ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ ИЗМЕЛЬЧЁННОЙ ХЛОПКОВОЙ СЕМЕНА НА ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОБЕЛКОВОГО ХЛОПКОВОГО ШРОТА

АННОТАЦИЯ

В данной статье изучено влияние степени измельчения хлопковых семян и содержания лузги, а также различных композиций растворителей на процесс прямой экстракции хлопковых семян. Результаты исследования показали, что проведение процесса экстракции при степени измельчения 60% с помощью композиции растворителей экстракционный бензин и этанол (70:30) (ЭК-4/ЭБЭ-7) позволило достичь выхода масла на уровне 97%, сохранив при этом количество белка в полученном шроте на уровне 54,37%. Продолжительность процесса экстракции, в зависимости от типа растворителя, изменялась от 40 до 210 минут. Установлено, что оптимальное содержание лузги в хлопковых семенах составляет 8%, что позволяет проводить экстракцию за время, близкое к традиционной экстракции экстракционным бензином, в течение 120-130 минут. Доказано, что содержание лузги выше 10% оказывает негативное влияние на количество белка в получаемом хлопковом шроте.

ABSTRACT

This study investigates the influence of cottonseed grinding degree, hull content, and various solvent compositions on the process of direct extraction of cottonseeds. The experimental results demonstrate that performing the extraction at a grinding degree of 60% using a mixed solvent system of extraction gasoline and ethanol (70:30) (EC-4/EBE-7) made it possible to achieve an oil yield of 97%, while preserving the protein content in the resulting meal at 54.37%. The duration of the extraction process, depending on the solvent type, varied from 40 to 210 minutes. It was established that the optimal hull content in cottonseeds is 8%, which ensures an extraction duration comparable to the traditional process conducted with extraction gasoline, i.e., 120–130 minutes. It was also confirmed that a hull content exceeding 10% has a negative effect on the protein content of the obtained cottonseed meal.

Ключевые слова: хлопковые семена, экстракция, степень измельчения, композиция растворителей, госсипол, белок, экстракционный бензин, этанол, высокобелковый шрот, содержание лузги.

Keywords: cottonseed, extraction, grinding degree, solvent composition, gossypol, protein, extraction gasoline, ethanol, high-protein meal, hull content.

Введение. Процесс экстракции является одним из наиболее эффективных и широко используемых методов при производстве растительных масел или выделения биологически активных веществ и необходимых компонентов из сырья. При производстве растительных масел используются два метода экстракции в зависимости от типа сырья, а именно: форпресс-экстракция и метод прямой экстракции [1-6]. На ход процесса экстракции, его кинетику влияют такие факторы, как температура сырья, тип растворителя, размер частиц сырья (степень жирности), соотношение сырья и экстрагента, продолжительность экстракции. Проведены исследования, направленные на уменьшение негативно влияющих факторов на ход экстракции, повышение интенсивности процесса, получение качественной продукции, сохранение нативности биологически активных веществ. Например, индийский ученый Д.К. Саксена провел исследования по кинетике и термодинамике процесса экстракции хлопкового масла, использованию н-гексана и этанола в качестве экстрагентов, а также кинетике и термодинамике выделения госсипола с помощью щавелевой кислоты [7-8]. И.М. Осадченко, Э.Ф. Якубчик, С.Е. Симотина, А.С. Коничев и другие проводили исследования по использованию метода экстракции для выделения биологически активных веществ из растительного сырья, выбору оптимальных параметров процесса, типам экстрагентов. Результаты исследований показали преимущества и недостатки методов экстракции, нетрадиционные подходы, применение электромагнитных полей, изучение антиоксидантных свойств флавоноидов, достижение положительных результатов при более широком использовании этанола в качестве экстрагента при изучении влияния температуры и размеров частиц на процесс экстракции флавоноидов из таких растений, как суль, чихотная трава, настарин. Наряду с этим проводились обширные исследования по совершенствованию конструкций экстракторных установок [9-12].

