我國是世界上主要的產(chǎn)棉大國，年產(chǎn)棉籽800余萬t。其中棉仁占50%~55%，棉仁蛋白質(zhì)含量為35%~38%，棉仁提油后的粕中蛋白質(zhì)含量最高可達60%，是巨大的蛋白質(zhì)資源。但是由于其中含有對畜禽有毒害作用的游離棉酚，使得豐富的蛋白質(zhì)資源未能得到充分利用。
棉酚是一種有毒酚型色素，棉籽中含棉酚0.15%~1.8%，按其存在形式分為游離棉酚(FG)和結(jié)合棉酚(BG)，游離棉酚具有活性醛基和羥基，對單胃動物有較大毒性，而結(jié)合棉酚由游離棉酚與棉仁中的蛋白質(zhì)、磷脂、糖類等通過化學結(jié)合而成，毒性較小。棉酚主要存在于棉仁的色腺體內(nèi)，色腺體壁對極性溶劑十分敏感，遇極性溶劑即破裂，釋放出色素微粒，其主要成分就是棉酚。但如果未遇到極性溶劑，色腺體壁可承受機械壓力而保持完整，即使色腺體破裂也不會釋放出其所含的色素 。因此，從棉仁中提取棉酚大都采用極性溶劑，如丙酮、乙醇、甲醇、異丙醇等。
長期以來,國內(nèi)外學者對棉籽脫酚技術(shù)進行了大量研究,主要有化學法、微生物發(fā)酵法、溶劑萃取法等?；瘜W法是將游離棉酚破壞或形成結(jié)合態(tài)，微生物發(fā)酵法是使棉酚分解，這兩種方法主要解決游離棉酚的問題， 而不能從根本上解決高溫預處理過程造成的蛋白質(zhì)變性、營養(yǎng)價值下降等問題。溶劑萃取法是研究較多且實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)，如乙醇-工業(yè)己烷混合溶劑浸出法，在混合溶劑中90%的乙醇與工業(yè)己烷之比為30∶ 70時，浸出棉籽油和脫除棉酚的效果都很好。但過程中乙醇與工業(yè)己烷的比例控制比較困難。再如，丙酮浸出法，在利用丙酮作溶劑浸出棉籽油的同時，棉酚也被浸出，從而使棉籽粕脫毒。但由于丙酮不能溶解磷脂，致使粕的風味受到影響。雙溶劑分步法，即先用己烷浸出棉仁生坯中的油脂，再用甲醇萃取脫脂粕中游離棉酚。該法可使浸出棉粕中游離棉酚含量降到004%，粕中粗蛋白含量達到50%以上。
早在20多年前，美國新奧爾良南部地區(qū)研究中心的Abraham[5]和Hron[6]等人，就采用乙醇作溶劑來浸出棉仁生坯，提取油脂及其他副產(chǎn)品，由于該工藝采用混合油冷卻分層和反滲透膜等先進設(shè)備，免除了己烷浸出工藝常規(guī)的混合油蒸發(fā)和汽提工序，從而減少了能耗，降低了操作費用。
乙醇是一種利用農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的可再生溶劑，同時乙醇是一種安全性僅次于水的溶劑，使用它對環(huán)境沒有負面影響。乙醇屬于極性溶劑，可以溶解棉酚，同時90%~95%乙醇在接近沸點的溫度下對油脂也有較大的溶解度。本文采用95%乙醇為溶劑，對棉仁低溫壓榨餅進行浸出，旨在同時提取棉籽油和脫除棉酚。由于棉仁在低溫下壓榨出油，所含游離棉酚未與蛋白質(zhì)結(jié)合，有利于乙醇萃取脫酚。另外，棉仁低溫壓榨餅殘油率低、容重大，有利于徹底脫脂，也有利于減小后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的投資。
材料與方法
實驗原料
棉仁低溫壓榨餅由安陸天星糧油機械設(shè)備有限公司提供。系采用含油率23.6%、水分10.02%、仁中含殼率10%的棉仁于42 ℃下用LYZX·24型低溫螺旋榨油機壓榨后所得棉仁低溫壓榨餅，其主要成分見表1。
