GIÁO TRÌNH : CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU MỠ THỰC PHẨM part 8 ppt

Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


74
5.2. CHIẾT PHÂN ĐOẠN VÀ ĐÔNG HÓA DẦU (FRACTIONATION-
WINTERIZATION)
5.2.1. Giới thiệu
Chiết phân đoạn là quá trình biến đổi đầu tiên được nghiên cứu, áp dụng từ năm 1869
do Hippolyte Méges-Mouries. Đây là cơ sở nền tảng cho quá trình chế biến margarine.
Dầu và mỡ nhờ quá trình chiết phân đoạn có thể tạo nên hai nhóm sản phẩm riêng biệt:
phần rắn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, thường được gọi là “stearin” và phần l
ỏng có
nhiệt độ nóng chảy thấp, hay còn gọi là “olein”. Quá trình này có thể làm cải thiện tính
chất chất lượng dầu nhờ vào việc tách loại stearin, gia tăng lượng triglycerid không
bão hòa. Chính tác động này giúp dầu có chất lượng cao hơn, điển hình trong việc chế
biến dầu trộn salad hay phối trộn với các loại dầu khác. Một ứng dụng khác của quá
trình này còn nhằm tạo ra dầu có sự thay đổi thành phần hẹp hơn và độ nóng ch
ảy cao,
thích hợp cho quá trình chế biến chocolate và các sản phẩm kẹo.
Đông hóa là quá trình kết tinh phân đoạn đặc biệt, được sử dụng để di chuyển những
phần rắn nhỏ không mong muốn hiện diện trong dầu. Các phần tử rắn này là nguyên
nhân chủ yếu tạo nên các đám mây, làm dầu bị vẩn đục khi ở nhiệt độ lạnh; điều này
làm giảm giá trị cảm quan của dầu, tạ
o cảm giác dầu bị hư hỏng hay chứa độc chất.
Những hợp chất này có thể là sáp, các triglycerid có độ nóng chảy cao hay dầu bị
polymer hóa trong quá trình tinh luyện. Chính vì vậy, quá trình đông hóa bằng cách
đưa dầu về nhiệt độ thấp trong một thời gian nhất định, giúp các phần tử rắn này liên
kết với nhau thành khối, dễ dàng tách ra dầu được áp dụng. Đặc biệt, trong quá trình
chế biến dầu bông, đông hóa là một giai đo
ạn không thể bỏ qua. Từ thời xa xưa, người
ta đã biết ứng dụng tiến trình này bằng cách chứa dầu bông trong các thùng gỗ, đặt

ngoài trời khi mùa đông; phần dầu lỏng được tách gạn ra khỏi phần rắn đã được kết
tinh. Một số quan điểm cho rằng, đông hóa dầu thật sự không phải là một quá trình
biến đổi đặc tính dầu mỡ, tuy nhiên nó là một trong những tiế
n trình không thể thiếu
trong quá trình tinh luyện dầu, còn được gọi là khâu tách sáp (chương 4). Thực sự,
trong một số loại dầu nhất định, tách sáp luôn được sử dụng trong suốt tiến trình tinh
luyện dầu cùng với thủy hóa hay trung hòa.
5.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình chiết phân đoạn
Dầu và mỡ không phải là hợp chất đồng nhất hóa học mà là hỗn hợp của các
triglycerid khác nhau; tùy thuộc vào cấu tạo của acid béo t
ạo thành mà mỗi triglycerid
có điểm nóng chảy riêng. Chính vì lý do này, mỗi loại dầu mỡ không có một điểm
nóng chảy cố định mà thường có khoảng nóng chảy theo thành phần của nó. Quá trình
chiết tách dầu dựa trên đặc điểm này để phân tách các triglycerid có điểm nóng chảy
khác nhau. Giản đồ pha cho quá trình phân tách hỗn hợp hai cấu tử (hai pha rắn -
lỏng), sử dụng trong phân tách dầu được cho ở hình 5.2.
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


