米糠油加工技術(上)

2021-03-02 油脂工程師之家

世界大米產量每年約為5億噸。大部分大米都是在水稻產區附近加工的。從澱粉胚乳(70%)中去除殼(20%)和米糠(10%)的碾米過程通常在小型加工廠進行。在大多數情況下,消費者在家庭作坊碾壓稻穀,大米數量夠幾天家用。以往,米糠經常與稻殼混合在一起。在一些地區,稻穀在收穫時被去殼,糙米(米糠層仍然附著在稻穀上)被儲存起來,以便以後進行碾磨。在世界上工業化程度較高的地區,水稻在大規模加工中被碾碎,稻殼和米糠成分得到有效分離。在這些地區,從米糠中提取油用於食品和工業用途在經濟上是可行的。考慮到世界上有40%到50%的米糠是適合商業性的油脂提取,估計米糠油年生產潛在產量為500到600萬噸,然而,實際米糠油的年產量遠低於此,只有150萬噸,大部分技術質量等級低下,只能用於製造肥皂。

米糠油含有較高的游離脂肪酸,蠟、米糠粉末和色素。這些因素阻礙了米糠油的商業化加工(浸出,精煉)和銷售。然而,只要仔細注意加工技術,從碾米廠開始,就可以以經濟的成本生產出產量和質量合理的米糠油。

游離脂肪酸

游離脂肪酸(FFA),一個主要問題是米糠油含有高活性的脂肪酶。在碾米過程中,脂肪酶被激活並迅速開始將甘油三酯水解成游離脂肪酸、甘油二酯和單甘油酯。如果不加以抑制,脂肪酶最終會在幾個月的時間裡分解掉所有的甘油三酯。在更實際的基礎上,米糠中所含米糠油的游離脂肪酸含量在研磨後的頭幾天將以每天5 - 10%的速度增加。在游離脂肪酸含量超過15%後,米糠油的加工就開始接近食品的邊際經濟效用(無價值),儘管一些加工商仍提煉含有高達30%或者更多的游離脂肪酸含量的油。

脂肪酶的活性

脂肪酶的活性高度依賴於水稻的儲藏條件、溫度和水分。有些油的降解是水稻儲藏期間發生的,即使是最快速加工的米糠也會產生1-3%的游離脂肪酸。如果大米在高溫、潮溼的環境中儲存很長時間,碾磨後的游離脂肪酸含量可能在10%或以上。這樣的大米將會成為有問題食品,所以這不會經常發生。將去殼糙米儲存起來用於後續再碾米的做法可以激活脂肪酶,從而提高糙米中游離脂肪酸的含量。

碾米之後,米糠油的脂肪酶的滅活是時間、溫度和水分含量的函數。水分含量越高,脂肪酶的活性越高。然而,基於商業化考慮,通常水分含量控制在12%左右。溫度是脂肪酶活性的關鍵變量,最適溫度在35到40度之間。溫度越低,脂肪酶的活性越低,接近冰點的溫度下,游離脂肪酸只有微量的升高。在冰點以下,脂肪酶活性基本為零。

我們後面會講到,米糠中的脂肪酶可能會以多種方式被滅活。米糠中米糠油的游離脂肪酸含量為2 - 6%,就處在一個穩定的狀態,游離脂肪酸超過10%就不再穩定。脂肪酸含量的上限是時間和環境條件的函數(碾米和浸出過程)。

米糠中還含有對米糠油氧化穩定性有不利影響的脂氧合酶。幸運的是,它們不像脂肪酶那樣活躍,在加工過程中也被滅活。研究發現,白臘米糠中的米糠油氧化穩定性較差,這可能是由於在加工過程中抗氧化劑的流失。

顯然,高游離脂肪酸對米糠油的主要不利影響是精煉的得率。快速穩定的米糠油精煉得率約為90%(10%損失)。極端情況下,高游離脂肪酸的油可能有高達50%或更多的損失。早期的研究表明,羥基化合物,如單甘油酯、甘油二酸酯和糖苷,在煉油損失中起著重要作用。採用乙酸酐處理米糠油,降低游離羥基的數量時,鹼精煉損失顯著降低。

不幸的是,乙酸酐的成本太高,無法從更高的得率中獲得相應的經濟回報。也許將來還會找到其他更經濟的方法來降低羥基化合物的含量。

蠟的含量

對加工者來說,脫蠟是一個挑戰。有許多方法可以實現這一點,稍後將討論。所有的技術都是關於成本、產量和效率的平衡。

蠟:米糠油的蠟是飽和脂肪酸(c16、c26)和飽和脂肪酸(c24 - c30)乙醇酯。米糠的蠟含量因品種而異,多蠟品種的米糠油含有高達8%的蠟,更典型的數值在2-4%的範圍內。米糠油中的蠟量也和浸出工況有關係,在一定的浸出條件下,蠟含量可以達到0.5%或更低。

水稻蠟有兩種:軟的和硬的。軟蠟的熔點小於70攝氏度,硬蠟的熔點大於80攝氏度。大約三分之二的蠟是聚合物形式,其餘的是單體。

蠟在精煉過程中容易乳化,從而降低工藝得率。它們還容易附著在白土上,因此脫色過程白土消耗量更大。蠟在室溫下給米糠油賦予不透明的外觀,這影響了它對消費者的吸引力。入臘的含量太高,會影響米糠油作為煎炸油的使用功能。

米糠粉末

根據穩定化技術(或沒有)和所採用的浸出方法,米糠油可能含有0.5 - 10%或更多的米糠粉末。碾米過程從胚乳中剝離米糠,會將米糠研磨成粉末。傳統的工廠使用精細的固體磨料,如石灰石,來促進這一過程。一種新的技術,被稱為水霧研磨,消除了固體磨料的需要。

