния на выход липидов. Основными факторами, влияющими на процесс экстракции, являются способ подготовки сырья, температура и продолжительность экстрагирования.

В зависимости от подготовки материала к экстракции состояние масла в нем будет различным. В мятке и сыром лепестке основное количество масла находится на внешних и внутренних поверхностях частиц материала, а меньшая его часть

— внутри деформированных и не разрушенных клеток. Согласно мнению А.М. Голдовского существует два состояния масла в материале по отношению к действию растворителя [1]:

— масло, находящееся на внешних и внутренних поверхностях частиц, выделившееся и удерживавшееся на них в процессе подготовки материала к экстракции;

— масло, находящееся в толще частиц, а именно в частично деформированных и не разрушенных клетках и в ячейках вторичных структур, также образовавшихся при подготовке материала.

Первый вид масла называется свободным, а второй — связанным маслом. Различное состояние масла в материале, подготовленном к экс-

тракции, в значительной степени определяет характер протекания самого процесса экстракции и влияет на скорость и полноту обезжиривания материала. Для извлечения свободного масла требуется только хороший контакт частиц материала с растворителем. Обязательным же условием извлечения связанного масла является проникновение растворителя через клеточные стенки и вторичные структуры и диффузия растворенного масла в обратном направлении.

Конечными продуктами процесса экстракции является масло и обезжиренный материал — шрот.

При экстракции масла из совокупности частиц, т. е. из массы материала, экстракция ведется .чаще всего в неподвижном либо частично перемешиваемом слое, реже во взвешенном состоянии.

При экстракции в неподвижном или частично перемешиваемом слое возможно слеживание частиц и блокирование их поверхности другими частицами, причем материал в виде крупки укладывается более плотно, чем материал лепестковой структуры. Если частицы способны сжиматься, как, например, сырая мятка, то с увеличением толщины слоя или под действием напора жидкости проницаемость слоя ухудшается.

В слое материала создаются извилистые каналы. От их непрерывности, диаметра и степени искривления зависит проникновение растворителя в толщину частиц. Их слеживаемость ухудшает условия движения растворителя через материал; мелкие частицы уносятся растворителями, их скопление в некоторых местах увеличивает гидравлическое сопротивление, эти участки хуже обрабатываются растворителями.

Исходя из вышесказанного к факторам, определяющим скорость экстракции, необходимо отнести в первую очередь структурно-механические свойства экстрагируемого материала, которые зависят от способа его подготовки.

Внешняя структура материала характеризуется размером и формой частиц. Для максимального

извлечения масла и высокой скорости процесса внешняя структура материала должна отвечать ряду условий. Они предполагают минимальные размеры частиц, обеспечивающие максимальную удельную поверхность соприкосновения материала с растворителем. Однако чрезмерное его измельчение сильно снижает проницаемость слоя сырья, что увеличивает масличность шрота. Кроме того, мелкие частицы легко вымываются потоком растворителя и увеличивают величину отстоя в мисцелле, ухудшают условия ее фильтрования. Это ограничивает степень измельчения материала при его подготовке к экстракции и вынуждает использовать оптимальный размер его частиц, который определяется для каждого вида семян.

Внутренняя структура частиц экстрагируемого материала также должна соответствовать ряду условий. В материале не должно быть целых, не разрушенных клеток, затрудняющих диффузию масла из них при экстракции. Внутренняя структура должна обеспечивать быстрое проникновение растворителя внутрь частиц, которые не должны иметь вторичных перегородок и обладать большой внутренней пористостью. Однако эти условия находятся в противоречии с требованиями, предъявляемыми к внешней структуре материала, ограничивающими степень его измельчения. Нами было рассмотрено влияние различных факторов на процесс экстракции семян сосны сибирской на основе экспериментальных данных.

Экспериментальная часть

В работе использованы семена сосны сибирской (ГОСТ 14161—86 «Семена хвойных древесных пород»).

Для выяснения влияния способа подготовки семян на выход липидов проводили дополнительные исследования, в которых экстрагировали:

- измельченные семена с лузгой;

- целые ядра семян без лузги;

- измельченные ядра семян без лузги;

-лузгу семян.

Влажность семян, используемых в работе, составляла 12% и соответствовала условиям хранения (ГОСТ 14161—86 «Семена хвойных древесных пород»). Повышение влажности ухудшает смачивание наружной поверхности частиц. Набухание частицы при повышенной влажности уменьшает ее внутреннюю пористость. Все это осложняет проникновение растворителя внутрь частицы и обратную диффузию растворителя из масла.

Кроме того, повышенная влажность нежелательна при хранении семян.

Измельчение семян сосны сибирской осуществляли на электрической мельнице, позволяющей измельчать лузгу семян до 5 мм, а ядро превра-

щать в мятку. Такая степень помола выбрана в результате предварительных исследований.

Обсуждение результатов

Для извлечения липидных компонентов из семян сосны сибирской использовали органические растворители.

Исчерпывающее экстрагирование проводили гексаном при температуре его кипения и температуре 20°С, а бензином — при температуре его кипения. Результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Выход липидов из семян сосны сибирской, % к а.с.с.

