ИЗМЕНЕНИЕ ЖИРНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА ПРИ РАФИНАЦИИ МИЦЕЛЛЫ ХЛОПКОВОГО МАСЛА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано влияние ультразвукового воздействия на процесс рафинации мисцеллы хлопкового масла и его жирнокислотный состав. Проведены лабораторные эксперименты по нейтрализации мисцеллы с использованием ультразвука, определены изменения содержания основных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот методом газовой хроматографии. Было выявлено, что ультразвуковое воздействие способствует более эффективному удалению свободных жирных кислот без значительных изменений качественного состава масла. Проанализированы различия между рафинированными маслами, полученными с и без ультразвука, и обоснована возможность применения ультразвуковой обработки для интенсификации процесса рафинации. Результаты исследования подтверждают, что использование ультразвука не оказывает отрицательного влияния на стабильность жирнокислотного профиля хлопкового масла, что открывает перспективы его применения в промышленных условиях.

ABSTRACT

The study investigates the effect of ultrasonic treatment on the refining process of cotton oil micelle and its fatty acid composition. Laboratory experiments were conducted on micelle neutralization using ultrasound, and changes in the content of major saturated and unsaturated fatty acids were determined by gas chromatography. It was found that ultrasonic treatment contributes to more effective removal of free fatty acids without significantly altering the oil’s qualitative composition. Differences between oils refined with and without ultrasound were analyzed, and the feasibility of applying ultrasonic treatment to intensify the refining process was justified. The results demonstrate that ultrasound does not negatively affect the stability of the fatty acid profile of cotton oil, highlighting its potential for industrial application.

Ключевые слова: хлопковое масло; мицелла; ультразвук; рафинация; жирнокислотный состав; свободные жирные кислоты; газовая хроматография.

Keywords: cottonseed oil; miscella; ultrasound; refining; fatty acid composition; free fatty acids; gas chromatography.

Введение

Хлопковое масло является одним из важнейших растительных масел, широко используемых в пищевой промышленности Узбекистана благодаря своей доступности и благоприятному жирнокислотному составу. В странах, где выращивание хлопчатника занимает значительное место в аграрном секторе, переработка хлопковых семян и получение высококачественного масла имеют важное экономическое значение. Однако сырьевая специфика хлопкового масла обусловливает необходимость применения эффективных методов очистки и рафинации для обеспечения его пищевой и технологической безопасности [1].

На стадии экстракции хлопкового масла широко используется растворители такие как гексан, нефраз и экстракционный бензин, в результате чего образуется смесь растворителя и масло называющей мисцеллой, представляющая собой систему «масло-растворитель». Рафинация мисцеллы направлена на удаление свободных жирных кислот, фосфолипидов, пигментов и других сопутствующих веществ, отрицательно влияющих на качество и стабильность готового продукта. Традиционные методы рафинации, как правило, сопровождаются значительными энергетическими затратами и могут приводить к частичному ухудшению качественных показателей масла, а также низкий выход получаемого продукта [2].

В последние годы особое внимание уделяется поиску и внедрению интенсифицирующих технологий, позволяющих повысить эффективность процессов рафинации при одновременном снижении их ресурсоемкости. Одним из перспективных направлений является применение ультразвука, который способен усиливать массообменные и химические процессы за счет кавитационных эффектов, локального повышения температуры и давления, а также турбулизации среды [3].

Использование ультразвукового воздействия в масложировой промышленности показало свою эффективность при экстракции, эмульгировании и очистке растительных масел. Вместе с тем вопросы влияния ультразвука на изменение жирнокислотного состава хлопкового масла, особенно на стадии рафинации хлопкового масла в мисцелле, остаются недостаточно изученными. Это требует проведения комплексных исследований с применением современных аналитических методов [4].

Жирнокислотный состав является одним из ключевых показателей качества растительных масел, определяющим их пищевую ценность и технологические свойства. Любые изменения в соотношении насыщенных и ненасыщенных жирных кислот могут существенно повлиять на функциональные характеристики получаемого конечного продукта. В связи с этим исследование влияния ультразвука на жирнокислотный состав хлопкового масла в процессе рафинации мисцеллы представляет значительный научный и практический интерес [5].

Данная статья направлена на изучение изменений жирнокислотного состава мисцеллы хлопкового масла при рафинации под воздействием ультразвука, а также на оценку целесообразности применения ультразвуковой обработки для повышения эффективности и качества процесса рафинации.

Нами были исследование жирнокислотного состава нерафинированного хлопкового масла в мисцелле и рафинированного хлопкового масла в лаборатории Ташкентского химико-технологического института в аппарате марки GC-2030, Shimadzu (Япония).