即使加工質量比較穩定的米糠過程中,也有大量的顆粒在運往浸出工段的過程中粉碎為粉末。在浸出之後,這些粉末依然留在毛油中。

過高的粉末含量會導致更高的煉油損失(夾帶)。它們會沉積在容器內部,堵塞設備比如混合器、熱交換器和離心機,導致設備性能損失和頻繁的清洗。由於磨損,細粉也會導致泵、混合器和離心密封過早失效。尤其當使用由石灰石研磨或含有大量米糠粉末時。與蠟一起,粉末可以形成纖維束,這些纖維束往往會聚集在密封表面,導緻密封過早失效以及油損失。

色素

米糠油含有常見的植物油色素,如葉綠素。葉黃素、類胡蘿蔔素和蛋白質降解產物(棕色色素)。葉綠素含量可能非常高,值超過20ppm。蛋白質降解產生的棕色色素的效應會很強烈,導致脫色困難。在穩定化過程中過熱的米糠尤其如此。在不利條件下儲存的大米也能產出深色的油。儘管添加了過量的白土,成品的米糠油紅色仍會達到1.5到2.0的羅維朋(5.25英寸)。

為了獲得質量最好的米糠油,必須在提取前穩定米糠。主要目的有四:抑制脂肪酶活性,提高提取效率,減少原油中的細粉數量,稻殼殺菌。由於脂肪酶活性的快速開始,最好在脫殼後儘快穩定米糠,理想狀態下是在1小時之內。這是可以實現的,大型工廠生產足夠的米糠,穩定化車間就建設在旁邊。然而,世界上大部分的米糠都是在小工廠生產的,因此需要收集和運輸到廠外的穩定車間,這種情況下的延遲可能是幾天或幾周。

穩定米糠的一般方法有五種:乾式擠壓法或蒸炒法;溼法擠壓或軟化調質;冷凍;降低pH值;和化學方法。

乾式擠壓或蒸炒

乾式擠壓或蒸炒這種方法通常需要使用一個擠壓機或炒鍋加熱米糠,使徹底酶失活(150°C或更高)。這種方法被描述為乾式蒸炒,因為沒有水被添加到米糠中(本來含有10-14%的水分)。一種常見的方法是使用完全依靠摩擦來產生足夠熱量的擠出機。許多其他的加熱技術已被研究,如微波、紅外線、立式炒鍋、流化床等。

乾式擠壓的主要缺點是穩定的米糠仍然很細,由於較高的溫度,米糠油的顏色可能比較深,設備維護成本較高。這種穩定的方法通常用在米糠是最終產品(不含油脂)或在缺乏蒸汽的工廠中。

溼式擠壓或軟化調質

溼法擠壓或軟化調質。這種方法包括向米糠中注入大約10%的水份,通常是蒸汽。通常情況下,是用一個帶有蒸汽噴嘴的膨化設備完成的。添加的水降低了米糠穩定化的溫度大約為120°C。另外一個好處是,當米糠從擠出機擠出時,它的水分會蒸發到大氣中。這種膨化產生了多孔狀態,使浸出的溶劑更容易滲透進來,而提高油脂得率。事實上,這種製備技術也被用於其他油料種子,如大豆和棉籽,特別是有利於幫助油的提取。此外,這種方法的另一個好處是細粉會結成團。

溼擠壓法的主要缺點是穩定的米糠必須乾燥,這通常是通過熱空氣穿過米糠料層完成的。

冷凍

低溫會限制脂肪酶的活性。然而,酶沒有變性,隨著溫度的升高,活性將恢復。由於在冷藏條件下儲存米糠的成本很高,這種方法可能沒有商業應用。

降低PH值

在米糠中加入鹽酸,使其pH值降低到4.0。在這個pH值上,脂肪酶的活性很小。這個過程沒有得到商業上的認可。

化學法

研究了用亞硫酸鈉穩定米糠的方法。這種化學物質直接加到米糠中並充分混合。脂肪酶的活性基本被抑制。這項技術尚未獲得商業上的認可。

溶劑浸出

世界上大多數米糠油都是在傳統的設備中提取的,使用商業化的己烷作為溶劑。粉末含量是滲透率和浸出效率的限制因素。深和淺床浸出器都被成功地使用。串聯的旋液分離器是從混合油中去除米糠粉末的一種有效的方法。從而防止這些粉末堵塞蒸發器,並且去除了大部分的毛油中的粉末。

蠟可以溶於熱己烷。因此,必須選擇合適的浸出溫度,以優化油的得率,同時又不能過度的提取蠟。例如,在50攝氏度時,正己烷能夠溶解蠟的含量是30攝氏度時的兩倍多。

還有其他溶劑,如丙酮、乙酸乙酯和異丙醇,不溶蠟。然而,整體而言,它們並沒有己烷那麼划算。

機械壓榨

米糠油也可以通過機械擠壓從米糠中提取。在最常見的方法中,布蘭首先會在一個堆疊的甲板設備裡進行乾燥加熱,然後通過螺旋壓榨機將油排出。該方法將穩定化和油提取結合在一起。然而,與溶劑i浸出相比,得油率較低,單位成本較高。螺旋壓榨法還會導致原油中含有大量的細粉,在後續加工之前,這些細粉必須進行脫除和過濾。此外,如果在加熱過程中使用過高的溫度和過長的停留時間,油可能會變暗。

機械壓榨的優點是降低了成本,相對於浸出工廠更加安全,以及在保健食品中可能的產品市場。

(未完待續)


 

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