75
Nhiệt độ
% thành phần
Hình 5.2. Giản đồ pha của quá trình phân tách hỗn hợp hai cấu tử rắn - lỏng

Theo sơ đồ này, đầu tiên làm lạnh hỗn hợp AB có chứa thành phần d ở trạng thái lỏng
đến nhiệt độ T
1
, kết quả phân tách hỗn hợp này thành 2 pha lỏng a
1
và pha rắn b

1
. Ở
pha rắn b
1
, cả B và A đều hiện diện. Khi hạ nhiêt độ tiếp tục đến điểm T
2,
pha rắn b
1
tiếp tục bị phân tách thành 2 phần lỏng a
2
và rắn b
2
. Hợp chất tinh khiết B có thể thu
được từ pha rắn này, trong khi đó điểm eutectic d có thể thu được từ pha lỏng.

5.2.3. Kỹ thuật chiết phân đoạn
Quá trình chiết phân đoạn gồm 4 bước cơ bản:
- Giảm độ hòa tan của các triglycerid có mức độ bão hòa cao hơn nhờ quá trình
làm lạnh.
- Tạo mầm kết tinh cho những hợp chất quá bão hòa và xúc tiến việc phát triển
tinh thể
.
- Duy trì sự phát triển tinh thể với nhiệt độ/thời gian thích hợp và khuấy trộn.
Nhiệt tạo thành cho quá trình kết tinh được di chuyển nhờ vào quá trình làm
lạnh.
- Phân tách phần kết tinh ra khỏi pha lỏng bằng phương pháp cơ học.
Tùy thuộc vào tính chất nguyên liệu và mục đích sử dụng mà các quá trình phân
tách khác nhau được sử dụng. Các phương pháp tách phân đoạn chủ yếu được áp
dụng:
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc

76
- Tách phân đoạn khô: mục đích tạo ra những tinh thể kích thước lớn.
- Tách phân đoạn Lanza (do Fratelli Lanza phát minh năm 1905): sử dụng chất
tẩy rửa làm dung môi phân tách. Trường hợp này có thể phân tách nhiều tinh
thể có kích thước nhỏ hơn và thời gian phân tách ngắn; tuy nhiên một lượng lớn
olein sẽ còn lẫn trong sản phẩm.
- Tách phân đoạn ẩm nhờ vào sử dụng dung môi: dựa trên khả năng hòa tan khác
nhau thay vì dựa vào s
ự khác nhau về độ nóng chảy của hai pha rắn - lỏng hiện
diện trong dầu.
Việc chọn lựa kỹ thuật phân tách có ảnh hưởng rất lớn đến sản phẩm cuối. Thí dụ
như khi phân tách dầu cọ: hàm lượng rắn thu được khác nhau tùy thuộc vào nhiệt
độ và phương pháp sử dụng (hình 5.3).

% rắn

A: Tách phân đoạn Lanza
B: Tách PĐ khô/làm lạnh chậm
C: Tách PĐ khô/làm lạnh nhanh

Olein
dầu c
ọ
Dầu cọ
Nhi
ệ
t đ
ộ

o
C
Hình 5.3. Hàm lượng rắn của stearin dầu cọ thu được theo các phương pháp phân tách khác nhau

5.2.4. Điều kiện thực hiện
- Xác định điểm tới hạn của quá trình phân tách: phụ thuộc vào việc điều khiển
quá trình làm lạnh. Quá trình này chịu ảnh hưởng trưc tiếp của quá trình kết
tinh được chọn lựa và hiệu quả quá trình phân tách.
- Một số loại mỡ kết tinh dễ dàng, trong khi đó một số loại cần thời gian dài hơn,
phụ thuộ
c vào thành phần chất béo và đặc tính tự nhiên của triglycerid hiện
diện.
- Sự phân bố tinh thể và sự hình thành kích thước tinh thể phụ thuộc vào phương
pháp làm lạnh và quá trình khuấy trộn. Tốc độ kết tinh phụ thuộc vào thiết kế
của thiết bị kết tinh.
- Kết tinh là một phản ứng tỏa nhiệt; chính vì vậy, hiệu quả kết tinh phụ thuộc rất
lớn vào sự di chuy
ển ẩn nhiệt tạo thành.
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