Ряд ученых провели исследования по использованию различных растворителей для выделения токсичного вещества госсипола из хлопковых семян, включая использование смесей ацетона, диэтилового эфира, гексана, метилэтилкетона и фосфорной кислоты, изопропанола и других [13-16].

В настоящее время н-гексан считается наиболее приемлемым растворителем для получения растительных масел. Н-гексан остается в составе в виде остатков в количестве 5 ppm и 10 ppm, входя в перечень средств, охраняющих окружающую среду, а также токсичных химических веществ. Снижение содержания н-гексана в обезжиренном сырье до разрешенного предела приводит к дополнительным затратам в производстве. Кроме того, сохранение н-гексана в составе сырья приводит к сокращению диапазона использования продукции [17].

Исследования, проведенные Ван П.Ж., Р.Ж. Хроном и другими по выбору альтернативных углеводородных растворителей для экстракции в процессе производства растительных масел из хлопковых семян, показали, что при проведении процесса экстракции в два этапа с использованием 95% этанола при высоких и низких температурах, в среде с низкой температурой, а именно при 45°C, растворимость госсипола в растворителе изменялась в положительную сторону, однако изменение выхода масла было обратно пропорциональным. При высокой температуре наблюдались случаи, когда с увеличением выхода масла нативность госсипола изменялась, переходя больше в связанную форму [18].

В ходе изучения было выявлено, что для проведения процесса экстракции важное значение имеют типы растворителей, оптимальные условия процесса, а также такие факторы, как размер частиц и температура при выделении биологически активных веществ из сырья.

В проведенных нами исследованиях были получены композиции растворителей путем смешивания этанола и экстракционного бензина в различных соотношениях, и в качестве наиболее приемлемых соотношений по физико-химическим показателям композиций растворителей были приняты композиции (экстракционный бензин+этанол) 60:40 и 70:30 [19-21].

Методология и материалы.

Эксперименты проводились в лабораторных условиях на основе экстрактора "Сокслет".

Температура контролировалась в диапазоне 45-55°C, время экстракции изменялось в диапазоне 40-210 минут. Полученные образцы анализировались на основе стандартов ГОСТ.

Исследователями изучено, что при повторной переработке хлопковых семян для получения масла важно подвергать ядро семян процессу вальцевого дробления с целью максимального разрушения внутренней структуры ядра хлопковых семян. Также установлено, что максимальное разрушение внутренней структуры ядра приводит к увеличению выхода масла [22].

Максимальное разрушение внутренней структуры ядра определяется степенью измельчения полученного сырья. Для хлопковых семян оптимальным значением принята степень измельчения 60-65%. Установлено, что если степень измельчения ядра превышает 65%, это приводит к увеличению маслянистой пыли, потере масла, а если она ниже 60%, то это приводит к снижению выхода масла в процессе прессования [23].

На основе проведенного нами исследования по получению высокобелкового хлопкового шрота из хлопковых семян изучена зависимость степени измельчения сырья от концентрации получаемой мицеллы и продолжительности процесса экстракции при осуществлении процесса прямой экстракции сырья хлопковых семян с помощью композиций растворителей. В приведенной ниже таблице 1 представлены степень измельчения использованного сырья и показатели.

Таблица 1.

Физико-химические показатели сырья хлопковых семян

Для исследования были отобраны 3 образца сырья хлопковых семян с различной степенью измельчения. При этом степень измельчения образца-1 принята как 50%, образца-2 - 60% и образца-3 - 70%. Также мы можем видеть, что содержание лузги в составе и другие показатели изменялись взаимосвязанно.

Под руководством индийского ученого Девиша К. Соксены исследователями проведены исследования по влиянию размеров частиц в диапазоне 0,6 мм (А), 1,6 мм (В) и 2,4 мм (С) на выделение масла и госсипола, а также зависимости от температуры при осуществлении процесса экстракции хлопкового масла с помощью н-гексана и этанола [7-8].

Исследователями изучено, что при получении листообразной фракции в процессе получения сырья хлопковых семян обеспечение толщины сырья 0,1 мм приводит к значительному увеличению выхода масла [23].