Наименование образца Горячая экстракция Холодная экстракция

Целые ядра 18,13 / 8,15 12,60 / 5,66

Измельченные ядра 51,35 / 23,09 41,00 / 18,44

Измельченные семена 53,36 / 24,00 43,12 / 19,38

Лузга 0,23 / 0,12 Следы

Измельченные семена прокаленные при 105°С в течение трех часов 53,40 / 24,00 43,20 / 19,42

Числитель — содержание, в % к абсолютно сухой массе ядра, знаменатель — содержание, в % к абсолютно сухой массе семян.

Данные этих таблиц свидетельствуют, что измельченное сырье, независимо от наличия в нем лузги, позволяет выделить из него до 24% липидов (в расчете на а.с, массу семени). Целые, не измельченные ядра экстрагируют плохо, выход липидов из них не превышает 8,15%, в то время как после их измельчения количество полученных липидов возрастает до 23,09%. Экстрагирование семян с лузгой незначительно увеличивает выход продукта за счет выделения воскообразных веществ из лузги. При холодном экстрагировании количество извлекаемых липидов снижается почти на 5% для измельченных ядер и семян с лузгой и почти на 3% для целых ядер.

Температурные условия выделения влияют не

только на выход липидов, но и на их физикохимические показатели (табл. 2). Результаты показывают, что все образцы имеют одинаковый показатель преломления.

Прокаливание семян перед экстракцией, а также экстрагирование при температуре кипения растворителей увеличивает в полученном продукте содержание свободных кислот (для образцов 1, 2, 4 кислотное число составляет 2,09; 2,05; 2,10 мг КОН/г), в то время как при выделении липидов в мягких температурных условиях (образцы 3) кислотные числа значительно ниже.

Таблица 2

Физико-химические показатели образцов липидов, полученных при различных условиях

№ образ- ца Способ выделения липидов Показатель преломления Кислотное число, мг КОН/г Эфирное число Число омыления Йод- ное число

1. Исчерпывающая экстракция измельченных семян гексаном при температуре его кипения 1,4759 2,09 187,89 189,98 107,87

2. Исчерпывающая экстракция измельченных семян (прокаленных при 105ОС в течение трех часов) гексаном при температуре его кипения 1,4757 2,05 184,75 186,80 91,19

3. Исчерпывающая экстракция измельченных семян гексаном при температуре 20ОС 1,4769 1,51 187,15 186,66 113,58

4. Исчерпывающая экстракция измельченных семян бензином при температуре его кипения 1,4766 2,10 189,83 189,93 85,98

Следует отметить сильную зависимость йодного числа от условий получения липидов. Так, экстрагирование липидов при повышенных температурах, а также прокаливании перед экстракцией приводит к снижению йодного числа (для образцов 2 и 4 соответственно 91,19 и 81,98 мг КОН/г). Извлечение липидов гексаном при температуре его кипения (+68°С) позволяет увеличить йодное число полученного продукта до 107,87 мг КОН/г, а проведение процесса экстракции при температуре +20°С (образцы 3) еще больше увеличивают этот показатель.

Эфирное число и число омыления практически не зависят от температурных условий выделения липидов.

Учитывая вышесказанное, а также то, что гексан применяют издавна в масло-жировой промышленности, дальнейшее выделение для исследований липидов из семян сосны сибирской проводили гексаном при температуре его кипения. Измельчение семян осуществляли, как указывалось выше.

Кинетическая кривая извлечения липидов из семян сосны сибирской при исчерпывающей экстракции гексаном (при температуре его кипения) описывается уравнением регрессии, имеющим следующий вид:

у = 56,16 - 32,691 х - 3,741 х2,

где х — продолжительность экстракции, ч; у — выход липидов, % к а.с. массе ядра.

Результаты исследований показывают, что за четыре часа экстракции семян извлекается почти 90% масла, а при восьмичасовом проведении процесса — 96,8%.

Из полученного экстракта липиды под вакуумом при температуре 25°С удаляли гексан. Полученный образец масла выдерживали в течение суток при температуре 0°С. При этой температуре в масле выпадал осадок, который отфильтровывали. Осветленное масло анализировали. Сравнительный анализ полученного масла с пищевыми растительными маслами: подсолнечным (ГОСТ 1129-73), рыжиковым (ГОСТ 10113-62), соевым (ГОСТ 7825-76), рапсовым (ГОСТ 8988-77),

хлопковым рафинированным (ГОСТ 1128-75), кукурузным (ГОСТ 8808-91) показывает, что кедровое масло по всем нормируемым показателям отвечает пищевому маслу [2].

Таким образом, экстрагированием гексаном измельченных необрушенных семян сосны сибирской можно получить масло, аналогичное по своим качественным показателям пищевым растительным маслам.

Выводы

1. Изучено влияние способа подготовки семян сосны сибирской и температурных условий их экстракции гексаном на выход липидов и их физико-химические свойства.

2. Изучена кинетика извлечения липидов из

семян сосны гексаном. Уравнение регрессии, описывающее этот процесс имеет вид:

у = 56,16 - 32,691 х - 3,741 х2.

3. Установлено, что гексановый экстракт из семян сосны сибирской по всем нормируемым показателям отвечает пищевому растительному маслу.

Литература

1. Голдовский А.М. Теоретические основы производства растительных масел. М.;Л., 1958. 446 с.

2. Рубчевская Л.П. Липиды хвойных растений семейства Pinaceae: Автореферат дисс. ... доктора химических наук: Красноярск, 1997.

Поступило в редакцию 20.04.98