77
Chính vì vậy, sự khuấy trộn đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình kết tinh:
- Tránh sự quá nhiệt cục bộ ở một số vị trí;
- Đảm bảo quá trình truyền nhiệt đồng đều;
- Đảm bảo đủ nguyên liệu chuyển thành tinh thể trong suốt tiến trình ở tất cả các
vị trí.
Quá trình chiết phân đoạn đạt yêu cầu được xác định dựa trên tỷ lệ giữa hiệ
u suất phân

tách olein trên thực tế và hiệu suất tính toán theo lý thuyết; tỷ lệ này còn được gọi là
yếu tố phân tách.
Trên thực tế, quá trình chiết tách dầu không đòi hỏi dầu phải xử lý hoàn toàn tinh khiết
trước đó. Phụ thuộc vào mục đích sử dụng cuối, dầu có thể chiết phân đoạn ở dạng dầu
thô, bán tinh luyện (semi-refined) hay tinh luyện hoàn toàn. Tuy nhiên, một số thành
phần còn hiện diện trong dầ
u với lượng nhỏ có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình kết
tinh: diglycerid là chất nhũ hóa, làm tăng liên kết giữa phần thân dầu và nước trong
dầu, gây cản trở (làm chậm) quá trình kết tinh và phân tách giữa hai pha rắn và pha
lỏng; ngược lại, hợp chất sáp có tác dụng gia tốc sự hình thành tinh thể, kết quả tạo
nên cấu trúc, hình dạng tinh thể không mong muốn, làm trở ngại quá trình lọc. Sự hiện
diện của các chấ
t rắn không tinh khiết, nước, xà phòng, protein, phospholipid và các
sản phẩm dạng nhầy khác cũng có thể cản trở và kéo dài quá trình hình thành tinh thể
cũng như trong suốt quá trình lọc. Trong trường hợp này, dầu cần tinh luyện trước khi
đưa qua phân tách.

5.2.5. Sản phẩm- Khả năng ứng dụng
Quá trình chiết phân đoạn được áp dụng chủ yếu cho chất béo sữa, dầu cọ hay mỡ heo;
đặc biệt là dầu cọ. Nguyên nhân chủ yế
u là do thành phần dầu cọ gồm 2 phần chủ yếu
với số lượng tương đương: triglycerid của acid béo bão hòa (stearin) và triglycerid của
acid béo không bão hòa (olein), do đó dễ dàng phân tách thành 2 phần lỏng – rắn riêng
biệt nhờ vào sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy. Sau quá trình phân tách, phần lỏng
(olein) được sử dụng chủ yếu làm dầu nấu nướng (cooking oil), dầu salad; phần rắn
(stearin) có thể ứng dụng trong công nghệ chế biến margarine, shorteing hay các sản
phẩ
m mỡ đặc biệt. Tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm cuối, các đường hướng phân tách
khác nhau được áp dụng.
Bên cạnh dầu cọ, dầu đậu nành với đặc điểm chứa hàm lượng lớn triglycerid của acid

béo đa nối đôi cũng được tiến hành chiết phân đoạn nhằm ngăn cản quá trình oxy hóa
dầu. Nhờ quá trình chiết phân đoạn, các triglycride có nhiệt độ nóng chảy cao được
tách loại, phầ
n dầu nành sau phân tách được sử dụng trong chế biến dầu salad và dầu
chiên.
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