В проведенных нами исследованиях при экстракции хлопковых семян с помощью композиций растворителей был выбран именно метод прямой экстракции, и в качестве основного критерия выбрано изучение зависимости степени измельчения сырья от размеров частиц сырья, а также динамики изменения выхода масла и показателей масла в единицу времени. Из литературы известно, что ход процесса экстракции обратно пропорционален температуре. При высокой температуре часто наблюдается переход агрегатного состояния растворителя в парообразное, и в результате явления диффузии приводит к увеличению смеси растворитель-воздух в экстракторной установке. Поглощение растворителя сырьем ухудшается, вместе с тем, в зависимости от типов экстрагентов, оптимальной температурой для процесса экстракции принято значение около 25-35°C [24-25].

Измельченность хлопковых семян зависит от ботанического сорта хлопковых семян, применяемых агротехнологических мероприятий при выращивании, технической спелости и, поскольку составляет в среднем около 18,2-23,4%, относится к сырью со средней жирностью.

Результаты и обсуждение

На приведенном ниже графике показан выход масла (%) со временем для образцов с различной степенью измельчения (50%, 60%, 70%). Образец-2 (60% измельчения) с ЭК-1 (70:30) показал наивысший результат (97%).

Рисунок 1. Динамика выхода экстракционного масла в зависимости от размеров лепестка

Из приведенного выше рисунка 1 видно, что выход масла (экстракционная композиция экстракционный бензин+этанол) в составе образца-1 в ЭК-4 (70:30) был близок к 90%, тогда как в ЭК-5 (60:40) этот показатель показал значение ниже 80%. Также выход масла в чистом растворителе спирте показал значение на 20% ниже по сравнению с экстракционным бензином. В образце-2 при степени измельчения 60% выход масла из лепестка по ЭК-4 (70:30) составил 97%, а по ЭК-5 (60:40) — 83%. Из графиков видно, что доказано, что увеличение количества этанола в составе композиций растворителей обратно пропорционально выходу масла. Показатели образца-2 по выходу масла были выбраны для последующих исследований.

Исследования были продолжены, и проводились изыскания по выбору оптимального времени экстракции для образца-2. В настоящее время в экстракционных цехах масложировых предприятий в основном используются экстракторы карусельного типа, работающие по методу настаивания и многократного орошения. При методе форпресс-экстракции жмых, отделенный от масла прессованием, экстрагируется в течение 60-80 минут. Процесс прямой экстракции в основном широко применяется в фармацевтической промышленности для получения масла из соевых лепестков.

В фармацевтической промышленности для выделения биологически активных компонентов из растений чаще используется метод прямой экстракции. В масложировой промышленности при получении масла из соевых лепестков соевый лепесток, как отдельное технологическое звено, проходит через подготовительный цех для процесса экстракции, и процесс экстракции проводится в течение 150-180 минут [5].

Изменение времени экстракции в зависимости от типов растворителей. Экстракционный бензин — 40-50 минут, ЭК-4 (70:30) — 70 минут, ЭК-5 (60:40) — 100-110 минут, Этанол — 180-210 минут.

Рисунок 2. Зависимость времени экстракции от типа растворителя для Образца-1

Из рисунка 2 видно, что в зависимости от типа растворителя выявлено изменение времени экстракции. При использовании чистого экстракционного бензина в качестве растворителя время экстракции составляло 40-50 минут, тогда как при проведении процесса экстракции с помощью этанола процесс экстракции продолжался более 180-210 минут. При использовании композиции растворителя (70:30) процесс экстракции достиг статического состояния через 70 минут, а при использовании композиции растворителя (60:40) процесс достиг спокойного состояния после 100-110 минут.

Выделение масла из состава лепестка принималось на основе достижения остаточного масла в составе обезжиренного шрота менее 2%. При использовании метода прямой экстракции для выделения масла из состава хлопкового мятка был проанализирован изменение показателей мятка в зависимости от степени измельчения выбранных образцов.

Таблица 2.