主要實驗試劑
95%乙醇為化學純，丙酮、苯胺、石油醚、硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、硼酸等試劑均為分析純。
主要實驗儀器、設(shè)備
GZX-GF101-MBS電熱恒溫鼓風干燥箱，電熱恒溫水浴鍋，HYP消化爐，電子萬用爐，微量凱氏定氮儀，雙頻超聲波清洗機，7200型可見分光光度計，RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，DZF-6050型真空干燥箱，電子分析天平，SHA-C水浴恒溫振蕩器，SYC-15B超級恒溫水浴，滲濾式玻璃浸出器(自制)，索氏抽提器，高速萬能粉碎機，SCOUT SCA210型電子天平，501型超級恒溫器。
實驗方法
原料和浸出粕中成分的測定 粗蛋白的測定，GB 5511-1985[7];粗脂肪的測定，GB 5512-1985[7];水分的測定，GB 13101-1991[7];游離棉酚含量的測定，參照文獻，用苯胺顯色法測定。
浸出實驗 稱取一定量原料餅，破碎到一定粒度置入自制的玻璃浸出器中，在浸出器加熱夾套內(nèi)通入恒溫熱水，改變原料粒度、原料水分、浸出溫度、浸出次數(shù)、浸出固液比5個因素對棉仁低溫壓榨餅進行浸出，測定浸出粕中的殘油率和游離棉酚含量，確定合適的工藝參數(shù)，通過正交實驗優(yōu)化浸出工藝條件。
結(jié)果與討論
單因素實驗
原料粒度對粕中殘油率和游離棉酚含量的影響 在浸出溫度70 ℃、固液比1∶ 3、浸出次數(shù)12次(每次15 min)、原料水分9.88%條件下,用95%的乙醇浸出棉仁低溫壓榨餅，原料粒度對粕中殘油率和游離棉酚含量的影響。
隨著原料粒度的減小，粕中殘油率和游離棉酚含量均逐漸降低。油料的浸出過程是通過溶劑滲透的方式進入物料內(nèi)部達到萃取油脂的目的，物料粒度太大不利于溶劑滲透，從而導致殘油率較高。游離棉酚的提取原理與油脂的提取原理類似，因此浸出粕中游離棉酚含量與殘油率有相同的趨勢。但是當原料的粒度降到5 mm的時候，粕中殘油率和游離棉酚含量都相應升高，這是因為原料粒度太小，粉末度增加，會影響到溶劑向物料內(nèi)部的滲透和滲濾，從而導致粕中殘油率和游離棉酚含量有所升高。因此，選擇原料粒度為7.5 mm比較適宜?！?/span>
粕中殘油率隨著原料水分的減少而逐漸降低。由于原料水分影響溶劑對油料的滲透及向內(nèi)部擴散，原料水分較高時將使物料外表面、細胞壁、二次結(jié)構(gòu)組織、毛細孔壁被溶劑潤濕的情況變差，故粕中殘油率較高，而此時乙醇濃度被稀釋,溶劑極性增大,故粕中游離棉酚含量較低。棉酚與油脂的極性相差很大，油脂不溶于水，是典型的非極性物質(zhì)，而棉酚帶有多個 O H，可溶于水，極性較強。根據(jù)“相似相溶”原理，當原料中的水分減少時，也就減少了乙醇濃度被稀釋的可能性，浸出后粕中殘油率會隨之降低,而粕中游離棉酚含量卻隨之升高。故原料水分應低于9%。
浸出溫度對粕中殘油率和游離棉酚含量的影響
隨著浸出溫度的升高，粕中殘油率和游離棉酚含量都逐漸降低。浸出屬分子擴散控制過程,溫度升高,分子運動速度加快,浸出速率也加快。萃取棉酚也屬分子擴散控制過程，萃取溫度對萃取速率影響很大，溫度升高，分子擴散速度加快，萃取速率提高。因此，粕中的殘油率和游離棉酚含量都隨溫度的升高而降低。當溫度達到70 ℃以后，粕中殘油率的降低趨勢減緩。
