Giáo trình Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU MỠ THỰC PHẨM Mã số: CB 351 Biên soạn: Th.s. TRẦN THANH TRÚC NĂM 2005
2. Công nghệ chế biến dầu thực phẩm Trần Thanh Trúc MỤC LỤC TRANG CHƯƠNG I. THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA DẦU MỠ 1 1.1. Tổng quan về dầu mỡ 1 1.2. Thành phần hóa học của dầu mỡ 2 1.2.1. Các thành phần chính 2 1.2.2. Các thành phần phụ 6 1. 3. Tính chất lý hóa của dầu mỡ 11 1.3.1. Tính chất vật lý 11 1.3.2. Tính chất hóa học của dầu mỡ 11 1.4. Phân loại dầu mỡ thực phẩm 13 1.4.1. Nhóm chất béo sữa 13 1.4.2. Nhóm acid lauric (dầu dừa và dầu hạt cọ) 13 1.4.3. Nhóm bơ thực vật (bơ cacao) 13 1.4.4. Nhóm mỡ động vật (mỡ heo) 13 1.4.5. Nhóm dầu cá (dầu cá và dầu gan cá) 13 1.4.6. Nhóm acid oleic và acid linoleic (dầu olive, dầu cọ, dầu bắp, dầu hướng dương) 14 1.4.7. Nhóm acid linolenic (dầu đậu nành, dầu hạt lanh) 14 1.4.8. Nhóm acid erulic (C22:1) 14 1.4.9. Nhóm hydroxy acid 14 CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU CHẾ BIẾN DẦU MỠ 15 2.1. Hạt chứa dầu (seed oils) 15 2.2. Cây chứa dầu (oils from oil-bearing trees) 20 2.3. Mỡ động vật (animal fats) 22 2.4. Dầu từ động vật biển (marine oils) 23 Chương 3. KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DẦU THÔ 25 3.1. Sản xuất dầu từ hạt chứa dầu 25 3.1.1. Bảo quản và sơ chế hạt dầu 25 3.1.2. Giai đoạn tiền xử lý hạt dầu 32 3.1.3. Chưng sấy bột nghiền (gia công nhiệt ẩm) 38 3.1.4. Chiết tách dầu bằng quá trình ép 40 i
3. Công nghệ chế biến dầu thực phẩm Trần Thanh Trúc 3.1.5. Chiết tách dầu bằng phương pháp trích ly 43 3.2. Sản xuất dầu từ thịt quả chứa dầu (fruit flesh oil, pulp oil) 50 3.2.1. Dầu cọ 50 3.2.2. Dầu olive 51 3.3. Tách chiết mỡ động vật 52 3.4. Dầu cá 52 CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT TINH LUYỆN DẦU MỠ 54 4.1. Giới thiệu chung 54 4.2. Các công đoạn chính của quá trình tinh luyện 56 4.2.1. Các phương pháp tinh luyện cơ học 56 4.2.2. Thủy hóa dầu (degumming) 58 4.2.3. Tách sáp và đông hóa dầu 61 4.2.4. Trung hòa 63 4.2.5. Tẩy trắng 66 4.2.6. Khử mùi 68 4.3. Tiêu chuẩn của dầu mỡ thực phẩm 70 CHƯƠNG 5. CÁC QUÁ TRÌNH LÀM THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH DẦU MỠ 73 5.1. Khái quát chung 73 5.2. Chiết phân đoạn và đông hóa dầu (Fractionation-Winterization) 74 5.2.1. Giới thiệu 74 5.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình 74 5.2.3. Kỹ thuật chiết phân đoạn 75 5.2.4. Điều kiện thực hiện 76 5.2.5. Sản phẩm- Khả năng ứng dụng 77 5.3. Quá trình hydro hóa dầu (hydrogenation) 78 5.3.1. Giới thiệu 78 5.3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình 78 5.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hydro hóa 80 5.4. Quá trình ester hóa nội phân tử (Interesterification) 82 CHƯƠNG 6. CÁC SẢN PHẨM TỪ DẦU MỠ 85 6.1. Giới thiệu chung 85 6.2. Margarine 85 ii
4. Công nghệ chế biến dầu thực phẩm Trần Thanh Trúc 6.3. Shortening 95 6.4. Mayonaise 96 6.5. Dầu chiên 98 6.6. Dầu salad 99 TÁI LIỆU THAM KHẢO 100 iii
5. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc CHƯƠNG I. THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA DẦU MỠ 1.1. TỔNG QUAN VỀ DẦU MỠ Dầu mỡ từ động vật và thực vật đã được sử dụng trong sản xuất cũng như trong đời sống từ rất lâu, đây cũng chính là một nguồn cung cấp năng lượng lớn. Dầu mỡ được dùng rất phổ biến trong quá trình nấu nướng hằng ngày, xuất phát từ văn hóa cổ đại, như Trung quốc, Ai cập, Hy lạp – La mã cổ xưa. Cho đến ngày nay, việc sử dụng dầu mỡ trong quá trình chế biến thức ăn vẫn đóng một vai trò hết sức quan trọng, mặc dù việc thay đổi tập quán ăn uống đã góp phần làm giảm sản lượng sản xuất và sử dụng thành phần này. Dầu mỡ được biết đến đầu tiên có lẽ từ đế chế Ai cập (năm 1400 trước CN), ngoài phục vụ cho ăn uống, việc sản xuất xà phòng từ dầu mỡ cũng đã được ứng dụng. Ánh sáng ban đêm của người cổ đại cũng được tạo ra từ mỡ động vật chứa trong lọ và một ống sứa được sử dụng như bấc đèn ngày nay. Người La Mã xưa cũng đã biết chế tạo nến từ mỡ động vật trộn với sáp ong. Bên cạnh đó, rất nhiều thực vật cũng được sử dụng làm nguồn cung cấp dầu: dầu olive có nguồn gốc từ vùng Địa Trung Hải, hạt cải dầu được sử dụng phổ biến ở Châu Âu, dầu mè ở Ấn độ và đặc biệt, Trung quốc là quốc gia biết sử dụng dầu sớm nhất; cho đến ngày nay, dầu đậu nành vẫn được ưa chuộng ở nước này. Hiện nay, có rất nhiều loại động thực vật cho dầu mỡ đã được khai thác, mỡ không chỉ thu được từ các động vật chủ yếu như heo, bò, cừu mà mỡ từ động vật biển cũng được quan tâm. Song song với quá trình sử dụng dầu mỡ, công nghệ chế biến dầu cũng rất phát triển: từ khâu chiết tách thu dầu mỡ đến kỹ thuật tinh luyện giúp dầu mỡ có chất lượng cao hơn. Tuy nhiên, bước ngoặt lớn giúp nền công nghiệp chế biến dầu mỡ phát triển gắn liền với việc ứng dụng máy nghiền ép dầu dạng con lăn của Smeaton vào năm 1752. Tiếp theo đó, công nghệ chiết tách dầu có kết hợp chưng sấy cũng bước đầu được nghiên cứu trong những năm 1795 (Brahma), 1800 (Neubauer), 1891 (Montgolfier). Deiss (1855) đã thử nghiệm trích ly dầu thành công từ dung môi là CS2, sau đó Irvine, Richardson và Lundy (1864) đã đưa ra phát minh cho việc sử dụng dung môi trích ly dầu là hydrocarbon và hiện vẫn còn được áp dụng. Cùng với công nghệ chiết tách dầu, công nghệ tinh luyện dầu mỡ cũng được phát triển song song. Thêm vào đó, các phương pháp kiểm định và đánh giá chất lượng của dầu mỡ cũng được nghiên cứu và ứng dụng: khái niệm về chỉ số acid (Merz, 1879), chỉ số xà phòng hóa (Koettstorfer, 1879), chỉ số iod (Huebl, 1879); việc ứng dụng phương pháp sắc ký trong xác định giá trị dầu mỡ cũng đã được ứng dụng từ năm 1906 (Tswett, sắc ký cột) và phát triển dần . 1
6. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 1.2. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA DẦU MỠ 1.2.1. Các thành phần chính (i) Các acid béo Hợp chất béo có chứa các acid hữu cơ có số nguyên tử C trong mạch lớn hơn 4 được gọi là acid béo (fatty acid). Tùy thuộc vào chiều dài mạch carbon, các acid béo được chia làm 3 dạng chính: acid béo mạch ngắn (4-6 Carbon), acid béo mạch trung bình (8- 14 C) và acid béo mạch dài (≥ 16 C); ngoài ra, tùy thuộc vào liên kết giữa các nguyên tử C trong mạch, acid béo cũng có thể được chia thành 2 loại chính: acid béo bão hòa và acid béo chưa bão hòa. Có hơn 10 loại acid béo được tìm thấy chủ yếu trong thực phẩm (bảng 1.1). - Acid béo bão hòa: Thuật ngữ “bão hòa” được sử dụng để chỉ sự thỏa mãn về hóa trị của nguyên tử C trong mạch acid (ngoài trừ C tạo nên gốc acid –COOH); nói cách khác, liên kết giữa các nguyên tử C trong mạch là liên kết đơn (liên kết σ). Ký hiệu: Cx:0 với x: số nguyên tử C trong mạch 0: không có sự tồn tại của liên kết đôi (liên kết π). - Acid béo không bão hòa: Các acid béo có chứa liên kết đôi trong mạch carbon được gọi là acid béo không bão hòa. Trong tự nhiên, lượng acid béo không bão hòa chiếm tỷ lệ rất lớn. Hầu hết các acid béo có xu hướng hình thành liên kết đôi ở vị trí C số 9 và số 10 trong mạch. Mặc dù vậy, sự hình thành các liên kết đôi không bão hòa này cũng có thể được tìm thấy ở tất cả các vị trí trên mạch C, điều này làm gia tăng đáng kể lượng đồng phân của acid béo không bão hòa. Thêm vào đó, sự xuất hiện của liên kết đôi cũng giúp cho việc hình thành cấu hình cis- và trans- của acid béo, ảnh hưởng đến đặc tính sinh học của chúng. Ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt, hầu hết các acid béo không bão hòa trong thực phẩm có cấu hình cis-; tuy nhiên quá trình tinh luyện dầu hay các quá trình tác động làm thay đổi đặc tính dầu mỡ (chế biến margarine, hydro hóa dầu) có thể làm chuyển đổi các acid béo không bão hòa có cấu hình cis- thành dạng đồng phân hình học trans-, đây cũng chính là mối nguy lớn cho việc gia tăng bệnh xơ vữa động mạch và bệnh tim. Ký hiệu: Các acid béo không bão hòa có thể được ký hiệu theo hai hệ thống: - Hệ thống 1: Cx:y, zc (hoặc zt) với: x: số nguyên tử C trong mạch y: số liên kết đôi hiện diện z: vị trí của liên kết đôi trong mạch C (đánh số bắt đầu từ C kế cận nhóm COOH) c,t: cis- hay trans- 2
7. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc - Theo hệ thống EEC (End-of-Carbon-Chain): (Cx:y,ωm) hay (Cx:y,nm); khi đó ω hay n: vị trí của liên kết đôi trong mạch C (đánh số ngược lại hệ thống 1, C1 là C bắt đầu của mạch C- nhóm CH3). Thí dụ: CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-(CH2)6-COOH - Theo danh pháp IUPAC: 9,12,15-Octadecatrienoic acid - Tên thông thường: α-linolenic acid - Ký hiệu theo hệ thống 1: C18:3,9c,12c,15c - Ký hiệu hệ thống EEC: C18:3ω3 hay C18:3n3 Acid oleic (C18:1ω9) là acid béo có 1 nối đôi chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần các acid béo (hơn 50%), acid này được tìm thấy trong hầu hết các loại dầu thực vật cũng như mỡ động vật. Bảng 1.1. Các acid béo chủ yếu trong thực phẩm Acid béo Acid béo Chiều dài mạch C Nhiệt độ nóng (theo hệ thống IUPAC) (tên thông thường) (Cx:y,ωm) chảy (oC) Decanoic Capric 10:0 31,6 Dodecanoic Lauric 12:0 44,4 Tetradecanoic Myristic 14:0 54,3 Hexadecanoic Palmitic 16:0 62,9 Octadecanoic Stearic 18:0 70,0 9-Octadecanoic Oleic 18:1ω9 13,0 9-trans-Octadecanoic Elaidic 18:1ω9 36,0 13-Docosenoic Erucio 22:1ω9 33,5 9,12-Octadecadienoic Linoleic 18:2ω6,9 -3,0 9,12,15-Octadecatrienoic α-Linolenic 18:3ω3,6,9 -11,9 5,8,11,14-Eicosatetraenoic Arachidonic 20:4ω6 5,8,11,14,17-Eicosapentanoic EPA 20:5ω3 4,7,10,13,16,19- DHA 20:6ω3 Docosahexaenoic - Acid béo không bão hòa mạch dài ω3 và ω6 Trong số các acid béo không bão hòa mạch dài, acid béo ω3 và ω6 là hai loại acid béo cần thiết và có giá trị dinh dưỡng cao nhất; các nghiên cứu cho thấy cơ thể người và động vật không thể tổng hợp các acid béo này, mà chủ yếu được cung cấp qua nguồn 3
8. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc thức ăn - dầu thực vật. Acid linoleic (C18:2ω6) và acid α-linolenic (C18:3ω3) là hai acid quan trọng nhất đại diện cho nhóm này. Các acid béo thuộc nhóm ω3 và ω6 cũng có thể được hình thành nhờ vào quá trình biến đổi như kéo dài mạch carbon hay loại bão hòa (desaturation): acid arachidonic (AA, C20:4ω6), acid eicosapentaenoic (EPA, C20:5ω3), acid docosahexaenoic (DHA, C22:6ω3) (hình 1.1) 18:1ω9 18:2ω6 18:3ω3 loại bão hòa (desaturase) 18:2ω9 18:3ω6 18:4ω3 kéo dài mạch (elongase) 20:2ω9 20:3ω6 20:4ω3 loại bão hòa (desaturase) 20:3ω9 20:4ω6 20:5ω3 kéo dài mạch 22:4ω6 22:5ω3 lo ạibão hòa 24:5ω3 24:6ω3 22:5ω6 22:6ω3 Hình 1.1. Các biến đổi hình thành acid béo không bão hòa mạch dài (polyunsaturated fatty acid) Trong tự nhiên, AA cũng có thể tìm được trong thịt gà và một số động vật khác, EPA và DHA cũng tồn tại với lượng lớn trong cá và một số hải sản khác. Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy các acid béo không bão hòa mạch dài này được xem là một trong những acid béo cần thiết và quan trọng nhất nhờ vào sự hình thành các hợp chất có đặc tính sinh học (eicosanoid) của chúng, giúp vô hoạt khả năng sinh cholesterol trong cơ thể người. Acid arachidonic được chuyển đổi nhờ enzyme thành các hợp chất như protaglandin, thromboxan, leukotrien giúp cơ thể người thực hiện một số chức năng sinh lý. Thêm vào đó, các acid béo này còn có vai trò cần thiết cho sự phát triển, là hợp chất căn bản cho việc thành lập thành tế bào cũng như hình thành hợp chất cấu trúc cần thiết của phospholipid. 4
9. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc - Các acid béo có cấu trúc không đặc trưng (cấu trúc hiếm): Bên cạnh các acid béo bão hòa và không bão hòa thường gặp, trong thực phẩm còn xuất hiện một lượng acid béo với cấu trúc ít gặp hơn. Các acid này thường không có vai trò quan trọng trong thực phẩm, và chỉ tìm thấy ở một số nguồn đặc biệt, chủ yếu trong các loại rau. Khác với các acid béo thông thường, các acid béo dạng này thường không có cấu trúc mạch thẳng, chuỗi hydrocarbon được hình thành từ một hay nhiều nhóm methyl và ethyl: acid béo mạch nhánh. Các acid béo mạch nhánh hiện diện chủ yếu trong vi sinh vật và một lượng nhỏ được tìm thấy trong sữa và mỡ của động vật nhai lại (trâu, bò ). Trong số này, acid ricinoleic (12-hydroxy-9-octadecenoic acid) là hydroxy acid quan trọng nhất, đây là thành phần chính của dầu hải ly (castor oil). (ii) Triglycerid Triglycerid là sản phẩm được tạo thành từ phản ứng của một phân tử glycerol với ba (3) phân tử acid béo (hình 1.2). Tùy thuộc vào acid béo gắn vào các vị trí trên mạch C của glycerol sẽ xác định đặc tính và tính chất của triglycerid: - Triglycerid đơn giản: tạo thành từ 3 acid béo giống nhau. - Triglycerid phức tạp: do acid béo khác nhau Trên thực tế, dầu và mỡ đều là sản phẩm chủ yếu của triglycerid phức tạp. Sự phân bố của acid béo trong cấu trúc triglycerid đã được khám phá và nghiên cứu trong một thời gian dài, rất nhiều học thuyết khác nhau về khả năng liên kết này đã được đề nghị: - “Thuyết phân bố ngẫu nhiên”: sự phân bố acid béo vào các vị trí khác nhau trong triglycerid hoàn toàn theo ngẫu nhiên. - “ Thuyết phân bố cân bằng”: các acid béo có khuynh hướng phân bố rộng rãi ở tất cả các triglycerid. - “Thuyết phân bố ngẫu nhiên có giới hạn”: sự phân bố acid béo vào các vị trí khác nhau trong triglycerid cũng theo quy luật ngẫu nhiên, tuy nhiên có một vài điểm giới hạn đặc biệt xảy ra trong dầu thực vật và mỡ động vật . Thí dụ: ở dầu thực vật, các acid béo bão hòa có xu hướng ester hóa ở vị trí số 1 và 3; trong khi sự gắn kết các acid này thường xảy ra ở vị trí số 2 trong mỡ động vật. Hình 1.2. Cấu trúc triglycerid 5
10. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc (iii) Các thành phần phụ Các acid béo tự do và mono- , diglycerid Trong dầu mỡ, ngoại trừ thành phần chính là triglycerid còn có sự hiện diện của một lượng nhất định acid béo tự do (không liên kết với glycerl) và mono- , diglycerid. Trong cấu tạo của các mono- và diglycerid vẫn còn sự hiện diện của hai hay một nhóm hydroxyl (-OH), chúng được xem như dấu hiệu nhằm xác định sự tổng hợp không hoàn toàn triglycerid sinh học (quả chưa chín, hạt) hay dấu hiệu của quá trình phân giải lipid (lipolysis) sau thu hoạch do hoạt động của enzyme. Tuy nhiên, ngoài vai trò như chất chỉ thị chất lượng, mono- và diglycerid còn có một vai trò quan trọng đặc biệt nhờ vào khả năng liên kết mạnh của nó với các phần tử thân dầu và thân nước; chính vì thế mono- và diglycerid được sử dụng như một chất nhũ hóa trong rất nhiều thực phẩm. Bên cạnh mono- và diglycerid, acid béo tự do là sản phẩm cuối trong quá trình phân giải lipid, là giảm chất lượng dầu cụng như sản phẩm thực phẩm. Phospholipid Trong hạt dầu bao giờ cũng có mặt phospholipid là một trong những thành phần lipid phức tạp chủ yếu, bao gồm khung glycerophosphate kết hợp với hai chuỗi acid béo dài đã được ester hóa ở vị trí C1 và C2, đồng thời một alcohol base gắn vào nhóm phosphate (hình 1.3). R1, R2: acid béo Hình 1.3. Cấu trúc của phospholipid 6
11. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Phospholipid được phân thành 5 nhóm chính theo sự thay thế tự nhiên (X) trên acid glycerophosphoric: (1) Phospholipidic acid (PA): không có thành phần thay thế (2) Phospholipidyl ethanolamine (cephalin): PE (3) Phospholipidyl choline (lecithine): PC (4) Phospholipidyl serine: PS (5) Phospholipidyl inositol: PI Phospholipid là các hợp chất chứa dinh dưỡng dự trữ, cung cấp năng lượng cho các phản ứng trao đổi chất và tăng cường hô hấp của hạt. Trong công nghệ thực phẩm, phospholipid được sử dụng rộng rãi như một chất nhũ hóa , tác nhân kết dính (anti- spattering) và làm giảm độ nhớt trong nhiều thực phẩm. Nhiều hiệu quả đặc biệt của phospholipid đã được biết đến như ngăn cản hay chữa khỏi bệnh mất trí nhớ, viêm khớp và hàm lượng choloseterol trong máu cao. Tuy nhiên, cho đến ngày nay, các ích lợi của phospholipid về mặt dinh dưỡng đã không được khoa học chứng minh. Trong hạt dầu, phospholipid nằm ở dạng liên kết phức tạp với glucid, protid và chỉ có khoảng 30% ở dạng tự do. Do đặc tính tan trong chất béo, khi khai thác dầu thực vật, phospholipid sẽ có mặt trong dầu. Các hợp chất không có tính xà phòng hóa Các hợp chất không có tính xà phòng hóa thường có mặt trong dầu mỡ với vai trò quan trọng là: sterol, tocopherol, hợp chất màu, sáp, hydrocarbon và vitamin. Sterol: hợp chất hòa tan trong chất béo với cấu trúc căn bản từ steran (cyclopentanoperhydrophenantrene) (hình 1.4). 7
12. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Hình 1.4. Cấu trúc của steran và sterol Tùy theo nguồn gốc phát sinh, sterol được chia thành hai loại chính: sterol động vật (cholesterol) hay sterol thực vật (phytosterol: β-sitosterol). Hàm lượng sterol thay đổi trong khoảng từ 0,05-0,60%. Cholseterol được xem như một trong những nguyên nhân chính gây nên bệnh nhồi máu cơ tim. Chính vì thế, rất nhiều biện pháp làm giảm lượng cholesterol trong thực phẩm đã được nghiên cứu thành công trong những năm gần đây. Tuy vậy, cholesterol vẫn có một số chức năng cần thiết cho hoạt đống sống khi nó là thành phần chính của màng tế bào, chất dự đoán cho hoạt động của hormone steroid - hormone cần thiết cho quá trình lớn lên và phát triển của động vật hữu nhũ còn non. Tocopherol: Tocopherol là chất chống oxy hóa tự nhiên rất quan trọng thuộc họ phenolic. Tocopherol cũng có đặc tính tan trong dầu, thường tồn tại ở dạng tự do. Tùy thuộc vào cấu tạo khác nhau của tocopherol (hình 1.5) mà đặc tính tương ứng cũng thay đổi; phụ thuộc mạch C chính bão hòa hay chứa 3 liên kết đôi, và phụ thuộc vào số nhóm cũng như vị trí nhóm methyl gắn kết trên mạch nhánh; có 4 loại tocopherol khác nhau: α-tocopherol (5,7,8-trimethyl), β (5,7-dimethyl), γ (7,8-dimethyl) và δ (8- methyl). Hoạt tính chống oxy hóa của các tocopherol trong dầu và mỡ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và sự hiện diện của các hợp chất nhiễm vào hệ thống. Tuy nhiên, hoạt động chống oxy hóa của các tocopherol cũng tùy thuộc vào vị trí cấu tạo: δ > β = γ >α 8
13. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của các tocopherol Các hợp chất màu (pigment): Sự khác nhau về màu sắc của các loại dầu và mỡ khác nhau phụ thuộc vào lượng hợp chất màu hòa tan trong dầu. Những hợp chất màu quan trọng nhất trong dầu mỡ là carotene, chlorophyll và gossypol. - Carotene (hình 1.6) là nguồn cung cấp vitamine A - chất có hoạt tính chống oxy hóa và chống ung thư. Carotene hiện diện chủ yếu trong dầu cọ, đây chính là lý do chủ yếu làm cho dầu có màu vàng, cam hay đỏ. - Chlorophyll cũng chính là nguyên nhân tạo cho dầu có màu xanh tối không mong muốn. Điều quan trọng là sự hiện diện của chlorophyll torng dầu là nguyên nhân chủ yếu làm cho dầu rất nhạy cảm với ánh sáng quang hợp, gây nên biến đổi chất lượng. Chính vì thế, trong quá trình tinh luyện các loại dầu có chứa nhiều chlorophyll (dầu olive), quá trình khử màu nhằm loại hợp chất này rất được quan tâm. - Gossypol tạo màu đỏ nâu trong dầu hạt bông vải (cottonseed oil). Gossypol có cấu tạo là hợp chất phenol phức tạp, có mùi vị khó chịu, có tính độc. Do đó, cần tách loại hoàn toàn hợp chất này ra khỏi dầu và khô dầu. Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của các caroten quan trọng nhất 9
14. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Hợp chất sáp: hiện diện chủ yếu trong dầu bắp và cải dầu. Về cấu tạo, sáp là ester của rược bậc một và ít thấy đối với rượu 2 chức. Sáp có nhiệt độ nóng chảy khá cao (tnc > 80oC), bền vững và rất khó tiêu hóa, sáp không có giá trị về mặt dinh dưỡng. Trong quá trình chế biến, sự tồn tại của hợp chất sáp trong dầu là nguyên nhân chủ yếu gây đục dầu. Ngay ở điều kiện nhiệt độ bình thường, chúng tồn tại ở các dạng tinh thể nhỏ li ti, trong một thời gian dài vẫn không lắng thành cặn, làm giảm giá trị cảm quan dầu. Các thông số đặc trưng của sáp được cho ở bảng 1.2. Bảng 1.2: Các thông số đặc trưng của sáp Thông số Giá trị Chỉ số idoine 11,1-17,6 Hàm lượng acid béo tự do (FFA) 2,1-7,3 % Phosphorus 0,01-0,15 % Điểm nóng chảy 75,3-79,9oC Việc tách sáp có thể được thực hiện bằng biện pháp đông hóa dầu ở nhiệt độ 5oC trước khi lọc. Hợp chất mùi gốc hydrocarbon: bao gồm các alkan, alken (squalene, hình 1.7) và các hydrocarbon đa vòng có mùi (polycyclic acromatic hydrocarbons – PAHs). Các hợp chất alkan (C31-C33) hiện diện trong dầu thô với hàm lượng từ 40-100 ppb, giảm dần sau quá trình tinh luyện. Một số hợp chất mùi như squalene có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp mỹ phẩm. Squalene hiện diện chủ yếu trong dầu gan cá nhám góc (deep-sea dogfish, Squalus acanthus) và một số dầu cá khác; olive là dầu thực vật chủ yếu có sự hiện diện của squalene. Ngược lại, hầu hết các hydrocarbon đa vòng có mùi (PAHs) hiện diện ở hàm lượng lớn hơn 150 ppb trong hầu hết các dầu thực vật thô, chúng chỉ giảm nhẹ sau quá trình tinh luyện. Hình 1.7. Cấu trúc hóa học của squalene Vitamin hòa tan trong dầu: bên cạnh vitamin A (retinol) - hiện diện nhiều nhất ở dầu cá, trong dầu còn tìm thấy một số các vitamin khác với lượng ít hơn như vitamin D, vitamin E (α-tocopherol) và vitamin K (phytoenzymeadion). Các vitamin này rất cần thiết cho quá trình hấp thu của cơ thể người. 10
15. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 1.3. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DẦU MỠ 1.3.1. Tính chất vật lý - Dầu mỡ nhẹ hơn nước, tỉ trọng 0,91-0,97. Mức độ không no càng lớn thì tỉ trọng càng lớn. - Chỉ số khúc xạ 1,448-1,474 . Mức độ không no càng lớn thì chỉ số khúc xạ càng cao. - Có tính nhớt khá cao. - Tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như eter, benzen, hexan - Điểm nóng chảy của dầu mỡ thể hiện không rõ ràng, tùy thuộc vào tính chất của nguyên liệu tạo ra dầu mỡ: Khi dây acid béo càng dài, càng no thì độ nóng chảy của triglycerid càng cao, áp suất hơi càng kém do đó có ít mùi . Dầu mỡ với cấu tạo chủ yếu là triglycerid dây ngắn (dầu dừa) thì sự thủy phân sẽ phóng thích các acid béo tự do có khối lượng phân tử nhỏ, dễ bay hơi, gây mùi khó chịu. Cùng một chiều dài, dây carbon của acid nào có chứa nhiều nối kép thì có nhiệt độ nóng chảy càng thấp. 1.3.2. Tính chất hóa học của dầu mỡ Tính chất hóa học của dầu mỡ chủ yếu do phản ứng của triglycerid, có tác động đáng kể đến sự thay đổi chất lượng sản phẩm. 1.3.1.1 Phản ứng thủy phân và xà phòng hóa Trong điều kiện thích hợp, dầu mỡ dễ bị thủy phân theo phản ứng C3H5(COOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3 Nếu có mặt một lượng kiềm (KOH, NaOH) thì sau phản ứng thủy phân, acid béo tác dụng với chất kiềm để tạo thành muối kiềm (xà phòng). RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O Phương trình tổng quát: C3H5(COOR)3 +3NaOH → 3RCOONa + C3H5(OH)3 1.3.2.2 Phản ứng cộng hợp Phản ứng này có tác dụng cộng hydro vào các nối đôi trên dây carbon của acid béo với sự hiện diện của chất xúc tác thích hợp nhằm làm giảm số nối đôi trên dây carbon, làm cho dầu mỡ ổn định hơn, hạn chế được các quá trình như oxy hóa, trùng hợp của dầu mỡ. Ngoài ra, phản ứng này còn có tác dụng giữ cho dầu không bị trở mùi khi bảo quản lâu. -CH = CH - + H2 → - CH2 – CH2 – Phản ứng này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng: đây chính là cơ sở lý thuyết cho quá trình chuyển đổi dầu từ thể lỏng sang thể rắn để sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt (margarine, shorterning ) Ngoài ra, thành phần acid béo của dầu thường chứa đồng thời acid oleic, acid linoleic, acid linolenic. Mặc dù acid linolenic có vai trò sinh học quan trọng, nhưng nó cũng là 11
16. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc nguyên nhân chính gây nên sự trở mùi của thực phẩm, vì thế quá trình hydro hóa chọn lọc để giảm bớt hàm lượng acid linolenic thường được tiến hành trong công nghệ chế biến dầu. 1.3.2.3 Phản ứng đồng phân hóa Dưới tác dụng của baz hòa tan trong rượu sẽ xảy ra sự đồng phân hóa (theo cả hai kiểu đồng phân hình học và vị trí, chương 5) các nối kép trên dây carbon, làm tăng tính khô của dầu. Sự đồng phân hóa có thể thực hiện với chất xúc tác Niken, nhiệt độ o 180 C, Al2O3 tăng hoạt tính. 1.3.2.4 Phản ứng với rượu Đây là phản ứng cơ bản để biến triglycerid thành ester metyl của acid béo nhằm để phân tích thành phần hóa học bằng sắc ký khí. 1.3.2.5 Phản ứng oxy hóa Những dầu mỡ có chứa nhiều acid béo không no sẽ dễ bị oxy hóa bởi oxy không khí. Đa số các phản ứng xảy ra trên các nối đôi của carbon. Dầu mỡ chứa nhiều acid béo no có ưu điểm là dễ bảo quản, ít bị biến đổi nhưng lại có hệ số đồng hóa thấp. Từ đặc tính lý hóa của dầu mỡ nói chung, các nghiên cứu về hiện tượng trở mùi của dầu mỡ khi chúng được tồn trữ trong thời gian dài đã đưa ra hai nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự biến đổi này: (i) Sự thủy phân giải phóng acid béo từ triglycerid Sự thủy phân này có thể xảy ra khi mạch carbon của triglycerid ngắn, hoặc dưới tác dụng của enzyme lipase. (ii) Sự ôi dầu do phản ứng oxy hóa hóa học Phản ứng này xảy ra dể dàng với dây triglycerid có chứa nhiều nối kép. Nó thường bắt nguồn tử phản ứng cộng oxy váo các nối kép hay xen vào Cα đối với nối kép để tạo ra các hydroperoxit. Các hydroperoxit này tiếp tục bị phân hủy để cho ra các sản phẩm sau cùng như các hợp chất carbonyl, aldehyd, aceton, alcohol. Tổng quát : Aldehyd Ceton Acid Chất béo + O2 ⇒ hydroperoxit ⇒ Ester Alcohol Việc tìm ra nguyên nhân gây biến đổi mùi trong quá trình bảo quản có ý nghĩa thực tế rất quan trọng, đây chính là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm làm thay đổi đặc tính dầu mỡ như ester hóa nội phân tử, hydrogen hóa (chương 5). 12
17. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 1.4. PHÂN LOẠI DẦU MỠ THỰC PHẨM Dầu và mỡ thực phẩm có thể được phân thành nhiều loại dựa vào thành phần và tính chất của các acid béo. Có thể chia dầu mỡ thành 9 nhóm chủ yếu: 1.4.1. Nhóm chất béo sữa Chất béo thuộc nhóm này có nguồn gốc từ sữa động vật. Chất béo sữa có cấu tạo chủ yếu từ các acid béo mạch ngắn, không có nối đôi (C4:0, C6:0 và C8:0). Ngoài ra, trong chất béo sữa vẫn có sự hiện diện của các acid béo bão hòa mạch dài (C16:0 và C18:0) và acid béo không bão hòa có một nối đôi (C18:1). Do sự hiện diện đa dạng của các loại acid béo này mà chất béo sữa thường có điểm nóng chảy thấp, khoảng nhiệt độ nóng chảy rộng, thành phần triglycerid phức tạp hơn so với dầu thực vật. Với hầu hết các động vật, acid béo tồn tại chủ yếu ở dạng trans-. Chất béo sữa được sử dụng chủ yếu làm nguồn thức ăn cho người do giá thành cao. 1.4.2. Nhóm acid lauric (dầu dừa và dầu hạt cọ) Nhóm chất béo này có tính chất rất khác biệt so với các loại dầu khác do sự hiện diện với mức độ cao của acid lauric (40-50% C12:0), kế đến là acid myristic và các acid béo bão hòa có 8,10 và 14 C. Điểm đặc trưng của nhóm này là sự hiện diện ở tỷ lệ rất thấp các acid béo không bão hòa, tương ứng với điểm nóng chảy rất thấp. Mặc dù vậy, nhóm dầu dừa và dầu cọ vẫn được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm và trong chế biến margarine. 1.4.3. Nhóm bơ thực vật (bơ cacao) Nhóm chất béo này có thành phần triglycerid và acid béo rất đặc biệt: chủ yếu từ các acid béo không no có 1 nối đôi như C18:1, C20:1, C24:3. Bơ thực vật có giá trị kinh tế cao, sử dụng chủ yếu trong chế biến chocolate và kẹo. 1.4.4. Nhóm mỡ động vật (mỡ heo) Mỡ động vật được cấu tạo chủ yếu từ acid béo C16:0, C18:0 và các acid béo có mức độ không bão hòa trung bình. Nhóm chất béo này chứa một tỷ lệ mong muốn của triglycerid bão hòa hoàn toàn, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là sự hiện diện ở mức độ rất thấp các acid béo không bão hòa. 1.4.5. Nhóm dầu cá (dầu cá và dầu gan cá) Dầu cá được tạo thành từ các acid béo không no có mạch carbon dài (chứa ít nhất 6 liên kết đôi). Chất lượng dầu cá cao, tuy nhiên nó là loại dầu có giá thành thấp nhất do khả năng bảo quản thấp:dầu cá không có tính ổn định, dễ biến đổi do quá trình oxy hóa nối đôi và phát sinh mùi không mong muốn. 13
18. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 1.4.6. Nhóm acid oleic và acid linoleic (dầu olive, dầu cọ, dầu bắp, dầu hướng dương) Đây là nhóm dầu hiện diện phổ biến nhất. Acid béo tạo nên dầu nhóm này chủ yếu là C18:1 và C18:2. Lượng acid béo bão hòa trong nhóm dầu này chỉ chiếm tối đa 20%. 1.4.7. Nhóm acid linolenic (dầu đậu nành, dầu hạt lanh) Đặc điểm quan trọng của dầu đậu nành và dầu hạt lanh là sự hiện diện ở hàm lượng cao acid linolenic (C18:3). Do mức độ không bão hòa cao, các dầu này rất nhạy cảm với các chất oxy hóa, điều này dẫn đến các biến đổi không mong muốn về mùi và vị. Ngoại trừ dầu đậu nành, dầu hạt lanh không được sử dụng phổ biến cho chế biến thực phẩm. 1.4.8. Nhóm acid erulic (C22:1) Dầu thuộc nhóm này có hàm lượng cao (40-50%) acid erulic (C22:1), hiện diện chủ yếu trong hạt bông vải. Một số giả thiết cho rằng một số các biến đổi sinh lý không mong muốn trong cơ thể người do sự tham gia của acid erulic. Chính vì thế, việc nghiên cứu tìm các loại nguyên liệu cho dầu có hàm lượng erulic thấp vẫn được quan tâm. 1.4.9. Nhóm hydroxy acid Các nghiên cứu cho thấy, nhóm hydroxy acid chỉ hiện diện trong dầu hải ly (castor oil): triglycerid của glycerin chủ yếu (90%) với acid ricinoleic (12-hydroxyoctadec-9- enoic acid). Dầu hải ly không được sử dụng cho chế biến thực phẩm. 14
19. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU CHẾ BIẾN DẦU MỠ 2.1. HẠT CHỨA DẦU (SEED OILS) Đặc điểm quan trọng của hạt dầu là độ ẩm thấp, ngăn cản sự biến đổi cơ học và sự phá hủy của côn trùng. Dựa vào ưu điểm này, dầu thường không được tách chiết sớm ra khỏi hạt dầu mà sẽ được bảo quản trong hạt nhằm ngăn cản các biến đổi không mong muốn của dầu thô. Hầu hết các hạt rau quả đều chứa dầu nhưng chỉ những nguyên liệu có hàm lượng dầu cao mới được sử dụng trong quá trình sản xuất dầu. Tuy nhiên, một số các hạt lại có khả năng sử dụng cho trích ly dầu là thành phần loại ra của quá trình sản xuất một sản phẩm khác (hạt cà chua trong chế biến nước cà chua hay hạt nho trong sản xuất rượu vang). Nhược điểm của việc sản xuất dầu từ hạt dầu là: Dầu trong hạt dầu không nằm ở dạng tự do, bên ngoài mà được nhốt trong các khe vách bên trong tế bào, quá trình tách chiết dầu không thể tiến hành trực tiếp mà phải qua các khâu chuẩn bị phức tạp. Một số hạt có hàm lượng dầu cao nhưng quá trình trích ly dầu có thể kèm theo sự giải phóng một số hợp chất không mong muốn, khó phân tách khỏi dầu. Một số hạt dầu sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất dầu: 2.1.1. Dầu dừa Thu được từ cơm dừa khô (Cocos nucifera, họ Palmae.). Cây dừa có thể trồng và phát triển ở vùng vành đai từ 20o vĩ Bắc đến 20o vĩ Nam của xích đạo, nhiệt độ thích hợp cho quá trình phát triển là 30oC. Chính nhờ vào nhiệt độ cao của những vùng trồng dừa, người ta có thể sử dụng ánh nắng mặt trời cho quá trình làm khô cơm dừa, ngoài ra, nguồn nhiên liệu từ vỏ dừa cũng được tận dụng- đây chính là nguyên nhân làm cho dầu dừa thường chứa các hợp chất hydrocarbon đa vòng. Dầu dừa thuộc nhóm acid lauric. Nhờ vào khối lượng phân tử của triglycerid ở mức trung bình, dầu dừa có nhiệt độ nóng chảy thấp (24-27oC). Ngoài ra, mức độ không bão hòa trong dầu dừa thấp (<10%), dầu dừa ít bị các biến đổi oxy hóa làm phát triển mùi ôi. 2.1.2. Dầu hạt cọ (Palm kernel oil, PKO) Thu được từ hat của cây cọ dầu (Elaels guineensis), có tính chất tương tự dầu dừa. Dầu hạt cọ có mức độ acid béo không bão hòa cao hơn dầu dừa, nhờ đó chỉ số Iod của dầu hạt cọ thay đổi trong khoảng từ 13-23 và nhiệt độ đông đặc từ 20-24oC. 2.1.3. Dầu “ babussa” Dầu “ babussa” được sản xuất từ cây họ cọ babussa (Orbignya speciosa) có nguồn gốc Brazil. Loại dầu này cũng thuộc nhóm acid lauric. Trữ lượng dầu trong babussa cao, tuy nhiên địa hình trồng các loại cây này chủ yếu ở các vùng rừng mưa nhiều, giao thông không thuận lợi, do đó việc phát triển sản xuất dầu từ babussa còn chưa được chú ý khai thác. 15
20. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 2.1.4. Bơ cacao Đây là loại bơ thực vật quan trọng nhất. Bơ cacao có màu vàng nhạt, thu được từ hạt của cây cacao nhiệt đới Theobroma cacao (họ Stercuiliaceae). Bơ cacao có mức độ acid béo bão hòa cao, do đó bơ cacao có thể đông đặc ở ngay nhiệt độ thường (30- 35oC). 2.1.5. Các loại bơ thực vật khác Nhóm này chỉ chiếm một lượng nhỏ và được sử dụng như chất thay thế bơ cacao (cocoa butter equilivalent – CBE): (i) Mỡ bomeo (Bomeo tallow; illipe butter): được tách chiết từ cây Shorea stenoptera ở Malaysia. Bomeo tallow còn được gọi là “bơ xanh” do sản phẩm có màu xanh nhạt. Loại bơ này có tính chất gần giống với bơ cacao nhất khi so sánh với các loại bơ khác. (ii) Bơ shea: thu được từ cây hạt mỡ ở Tây phi (Butyrospermum parkii), có mức độ acid béo không bão hòa cao hơn khi so sánh với bơ cacao. Việc phân tách tạo stearin từ bơ shea này có thể tạo ra sản phẩm thay thế bơ cacao (CBE). 2.1.6. Dầu hướng dương Được chiết tách từ hạt cây hướng dương (Helianthus annuus L., họ Compositae). Hướng dương thường sống ở những vùng khí hậu ôn hòa như Mỹ, Châu Âu và Trung Quốc. Việc trồng và chế biến các sản phẩm từ hướng dương được phát triển mạnh trong suốt 25 năm qua nhờ vào sự hiện diện ở hàm lượng cao của acid linoleic – thành phần dinh dưỡng quan trọng cho cơ thể. Trong quá trình tách chiết dầu, hạt hướng dương thường phải trải qua quá trình xử lý sơ bộ nghiêm ngặt, xay xát loại bỏ lớp vỏ bên ngoài hạt nhằm làm giảm tối đa thành phần sáp hiện diện trong dầu sau quá trình thu hồi. Dầu hướng dương có thể thu được bằng cả hai biện pháp: ép bằng sức nước và trích ly. Quá trình tinh luyện dầu hướng dương là khâu đặc biệt quan trọng nhằm loại bỏ các thành phần không mong muốn có mặt trong dầu do quá trình trích ly hay ép. Dầu hướng dương thuộc nhóm acid oleic-linoleic, chứa hơn 85% acid béo không bão hòa, trong đó hơn 2/3 là acid linoleic (C18:2). Điểm đông đặc của dầu hướng dương là -15oC, chỉ số iod từ 110-145. Sau quá trình trích ly, trong khô hay bã dầu hướng dương còn chứa khoảng 40-45% protein – đây là nguồn thích hợp cho việc chế biến thức ăn gia súc. 2.1.7. Dầu cây rum (Safflower) Được sản xuất nhờ quá trình ép hay trích ly hạt cây rum Carthamus tinctorius L. (họ Compositae). Loại cây này có nguồn gốc chủ yếu từ Ai cập, Đông Á và một số vùng phía tây Hoa Kỳ, sau đó được phát triển với một thời gian dài ở nhiều nơi nhằm phục vụ cho việc sản xuất dầu. Ngày nay, vai trò quan trọng của cây rum đã thay đổi đáng kể, nguyên nhân chủ yếu do sự phát minh ra màu aniline; đồng thời màu dầu sậm, 16
21. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc khác màu vàng nhạt không còn được ưa chuộng. Dầu rum có giá trị dinh dưỡng rất cao do có hàm lượng acid linoleic lớn nhất (>80%), đây là nguồn quan trọng cho việc cung cấp acid linoleic tinh khiết. Tuy nhiên, phần khô và bã dầu rum hầu như không có giá trị dinh dưỡng. 2.1.8. Dầu hạt bông vải Chế biến từ sản phẩm phụ (phần thải) của quá trình sản xuất bông. Trữ lượng sản xuất bông trên thế giới rất lớn, kèm theo đó một lượng lớn hạt bông chứa tỷ lệ dầu cao được loại ra. Ai Cập, Hoa Kỳ, Trung Quốc và Nga là những nước đã và đang chế biến dầu từ hạt bông vải. Ở Châu Âu, dầu hạt bông chiếm tỷ lệ lớn nhất. Tuy nhiên, do tính chất của dầu bông vải có chứa gossypol (hình 2.1) - hợp chất đa vòng tạo mùi vị khó chịu, khi kết hợp với protein hình thành hợp chất không thể tiêu hóa, gây độc. Do đó, việc tiền xử lý và tinh luyện dầu bông luôn được quan tâm. Dầu bông vải thuộc nhóm acid oleic-linoleic; mặc dù thành phần dầu có chứa một tỷ lệ tương đối cao các acid béo không bão hòa có nhiều nối đôi, dầu bông cũng chứa lượng acid béo bão hòa cao nhất trong nhóm hạt dầu. Dầu bông vải có thể được sử dụng trong nấu nướng hàng ngày (cooking oil, salad oil) hay trong công nghiệp chế biến margarine, shortening. Hình 2.1. Cấu tạo của gossypol 2.1.9. Dầu thuộc họ cải dầu (rapeseed, colza) Thu được từ hạt của cây cải dầu Brassica napus L. và B. campestis L. (họ Cruciferae.). Cây cải dầu phát triển chủ yếu ở những vùng khí hậu ôn đới hay khí hậu lạnh: Đông và Tây Âu, Canada, Ấn Độ và Trung Quốc. Cải dầu chứa hàm lượng cao acid erulic, mặc dù hợp chất này không có tác hại về dinh dưỡng, tuy nhiên các nghiên cứu tìm các loại dầu thuộc họ này với lượng acid erulic thấp vẫn được quan tâm. Dầu “Canola” là loại dầu từ hạt cải dầu phổ biến nhất hiện nay. Có 3 kiểu phổ biến của dầu loại này: (i) Dầu có hàm lượng acid erulic cao: 20-55% acid erulic (ii) Dầu có hàm lượng acid erulic thấp: 0-5% acid erulic (iii) Dầu không chứa acid erulic 17
22. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Một đặc điểm quan trọng của dầu nhóm này là mức độ chuyển hóa đường thấp. Bã dầu là nguồn thích hợp cho việc chế biến thức ăn gia súc, tuy nhiên loại có hàm lượng acid erulic cao không thích hợp cho cừu và gia cầm. Hàm lượng chất xơ cao cũng là một điểm đặc biệt của họ cải dầu. 2.1.10. Dầu bắp (corn oil) Được chiết tách từ phần phôi (hạt bắp) của Zea mays. Dầu bắp thô có màu đỏ sậm do sự hiện diện của hợp chất carotene và xantophyllic. Dầu bắp chứa một lượng tương đối cao (1-3%) phospholipid và những hợp chất không có đặc tính của dầu khác, chủ yếu là sterol (≥ 1%). Dầu bắp cũng thuộc nhóm acid oleic-linoliec với mức độ acid béo không bão hòa cao, được sử dụng chủ yếu trong chế biến dầu ăn. 2.1.11. Dầu đậu nành (soybean oil) Đây là sản phẩm của quá trình ép hay trích ly hạt đậu nành Glycine max (L.) merill (họ Leguminosae). Đậu nành là nguồn cung cấp dầu thực vật chủ yếu cho việc chế biến thực phẩm của con người. Đậu nành có nguồn gốc từ Trung Quốc, nhưng ngày nay, nguồn cung cấp đậu nành và dầu đậu nành chủ yếu từ Mỹ và các nước thuộc Châu Mỹ. Chỉ bắt đầu trồng đậu nành từ khoảng năm 1970, hiện nay Nam Mỹ đã cung cấp khoảng 25% sản lượng đậu nành trên thế giới. Mặc dù quá trình ép dầu thu được hiệu suất vẫn khá cao, tuy nhiên quá trình này thường đi kèm với các biến đổi không mong muốn về chất lượng: một số thành phần độc hại thu được cùng với dầu trong quá trình ép Chính vì thế, chiết tách dầu bằng biện pháp trích ly hiện đang được sử dụng rộng rãi, quá trình ép chỉ được tiến hành ở quy mô nhỏ. Dầu đậu nành thuộc nhóm acid linilenic; trong thành phần chứa hàm lượng acid linolenic rất cao khi so sánh với các loại dầu khác. Thêm vào đó, quá trình hydrogen hóa dầu đậu nành cũng thường được áp dụng trong chế biến margarine và shortening. Bã đậu nành sau trích ly là nguồn cung cấp protein và các chất dinh dưỡng cần thiết cho gia súc. 2.1.12. Dầu đậu phộng (peanut oil) Dầu phộng là một trong 5 loại dầu ăn quan trọng nhất trên thế giới. Dầu phộng thu được nhờ vào quá trình tách chiết dầu từ nhân hạt cây đậu phộng Arachis hypogea- đây là loài cây trồng phổ biến ở Châu Phi, Ấn Độ và Trung Quốc. Dầu đậu nành được sử dụng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm: dầu chiên nấu, shortening, margarine, dầu trộn (salad oil). Đặc tính quan trọng của dầu phộng là sự hiện diện ở hàm lượng thấp acid béo bão hoà, trong khi đó lại rất giàu acid béo không no chứa 1 nối đôi (chủ yếu là acid oleic). Do các triglycreid này có độ nóng chảy cao, khi nhiệt độ dầu giảm xuống 5oC, dầu phộng bị vẩn đục do sự tạo gel trong dầu; tuy nhiên quá trình đông hóa có thể được áp dụng để làm trong dầu. Một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng và giá trị dinh dưỡng của dầu là sự nhiễm độc tố aflatoxin B1, B2, G1 và G2 (hình 2.2) do điều kiện môi trường làm phát sinh nấm mốc. Việc di chuyển độc tố từ bột đậu 18
23. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc phộng nghiền rất khó thực hiện do chúng có khả năng chịu đến nhiệt độ 300oC; tuy nhiên sự hiện diện của các độc tố này trong dầu có thể loại bỏ dễ dàng trong quá trình tinh luyện. Hình 2.2. Aflatoxin 2.1.13. Dầu hạt lanh (linseed oil) Thu được từ hạt cây lanh Linium usisitatissimum, có thể phát triển ở hầu hết các vùng nhiệt độ khác nhau trên thế giới, tập trung nhiều nhất ở Mỹ, Argentina, Ấn độ và Nga. Khi giá nhập khẩu sợi cotton vào thị trường châu Âu ngày càng giảm dần và giống cây trồng phải du nhập từ Mỹ, giá trị kinh tế của sợi lanh cũng suy giảm nhanh chóng. Chính vì thế, việc khai thác giá trị của hạt lanh được quan tâm. Dầu thô từ hạt lanh có thể thu được bằng cả hai biện pháp: ép và trích ly bằng dung môi. Do sự hiện diện của acid linolenic trong dầu lanh ở hàm lượng cao (>50%), dầu hạt lanh được sử dụng chủ yếu như nguồn nguyên liệu trong sản xuất sơn, vecni cũng như các sản phẩm công nghiệp khác. Tuy nhiên, ở một số quốc gia, đặc biệt là Ấn Độ, hơn 40% dầu lanh được sản xuất nhằm phục vụ cho nhu cầu tiêu thụ của con người. 2.1.14. Dầu hạt vừng (mè, sesame oil) Đây là loại dầu có giá trị dinh dưỡng cao do sự hiện diện của hơn 75% acid béo không bão hòa trong dầu, đặc biệt là tỷ lệ cân bằng của acid oleic và acid linoleic (Omega 6) . Dầu vừng thu được chủ yếu nhờ vào quá trình ép hạt vừng Sesamum indicum, được trồng và phát triển nhiều ở Ấn Độ và Trung Quốc; một số nơi khác như Châu Âu, Châu Mỹ cũng sử dụng hạt vừng và dầu vừng với số lượng ít. Đây là nguyên nhân chính làm cho giá dầu vừng thường rất đắt. 2.1.15. Một số dầu từ hạt cho dầu không phổ biến Bên cạnh các loại hạt dầu phổ biến, một số nguyên liệu khác cũng được sử dụng trong công nghệ chế biến dầu với số lượng ít: - Dầu hạt nho (Vitis vinifera (L.), họ Vilaceae): chứa hàm lượng acid linoleic khá cao, tính chất tương tự dầu hạt hướng dương. 19
24. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc - Dầu từ hạt phỉ (Hazel-nut – Corylus avellana (L.) Gaertn, họ Betulaceae) và dầu hạnh (Prunus dulcis (Mill.) D.A. Webb. họ Rosaceae): thuộc nhóm acid oleic – linoleic. - Dầu bông gạo (kapok – Ceiba pentandra (L.) Gaertn, họ Bombacaceae): tính chất gần như tương đồng với dầu hạt bông (cottonseed oil). - Dầu cây óc chó (walnut-tree, Juglans regia (L.), họ Juglandaceae): thành viên của nhóm acid linolenic. Dầu cây óc chó chỉ được sản xuất và tiêu thụ rất ít, chủ yếu ở môt số gia đình thượng lưu. - Một số loại dầu khác vẫn được sản xuất tùy vào tập quán từng quốc gia như dầu mustard, dầu gạo, dầu hạt olive 2.1.16. Các nguồn dầu mới Đây chính là các nhóm dầu có tầm quan trọng ở mỗi địa phương hay khu vực, quốc gia, nhưng không được sản xuất và tiêu thụ phổ biến trên thế giới: - “ Crambe oil” (Crambe abyssinica Hochst. ex R.E. Fries và C. hispanica, họ Brassicaceae) với hàm lượng cao acid erucic, sử dụng chủ yếu cho mục đích kỹ thuật. - Dầu cây anh thảo (evening primrose oil – Oenothera biennis họ Onagraceae): chứa hàm lượng cao Omega 6 (6,9,12 – octatrienic acid). - Chất béo có nguồn gốc vi sinh: chứa các thành phần đặc biệt, được sử dụng cho thực phẩm và ứng dụng kỹ thuật. 2.2. CÂY CHỨA DẦU (OILS FROM OIL-BEARING TREES) Dầu thô thuộc nhóm này có nguồn gốc chủ yếu từ phần thịt quả của các cây chứa dầu. Quá trình chiết tách dầu từ thịt quả cần đáp ứng các yêu cầu đặc biệt: chất lượng dầu thu được càng cao khi dầu được chiết tách từ quả tươi, ngay sau thu hoạch. Các tác động cơ học lên bề mặt quả sau thu hoạch là nguyên nhân chính làm phá hủy màng tế bào, điều này làm gia tăng hoạt động của enzyme, thúc đẩy quá trình thủy phân lipid hay các hư hỏng khác xảy ra nhanh chóng. 2.2.1. Dầu olive (olive oil) Đây là loại dầu được sản xuất và tiêu thụ rất phổ biến trên thế giới, đặc biệt là các quốc gia vùng Địa Trung Hải. Dầu olive thu được do quá trình tách ép phần thịt quả olive Olea europaea (L.) (họ Oleaceaei). Trong thành phần dầu olive chứa hơn 80% acid oleic, tuy nhiên tỷ lệ acid béo không bão hòa mạch dài rất thấp. Điểm đặc biệt của dầu olive là sự thay đổi lớn thành phần acid béo trong dầu theo vùng trồng nguyên liệu. Một số dầu olive từ giống nguyên liệu tốt có thể sử dụng trực tiếp mà không cần 20
25. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc qua công đoạn tinh luyện (virgin state). Ngoài ra, tùy thuộc vào quá trình tách ép, chất lượng dầu olive thay đổi khác nhau, có thể chia làm 3 nhóm: (i) Hàm lượng acid béo tối đa 1% (ii) Hàm lượng acid béo tối đa 1,5 % (iii) Hàm lượng acid béo tối đa 3,5 % 2.2.2. Dầu cọ (palm oil) Sản phẩm từ quả của cây cọ (Elaeis guineensis), một trong hai loại cây trồng cho dầu quan trọng nhất trên thế giới (cùng với dừa). Cọ có nguồn gốc từ Guinea, Tây Phi nhưng ngày nay, cọ được trồng và phát triển chủ yếu ở các nước nhiệt đới ở gần đường xích đạo (Đông Nam Á, Châu Phi, Trung và Nam Mỹ). Việc trồng cọ và chế biến dầu cọ gia tăng mạnh mẽ trong 3 thập niên gần đây. Malaysia và Indonesia là 2 quốc gia sản xuất dầu cọ hàng đầu thế giới. Sản lượng sản xuất dầu cọ hiện nay là: 6 tấn dầu cọ/ 30 tấn buồng cọ tươi/ hectar/ năm. Quả cọ là nguồn nguyên liệu đặc biệt trong chế biến dầu cọ do tính chất rất đặc trưng của nó: dầu có thể được tách chiết từ cả hạt cọ và phần thịt quả (pulp, mesocarp). Một vấn đề cần quan tâm là lượng dầu tách chiết cần di chuyển ra ngay, nhằm tránh hiện tượng hút dầu lại vào trong nguyên liệu. Lượng dầu cọ thu được trên thực tế chủ yếu từ phần thịt quả, dầu từ hạt cọ chỉ chiếm từ 10-12% tổng lượng dầu cọ thu được. Thành phần acid béo chủ yếu trong dầu cọ là acid palmitic và acid oleic (khoảng 80% tổng acid béo trong dầu). Chính vì thành phần đặc biệt này, dầu cọ thường bị phân tách thành 2 phần riêng biệt: lỏng và rắn ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, dầu cọ còn rất dễ bị biến đổi do họat động của các enzyme thủy phân trong suốt thời gian sau thu hoạch và chế biến, nguyên nhân chủ yếu là do sự hiện diện ở nồng độ cao các acid béo tự do (20-25%) trong dầu; việc chiết tách dầu với kỹ thuật hiện đại có thể làm giảm bớt lượng acid béo tự do này, tuy nhiên sự hiện diện của chúng trong dầu cọ vẫn cao hơn các loại dầu khác. Do hàm lượng carotene cao (0,05- 0,2%) nên dầu cọ thường có màu đỏ cam đậm. Chính vì lý do này, quá trình tẩy trắng và trung hòa nhằm làm giảm lượng acid béo tự do là hai tham số chất lượng quan trọng nhất trong quá trình tinh luyện dầu cọ: - Đối với dầu cọ có nguồn gốc Châu Phi: + Tẩy trắng hoàn toàn: hàm lượng acid béo tự do ≤ 2,5% + Tẩy trắng thông thường: hàm lượng acid béo tự do = 4-5% - Đối với dầu cọ có nguồn gốc từ Đông Nam Á: 21
26. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc + Chất lượng đặc biệt: hàm lượng acid béo tự do = 1-2 % + Hạn chế quá trình oxy hóa ở mức thấp nhất: hàm lượng acid béo tự do ≤ 2,5% + Tiêu chuẩn: hàm lượng acid béo tự do = 3-5 % Dầu cọ có tính chất vật lý đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ gần 20oC, dầu cọ sẽ tồn tại ở trạng thái bán rắn (semi-solid). Chính vì nguyên nhân này, dầu cọ thường được sử dụng trong chế biến shortening, margarine thực vật – được dùng làm môi trường truyền nhiệt tốt cho quá trình chiên một số loại thực phẩm bằng biện pháp nhúng trong dầu, đồng thời tạo giá trị cảm quan cho sản phẩm (giúp bề mặt sản phẩm khô ráo sau khi chiên). Ngoài ra, dầu cọ còn được sử dụng trong công nghiệp chế biến bánh kẹo. Mặc dù màu nhạt thường được người tiêu dụng ưa chuộng, tuy nhiên ở một số nơi màu đỏ đặc trưng của dầu cọ do sự hiện diện của caroten và tocopherol vẫn được duy trì. 2.2.3. Dầu bơ Dầu bơ nhận được từ phần thịt quả của cây bơ (Persea gratissima gaertueri), được trồng chủ yếu ở vùng Địa Trung Hải và vùng phía Nam Hoa Kỳ. Giống như dầu cọ, thành phần acid béo chủ yếu của dầu bơ là acid palmitic và acid oleic, trong đó acid oleic chiếm ưu thế. Tuy vậy, dầu bơ không có tầm quan trọng trong công nghệ thực phẩm, nó được ứng dụng chủ yếu trong công nghệ mỹ phẩm. 2.3. MỠ ĐỘNG VẬT (ANIMAL FATS) Mỡ động vật có thể phân thành 2 nhóm chính: mỡ sữa (chất béo sữa) và mỡ nấu chảy của động vật. 2.3.1. Chất béo sữa Nguồn mỡ sữa chủ yếu là chất béo của sữa bò. Các loại sữa khác hầu như không có tầm quan trọng trong quá trình cung cấp chất béo. Thành phần acid béo trong mỡ sữa bò phụ thuộc vào chế độ ăn của con vật. Ở những nơi bò được nuôi theo kiểu công nghiệp, mặc dù nguồn thức ăn được ổn định trong suốt mùa đông, chất lượng bơ mùa đông và bơ mùa hè vẫn có sự khác biệt lớn. Ngoài ra, thành phần mỡ sữa cũng có sự khác biệt khi lượng mỡ trong cơ thể của bò khác nhau. 2.3.2. Mỡ nấu chảy (mỡ thắng) Đây là sản phẩm phụ của quá trình chế biến thịt. Đặc điểm quan trọng của mỡ thắng là sự hiện diện của một lượng lớn acid béo bão hòa, ngoài ra trong mỡ còn chứa rất ít chất chống oxy hóa tự nhiên và chứa hàm lượng cao cholesterol, điều này làm cho mỡ rất nhạy cảm với sự oxy hóa, kèm theo đó là nhu cầu sử dụng mỡ thắng cho thực phẩm đang giảm dần. 22
27. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc - Mỡ heo: Theo định nghĩa của Codex, mỡ heo là phần mỡ thắng thu được từ phần mô mỡ tươi, đã được làm sạch của heo có sức khoẻ tốt, giết mổ đúng cách nhằm phục vụ cho nhu cầu tiêu thụ của con người, được đảm bảo bởi luật thực phẩm cũng như các quy định của mỗi quốc gia. Phần mô mỡ này không bao gồm xương, da, tai, móng, nội tạng, khí quản, phần mỡ rời, mỡ váng, những phần thừa từ mô cơ và máu. Nhờ vào quá trình ester hóa nội phân tử, thành phần của mỡ heo được thay đổi một phần nhằm chế biến shorterning, sử dụng trong công nghệ chế biến bánh. Mỡ heo có khoảng nhiệt độ nóng chảy rộng nhờ vào sự phân bố đặc biệt của triglycerid. Ngoài nhu cầu thực phẩm, mỡ heo còn đựơc sử dụng trong công nghệ sản xuất dầu bôi trơn (white grease). - Mỡ bò và các động vật nhai lại khác: Tỷ lệ acid béo bão hòa trong mỡ bò cũng như các động vật nhai lại khác lớn hơn so với mỡ heo. Giống như mỡ thỏ, trong mỡ động vật nhai lại còn chứa một lượng khá lớn các acid béo có cấu trúc không đặc trưng như acid béo mạch nhánh, acid béo có số Carbon lẻ. Chính vì lý do này, mỡ động vật nhai lại không được sử dụng cho mục đích thực phẩm, tuy nhiên quá trình chiết phân đoạn loại mỡ này có thể tách ra được olein và stearin - ứng dụng trong công nghiệp. 2.4. DẦU TỪ ĐỘNG VẬT BIỂN (MARINE OILS) Thuật ngữ “marine oil: dầu từ động vật biển” được sử dụng để chỉ các loại dầu của tất cả động vật sống dưới nước: cá hay động vật có vú khác (cá heo ). Dầu từ động vật biển (chủ yếu là dầu cá) thường là sản phẩm phụ trong quá trình khai thác và sử dụng cá như nguồn cung cấp protein. Tuy nhiên, một số loại cá lại được khai thác cho mục đích chính là sản xuất dầu. Có rất nhiều loài cá có khả năng cung cấp dầu: từ loài cá nhỏ như cá sardine đến các động vật hữu nhũ có trọng lượng lớn như cá voi. Trong thành phần của dầu cá chứa một tỷ lệ lớn acid béo không no mạch dài (C ≥ 20), chính vì lý do này dầu cá rất nhạy cảm với các phản ứng biến đổi chất lượng dầu. Dầu cá chỉ được sử dụng trong chế biến thực phẩm sau quá trình tinh luyện nghiêm ngặt. - Dầu cá voi: thu được từ phần mô sụn và nội tạng của cá voi. Dầu cá voi chứa các acid béo không bão hòa cao do đó có giá trị sinh học rất lớn. Tuy nhiên, do bộ luật bảo vệ động vật biển, nhằm hạn chế việc khai thác cá voi bằng các biện pháp săn bắn trái phép hay cá voi bị kiệt sức trên biển do điều kiện khách quan: thiên tai việc sử dụng dầu cá voi ngày nay không còn đóng vai trò quan trọng. - Dầu cá biển nhỏ: dầu thu được từ các loài cá biển nhỏ này thường chứa nhiều acid béo không bão hòa hơn khi so sánh với dầu cá voi. Thành phần của dầu thay đổi theo nguồn nguyên liệu. Các loại dầu cá quan trọng nhất là dầu thu được từ cá sardine vùng California (Sardinops sagax caerulea, họ Clupeidae), 23
28. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc cá sardine Nhật Bản (Sardinops melanostictus, họ Clupeidae), dầu cá mòi (Brevoortia tyrannus, họ Clupeidae) và dầu cá trích (Clupea harengus, họ Clupeidae). Tỷ lệ acid béo không bão hòa mạch dài cũng khá cao, phụ thuộc vào loại cá và môi trường sống: khi nhiệt độ môi trường nước càng lạnh, hàm lượng acid béo không bão hòa mạch dài càng cao. Chính vì sự hiện diện của acid béo không bão hòa này, dầu cá thường được làm gia tăng “độ cứng” (to be hardened) trước khi sử dụng do quá trình biến đổi này sẽ cải thiện được khả năng bảo quản sản phẩm, làm giảm xu hướng ôi hóa dầu. - Dầu gan cá tuyết: điểm đặc biệt trong thành phần dầu cá tuyết (Gadus morhua (L), họ Gadidae) là sự hiện diện ở hàm lượng cao vitamin A và vitamin D 24
29. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Chương III. KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DẦU THÔ 3.1. SẢN XUẤT DẦU TỪ HẠT CHỨA DẦU 3.1.1. Bảo quản và sơ chế hạt dầu 3.1.1.1. Nguyên nhân gây hư hỏng hạt dầu trong quá trình bảo quản Một trong những nguyên liệu chủ yếu dùng để chế biến dầu là những loại hạt có hàm lượng chất béo cao như: đậu phộng, đậu nành, mè, thầu dầu, hướng dương, Tất cả những loại hạt này đều phải qua quá trình sơ chế và bảo quản mới đến khâu chuẩn bị. Trong quá trình bảo quản, nguyên liệu có thể bị hư hỏng do các nguyên nhân sau: - Sự hô hấp, - Hoạt động của vi sinh vật, enzyme, - Do phản ứng hóa học, - Do sâu mọt, chim, chuột. (i) Sự hô hấp của hạt Hô hấp là biểu hiện hoạt động sống của hạt cũng như bất kỳ cơ thể sống nào khác. Đây chính là quá trình trao đổi các chất dự trữ bên trong hạt với môi trường bên ngoài (chủ yếu là không khí), nhờ đó sự sống của hạt được duy trì. Sau thu hoạch, quá trình hô hấp của hạt vẫn tiếp diễn. Thông qua quá trình trao đổi chất, các chất dự trữ trong hạt bị đốt cháy, tiêu hao dần và giải phóng ra năng lượng do sự oxy hóa. Chất dễ bị oxy hóa trước tiên là các glucid, sau đó là protein, chất béo. Quá trình oxy hóa các chất này trong hạt xảy ra phức tạp, qua nhiều giai đoạn và sản phẩm trung gian. Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là khí CO2, nước và kèm theo đó là một lượng nhiệt lớn được phóng thích. Oxy không khí là tác nhân quan trọng nhất trong tất cả các phản ứng này. Mặc dù vậy, sự hô hấp của hạt có thể xảy ra trong cả hai điều kiện đầy đủ oxy (hô hấp hiếu khí) hoặc thiếu oxy (hô hấp yếm khí). Khi hạt được bảo quản trong điều kiện bình thường (đúng tiêu chuẩn), hoạt động sống của hạt rất yếu, sự tiêu hao các chất không đáng kể. Khi các hoạt động sống của hạt được kích thích, tăng cường thì quá trình hô hấp của hạt được tăng lên, chất dinh dưỡng của hạt bị mất đi nhanh chóng. Để theo dõi tình trạng hạt trong quá trình bảo quản, hai chỉ số thường dùng là cường độ hô hấp và hệ số hô hấp. - Cường độ hô hấp: đặc trưng bằng lượng oxy hạt hấp thụ vào và lượng CO2 do hạt thải ra trong một đơn vị thời gian. - Hệ số hô hấp: là tỉ số thể tích khí CO2 thải ra và thể tích khí oxy hạt hấp thu vào trong một đơn vị thời gian. 25
30. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Hoạt động sống của hạt, hay cường độ hô hấp của hạt phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu là độ ẩm và nhiệt độ. Thực tế cho thấy, hoạt động sống của hạt biến đổi rất nhạy với độ ẩm. Khi hạt có độ ẩm chuẩn thì cường độ hô hấp không đáng kể. Khi độ ẩm của tăng lên thì cường độ hô hấp bắt đầu tăng nhanh. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cường độ hô hấp của hạt có giới hạn hơn. Khi hạt có độ ẩm thích hợp cho hoạt động sống thì trong khoảng nhiệt độ 50-70oC, cường độ hô hấp tăng dần.Trên 70oC, cường độ hô hấp giảm dần, đến một giới hạn nhiệt nhất định thì hạt ngừng hô hấp. Quá trình hô hấp của các loại hạt diễn ra theo qui luật chung, mặc dù vậy ở mỗi loại hạt, tùy theo thành phần các chất (chủ yếu là dầu và chất hút nước) mà các quá trình có thể thay đổi chút ít. (ii) Sự phá hủy do hoạt động của vi sinh vật Sau khi thu hoạch, trên bề mặt lớp vỏ ngoài của hạt thường tồn tại các vi sinh vật. Sự có mặt của chúng là do từ đất, bụi, rác, cỏ, lẫn vào theo hạt trong quá trình thu hoạch, vận chuyển, Hoạt động của các vi sinh vật trong khối hạt không những gây ảnh hưởng xấu mà còn là một nguy cơ thường xuyên dễ gây ra sự hư hỏng nặng cho hạt dầu. Trên hạt thường có nhiều loại vi sinh vật hiện diện như vi sinh vật hoại sinh, vi sinh vật gây bệnh cho người và gia súc , thường gặp nhất là các enzyme, nấm mốc, vi khuẩn Vi sinh vật sẽ phá hủy hạt từ ngoài vào trong. Trong quá trình hoạt động và phát triển, chúng sẽ sử dụng các chất khô của hạt vào quá trình trao đổi chất. Dấu hiệu đầu tiên của sự hư hỏng là lớp vỏ của hạt sẽ bị sẫm màu, cấu trúc vỏ bị phá hủy Khi lớp vỏ bảo vệ bị phá hỏng, các vi sinh vật sẽ xâm nhập vào bên trong, nhanh chóng làm hư hỏng và mất chất dinh dưỡng dự trữ trong hạt. Ngoài sự mất chất khô, chúng còn tiết ra các chất làm giảm chất lượng sản phẩm (tiết ra các chất gây mùi hôi, đắng, gây màu sẫm đen cho hạt). Sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật cần có môi trường độ ẩm cao. Khi độ ẩm tăng thì hoạt động sống của hạt mạnh lên, tỏa nhiệt và tỏa ẩm mạnh. Từ đó thúc đẩy trở lại hoạt động sống của vi sinh vật. Quá trình tác dụng thúc đẩy nhau giữa hoạt động của khối hạt và vi sinh vật là nguyên nhân thường gây cho cả khối hạt bị bốc nóng, hư hỏng. Trạng thái nhiệt của khối hạt cũng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của vi sinh vật. Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của từng loại không giống nhau, có thể chia làm 3 nhóm chủ yếu: - Nhóm ưa lạnh: phát triển ở nhiệt độ gần 0oC. - Nhóm các vi sinh vật ưa nhiệt: phát triển ở nhiệt độ gần 50-60oC. 26
31. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc - Nhóm vi sinh phát triển mạnh nhất: ở nhiệt độ 20-40oC (đây là nhóm phổ biến ở hạt). Ngoài độ ẩm và nhiệt độ, môi trường không khí cũng ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Hàm lượng oxy tăng sẽ làm tăng hoạt động của vi sinh vật. Điều đó chứng tỏ các vi sinh vật trong hạt thuộc loại ưa khí. Nồng độ CO2 trong môi trường có tác dụng kìm hãm hoạt động của vi sinh vật. Vì vậy, nạp CO2 vào môi trường bảo quản là một biện pháp nhằm để bảo quản khối hạt. Để ngăn ngừa và hạn chế sự hoạt động của vi sinh vật trên hạt, các biện pháp thường dùng như làm lạnh, tạo chân không, nạp khí CO2 cũng tỏ ra khá hữu hiệu, tuy nhiên sấy khô hạt là biện pháp đơn giản, hiệu quả và phổ biến nhất. (iii) Sự hư hỏng hạt do các enzyme phá hủy Sự phá hủy của một số enzyme đặc trưng thường gặp và quan trọng là enzyme lipase, phospholipase, lipoxidase Trong đó, phổ biến nhất và thường gây hư hỏng nhiều nhất là enzyme lipase. - Lipase: có hầu hết trong các loại dầu. Chúng thuộc loại enzyme thủy phân có nhóm hoạt động là canxi. Chiều hướng và điều kiện hoạt động của lipase tùy thuộc vào trạng thái sinh lý của hạt. Trong quá trình chín của hạt trên cây, lipase có tác dụng kích thích sự tổng hợp từ các acid béo và glycerin thành glycerid. Tuy nhiên, trong quá trình chế biến và bảo quản hạt (sau khi thu hoạch), lipase lại có tác dụng ngược lại. Chúng xúc tác quá trình phân hủy glycerid thành glycerin và các acid béo tự do, làm cho hàm lượng acid béo tự do trong dầu tăng, chỉ số acid tăng, giảm chất lượng dầu. Vì vậy, sự thủy phân glycerid là tác dụng phá hỏng chủ yếu của lipase đối với hạt dầu trong quá trình bảo quản và chế biến. Lipase của hạt dầu chịu được nhiệt độ khá cao. Khi để hạt ở 120oC trong 2 giờ thì lipase chỉ giảm 50% hoạt tính hoặc ở 100oC trong 30 giờ thì chỉ mất 40% hoạt tính ban đầu; nhưng ở độ ẩm cao kết hợp với nhiệt độ cao thì lipase sẽ nhanh chóng bị phá hủy.Cũng như các loại enzyme khác, enzyme lipase chỉ thể hiện hoạt tính cực đại ở một trị số pH nhất định của môi trường. Ví dụ: ở hạt thầu dầu, pH tối ưu là 4,5-5; hạt đậu nành pH= 5 - Phospholipase: enzyme thường có trong dầu, tác dụng đặc hiệu là thủy phân, phá hủy các phospholipid. Trên thực tế, phospholipase tồn tại ở 4 dạng A, B, C và D. Phospholipase A thủy phân lecithin tạo thành isolecithin và 1 phân tử acid béo. Dạng B thủy phân isolecithin thành 2 acid béo tự do. Dạng C phân cắt liên kết ester giữa acid phosphoric và glycerin. Dạng D phân cắt liên kết giữa acid phosphoric và baz nitơ. 27
32. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Kết quả các quá trình tác dụng của phospholipase làm giảm phẩm chất của dầu, chỉ số acid tăng, phospholipid bị phá hủy. - Lipoxidase: có tác dụng xúc tác, thúc đẩy phản ứng oxy hóa các acid béo không no bởi oxy, tạo thành hydroperoxit. Hydroperoxit là các hợp chất không bền, dễ phân hủy. Kết quả của các phản ứng trên tạo ra trong dầu các chất độc, làm giảm chất lượng sản phẩm. Lipoxidase hoạt động tốt nhất ở 20-40oC, trên 80oC bị mất hoạt tính. pH tối ưu từ 6,5- 7,5. Kết quả này cho thấy, quá trình đốt nóng và giảm pH trong hạt là biện pháp loại trừ, hạn chế sự phá hủy của lipoxidase. (iv) Sự phá hủy do các phản ứng hóa học Trong hạt có dầu, hầu như có đủ các nhóm chất hữu cơ cũng như vô cơ, đây là cơ chất cho các phản ứng biến đổi khác nhau có thể xảy ra. Trong đó, nhóm phản ứng phổ biến nhất là các quá trình hóa học như các phản ứng oxy hóa, thủy phân, sự biến tính nhiệt của protein và phản ứng biến đổi màu Maillard. (v) Sự hư hao do sâu, mọt, chim, chuột Trong quá trình bảo quản hạt có dầu, các loại sâu, mọt, chim, chuột dễ gây ra những tổn thất đáng kể. Chúng sử dụng hạt làm chất nuôi sống và tiết thải ra trên hạt các chất bẩn, hôi thối, thậm chí cả chất gây bệnh. Sự sống và hoạt động của sâu mọt, côn trùng phụ thuộc vào hàm lượng ẩm của hạt. Khi hạt bị ẩm cao, chúng sẽ hoạt động và phát triển mạnh và khi hạt khô thì hoạt động yếu dần và chết. Độ nhiệt cũng ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của côn trùng. Phần lớn sâu mọt chết ở 50-60oC. Ở nhiệt độ dưới 0oC, chúng cũng tồn tại nhưng hoạt động yếu hơn. Khi nhiệt độ thấp hơn nữa thì chúng sẽ bị chết dần do sự kết tinh của nguyên sinh chất. Nồng độ oxy và CO2 trong môi trường bao quanh hạt cũng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động phá hủy của sâu mọt. 3.1.1.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình bảo quản Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự hư hỏng hạt dầu trong quá trình bảo quản là do sự hô hấp của hạt. Cường độ hô hấp trong quá trình bảo quản hạt phụ thuộc vào 3 nhân tố chính: hàm lượng ẩm, độ nhiệt và thành phần không khí quanh khối hạt. Những nhân tố này không những ảnh hưởng đến hàm lượng dầu có trong hạt mà còn ảnh hưởng đến cả các thành phần sống khác của khối hạt như vi khuẩn sống ký sinh trong hạt hay các tạp chất kèm theo hạt, các loại sâu bọ (i) Độ ẩm của hạt Độ ẩm của hạt thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm về thành phần và cấu tạo của chúng, độ chín của hạt. Các hạt dầu có cấu trúc xốp hình thành do hệ mao quản đi qua giữa các tế bào. Trong tế bào có chứa các chất dạng keo, có ái lực hóa học với nước (đặc biệt là các chất 28
33. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc protein), nhờ đó hạt dầu có khả năng hấp phụ hơi nước từ ngoài vào hoặc nhả hơi nước từ trong nội bào ra bên ngoài làm thay đổi độ ẩm của chúng. Quá trình hút và nhả ẩm (hơi nước) của hạt phụ thuộc vào độ bão hòa hơi nước trong không khí. Khi áp suất riêng phần của hơi nước ở trên bề mặt hạt thì hạt hấp phụ hơi nước vào bề mặt và vào bên trong (các mao quản), độ ẩm của hạt tăng lên. Ngược lại, khi áp suất hơi nước trong không khí thấp hơn trên bề mặt hạt, hạt nhả hơi nước ra bên ngoài, độ ẩm hạt giảm xuống. Khi áp suất hơi nước trong không khí và trên bề mặt hạt bằng nhau thì quá trình hút hoặc nhả ẩm ngừng lại, độ ẩm của hạt không thay đổi. Hạt dầu ở trạng thái này được gọi là hạt cân bằng ẩm. Độ ẩm tương ứng gọi là độ ẩm cân bằng của hạt. Quá trình hút ẩm của hạt thường chia làm 2 giai đoạn: - Giai đoạn đầu (giai đoạn hút ẩm liên kết): hơi nước hấp phụ vào giữa các bề mặt những phân tử dạng keo (hút nước) và được giữ lại trên các bề mặt ấy bằng các nối liên kết hydro khá bền vững. Ở dạng ẩm liên kết, nước ít có khả năng tham gia hoặc thúc đẩy các quá trình biến đổi không có ích của hạt. - Giai đoạn hai (hút ẩm tự do): Sau khi kết thúc giai đoạn một, hạt vẫn tiếp tục hút ẩm vào giữa các phân tử dạng keo, nhờ vào các lực hút tĩnh điện. Khi ở dạng ẩm tự do, nước là yếu tố quan trọng thúc đẩy các quá trình gây hư hỏng hạt, nó tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa học, làm tiêu hao lipid trong hạt. Độ ẩm của hạt ở thời điểm có nước tự do xuất hiện (kết thúc giai đoạn hút ẩm liên kết) gọi là độ ẩm tới hạn hay độ ẩm chuẩn của hạt. Độ lớn của độ ẩm tới hạn phụ thuộc vào thành phần hóa học của hạt. Nếu hạt có dầu cao, độ ẩm tới hạn của hạt sẽ giảm. Quá trình bảo quản hạt dầu đạt hiệu quả khi độ ẩm bảo quản nhỏ hơn độ ẩm tới hạn. Với tất cả các loại hạt dầu, độ ẩm chuẩn có thể xác định bằng công thức: 100 − M Ath = 14,5 100 Ath : Độ ẩm tới hạn (độ ẩm chuẩn) của hạt (%) M : Hàm lượng dầu trong hạt khô tuyệt đối (%) 14,5 : Độ ẩm ở dạng liên kết của các chất hút nước chứa trong hạt. (ii) Độ nhiệt của hạt Trong quá trình bảo quản các hạt có dầu, độ nhiệt tăng sẽ làm tăng cường độ hô hấp của khối hạt. Độ nhiệt thấp sẽ làm các quá trình sinh hóa trong hạt bị chậm lại, độ nhiệt cao sẽ thúc đẩy quá trình tự bốc nóng trong khối hạt. Tuy nhiên, ảnh hưởng của độ nhiệt đến cường độ hô hấp của hạt có giới hạn hơn. Khi hạt có độ ẩm thích hợp cho hoạt động sống của nó, từ độ nhiệt thấp tăng dần lên khoảng 50 – 70oC, cường độ hô hấp của hạt tăng. Nhưng khi tăng trên 50 – 70oC, cường độ hô hấp giảm dần, nếu tiếp tục tăng đến một độ nhiệt nhất định, hạt ngừng hô hấp (bị mất hoạt động sống). 29
34. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc (iii) Thành phần khí của không khí giữa khoảng trống của hạt Ở điều kiện không có O2, hoạt động của vi sinh vật giảm đáng kể. Lợi dụng tính chất này, để quá trình bảo quản hạt đạt hiệu quả, cần tạo điều kiện không có O2 trong khối hạt. Quá trình loại oxy khỏi khối hạt có thể tiến hành bằng hai cách: - Sử dụng các chất khí: CO2, N2, khói thay thế vào các khoảng trống của khối hạt. - Phương pháp hóa học: Đưa ngay vào giữa khoảng trống của khối hạt hơi acid propionic hay các chất khí bromua metyl, diclo etan Quá trình này đạt hiệu quả nhanh tuy nhiên nó có khả năng thay đổi phẩm chất của lipid. 3.1.1.3. Bảo quản và sơ chế hạt dầu sau thu hoạch Mục đích của quá trình này nhằm khắc phục các nguyên nhân gây hư hỏng ảnh hưởng đến chất lượng hạt dầu. Phương pháp sơ chế hạt dầu phụ thuộc vào đặc điểm, tính chất của hạt dầu cũng như quy mô và điều kiện sản xuất chế biến. Quá trình sơ chế hạt dầu tổng quát gồm các công đoạn sau: Hạt tươi ↓ Phơi sấy ↓ Làm sạch ↓ Thông gíó cưỡng bức ↓ Làm nguội ↓ Bảo quản Hình 3.1. Các công đoạn sơ chế hạt dầu sau thu hoạch (i) Làm sạch Tạp chất thường là những chất vô ích trong quá trình bảo quản, chế biến, nó còn là nguồn sản sinh ra các loại vi sinh vật phá hoại các điều kiện sống bình thường của hạt. Hỗn hợp tạp chất thường làm cho sản phẩm có mùi khó chịu. Mục đích của quá trình làm sạch hạt nhằm loại bỏ các tạp chất vô cơ có hại như đất, đá, sỏi, kim loại có trong hạt dầu làm tăng độ tro, giảm lượng lipid và protein trong hạt dầu, gây bẩn sản phẩm và hư hỏng máy móc trong quá trình chế biến. Ngoài ra, còn loại các tạp chất hữu cơ 30
35. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc như cỏ rác, thân vỏ cây tồn tại theo hạt dầu sau thu hoạch gây tăng ẩm nguyên liệu, thúc đẩy quá trình tự bốc nóng và là nguồn cung cấp vi sinh vật có hại. Các phương pháp làm sạch hạt thường sử dụng như : - Sàng - Sử dụng sức gió (khí động lực) - Sử dụng từ tính (nam châm) - Sử dụng sàng gió - Sử dụng môi trường lỏng (ii) Sấy hạt Quá trình sấy hạt trước khi bảo quản và chế biến giúp hạt có độ ẩm an toàn, không hư hỏng trong quá trình chế biến. Ngoài ra, còn giúp diệt một phần lớn vi khuẩn, sâu bọ ký sinh nhờ nhiệt độ sấy. Dựa vào tính chất của quá trình truyền nhiệt có thể sử dụng các phương pháp như đối lưu, dẫn nhiệt hay bức xạ nhiệt để làm khô hạt. Trong đó, sấy hạt nhờ vào quá trình đối lưu nhiệt phổ biến và mang lại hiệu quả cao. Nguồn nhiệt sử dụng là không khí đốt nóng hoặc các sản phẩm cháy của nhiên liệu đi qua lớp hạt ẩm. Tùy thuộc vào mục đích sấy, độ ẩm ban đầu của nguyên liệu, kích thước nguyên liệu có thể tiến hành sấy cùng chiều hay ngược chiều. Phương pháp sấy đối lưu cùng chiều được áp dụng nhiều. (iii) Thông gió cưỡng bức Ý nghĩa chính của quá trình thông gió cưỡng bức là hạ được độ nhiệt và làm khô một phần ẩm của các đống hạt mà không cần phải đảo trộn chúng. Ngoài ra thông gió cưỡng bức cho hạt còn có thể sử dụng tốt trong các phương án tổng hợp của các máy sấy nhằm: - Sơ bộ làm khô hạt ở kho trước khi chuyển đi sấy, - Làm nguội hạt sau khi sấy giúp tăng hiệu suất máy sấy, - Giảm độ ẩm của hạt trong quá trình bảo quản, - Loại trừ các ổ tự bốc nóng của hạt. (iv) Làm nguội hạt Hạt khi ra khỏi thùng sấy thường có độ nhiệt cao, tiến hành bảo quản ngay thường làm tăng độ ẩm của hạt do hơi nước trong không khí ngưng tụ lại trên bề mặt lớp hạt. Ngoài ra, quá trình làm nguội hạt thường làm giảm thêm lượng ẩm của hạt khoảng 1%. 31
36. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Nguyên tắc chính của quá trình làm nguội hạt sử dụng không khí mát thổi qua các hộp chóp và hạt thì rơi ở phía ngoài chóp. (v) Bảo quản hạt Để bảo quản hạt khô thường sử dụng các xilô chứa hạt. Trong quá trình bảo quản, cần kiểm tra thường xuyên tình trạng hạt thông qua việc xác định độ nhiệt, độ ẩm, chỉ số acid của hạt nhằm phát hiện và khắc phục kịp thời tình trạng hư hỏng nếu có của khối hạt. 3.1.2. Giai đoạn tiền xử lý hạt dầu Các hạt có dầu thường chứa từ 1/ 4 đến 3/ 4 lipid. Thành phần lipid này không nằm ở dạng tự do mà được kết hợp chặt chẽ với các thành phần khác trong nguyên liệu như protein, glucid và được giữ lại trong nội bào hạt. Chính vì nguyên nhân này, hạt dầu trước khi được tách chiết cần phải trải qua quá trình chuẩn bị nhằm mục đích: - Tăng hiệu suất quá trình trích ly: Dầu được di chuyển ra ngoài bề mặt hạt qua các công đoạn chuẩn bị. - Giúp nguyên liệu có cấu trúc tính chất phù hợp cho quá trình tiếp theo. - Giảm hao tốn nguyên liệu. Hai công đoạn chủ yếu trong quá trình tiền xử lý là tách vỏ hạt và nghiền hạt dầu. 3.1.2.1. Tách vỏ hạt (i) Mục đích - Tăng hàm lượng dầu của nguyên liệu chế biến: Dầu trong mô tập trung chủ yếu ở nhân hạt, vỏ quả và vỏ hạt có một lượng rất ít với thành phần không giống thành phần lipid ở nhân. Vì vậy khi chế biến hầu hết các loại hạt dầu cần tiến hành tách nhân, mô chứa dầu chủ yếu khỏi lớp vỏ ngoài của hạt chứa ít dầu. Ngoài ra, vỏ quả và vỏ hạt có tính xốp, hấp thu dầu, hình thành liên kết giữ dầu lại ở vỏ, tăng tổn thất dầu. - Nâng cao năng suất thiết bị công nghệ: Vỏ quả và vỏ hạt có độ bền cơ lớn hơn rất nhiều so với nhân sẽ gây giảm hiệu suất làm việc của máy, thiết bị, gây chóng mòn các bộ phận làm việc của máy. - Tăng chất lượng dầu: Lipid của vỏ hạt với thành phần chủ yếu là sáp và các chất tương tự lẫn vào dầu sẽ làm giảm giá trị cảm quan cũng như chất lượng dầu. (ii) Phương pháp tách vỏ hạt Quá trình tách vỏ hạt bao gồm các bước chính: phá vỡ vỏ hạt, xay xát và phân ly hỗn hợp sau xay. Tùy thuộc tính chất cơ lý của các mô hạt dầu, máy xay xát vỏ được thiết kế quy trình làm việc theo các nguyên lý khác nhau. Yêu cầu đối với các máy xát vỏ là chỉ phá vỡ 32
37. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc vỏ, giữ cho nhân không xay xát. Khi xát vỏ, công được chi dùng cho phá vỡ vỏ và giải phóng nhân. Dưới tác động của tải trọng đập lên vỏ hạt, vỏ sẽ bị phá vỡ. Các phương pháp phá vỡ vỏ hạt thường được sử dụng trong công nghệ sản xuất dầu: - Phá vỡ vỏ hạt do ma sát với bề mặt nhám Sử dụng thiết bị có vành nhám trên thân hay máy xát khí động học, chuyển hạt vào máy với vận tốc xác định, tiếp xúc bề mặt hạt với bề mặt nhám hình thành lực cản hãm chuyển động của hạt, vỏ sẽ tróc ra khỏi nhân. - Phá vỡ vỏ hạt do sự va đập lên bề mặt rắn Nguyên lý: Vỏ hạt chuyển động với vận tốc nào đó (không cố định) va đập lên bề mặt rắn chuyển động, vỏ hạt vỡ ra tách khỏi nhân. Tùy thuộc loại hạt mà vận tốc dòng hạt khác nhau. Thí dụ như trong tách quá trình tách vỏ hạt hướng dương, với vận tốc 10 m/s, vỏ bắt đầu tróc khỏi hạt, khi tăng vận tốc 65 m/s, vỏ bị phá vỡ hoàn toàn, tuy nhiên với vận tốc này, tỷ lệ hạt bể là 25%. Thiết bị sử dụng cho quá trình tách vỏ hạt theo phương pháp này có thể là máy xát kiểu cánh búa, máy xát ly tâm. - Phá vỡ vỏ hạt do cắt hạt bằng cơ cấu dao Nguyên lý: Hạt rơi vào khe giữa các dao chuyển động và dao tĩnh, các lưỡi dao bố trí trên đĩa quay sẽ xát vỏ, giải phóng nhân. Thiết bị: Máy xay dĩa, xay dao. - Phá vỡ vỏ hạt do nén ép trong khe giữa các trục quay Hạt rơi vào khe trục quay của máy cán 1 đôi trục, có 2 bề mặt nhẵn và mặt nhám, rãnh khía sẽ bị nén, vỏ bị xé nứt ra và tách khỏi nhân. (iii) Các nhân tố ảnh hưởng đến xay xát vỏ hạt - Độ ẩm Trong trường hợp độ ẩm vỏ < độ ẩm nhân: khi phá vỡ vỏ khô giòn, nhân ẩm dai, giữ nguyên được hình dạng nhân và dễ dàng tách khỏi vỏ. Với độ ẩm khối hạt khác nhau, vỏ sẽ tróc không đều trong quá trình xay xát. Tùy thuộc loại hạt, yêu cầu độ ẩm khác nhau. Nhìn chung, độ ẩm phù hợp nằm trong khoảng từ 7%- 8%. Độ ẩm hạt thấp, chi phí điện năng giảm nhưng hạt quá khô, dễ vỡ. Khi độ ẩm hạt tăng: Nếu cỡ hạt được chỉnh phù hợp với vận tốc, vỏ dễ bị phá vỡ, lượng nhân nguyên cao, nhưng chi phí điện năng tăng. Trường hợp cỡ hạt không phù hợp với vận tốc, lượng nhân nguyên giảm rõ rệt. - Kích thước hạt Khối hạt đồng đều về kích thước, hiệu quả xát vỏ tăng, dễ dàng điều chỉnh chính xác chế độ làm việc của máy xát. 33
38. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Với khối hạt có cùng độ ẩm, hạt lớn dễ tróc vỏ hơn hạt bé, đồng thời việc tiêu thụ điện năng cũng ít hơn. Thí dụ: Hạt hướng dương có độ ẩm 6-7 %, với cỡ hạt 6 mm, vận tốc xát 31m/s; với cỡ hạt < 6mm, vận tốc xát 34 m/s. - Đặc điểm hạt Hạt có phẩm chất khác nhau như kích thước, độ dày vỏ, tỷ lệ vỏ/nhân khác nhau, hiệu quả xát sẽ khác nhau. Hạt có độ bền lớn, cỡ hạt nhỏ, khối lượng nhỏ, nhân nhiều, vận tốc phá vỡ vỏ tăng. - Động lực phá vỡ vỏ hạt Vỏ hạt chịu tác dụng của ngoại lực do cánh búa của tay quay va đập lên hạt- lực nén đẩy, lực ma sát giữa các hạt với nhau, ma sát giữa hạt và thiết bị. Ngoài ra, hạt còn chịu tác động của nội lực là lực uốn cong, lực biến dạng đàn hồi của hạt. Hạt chịu nén động học mất đi mối liên hệ bền vững giữa nhân và vỏ, hạt bị rạn nứt, nhân tách khỏi vỏ hạt. Vỏ hạt còn do cạnh biên của các cánh búa làm vỡ hoặc bị vỡ trong lúc bay từ mặt cánh búa vào thành trong lòng máy. Những hạt khi búa đập không đủ lực làm vỡ vỏ, khi văng vào mặt ráp của lòng máy sẽ bị vỡ tiếp tục. (iv) Phân ly hỗn hợp xay Thành phần hỗn hợp sau xay chủ yếu gồm: - Nhân nguyên, nhân nửa, - Mảnh nhân vỡ lớn, nhỏ, trung bình, - Vỏ nguyên, nát, - Bụi dầu (cám). 3.1.2.2. Phương pháp tách vỏ khỏi nhân Sau quá trình xay, để có thể tách riêng từng thành phần trong hỗn hợp ra khỏi nhau, quá trình phân ly bằng sàng phân loại kích thước hay sử dụng tính chất khí động học của các thành phần để phân ly nhờ quạt gió được ứng dụng. Các thiết bị phân ly thường dùng như: - Sàng quạt Nhiệm vụ chủ yếu của máy sàng quạt là loại bỏ triệt để vỏ khỏi nhân với tổn thất dầu theo vỏ ít nhất. Máy sàng quạt làm việc bình thường khi sản xuất khô dầu có độ vỏ thấp, tỷ lệ vỏ cho phép trong nhân không lớn hơn 1,6%, thông thường không vượt quá 3%. Khi dùng nhân để trích ly, tỷ lệ vỏ cho phép trong nhân không lớn hơn 8% nhằm trợ giúp cho 34
39. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc quá trình khuếch tán dầu. Hàm lượng dầu trong vỏ thải không vượt quá 0,5%. Năng suất: 50-60 tấn hạt/ngày. - Sàng điện Máy sàng điện gồm 2 phần: phần tĩnh điện (điện cực) và phần khung sàng phân tách nhân và vỏ dựa trên sự khác biệt tính chất vật lý và điện lý của chúng. Năng suất 200 tấn hạt/ngày. Tỷ lệ nhân lẫn theo vỏ <0,26%. Hiệu suất phân ly 97,6- 98,2%. - Sàng đập Máy sàng đập làm việc theo nguyên lý tác động cơ học lên hỗn hợp xay. Quá trình tách nhân khỏi vỏ, hạt nguyên vỏ, hạt bị cắt dập được thực hiện theo 2 bước: - Đầu tiên đập tung nhân ra khỏi các hạt đã bị vỡ và vỏ. - Tách riêng nhân ra khỏi vỏ bằng sàng. Lượng hạt nguyên vỏ lẫn theo vỏ thải ≤ 1%. - Sàng tinh Máy làm sạch liên hợp giữa máy sàng lắc kép và quạt gió. Hỗn hợp xay được phân đều lên mặt sàng trên. Nhân và các phần vỏ vụn lọt sàng rơi xuống mặt sàng dưới. Hạt nguyên vỏ, nhân nguyên và vỏ không lọt sàng rơi vào vùng hộp gió. Quạt hút lấy vỏ dẫn theo dòng không khí vào xylon, sau đó vào máy sàng đập, hạt không lọt sàng trên, rơi xuống hộc chứa, từ đó đem xay lại. Nhân và vỏ vụn rơi xuống mặt sàng dưới được chia 2 thành phần: nhân lọt sàng rơi xuống tấm hứng , vỏ không lọt sàng trượt trên bề mặt sàng xuống hộp gió. Dòng không khí do quạt gây ra tiếp tục hút một phần vỏ, phần vỏ còn lại trên mặt sàng dưới rơi chung với dòng nhân lọt mặt sàng dưới. Năng suất máy sàng tinh 70 tấn hạt/ ngày. Nhân ra khỏi sàng dưới của máy sàng tinh có lượng vỏ không lớn hơn 10- 12%. 3.1.2.3. Nghiền nguyên liệu chứa dầu (i) Mục đích - Phá vỡ cấu trúc tế bào nguyên liệu chứa dầu để dầu dễ dàng thoát khỏi phần protein khi ép hoặc trích ly. - Tạo tính đồng đều cho khối bột nghiền, đây là điều kiện thuận lợi cho quá trình chưng sấy sau này. Nếu khối bột nghiền có hình dạng và kích thước không đều, hiệu suất ép tách dầu chỉ ở mức độ thấp. (ii) Kỹ thuật nghiền Muốn phá vỡ tế bào của một vật thể cứng thường phải sử dụng lực cơ học. Tùy thuộc độ bền cơ học của từng loại nguyên liệu mà sử dụng các loại lực nghiền khác nhau. Do đó việc chọn một loại thiết bị nghiền phải dựa vào tính chất cơ học của nguyên liệu kết hợp với yêu cầu bột nghiền. 35
40. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Các loại máy nghiền thường sử dụng: nghiền trục (máy cán trục), nghiền búa, nghiền đĩa Trong đó, máy nghiền trục được sử dụng phổ biến nhất. Tùy thuộc loại nguyên liệu, điều kiện nghiền khác nhau: - Đậu phộng - Độ ẩm trước khi nghiền < 8,5%. - Sử dụng máy nghiền 2 đôi trục. - Mức độ phá vỡ nhân (lượng bột lọt sàng ở các đường kính khác nhau): Với đường kính d= 1mm là 10-15%, d= 2 mm đạt 70-80%. - Dừa Cùi dừa có hàm lượng dầu cao, kích thước dày và dài. Do đó, trước khi nghiền cần cắt cùi dừa thành từng mảnh có chiều dài 20- 25 mm. Nghiền qua 2 thiết bị : - Nghiền búa đến kích thước lọt qua lỗ rây d=1 mm là 15%. - Nghiền nhỏ bằng máy nghiền 2 đôi trục. - Đậu nành (đậu tương) Đậu nành có hàm lượng dầu tương đối cao, kích thước hạt nhỏ, thường sử dụng máy nghiền 2 đôi trục hay 1 trục, có rãnh khía. Mức độ phá vỡ nhân ở d= 1mm xấp xỉ 60%. (iii) Sự biến đổi tính chất của nguyên liệu trong quá trình nghiền - Sự phá hủy cấu trúc tế bào Ưu điểm khi tiến hành nghiền các hạt chứa dầu là cấu trúc các mô tế bào bị phá vỡ, dầu từ bên trong nội bào giải phóng ra ngoài bề mặt, tăng hiệu suất quá trình ép hay trích ly. Tuy nhiên, quá trình này làm cho bề mặt tự do của nguyên liệu trở nên lớn, dầu trên bề mặt nguyên liệu tiếp xúc với không khí, quá trình oxy hóa dầu (ôi hóa) diễn ra nhanh chóng. Trong quá trình nghiền, một phần dầu trong tế bào được thoát ra trên bề mặt và nằm lại đó dưới tác dụng của lực liên kết phân tử, một phần dầu còn sót lại sẽ nằm yên trong các mảnh tế bào bị phá hủy, gây tổn thất dầu. Nếu lực nghiền càng nhỏ thì hàm lượng dầu giữ lại trong nguyên liệu càng nhiều. - Biến đổi hóa học và sinh hóa của hạt khi nghiền Dầu trong nội bào sau khi giải phóng ra do việc phá vỡ cấu trúc tế bào khi nghiền, hấp phụ trên một diện tích rộng lớn ở bề mặt các hạt bột. Trong quá trình đó, nguyên liệu nguyên liệu có những biến đổi hóa học và sinh hóa nhất định. Nguyên nhân chủ yếu do: - Tác động cơ học của lực nghiền. - Tác động của nhiệt sinh ra do ma sát giữa nguyên liệu với bề mặt nghiền và giữa nguyên liệu với nguyên liệu. 36
41. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc Sự biến đổi sinh hóa thường xảy ra trong quá trình nghiền chủ yếu là do sự biến tính protein với mức độ khác nhau do tác động cơ cũng như tác động nhiệt. Tuy nhiên, sự biến tính này không sâu sắc do thời gian tác động của lực nghiền và nhiệt lên nguyên liệu không dài. Ngoài ra, quá trình nghiền hạt còn là nguyên nhân làm cho các hệ enzyme trong tế bào bị phá vỡ đã giảm một phần hoạt tính, sau khi bị phá vỡ cấu trúc, tạo khả năng tiếp xúc giữa dầu và oxy, không khí ẩm của khí quyển, các quá trình oxy hóa và thủy phân dầu sẽ diễn ra, cường độ hô hấp của hạt tăng. Trên bề mặt bột, có sự phát triển mạnh các hệ vi sinh vật, gây mất dầu và các thành phần khác như protein, glucid. Cường độ các quá trình phá hủy xảy ra trong bột càng mạnh khi dầu được giải phóng ra dưới dạng một lớp màng mỏng, phủ ở bề mặt bên trong cũng như mặt ngoài hạt bột. (iv) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền - Độ ẩm nguyên liệu Hạt ẩm dẻo hơn nhưng ít dòn hơn hạt khô, làm cho sự biến dạng dẻo tăng khi độ ẩm hạt tăng. Hạt ẩm, khi nghiền sẽ bị cán dẹp, không bị đập vỡ, dễ bết vào trục nghiền, bột nghiền thoát ra khỏi khe trục có dạng dẹt, trong khi đó từ hạt khô sẽ thu được bột tơi mịn, nhiều cám, tấm. Độ ẩm của hạt và nhân ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nghiền: Độ ẩm thích hợp cho quá trình nghiền tùy thuộc vào loại nguyên liệu, hàm lượng dầu trong từng loại nguyên liệu. Đối với hạt có chứa hàm lượng dầu cao, độ ẩm nguyên liệu càng thấp, và ngược lại, hạt có hàm lượng dầu thấp, độ ẩm có thể cao hơn. Thí dụ : Đối với đậu phộng, độ ẩm giới hạn là 6- 7%. Đối với dừa, độ ẩm giới hạn là 7-8 %. - Hàm lượng dầu trong nguyên liệu Hạt có hàm lượng dầu cao, độ nhớt cao, khi vào khe trục, đều tiên bị các trục nén dầu thoát ra và bôi trơn bề mặt nghiền, giảm ma sát nguyên liệu và bề mặt nghiền, các trục cuốn bột vào khe rất khó, làm giảm hiệu suất nghiền. - Nhiệt độ nghiền Khi nhiệt độ tăng, tính dẻo của nguyên liệu cũng tăng, khó nghiền đạt yêu cầu thích hợp. Với độ ẩm thích hợp, nhiệt độ nghiền không lớn hơn nhiều so với nhiệt độ không khí. Nhiệt độ nghiền thích hợp 25-45oC. (v) Các chỉ tiêu về bột nghiền - Độ nhỏ và mỏng: Bột nghiền càng mỏng càng nhỏ, dầu trong nguyên liệu dễ dàng tách ra khi ép hay trích ly, khối bột dễ tiếp xúc với nhiệt và hơi 37
42. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc nước trong nồi chưng. Bột quá vụn dễ vón cục, cánh khuấy khó làm việc, hơi không thoát ra khi chưng và sấy. - Tỷ lệ vỏ lẫn trong bột: Vỏ càng nhiều tỷ lệ tổn thất dầu theo khô dầu càng lớn, chất lượng dầu và khô dầu càng kém. Tỷ lệ vỏ lẫn trong bột được xác định hàm lượng xơ trong bột nghiền và nhân hạt. - Độ acid và mùi: Đây là chỉ tiêu quan trọng trong trường hợp bột nghiền không được sử dụng ngay. Bột có độ acid, mùi mốc hắc cần đem chế biến riêng (thành phẩm có chất lượng xấu). Mặc dù vậy, khối bột sau khi nghiền rất khó đạt được sự đồng đều cao. Nguyên nhân chủ yếu do độ bền của bản thân vật thể phân bố không đều nhau trên toàn bộ cấu trúc của hạt. Chính vì thế, khi có ngoại lực tác động vào thì sự phân hủy xảy ra ở những khu vực có sự phản kháng yếu hơn. Mặt khác, ngoại lực tác động lên vật thể cũng phân bố không đều nhau về cường độ và phương của lực. Ở những góc cạnh, vật thể rắn chịu tác dụng của lực lớn, do đó, sự phân hủy xảy ra mạnh. Ở máy nghiền trục, hiện tượng này diễn ra phức tạp hơn vì khi hạt rơi vào giữa khe trục thì vị trí của hạt nằm ở khe trục không giống nhau nên chịu tác động của lực không đều nhau. Hơn nữa, bản thân nguyên liệu có kích thước khác nhau nên dưới tác động cơ học của lực nghiền, nguyên liệu bị vỡ thành từng mảnh có kích thước khác nhau. Ngoài ra, do những thay đổi về hóa học và sinh hóa nên bột nghiền dễ bị chua, chỉ số acid tăng cao, khó bảo quản. Cần tiến hành nghiền và chứng sấy song song, tránh việc thay đổi chất lượng dầu và hiệu quả tách dầu. 3.1.3. Chưng sấy bột nghiền (gia công nhiệt ẩm) 3.1.3.1. Mục đích - Chưng sấy bột nghiền là quá trình gia công nhiệt ẩm cho khối hạt nhằm mục đích chủ yếu là tạo sự đồng đều cho khối hạt và tạo điều kiện tốt cho quá trình tách chiết dầu đạt hiệu quả cao nhất. Quá trình chưng sấy sẽ phá vỡ liên kết tự nhiên giữa phần béo và phần không béo, giúp dầu thoát ra ở dạng tự do dưới tác dụng của nước và nhiệt. - Ngoài ra, nhờ vào các tác động này đã tạo cho dầu có độ nhớt thích hợp (thấp nhất), tạo tính linh động cho dầu. - Vô hoạt enzyme không mong muốn, xúc tác quá trình phân hủy dầu (lipase, lipoxygenase, phospholipase). - Làm mất tính độc của nguyên liệu nếu nguyên liệu có chứa độc tố. - Mặt khác, chưng sấy còn làm thay đổi một phần về mặt hóa học theo chiều hướng tích cực cho các giai đoạn kế tiếp nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối: Protein bị biến tính nhiệt nên tính dẻo của bột ép tăng, độ tiêu hóa của khô dầu tốt hơn. 38
43. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 3.1.3.2 Các biến đổi bột nghiền khi chưng sấy Do ảnh hưởng của nhiệt và hơi nước khi chưng sấy, các chất trong khối bột nghiền có những thay đổi về tính chất vật lý, hoá, sinh (i) Các biến đổi vật lý Trong giai đoạn làm ẩm, các chất phi lipid sẽ trương nở. Nhờ quá trình làm ẩm được thực hiện ở nhiệt độ không cao (50-600C) nên bột chỉ ở trạng thái liên kết và trương nở nhưng không bị hồ hóa, điều này giúp cho tính dẻo của bột tăng lên. Trong các hạt bột đã trương nở mối liên hệ giữa dầu và các thành phần phi lipid bị yếu đi, chiều dày các màng dầu tăng dần và chuyển lên trên bề mặt các hạt bột. Do phần ưa nước hút nước trương nở, thể tích của bột cũng tăng lên. Khi đó dầu từ bên trong các khe vách chuyển ra phía mặt ngoài. Tốc độ trương nở lúc mới bắt đầu hút nước lớn, sau đó giảm dần và đến cuối quá trình thì bột không còn hút nước nữa. Tốc độ thấm nước của bột phụ thuộc vào: - Điều kiện làm ẩm, chủ yếu là sự đảo trộn, - Tính chất háo nước trong nguyên liệu, - Khối lượng nước làm ẩm, - Hàm lượng dầu trong nguyên liệu. Ở giai đoạn sấy, nhiệt độ tăng đến 105oC nhằm bốc thoát bớt một phần nước, điều này dẫn đến sự biến tính protein làm thay đổi đặc tính bột, bột trở nên cứng và có tính đàn hồi. Sự biến tính của protein giúp cho liên kết với dầu giảm, độ nhớt dầu giảm làm tăng tính linh động của dầu, dầu dễ dàng thoát ra khi ép Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng đến 150-180oC, bột chưng sấy trở nên chảy lỏng, mặc dù protein biến tính sâu sắc. (ii) Biến đổi hoá học Các chất protein trong bột chưng sấy ở nhiệt độ 75-80oC và độ ẩm 10% đã bị biến tính sâu sắc. Mức độ biến tính của các chất protein trong thời gian gia công nhiệt ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian chưng sấy. Dưới tác dụng của nhiệt độ, các glucid và protein sẽ tương tác theo phản ứng caramel và Melanoidin. Hai phản ứng này tạo ra các sản phẩm có màu sẫm làm cho khô dầu và dầu cũng bị sẫm màu, gây ảnh hưởng đến chất lượng dầu và khô dầu. Quá trình gia nhiệt còn làm cho liên kết của phospholipid với các thành phần khác bị cắt đứt, giải phóng phospholipid tự do. Phospholipid tự do dễ hòa tan trong dầu làm cho hàm lượng phospholipid trong dầu tăng. Nhiệt độ còn là nguyên nhân thúc đẩy các quá trình oxy hóa dầu làm giảm chất lượng dầu. (iii) Các biến đổi sinh hoá Ở giai đoạn đầu chưng sấy, nhiệt độ không cao (50-60oC), đồng thời độ ẩm tăng nên cường độ hoạt động của các enzyme thủy phân dầu tăng. Song song đó, sự sống và hoạt động của các vi sinh vật cũng tăng làm ảnh hưởng không tốt đến chất lượng bột 39
44. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc chưng sấy. Ở nhiệt độ cao hơn, trong giai đoạn sấy, hoạt động của các enzyme và các vi sinh vật bị ức chế vì protein bị biến tính. 3.1.3.3.Yêu cầu đặc tính kỹ thuật của bột chưng sấy Bột chưng sấy phải có đặc tính kỹ thuật phù hợp với điều kiện làm việc của máy ép hoặc trích ly. Tùy theo từng loại nguyên liệu, cơ cấu của thiết bị mà bột chưng sấy có những đặc tính kỹ thuật khác nhau, nhưng yêu cầu chung quan trọng là mức độ đồng nhất của khối bột. - Mức độ đồng nhất chung: khối bột phải có tính đồng nhất về kích thước, hình dạng, độ ẩm, tính dẻo, đàn hồi - Mức độ đồng nhất nội tại: đồng nhất về đặc tính bề mặt và đặc tính bên trong của các phân tử bột. Nếu bột không đạt độ đồng nhất chung cũng như đồng nhất nột tại thì hiệu quả thoát dầu sẽ giảm. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất khó đạt được cả hai độ đồng nhất này. Độ ẩm của khối bột sau chưng sấy thường từ 8-12%. 3.1.4. Chiết tách dầu bằng quá trình ép 3.1.4.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình ép dầu Khởi đầu của quá trình chiết tách dầu được tiến hành bằng biện pháp ép sử dụng hơi nước, tiến trình này được thực hiện theo biện pháp thủ công, gián đoạn (batch). Đến năm 1092, quá trình tách chiết dầu liên tục bằng thiết bị ép trục vít đã được Anderson phát minh và đưa vào sử dụng. Cơ chế ép tách bằng trục vít này dựa trên việc thiết kế cấu tạo thể tích giảm dần của vít Archimede trong lòng ống. Ngay lập tức, cơ chế này được ứng dụng như một phương pháp tiêu chuẩn và phổ biến nhất cho quá trình chiết tách dầu của hầu hết nguyên liệu. Thiết bị cơ bản ban đầu này đã được cải tiến và hoàn thiện dần, giúp hiệu suất tách dầu ngày càng nâng cao. Nhờ thiết kế đặc biệt của vít tải, dầu được giải phóng ra khỏi bột nghiền do sự tạo thành áp lực trong máy ép - do sự nén nguyên liệu và sức phản kháng của nguyên liệu: Bột chưng sấy sau khi đã được chuẩn bị có cấu trúc đàn hồi và cơ lý nhất định, phần protein của bột có tính dẻo rất cao, dễ dàng biến dạng không phục hồi về trạng thái cũ. Dầu phân bố trong các khe vách và trên mặt các hạt bột là chất lỏng, độ nhớt nhỏ ở nhiệt độ cao. Khi bột bị ép trong lòng máy, áp lực hình thành giúp dầu từ các khe vách thoát ra. Sự thay đổi áp lực lớn hay nhỏ phụ thuộc vào cấu tạo lòng ép, trục vít và đặc tính cơ lý của bột ép. - Cấu tạo thiết bị: Sự thay đổi đường kính lòng ép, chiều dài bước vít, thanh gạt ở cửa ra khô. - Đặc tính cơ lý của bột ép: + Bột nhão, nước đặc, máy không tạo áp lực. 40
45. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc + Bột khô, trục vít không quay được, gây hư máy. Trường hợp thiết bị có thể làm việc được, áp lực tạo thành thường rất cao, nhiệt độ ép cao, bột sẫm màu, khô dầu có màu nâu xám. Nếu áp lực tăng cao, tính chảy dẻo của bột cũng tăng, làm tắc khe căn thoát dầu. 3.1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách dầu (i) Mức độ nghiền hạt Bột chưng sấy không đồng đều, khả năng hút ẩm với lượng cần thiết cũng không đồng đều về tốc độ, lượng ẩm phân phối không đồng nhất ở toàn khối bột, hiệu suất chiết tách giảm. Ngoài ra, cấu trúc bột nghiền phải được phá vỡ ở mức tối đa vì nếu bột nghiền có kích thước lớn, đường đi của dầu dài nên dầu khó thoát ra dưới tác dụng của lực khuấy. (ii) Số lượng vỏ lẫn trong khối bột nghiền Vỏ lẫn trong khối bột nhiều, lượng nước làm ẩm cũng tăng, thời gian, ngoài ra vỏ có thành phần chủ yếu là cellulose khả năng hút dầu cao làm giảm hiệu suất. (iii) Mức độ làm ẩm và nhiệt độ chưng sấy Mức độ làm ẩm và nhiệt độ chưng sấy phải thích hợp để bột có tính chất cơ lý thích hợp (dẻo, đàn hồi). Ở trạng thái này, dưới tác động của cánh khuấy, dầu thoát ra dễ dàng. - Nếu bột quá khô khi chưng sấy bột không dẻo, không bị vón thành cục có kích thước nhất định. Khi ép, bột rời rạc, dầu không thoát ra được. - Nếu bột quá nhão, dầu được giữ lại trong các khe vách tế bào, các tế bào lại liên kết chặt chẽ với nhau do bột quá ướt, làm tắc các đường thoát dầu. (iv) Thời gian thoát dầu Ứng với mỗi thiết bị (có thể tích, tốc độ khuấy, diện tích và những vị trí những lỗ lưới thoát dầu khác nhau) cần thời gian thoát dầu nhất định. Thời gian thoát dầu được tính bằng hiệu số giữa thời gian từ lúc bột đi vào đến khi khô dầu thoát ra. Chính vì thế, nếu thời gian thoát dầu ngắn, dầu thoát ra chưa hết; ngược lại, thời gian thoát dầu dài, năng suất giảm. (v) Cấu tạo thiết bị Mức độ tách kiệt dầu từ bột còn phụ thuộc vào những nét đặc biệt của kết cấu lòng ép, cỡ hình gân vít, bước vít 3.1.4.3. Các biện pháp ép dầu cơ bản Tùy thuộc vào tính chất nguyên liệu, việc chiết tách dầu từ hạt dầu được thực hiện theo các biện pháp khác nhau: Chiết tách theo 2 giai đoạn (ép sơ bộ trước khi ép kiệt hay trích ly) hay ép trực tiếp (1 giai đoạn). 41
46. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc - Ép sơ bộ: sử dụng thiết bị ép dầu có áp suất tạo thành thấp, điều này dẫn đến lượng dầu còn sót lại trong bánh dầu khoảng 15-25%. Lượng dầu còn lại được tách chiết bằng biện pháp trích ly hay sử dụng thiết bị ép kiệt. - Ép trực tiếp: máy ép được thiết kế với áp suất tạo thành trong ép cao hơn, dầu được chiết tách ra khỏi nguyên liệu với hiệu suất cao, lượng dầu còn lại trong khô dầu dao động trong khoảng 4-7%. Kỹ thuật này yêu cầu năng lượng sử dụng lớn hơn, đồng thời nhiệt độ của bánh dầu gia tăng trong suốt tiến trình ép. Điều này có thể là nguyên nhân làm cho dầu dễ bị oxy hóa và ôi hóa, đồng thời xảy ra các biến đổi làm giảm phẩm chất dầu. Chính vì thế, việc làm lạnh hệ thống trong suốt quá trình ép cần thiết phải được tiến hành nhằm ngăn cản tác động xấu của nhiệt độ. Cho đến trước năm 1990, quá trình tách chiết dầu bằng ép kiệt một lần ít khi sử dụng do lượng dầu sót lại sau khi ép vẫn cao. Tuy nhiên, do vấn đề bảo vệ môi trường, quá trình ép kiệt được áp dụng rộng rãi hơn nhằm hạn chế lượng dung môi sử dụng và thải loại. Ngoài biện pháp ép trục vít thông thường, một số loại dầu có chất lượng cao như dầu olive thường được tách chiết bằng ép lạnh. Ở phương pháp này, không có giai đoạn xử lý nhiệt được áp dụng cho nguyên liệu trước khi tách chiết ở thiết bị ép trục vít. Quá trình ép lạnh được sử dụng nhằm mục đích ngăn cản quá trình phát sinh mùi trong dầu. Sơ đồ tổng quát của quá trình chiết tách dầu từ hạt chứa dầu được tổng hợp ở hình 3.2. Nguyên liệu Hạtdầu, thu hoạch Tiềnxử lý Làm sạch, sấykhô Hạtdầu, bảoquản Giảmkíchthước Tách vỏ, nghiền Xử lý nhiệt-ẩm Chưng sấybột nghiền Chiếttáchdầu1 Ép sơ bộ Nghiềntơi Giai đoạn trung gian Bánh dầu Bột(flakes) Chiếttáchdầu2 Ép kiệtTríchly Sau xử lý Toasting Loại dung môi Thủy hóa Dầu Bánh Bã Sảnphẩmcuối Dầu thô 2 Lecithin thô dầu dầu Hình 3.2. Sơ đồ chiết tách dầu từ hạt dầu 42
47. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc 3.1.5. Chiết tách dầu bằng phương pháp trích ly Trích ly dầu được thực hiện dựa trên đặc tính hòa tan tốt của dầu thực vật trong các dung môi hữu cơ không cực như xăng, hecxan, dicloetan , chủ yếu là hexan. Việc chuyển dầu phân bố bên trong cũng như mặt ngoài các cấu trúc vật thể rắn như hạt, bột chưng sấy, khô dầu vào pha lỏng của dung môi là một quá trình truyền khối xảy ra trong lớp chuyển động, dựa vào sự chênh lệch nồng độ đầu trong nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài. Khai thác dầu bằng phương pháp trích ly đem lại hiệu quả kinh tế cao, được nhiều nước trên thế giới áp dụng do có nhiều ưu điểm: - Máy móc thiết bị được cơ giới hóa và tự động hóa hoàn toàn nên quy trình sản xuất liên tục, năng suất thiết bị cao, thao tác dễ dàng, hiệu suất lao động cao. - Trích được triệt để hàm lượng dầu từ nguyên liệu, hàm lượng dầu còn lại trong bã rất thấp (0,1- 0,3%). Do đó, dầu tổn thất trong quá trình sản xuất không đáng kể. - Đối với các loại nguyên liệu có chứa hàm lượng dầu thấp (17- 18%) và loại nguyên liệu chứa dầu quý thì chỉ dùng phương pháp trích ly có hiệu quả khai thác cao. Tuy nhiên, quá trình trích ly đòi hỏi hệ thống trích ly phải đảm bảo, tránh hiện tượng cháy nổ do dung môi có nhiệt độ sôi thấp, dung môi sử dụng có chất lượng cao, phù hợp với từng loại nguyên liệu nhằm tránh tổn thất cũng như giảm phất chất của dầu. 3.1.5.1. Bản chất hóa lý của quá trình trích ly Bản chất của quá trình trích ly là quá trình ngâm chiết dầu trong dung môi hữu cơ. Đây là kết quả của 4 quá trình kết hợp: - Sự di chuyển vật lý của dầu từ hạt, - Khử dung môi và hạt đã tách dầu: sản phẩm là khô dầu được sử dụng trong chế biến thức ăn gia súc, - Tách loại dung môi từ dầu đã trích ly, - Thu hồi dung môi cho các quá trình sử dụng lại. Việc chuyển dầu từ nguyên liệu vào dung môi được thực hiện nhờ vào quá trình khuếch tán, trong đó: - Khuếch tán phân tử (20%): Chuyển dầu từ nội tâm nguyên liệu vào dung môi. - Khuếch tán đối lưu (80%): Chuyển dầu từ bề mặt nguyên liệu vào dung môi. Quá trình trích ly dầu thực vật diễn ra theo 2 giai đoạn: Giai đoạn đầu (Khuếch tán đối lưu của dầu thực vật vào dung môi) Trước tiên diễn ra sự thấm ướt dung môi trên bề mặt nguyên liệu, sau đó đó thấm sâu vào bên trong nguyên liệu tạo ra mixen (dung dịch dầu trong dung môi). Sau khi đẩy các bọc không khí trong khe vách tế bào ra ngoài, mixen chiếm đầy các khe vách trống 43
48. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc đó và thực hiện hòa tan dầu trên lớp bề mặt. Sau đó nhờ dung môi đã thấm sâu vào các lớp bên trong, tiếp tục hòa tan dầu đã phân bố trong các ống mao dẫn bọc kín. Quá trình hòa tan dầu vào dung môi tiếp tục diễn ra đến khi đạt sự cân bằng nồng độ mixen ở lớp bên trong với lớp mặt ngoài của nguyên liệu. Việc tạo mức chênh lệch thường xuyên ổn định giữa nồng độ mixen trong nguyên liệu và bên ngoài nhờ dòng dung môi chuyển động mang nguyên liệu trích ly. Giai đoạn hai (Khuếch tán phân tử của dầu thực vật vào dung môi) Dung môi tiếp tục thấm sâu qua các thành tế bào chưa bị phá vỡ và hòa tan dầu trong các khe vách tế bào. Lượng dầu còn sót lại trong nội tâm nguyên liệu chỉ chiếm khoảng 20% do đó dung môi thấm rất khó khăn vào các tế bào chưa bị phá vỡ này. Độ hòa tan các chất phụ thuộc vào lực tương tác giữa các phân tử dung môi và chất tan. Cường độ lực tương tác này do độ thấm điện môi quyết định, thể hiện mức phân cực của các thành phần hợp thành phân tử chất đó. Do đó các loại dầu thực vật sẽ hòa tan tốt trong các dung môi có độ thấm điện môi gần với độ thấm điện môi của dầu thực vật (Độ thấm điện môi của các loại dầu thực vật nằm trong khoảng 3,0- 3,2). Các dung môi có độ thấm điện môi >20 có khả năng hòa lẫn trong nước (bảng 3.1). Bảng 3.1. Độ thấm điện môi của một số dung môi hữu cơ (nhiệt độ 20oC) Dung môi hữu cơ Độ thấm điện môi Xăng 2,00 Hexan 1,89 Benzen 2,20 Dicloetan 10,36 Axeton 21,50 Ngoài ra, trong dầu thực vật còn có một lượng acid béo tự do, số lượng acid béo tự do tăng, tính hòa tan của dầu trong dung môi tăng. Dầu trong các dung môi hữu cơ tạo thành dung dịch phân tử (dung dịch thật: lipid, acid béo tự do cần thiết, vitamin tan trong dầu,lipid mang sắc tố ), trong lúc đó, dầu chiết từ nguyên liệu có dầu trong điều kiện sản xuất bao giờ cũng kéo theo với dầu một lượng các hợp chất không có tính béo (phospholipid, sáp, cặn xà phòng) chuyển vào dung môi làm cho mixen có tính keo. Vì vậy, mixen vừa là dung dịch có đặc tính phân tử vừa có đặc tính keo. 3.1.5.2. Các dạng thiết bị trích ly dầu Thiết bị trích ly thường có cấu tạo phức tạp do đảm bảo tính an toàn. Tùy thuộc từng loại nguyên liệu mà các quá trình trích ly khác nhau được áp dụng. Hiện tại có hai loại thiết bị trích ly được sử dụng phổ biến: Thiết bị trích ly ngâm chiết (Percolation extractor) và thiết bị trích ly kiểu nhúng (Immersion extractors) 44
49. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc (i) Thiết bị trích ly ngâm chiết (Percolation extractor) - Dung môi được bơm vào hệ thống và phân phối thông qua hệ thống băng chuyền của bánh dầu, có chiều dày thay đổi theo kiểu trích ly ngược dòng. - Kiểu thiết kế khác nhau tùy thuộc vào hãng thiết kế, quá trình sản xuất. (ii) Thiết bị trích ly kiểu nhúng (Immersion extractors) - Hạt được ngâm hoàn toàn trong dung môi. - Quá trình trích ly cần khuấy đảo liên tục nhằm trách việc hình thành nồng độ dung môi cục bộ ở một số vị trí. Trong trường hợp này, sự hình thành những phần tử nhỏ tăng. - Thiết bị hoạt động liên tục hoặc gián đoạn. Thiết bị trích ly Hildebrandt được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình trích ly kiểu nhúng (hình 3.3). Nguyên liệu trích ly Bã dầu sau trích ly Dung môi Hình 3.3.Thiết bị trích ly Hildebrandt 3.1.5.3. Dung môi trích ly dầu (i) Các loại dung môi thông dụng ♣Xăng: Cấu tạo gồm một chuỗi những hydrocacbon mạch thẳng, chưa no hay dẫn xuất của hexobenzen và các đồng đẳng. Ngoài ra, trong thành phần của xăng còn có các hydrocacbon no. Nhiệt độ sôi khoảng 70- 120oC. Xăng không tan trong nước. Khả năng hòa tan dầu mỡ của xăng là 1:5, khả năng hòa tan dầu mỡ tăng khi tăng phần nhẹ có nhiệt độ sôi thấp. ♣n- hexan: Chất lỏng, dễ bay hơi, nhiệt độ sôi từ 66,7- 69,3oC. Khối lượng riêng 663 kg/m3 ở 15oC. n- hecxan là một loại xăng trong thành phần không lẫn hydrocacbon chưa no và thơm, có khả năng hòa tan dầu và mỡ ở bất kỳ tỷ lệ nào. 45
50. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc ♣Propan và butan: Dung môi tiên tiến, khi sử dụng dưới áp suất dư 0,4- 1,2 MPa sẽ rút ngắn được quá trình trích ly 2- 3 lần. Dung môi này chỉ hòa tan một lượng rất nhỏ các chất không có đặc tính béo. ♣ Rượu etylic: Chất lỏng, nhiệt độ sôi 78,3oC, nhiệt độ bắt lửa 404oC. Rượu tan trong nước ở bất kỳ tỷ lệ nào. Tuy nhiên, có thể dùng rượu etylic 96% để trích ly dầu nành. ♣Axeton: Chất lỏng, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi 56oC. Hơi aceton trong không khí có thể bắt lửa, axeton hòa tan tốt trong nước ở bất kỳ tỷ lệ nào, khả năng hòa tan dầu mỡ là 1:5. Axeton là dung môi chuyên dùng đối với nguyên liệu chứa dầu có lẫn nhiều phospholipid. 46
51. Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc (ii) Yêu cầu chung đối với dung môi trích ly dầu - Đáp ứng yêu cầu kinh tế, đảm bảo vận tốc quá trình trích ly, ít tổn thất khi thu hồi, trích kiệt dầu trong nguyên liệu. - Thành phần đồng nhất, không xảy ra sự phân ly dung môi thành các hợp phần. - Dung môi cần có độ sạch cao, không hòa tan các hợp chất lạ có trong nguyên liệu ngoài dầu, không tham gia phản ứng với các nguyên liệu thành các hợp chất mới, trung tính đối với nguyên liệu. - Nhanh chóng hòa tan dầu với bất kỳ tỷ lệ nào ở nhiệt độ thấp, dễ cất ra khỏi bã dầu, dễ ngưng tụ. - Không có tác dụng phá hoại thiết bị, không có độc chất khi còn lại trong dầu và bã dầu, không gây mùi vị lạ cho sản phẩm. - Độ nhớt thấp nhằm tạo thuận lợi cho quá trình ngâm chiết đạt hiệu quả cao. - Dễ cất ra khỏi bã dầu, dễ ngưng tụ. 3.1.5.4. Những nhân tố ảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi trích ly (i) Nhiệt độ trích ly Dưới tác động của nhiệt độ tăng, các phân tử dung môi và dầu xảy ra sự chuyển động hỗn loạn làm tăng vận tốc chuyển dầu từ nguyên liệu vào dung môi, nhờ đó quá trình trích ly đạt hiệu quả cao. Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu, hiệu suất thu được dao động khác nhau, tuy nhiên ứng với mỗi loại, hiệu suất trích ly thường gia tăng theo sự gia tăng nhiệt độ (hình 3.4). Hiệu suất trích ly (%) Nguyên liệu được trích ly A: Bánh đậu nành B: Bánh đậu phộng C: Hạt hướng dương D: Bánh hạt cải dầu E: Bánh hạt thầu dầu Nhiệt độ trích ly (oC) Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly 47