78
5.3. QUÁ TRÌNH HYDRO HÓA DẦU (HYDROGENATION)
5.3.1. Giới thiệu
Quá trình hydro hoá có xúc tác được Sabatier (Toulouse) phát minh vào năm 1897.
Việc hydro hóa dầu dựa trên theo phản ứng cộng H
2
vào nối đôi của các acid chưa no
chứa trong dầu với sự xúc tác của Niken và nhiệt độ.
Việc hydro hoá dầu nhằm 2 mục đích chính: giúp dầu có thể kéo dài thời gian tồn trữ
và tạo điều kiện cho quá trình chế biến các sản phẩm khác.
- Mục đích bảo quản: Dầu lỏng sau khi hydro hoá sẽ giảm tỉ lệ acid béo chưa no
chứa nhiều nối đôi trong thành phần dầu, giả
m khả năng oxy hoá của oxy
không khí. Do đó dầu sau khi đã hydro hoá sẽ ổn định hơn, bảo quản dễ hơn và
thời gian bảo quản kéo dài hơn.
- Mục đích sử dụng: Dựa vào sự thay đổi đặc tính vật lý của dầu nhờ quá trình
hydro hóa. Dầu lỏng sau khi hydro hoá sẽ trở nên rắn hơn và có nhiệt độ tan
chảy cao hơn; được sử dụng trong ngành công nghiệp bánh kẹo, sản xuấ
t
margarine….Tùy theo mục đích sử dụng, dầu sau khi hydro hoá đạt đến nhiệt
độ nóng chảy nhất định.

5.3.2. Cơ sở lý thuyết của qua trình hydro hoá dầu
Quá trình hydro hóa dầu trên thực tế là một biến đổi phức tạp. Phản ứng hydro hoá dầu
có thể biểu diễn cách tổng quát:

C CH
+ H
2

C CH

T
0
, Ni
xt
Việc tìm hiểu cơ sở lý thuyết của quá trình hydro hóa này đặc biệt có ý nghĩa quan
trọng trong việc hiểu rõ các bước xảy ra trong tiến trình, nhằm ngăn cản các phản ứng
phụ xảy ra theo đường hướng không mong muốn.
Các bước chủ yếu trong quá trình hydro hóa dầu được tổng hợp ở hình 5.4
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


79


Hình 5.4. Cơ chế phản ứng hydrogen hóa
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


80
Trong quá trình hydro hóa sẽ xảy ra sự cạnh tranh ở các vị trí hoạt động của chất xúc

tác bởi các acid béo bão hóa khác nhau, quá trình biến đổi này đựơc gọi là “chuyển
hóa chọn lọc”. Nếu lượng hydro sử dụng thừa, quá trình hydro hóa các acid béo trong
dầu xảy ra theo trình tự:
Acid Linolenic → Acid Linoleic → Acid Oleic → Acid Stearic
Quá trình hydro hóa các hợp chất trien (acid linolenic), dien (acid linoleic) xảy ra theo
hai đường hướng chủ yếu: tạo đồng phân vị trí và đồng phân hình học (đồng phân cis,
trans). Tiến trình này đỏi hỏi phải quan tâm và kiển soát nghiêm ngặt do ảnh hưởng
của các sản phẩm tạo thành đến giá trị dinh dưỡng và tính chất vật lý của dầu. Ngoài
ra, việc tạo ra sản phẩm có cấu hình trans- (hydro hóa một nấc tạo acid linolenic hay 2
nấc tạo acid oleic) là điều không mong muốn: cấ
u hình trans- không có giá trị sinh
học, là nguyên nhân gây nên bệnh tim mạch (tính chất tương tự acid béo bão hòa),
thêm vào đó, nó có nhiệt độ nóng chảy cao hơn khi so sánh với cấu hình cis
Dầu hydro hoá còn gọi là dầu cứng sản xuất từ các dầu thực vật thể lỏng hoặc các mỡ
động vật biển như cá voi, báo biển…có khi còn dùng mỡ gia súc để sản xuất.
Tùy thuộc vào mức độ hydro hoá mà người ta thu được các loại dầu có điểm
đông đặc
khác nhau, thông thường có các loại chủ yếu như: 38
0
C, 45
0
C, 52
0
C, 60
0
C và loại
hydro hoá đến cùng.
Những loại dầu hydro hoá có chất lượng tốt thường dùng thay mỡ động vật trong sản
xuất bơ nhân tạo, chế biến bánh kẹo…
Dầu sau khi hydro hoá xong được đưa qua thiết bị ép lọc để loại Niken và các tạp chất