浸出次數(shù)對粕中殘油率和游離棉酚含量的影響
隨著浸出次數(shù)的增加，粕中殘油率和游離棉酚含量都隨之降低。浸出過程是一個多次打破傳質(zhì)動態(tài)平衡的過程，隨著浸出次數(shù)的增加，打破傳質(zhì)動態(tài)平衡的次數(shù)也就越多，可使平衡向有利于油脂浸出的方向移動。同時，隨著浸出次數(shù)增加，總浸出時間延長，溶劑與物料接觸的時間也就越長，這有利于油脂和棉酚的萃取。當浸出次數(shù)達到12次時，殘油率已經(jīng)降到1.71%，繼續(xù)增加浸出次數(shù)，粕中殘油率的降低已經(jīng)變化不大，故選擇浸出次數(shù)為12次較為適宜。
固液比對粕中殘油率和游離棉酚含量的影響
粕中殘油率和游離棉酚含量都隨著固液比的增加而減小。浸出過程是固液萃取過程，是動態(tài)平衡過程，固液比大，對油脂和游離棉酚的提取能力就強，但固液比太大會消耗大量溶劑，加大溶劑回收負荷，實際生產(chǎn)過程應該在保證降低粕中殘油率的情況下盡量減小固液比。從圖中還可看出，當固液比達到1∶ 3的時候，粕中殘油率已經(jīng)降到2%以下，繼續(xù)增大固液比，粕中殘油率下降趨勢很弱，故選擇固液比為1∶ 3。
由實驗可知，影響乙醇浸出粕中殘油率的因素主次順序為：浸出溫度>原料粒度>固液比>浸出次數(shù)。******的工藝組合為A1B3C2D1，即采用95%的乙醇作溶劑，浸出溫度為78 ℃，原料粒度為5 mm，固液比為1∶ 4，浸出次數(shù)為12次。影響乙醇浸出粕中游離棉酚的因素主次順序為：浸出溫度>浸出次數(shù)>固液比>原料粒度。******的工藝組合為A1B3C1D3，即采用95%的乙醇作溶劑，浸出溫度為78 ℃，原料粒度為5 mm，浸出固液比為1∶ 3，浸出次數(shù)為14次。
由表4的方差分析得出浸出溫度和原料粒度具有顯著性影響。
2.3 重復實驗及產(chǎn)品主要成分
綜合粕中殘油率和游離棉酚含量為指標的正交實驗結(jié)果，考慮到原料粒度為5 mm太小，在浸出過程中容易形成粉塵，使浸出器滲瀝困難，故選用原料粒度為7.5 mm。另外，考慮到粕中的殘油率在浸出次數(shù)為12次時即可以達到1%左右，此條件下粕中游離棉酚含量也已降到規(guī)定的0.045%標準以下，故確定95%乙醇浸出棉仁低溫壓榨餅的工藝條件為：原料粒度7.5 mm，浸出溫度78 ℃，固液比為1∶ 3，浸出次數(shù)12次。
產(chǎn)品的粗脂肪含量由原料的9.7%降到了0.91%，粗蛋白含量由原料的44.71%富集到51.81%，游離棉酚含量由原料的0.144 6%降到0.012 9%。
3 結(jié) 論
(1)本實驗首次采用95%乙醇單一溶劑浸出棉仁低溫壓榨餅，在浸出油脂的同時脫除了其中所含的游離棉酚。
(2)通過單因素實驗和正交實驗得出用95%乙醇浸出棉仁低溫壓榨餅的******工藝條件是：原料水分小于9%，原料粒度7.5 mm，浸出溫度78 ℃，浸出次數(shù)12次(每次15 min)，固液比1∶ 3。
(3)在******工藝條件下重復實驗所得棉粕中殘油率由原料的9.7%降為0.91%，粗蛋白含量由原料的44.71%(N×6.25，干基)富集到51.81%(N×6.25，干基)，游離棉酚含量由原料的0.144 6%降為0.012 9%。