改善植物油的酶促脱胶和减少下游加工设备结垢的方法

专利名称：改善植物油的酶促脱胶和减少下游加工设备结垢的方法
与相关申请的相互参照2003年12月19日提出的临时专利申请系列No.60/531,192并入本文作参考。
背景技术：
发明领域本发明总体上涉及改善植物油的酶促脱胶的方法。该方法减少反应后设备中的结垢。本发明尤其适用于其中处理食用油而制备色拉油品质的食用油的生产线。更具体地说，本发明涉及方法改进，它在被加工的油中产生使这样处理的油流过的设备上的积聚最少化的条件。
相关技术的描述基于植物的食用油一直被加工成色拉油。这种加工的基本方法是所谓的苛性法。在这种方法中，粗植物油可能或可能没有过滤，并且可能或可能没有进行过酸法脱胶或水法脱胶。仅仅当从水法脱胶生产“清亮和鲜明的”食品级卵磷脂时，才利用粗油的过滤。借助于酸而使粗油脱胶时，燃烧卵磷脂而产生不希望的产物。在水法脱胶中，将粗油与水混合并且制备脱胶的粗产物，胶被脱除后如果需要的话就收集。水法脱胶能除去粗油中存在的约三分之二的胶。通常，将磷酸注入脱胶后的粗产物，接着添加氢氧化钠以提供苛性处理的油，脱除皂脚后如果需要的话就收集。然后，将二氧化硅加到该苛性处理的油中，再除去废二氧化硅。随后将漂白土加到二氧化硅处理过的油中以提供漂白的油，再除去废粘土。然后在脱臭过程中将水加到漂白的油中，分离溜出液。这种苛性法的一个缺点是较低的产率，加之需要进行很多步骤以达到所要求的色拉油品质油。
磷酸的作用是处理油中的卵磷脂组分。该方法包括，磷酸的回加中和，需要它来中和游离的脂肪酸，产生分离出的钠皂。人们认识到，在油加工工业中采用与苛性油精制不同的方法具有优势。
已经提出了这样的方法，即，通过酶促法将食用油产品加工成色拉油产品，其间脂肪酸保留在油中，而不是按照苛性精制的分离法，将所含的脂肪酸转化并保留在植物油中直到例如通过离心将它分离。
在油的精制技术中，文献例如Aalrust等的美国专利No.5,264,367(将它并入本文作参考)讲授了食用油的酶促处理。在这类方法中，通过将油与磷脂酶A1、A2或B的水溶液接触然后将水相与处理过的油分离，利用酶促分解而减少已经过湿法精制的食用植物油或动物油的含磷组分。据说这样可较大程度地减小油中的磷含量。虽然酶促处理法表现良好的潜力，但本发明实现了对这些方法的改进。本发明提供了改善油脱胶工艺的方法。
本发明提供了一种新方法，它促进酶在食用油精制、包括脱胶操作中的应用。本发明结合了反应后添加以减少结垢。更具体地说，在酶反应器的下游迅速地添加防污组分。防污组分赋予脱胶的油提高了的加工性能。
开发了酶促脱胶技术以提供，例如，水合要求脱胶的卵磷脂或脂肪酸天然油组分的选定的切割位点的能力。具有A1特性的那些酶切割甘油三酯分子的A1位点、具有A2特性的酶在A2或B或中部位点切割、以及具有C特性的那些酶在A3位点切割，它们在这些类型的甘油三酯中具有不希望的磷原子。
此前，还没有意识到这类酶促脱胶操作导致下游设备例如热交换器和离心设备的叶片和其它工作面上不希望的残渣积聚。根据本发明，反应器后添加防污组分和酶促精制法的结合导致高产率和平稳操作的工业规模食用油加工设备。
发明概述根据本发明，提供了具有改善植物油酶促脱胶的特性的方法。这些方法具有作为主要组分的防污组分或添加剂在基本的脱胶反应后的应用，即，在酶与食用油反应而根据酶的特异性切割以后。优选的防污添加剂是食品级的酸。
本发明的一般目的和方面是提供一种方法，它在相当的程度上改善操作特性而不显著改变结合了很有利的酶反应法的工业规模食用油脱胶操作。
本发明的另一方面或目的是，它以有效的方式提供了脱胶的食用油，并且缩短了带来产率优势的酶促法引起的停机时间。
本发明的另一方面或目的是，它通过酶促脱胶法提供了色拉油品质的食用油，同时通过显著减少反应器后加工设备的结垢而解决了严重的加工问题。
结合显示某些具体特征的附图，从如下根据本发明优选实施方案的描述将懂得本发明的其它方面、目的和优点，包括不同结合中应用的各种特征。
附图简述

图1是阐释根据现有技术的总操作工序的示意图，它始于反应室或储槽中的食用油；图2是根据本发明的典型工业规模操作的流程图；图3是高剪切反应器切去一部分的透视图，该反应器特别适合以很有效的、有优势的方式将酶与食用油反应；图4是可优选用于本方法的操作混合装置和方法切去一部分的透视图，它显示流动作用和操作细节；以及图5是阐释适合结合本发明的加工工序的示意图。
对优选的实施方案的描述根据需要，本文描述了本发明的详细的实施方案；然而，应懂得，公开的实施方案仅仅列举可能以各种形式体现的本发明。因此，本文公开的具体细节不能被解释为限制性的，而仅仅作为权利要求的基础和作为启示本领域技术人员以实际上任何合适的方式不同地应用本发明的代表性基础。
本发明涉及通过包括脱胶操作的方法精制食用油。生产包括，通过酶反应分裂成水合位点，随后以控制不希望的积聚(它降低下游设备的操作效率)的方式处理所述油。