khác, thường dùng thiết bị ép lọc để sử dụng. Hàm lượng Niken còn lại trong dầu < 0,1
mg/kg.
Hoá chất sử dụng trong quá trình hydro hoá dầu:
(i) Khí H
2
: Được điện phân nước với sự hiện diện của dung dịch KOH 28%.
(ii) Niken: Đã được hoạt hoá và được bọc bằng dầu thực vật hydro hoá đến
điểm nóng chảy cao để chóng ẩm. Khi cho vào thiết bị, dầu rắn tan ra phóng
thích Niken kim loại. Niken có hoạt tính cao sẽ xúc tác cho phản ứng hydro
hoá dầu.
5.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hydro hóa dầu
Quá trình hydro hóa dầu và mỡ ảnh hưởng bởi các tham số
chủ yếu: nhiệt độ, thời
gian, áp suất hydro hóa, chất xúc tác và nồng độ cơ chất. Các yếu tố này có ảnh hưởng
tương hỗ lẫn nhau. Sự chọn lọc điều kiện hydro hóa thích hợp là quá trình phức tạp,
đòi hỏi phải có cơ sở lý thuyết và số liệu thực nghiệm, nhằm xác định thông số phù
hợp cho từng loại nguyên liệu.
(i) Ảnh hưởng của thời gian hydro hóa
: Thời gian hydro hóa có ảnh hưởng chủ yếu
đến quá trình hóa rắn của sản phẩm; việc thay đổi thời gian là nguyên nhân tạo ra các
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


81
sản phẩm có mức hóa rắn khác nhau (hình 5.5). Ngoài ra, sự khác biệt về thời gian
cũng là nguyên nhân giúp quá trình phân tách các thành phần acid béo triệt để hơn
(hình 5.6).

Hình 5.5. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình hydro hóa dầu đậu nành

% acid béo

Thời gian phản ứng, phút
Hình 5.6. Ảnh hưởng cùa thời gian phản ứng đến thành phần acid béo của dầu đậu nành hydro hóa

(ii) Ảnh hưởng của nhiệt độ: Tương tự các phản ứng hóa học khác, quá trình hydro
hóa phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ: tốc độ phản ứng gia tăng tỷ lệ với sự gia tăng
nhiệt độ. Ngoài ra, nhiệt độ phản ứng tăng còn là nguyên nhân làm tăng khả năng hòa
tan của hydrogen và giảm độ nhớt của dầu, giúp cải thiện quá trình truyền khối: các
phần t
ử acid béo không no dễ dàng liên kết với hydro làm tăng nhanh tốc độ phản ứng.
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


82
(iii) Ảnh hưởng của điều kiện áp suất: Theo lý thuyết, tác động của áp suất đến tốc
độ phản ứng hóa học chiếm ưu thế hơn so với ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi tăng nhiệt
độ gấp đôi, khả năng hòa tan của cơ chất phản ứng tăng 20%; trong khi đó, sự gia tăng
áp suất gấp đôi làm tăng khả năng hòa tan c
ủa cơ chất đến 60%. Tuy nhiên, ngược lại
với lý thuyết, việc cải thiện khả năng hòa tan của hydro trong thực tế không là yếu tố
ưu thế nhất làm tăng nhanh tốc độ phản ứng. Ở áp suất thấp, tốc độ phản ứng tăng 2,5
lần khi nhiệt độ gia tăng 50%; nhưng không có kết quả chứng minh sự gia tăng tốc độ
phản ứng ở
điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp. Điều này cho thấy, không có sự
tương quan giữa độ linh động của hydro và tốc độ phản ứng ở mọi trường hợp.
(iv) Ảnh hưởng của chất xúc tác: Nồng độ chất xúc tác cũng là một trong những tham
số ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hydro hóa dầu. Tuy nhiên, việc xác định nồng độ
tối
ưu của chất xúc tác chịu tác động của nhiều tham số phản ứng khác: nhiệt độ, áp

suất và đặc biệt là tốc độ khuấy trộn (hình 5.7).