Материалы и методы

Исследование жирнокислотного состав нерафинированного хлопкового масла, полученное из хлопковых мисцелл, в сравнении с соответствующими хлопковыми маслами проводили в соответствии с ГОСТ 31663-2012 [6].

Жирнокислотный состав образцов (нерафинированного хлопкового масла) определяли методом газожидкостной хроматографии. Образцы подвергали процессу метилирования с использованием раствора метилата натрия в метаноле [7]. Полученные метиловые эфиры жирных кислот анализировали на газовом хроматографе (GC-2030, Shimadzu, Япония), оснащённом автоматическим устройством ввода проб, инжектором, колонкой (SP-2560, 100 m × 0,25 mm × 0,2 µm) и пламенно-ионизационным детектором.

Условия анализа были следующими: подвижная фаза - гелий, расход газа - 2 мл/мин, режим сплита - 1:20, объём вводимой пробы - 1 мкл, температура инжектора - 220 °С; термостатирование осуществляли в градиентном режиме: выдержка при 100 °С в течение 4 мин, затем нагрев до 200 °С со скоростью 25 °С/мин с выдержкой 8 мин, далее нагрев до 250 °С со скоростью 5 °С/мин с выдержкой 6 мин. Полученные результаты обрабатывали в установленном порядке.

Идентификацию жирных кислот проводили с использованием стандартной смеси (Supelco FAME MIX 37).

Кислотное число определено по методу ГОСТ 5476.

Массовая доля нежировых примесей определено по методу ГОСТ 5481.

Массовая доля влаги и летучих веществ определено по ГОСТ 11812.

Результаты и обсуждение

В производстве хлопкового масла мисцелла - раствор масла в органическом растворителе (н-гексане) - является одной из ключевых стадий технологического процесса. При её рафинации щелочная нейтрализация играет важную роль в снижении содержания свободных жирных кислот и улучшении качественных показателей масла. В традиционных условиях данный процесс характеризуется высокой температурой и значительной продолжительностью. В целях интенсификации технологии в настоящее время применяются различные нетрадиционные методы воздействия, включая электромагнитные поля, высокочастотное излучение и другие физические факторы.

Применение ультразвукового оборудования в процессе щелочной рафинации мисцеллы хлопкового масла обеспечивает ряд существенных преимуществ. Поскольку вязкость мисцеллы значительно ниже по сравнению с самим маслом, обработка её щелочным раствором способствует более лёгкому отделению соапстока. Использование ультразвуковых воздействий дополнительно интенсифицирует процесс нейтрализации и повышает его технологическую эффективность.

Воздействие ультразвука на мисцеллу хлопкового масла в процессе нейтрализации сопровождается возникновением кавитационных явлений, обусловленных формированием и коллапсом микропузырьков в системе «масло-растворитель-щелочной реагент». Локальные зоны повышенного давления и температуры, возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков, интенсифицируют межфазный массообмен и ускоряют протекание химических реакций между свободными жирными кислотами и щелочью.

Ультразвуковая обработка приводит к диспергированию щелочного раствора и образованию устойчивой мелкодисперсной эмульсии, что существенно увеличивает площадь контакта между фазами. В результате этого свободные жирные кислоты более полно и равномерно вовлекаются в реакцию нейтрализации с образованием соапстока, которые затем эффективно удаляются из мисцеллы. Это объясняет снижение кислотного числа и уменьшение доли свободных жирных кислот без значительного воздействия на связанную (триглицеридную) фракцию масла.

Кавитационное воздействие ультразвука также способствует разрушению ассоциатов и межмолекулярных взаимодействий в мисцелле, облегчая диффузию реагентов и продуктов реакции. При этом основные триглицериды, содержащие насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, сохраняют свою структуру, поскольку энергия ультразвука в используемом диапазоне недостаточна для инициирования их термического или радикального распада.

На основе лабораторных исследований выбраны номинальные технологические режимы рафинации хлопкового масла в мисцелле с применением ультразвукового воздействия, значения которых приведены в таблице 1.

После щелочной нейтрализации хлопковой мисцеллы полученный продукт подвергали дистилляции, в результате чего было получено рафинированное хлопковое масло. Далее был изучен жирнокислотный состав полученного образца и проведено его сравнение с хлопковым маслом, полученным по традиционной технологии без применения ультразвукового воздействия. Результаты исследования представлены в таблице 2, а хроматографическое распределение жирных кислот приведено на рисунках 1 и 2.

Таблица 1.

Предлагаемые технологические режимы рафинации хлопкового масла в мисцелле с использованием ультразвукового воздействия

Рисунок 1. Хроматографическое распределение жирных кислот нерафинированного экстракционного хлопкового масла

Рисунок 2. Хроматографическое распределение жирных кислот рафинированного экстракционного хлопкового масла

Таблица 2.