Физико-химические показатели хлопкового жмыха

Из таблицы видно, что в зависимости от степени измельчения полученных образцов хлопковых семян, при проведении процесса экстракции с помощью этанола масличность шрота в образце-1 была равна 9,21%, тогда как в образце-2 и образце-3 уменьшилась на 2,01%, составив 7,2%. Проявилось высокое количество свободного госсипола по отношению к количеству сухого вещества в составе хлопкового шрота. При проведении процесса экстракции с использованием композиций растворителей, увеличение доли этанола в составе композиции оказало негативное влияние на переход свободного госсипола в масло, составив в среднем 0,667%.

Наряду с этим установлено, что изменение типов растворителей в процессе экстракции приводит к уменьшению количества протеина в составе шрота. При экстракции экстракционным бензином количество протеина в образце-1 было минимальным — 43,8%, тогда как при проведении процесса с чистым этанолом это значение было равно 52,43%. При проведении процесса с помощью композиций растворителей наивысшее значение проявилось при соотношении (70:30), составив 54,37%. При осуществлении процесса экстракции с соотношением композиции растворителя (60:40) осталось практически неизменным — 54,3%. Однако, влияя на маслянистость получаемого шрота, при соотношении (60:40) в среднем арифметическом значении составило 3,23%, тогда как увеличение доли экстракционного бензина в составе только композиции на 10% приводит к уменьшению маслянистости шрота на 1,6%.

Заключение

Результаты исследования показали, что при прямой экстракции сырья хлопковых семян степень измельчения на уровне 60% и использование в качестве растворителя композиции ЭК-4 (70:30) дали наиболее оптимальные показатели. В этом случае выход масла достиг 97%, количество протеина в шроте составило 54,37%. Продолжительность процесса экстракции составила 70 минут. На основе результатов проведенного эксперимента можно заключить, что при прямой экстракции лепестка хлопковых семян доказано влияние увеличения степени измельчения ядро хлопковых семян и изменения типов растворителей в процессе экстракции на продолжительность процесса экстракции, выход экстракционного масла, показатели жмыха. Если продолжительность процесса экстракции при экстракции экстракционным бензином составляла 40-50 минут, то при проведении процесса с этанолом она сохранялась на значении в 4,2-5,25 раза выше по сравнению с ним. Установлено, что наиболее приемлемыми соотношениями для использования композиций растворителей при получении высокобелкового хлопкового шрота из хлопковых семян являются (70:30) и (60:40). Также установлено, что степень измельчения сырья хлопковых семян обратно пропорциональна продолжительности процесса, и прямо пропорциональна выходу экстракционного масла.

Доказано, что для прямой экстракции сырья хлопковых семян в качестве оптимальных показателей сырья необходимо использовать степень измельчения сырья 60%, в качестве растворителя — экстракционный бензин и этанол в соотношениях (70:30) и (60:40), время экстракции должно составлять 110 минут, что обеспечивает максимальный выход масла и способствует сохранению максимального количества протеина по отношению к количеству сухого вещества в составе жмыха.

Список литературы:

1. Щербаков В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья. –М.: Колос. -2003. -359 с.
2. Гавриленко И.В., Разработка и совершенствование маслоэкстракционного производства: док. дисс. на соск. уч. степ. докт. техн. наук. – Ташкент - 1965. – С. 77.
3. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров. //ВНИИЖ. – Л.: - т.1, кн.2. – 1974. – 300…450 с.
4. Stuchlík M, Zák S. Vegetable lipids as components of functional foods. Biomed Pap Med Fac Univ. Palacky Olomouc Czech. Repub. 2002, 146(2), 3-10. DOI: 10.5507/bp.2002.001.
5. Das U.N. Essential Fatty acids - a review. Current Pharmatseutical Biotechnology. 2006, 7 (6), 467-82. DOI: 10.2174/138920106779116856.
6. Arbex, A., Bizarro, V., Santos, J., Araújo, L., de Jesus, A., Fernandes, M., Salles, M., Rocha, D. va Marcadenti, A. The Impact of the Essential Fatty Acids (EFA) in Human Health. Open Journal of Endocrine and Metabolic Diseases. 2015, 5, 98-104. DOI:10.4236/ojemd.2015.57013.
7. Saxena D. K., Sharma S.K. and Sambi S.S, Kinetics and Thermodynamics of cottonseed oil extraction., Grasas y aceites, 62 (2): 198-205, 2011.
8. Devesh K Saxena, S. K. Sharma and S. S. Sambi Comparative extraction of cottonseed oil by n-hexane and ethanol., ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, VOL. 6, NO. 1, JANUARY 2011., 85-89 pages.
9. Ayers AL, Scott CR. 1951. Cottonseed oil extraction with normal Hexane and Methylpentanes. J. Am. Oil Chem. Soc. 28, 348-351.
10. Ertugrul D, Filiz K. 2004. Using of Cottonseed Oil as an environmentally accepted Lubricant additive. Energy Sources, part A, Recovery, Utilization and Environmental Effects 26, 611-625.
11. Meziane S, Kadi H. 2008. Kinetics and thermodynamics of oil extraction from olive cake. J. Am. Oil Chem. Soc. 85, 391-396.
12. Shekhar G.C. 2006. India second largest global cotton producer. The Hindu, businessline.com, Wednesday, 2006/10/04.
13. Wan PJ, Hron RJ. 1995. Recent advances in extraction of cottonseed oil. J. Am. Oil Chem. Soc. 72: 543-548.   
14. Johnson LA. 2000. Processing of oilseeds. In: Food Chemistry, Marcel Dekker, New York, 345-385.   
15. Smith KD, Patel AA. 2012. Effects of particle size on oil extraction yield.     Food Engineering Reviews 4(2): 112-125.   
16. Zhang Y, Wang L. 2018. Green solvents for sustainable extraction of vegetable oils.
17. Green Chemistry 20: 1234-1245.17. Conkerton EJ, Wan PJ Richard O.A. 1995. Hexane and heptane as extraction solvents for cottonseed: A laboratory-scale study. J. Am. Oil Chem. Soc. 72: 963- 965.
18. Wan PJ, Hron RJ. 1994. Solvent extraction of cottonseed with alternative hydrocarbons. J. Am. Oil Chem. Soc. 71: 1159-1164.
19. Д.А.Насрединов, А.Б.Йўлчиев, К.П,Серкаев Юқори оқсилли шрот олишда эритувчиларнинг оптимал таркибини ишлаб чиқиш. Journal of food science. volume 3, issue 4, may 2025 ISSN: 2181-385X. 76-87 pages.
20. Nasredinov, Dilshod A.; Yulchiyev, Aslbek B.; and Serkaev, Kamar P. (2025) "The importance of solvents in obtaining gossypol free cotton meal in the extraction process," Chemistry and chemical engineering: Vol. 2025: No. 3, Article 9. DOI: https://doi.org/10.70189/1992-9498.1680.
21. Nasrеdinov D., Serkaev Q., Yulchiev A. Effect of solvent compositions on oil indicators in cotton oil extraction. Scientific and Technical Journal of NamIET., Vol. 10, Issue 2. 2025 y., 70-78 pages.
22. Shcherbakov V.G. Biokhimiya i tovarovedeniye maslichnogo syr'ya [Biochemistry and commodity science of oilseed raw materials]. M.: Kolos. 2003, 359.
23. Beloborodov V.V. Osnovnyye protsessy proizvodstva rastitel'nykh masel [Basic processes of production of vegetable oils]. M.: Pishchevaya promyshlennost'. 1966, 477.
24. Chernenko, T.V. e.t. a.l. “Extraction of Gossypol” UDC 665.3/ 35 :665.1.03 Translated from Khimiya Prirodnykh Soedinenii, No.2: 157-160, 1980
25. Ferreira-Dias, Suzana & Valente, Dina & Abreu, José. (2003). Comparison between ethanol and hexane for oil extraction from Quercus suber L. fruits. Grasas y Aceites. 54.