Hình 5.7. Sự thay đổi tốc độ phản ứng khi hydro hóa dầu đậu nành
ở tốc độ khuấy trộn và nồng độ chất xúc tác khác nhau

5.4. QUÁ TRÌNH ESTER HÓA NỘI PHÂN TỬ (INTERESTERIFICATION)
Ester hóa nội phân tử là quá trình thứ ba được sử dụng nhằm biến đổi đặc tính của dầu
mỡ. Các kiến thức nền tảng của quá trình này được biết đến từ đầu thế kỷ 20. Dưới tác
dụng của chất xúc tác thích hợp, các acid béo được phân bố lại trong thành phần
triglycerid. Chất béo sau quá trình biến đổi này có sự khác biệt về tính chất vật lý và
cả đặc tính chứ
c năng. Tính chất của dầu và mỡ được thay đổi theo 2 bước: phân tách
thành các thành phần riêng lẻ trong thời gian ngắn và sắp xếp lại theo một trật tự mới.
Quá trình ester hóa nội phân tử có thể được phân loại giữa quá trình chiết phân đoạn
(tác động vật lý) và quá trình hóa rắn (hydro hóa - dựa trên nguyên lý hóa học).
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


83
Lý thuyết chung về quá trình ester hóa nội phân tử của dầu và mỡ được biểu thị ở hình
5.8. Nhìn chung, quá trình ester hóa nội phân tử bao gồm một số phản ứng, trong đó có
sự trao đổi gốc acyl:
- giữa ester và acid: thủy phân acid (acidolysis)
- giữa ester và rượu: thủy phân rượu (alcoholysis)
- giữa các ester với nhau: ester hóa nội phân tử trong chiều hướng hẹp hay ester
hóa theo cấu hình trans (transesterification).
Đặc biệt, quá trình thủy phân acid và thủy phân rượu có ý nghĩa quan trọng trong
quá trình sản xuất mono- và diglycerid.

Hình 5.8. Các biến đổi của quá trình ester hóa nội phân tử
Quá trình ester hóa nội phân tử xảy ra rất chậm; để thúc đẩy tốc độ phản ứng, cần thiết
phải gia nhiệt đến nhiệt độ trên 300
o
C. Tuy nhiên, đây là điều không thể thực hiện do
các triglycerid bị phân hủy ở giá trị nhiệt độ này. Chính vì vậy, việc sử dụng chất xúc
tác có khả năng tạo anion mạnh, tấn công vào nguyên tử C của nhóm carbonyl được đề
nghị. Các chất xúc tác được sử dụng chủ yếu cho phản ứng ester hóa này là sodium
(Na), sodium hydroxyt (NaOH) và sodium alcoholate (NaOC
2
H
5
). Cơ chế phản ứng
ester hóa nội phân tử được tổng hợp ở hình 5.9.
Ester hóa nội phân tử được ứng dụng trực tiếp với dầu mỡ có nguồn gốc tự nhiên hay
dầu mỡ đã hydro hóa hay chiết phân đoạn. Quá trình ester hóa được sử dụng nhằm 4
mục đích chính:
- Thay đổi nhiệt độ nóng chảy của dầu,
Công nghệ chế biến dầu mỡ thực phẩm Trần Thanh Trúc


84
- Cải thiện khả năng tương thích của triglycerid khác nhau ở trạng thái rắn,
- Cải thiện tính mềm dẻo của phần rắn do thay đổi khả năng kết tinh, kết tinh lại
của dầu,
- Kết hợp các tính chất của hỗn hợp dầu khi phối trộn dầu và mỡ.
Việc xác định điểm dừng của quá trình ester hóa phụ thuộc vào mục đích s
ử dụng sản
phẩm cuối.

Hình 5.9. Cơ chế phản ứng ester hóa nội phân tử