Изменение жирнокислотного состава экстракционного хлопкового масла в процессе рафинации

НО - не определяется принято ≤ 0,05%.

Анализ данных, представленных в таблице 2, показывает, что жирнокислотный состав рафинированных экстракционных хлопковых масел, полученных с использованием ультразвукового воздействия и без его применения, не претерпевает статистически значимых изменений по сравнению с хлопковым маслом, рафинированным традиционным способом.

Установлено, что применение ультразвукового воздействия не приводит к изменению качественного состава жирных кислот рафинированного хлопкового масла. Во всех исследованных образцах основными жирными кислотами оставались линолевая (C_18:2), олеиновая (C_18:1), пальмитиновая (C_16:0) и стеариновая (C_18:0), массовые доли которых соответствуют литературным данным и требованиям международных нормативов Codex Alimentarius для хлопкового масла.

В то же время выявлены незначительные количественные изменения в соотношении отдельных жирных кислот. Так, в образцах масла, рафинированных с применением ультразвукового воздействия, отмечается тенденция к снижению массовой доли линолевой кислоты (C_18:2) и относительному увеличению содержания олеиновой кислоты (C_18:1) по сравнению с контрольными образцами, полученными традиционным способом. Указанные изменения носят статистически незначительный характер и не выходят за пределы погрешности метода анализа.

Незначительное уменьшение доли линолевой кислоты может быть связано с интенсификацией массообменных процессов в системе «мисцелла – щелочной раствор» под действием ультразвуковой кавитации, что способствует более эффективному удалению свободных ненасыщенных жирных кислот в соапсток. При этом олеиновая кислота, обладающая большей устойчивостью к окислительным воздействиям, сохраняется в составе масла в большей степени.

Содержание насыщенных жирных кислот, в частности пальмитиновой (C_16:0) и стеариновой (C_18:0), в процессе ультразвуковой рафинации изменялось незначительно и находилось в пределах экспериментальной погрешности. Аналогичная стабильность отмечена и для минорных жирных кислот, таких как миристиновая (C_14:0), пальмитолеиновая (C_16:1) и арахиновая (C_20:0).

Выводы

Следует отметить, что при оптимальных режимах ультразвукового воздействия (частота, мощность и продолжительность обработки) процессы окисления и изомеризации ненасыщенных жирных кислот минимальны. Это обусловлено кратковременностью локальных экстремальных условий и присутствием растворителя, который частично поглощает энергию кавитации. В результате соотношение насыщенных, моно- и полиненасыщенных жирных кислот в рафинированном масле изменяется незначительно и остается в пределах нормативных значений.

Таким образом, механизм изменения жирнокислотного состава хлопкового масла в мисцелле при ультразвуковой нейтрализации заключается преимущественно в селективном удалении свободных жирных кислот за счет интенсификации массообменных и химических процессов, без разрушения триглицеридной структуры масла. Это подтверждает целесообразность применения ультразвука как эффективного и щадящего метода интенсификации процесса нейтрализации хлопкового масла.

Список литературы:

1. Кадиров Ю.К., Серкаев К.П. Совершенствование технологии рафинации хлопкового масла в мисцелле // Журнал “МАСЛА и ЖИРЫ” – Москва. – 2013. - №7-8. – С.16-18.
2. Кадиров Ю.К., Серкаев К.П., Пардаев Г.Э. Комбинированный способ рафинации хлопковой мисцеллы // Узбекский химический журнал – Ташкент. – 2015. - №2. – С.47-51.
3. Абдурахимов А.А., Серкаев К.П., Кадиров Ю.К. Системный анализ технологической линии рафинации хлопковой мисцеллы // Журнал “Химия и химическая технология” – Ташкент. – 2013. - №2. – С.66-69.
4. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров. Под.ред. проф. Сергеева А.Г. -Л.: ВНИИЖ. т. II. 1973-348 с.
5. Очилова С.О., Кузибеков С.K. Совершенствование процесса щелочной рафинации на основе деструктуризации ассоциатов мисцеллы с использованием ультразвука // Central asian food engineering and technology VOLUME 3, ISSUE 9, Октябрь 2025 ISSN: 2181-385X 96-103 стр.
6. ГОСТ 31663-2012 Масла растительные и жиры животные. Определение методом газовой хроматографии массовой доли метиловых эфиров жирных кислот. М.: 11 с.
7. ГОСТ 31665-2012 Масла растительные и жиры животные. Получение метиловых эфиров жирных кислот. М.: 11 с.