在酶促脱胶中，在保留反应器的下游的热交换单元和离心设备被释放出的钙盐和镁盐或皂迅速地变污。酶反应的自然pH有利于迅速结垢。在反应器之后和下游设备之前，例如在热交换器中，注入较少量的防污组分，就消除污垢或者至少很显著地减少污垢。
用某些形式的磷脂酶A-1进行植物油的酶促脱胶需要4.0～5.0之间的反应pH。该反应的最适pH在4.5～5.0之间。然而，在最适pH范围内，在酶促反应中释出的钙和/或镁与用来控制反应条件的缓冲酸或螯合酸结合，通常导致盐的生成和与其接触的设备的结垢。
如果没有本发明的益处，结合的钙盐和镁盐就会在热表面例如热交换器和离心机盘组(disk stacks)上沉淀。就热交换器来说，如果不防止这样的结垢，就需要用强酸热溶液洗涤数小时以清除沉积物。就离心机来说，就不得不通过手工拆卸装置和物理刮擦每一块盘片来除去积聚物。离心机的清洁工序通常可能需要40个工时才能完成。
可以领会的是，如果在靠近pH4.0操作反应，污垢可能少得多。然而，这样带来一个相当大的缺点是，在更低pH水平，反应速率更低。此外，在这样的情况下难于保持pH不下降到4.0以下，在这种情况下反应完全停止。所以，直接添加酸性介质来降低pH值具有严重的生产问题。
本发明能使酶促反应在它的最适pH下操作，在大多数情况下4.5～5.0的pH。在酶促脱胶反应器的出口添加防污剂，就在油流向反应器后的设备之前不久添加。反应器后注入防污剂或防污组分提供脱胶反应完毕后具有降到更低水平的pH的酶脱胶油和作用剂的混合物。已发现该水平是不结垢水平。
关于防污剂或防污组分，同样优选的是适用于食品加工的有机酸或无机酸。该酸应当将pH降到4.5或以下，并且可起金属螯合剂的作用。实例包括柠檬酸、马来酸、苹果酸、磷酸等。
与植物油相容的、并且具有小于4.0的pKa的有机酸或无机酸是优选的。将这种防污剂或防污组分注入生产线并且在混合物进入热交换器和/或离心机或其它下游设备以前离开酶促反应器。
控制流量使它与油流量成比例，并且使反应器下游混合物的水相pH在约2～4.5之间，优选在约3.5～4.2之间，最优选在约3.8～约4.0之间。在很多情况下，保持水相在约4.0的pH是很合适的目标。更低的pH值也将实现该预期的效果，但是浪费酸和下游中和剂。
就防污剂来说，优选应用柠檬酸控制来自酶促脱胶反应器的流体的pH。这种酸对于该目的是有利的，并且在工业规模油加工厂中是容易获得的。还可根据成本和实用性而应用其它植物油相容的酸，例如磷酸、苹果酸或马来酸。该酸必须足够强从而将混合物水相的pH降到低于4.5，通常在4.0或略低，但不由于反应性或氧化性作用而破坏油。
参考可在反应器内进行的酶活性，在不同切割位点的磷脂酶作用方式可归纳如下 X取代基可以是氢、胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇等中的任一种。
酶对卵磷脂的作用方式如下列反应顺序所示 卵磷脂溶血卵磷脂 FFA这阐释了一般的酶作用方式，它是关于实施本发明的酶反应过程的典型方式。该特定的阐释显示了卵磷脂生成溶血卵磷脂和游离脂肪酸的酶反应。
脂质(即，通常称为卵磷脂和脂肪)的结构可如下所示，其中，R1、R2和R3等各自表示不同的脂肪酸链，而且其中，X表示氢、胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇等。在这些结构中有可利用的反应位点。
卵磷脂 脂肪一个典型的现有技术酶反应顺序如图1所示。容器11表示一批脱胶的油。在位置12引入作用剂例如柠檬酸，而流体继续流过强力混合器19a，例如Alpha Laval的MX-90型。该流体随后流到酸保持场所13。然后流向工业上称为“节约装置”的热交换器14。在导引器15处显示出苛性物质的添加，接着流过另一个强力混合器19b。在流入冷却器17以前，可在位置16添加水以提供热交换作用。在位置18处显示出酶的添加，借助于分散混合器21将油脱胶。该分散混合器可以是多级在线分散混合器DispaxTM反应器，可得自IKA。在该现有技术方法中，在位置12引入的酸(通常是有机酸)和在15引入的苛性物质(通常是氢氧化钠)构成pH为4.5～5.2的缓冲液。当在18添加相同的物质时，该缓冲的pH范围对于实现最佳酶性能是有价值的。通常，以添加的酸的约1.5摩尔当量添加苛性物质。
图2阐释了结合本发明优选的实施方案的加工线。前文关于图1的描述适合图2，一直到流入分散混合器21的细节。图3和图4中阐释了一个典型的分散混合器，例如IKA的DispaxTM反应器。优选的分散混合器是强力高机械剪切混合器，例如IKA工作100马力DispaxTM反应器。这样产生很稳定的机械乳液，并且由于利用了高机械剪切力而不需乳化剂。该乳液能使酶与磷脂反应，将它们转化为水溶性溶血磷脂。从这样的分散混合器流出后，酶和油可流入槽22，该槽可称为保持槽或反应槽。
与本发明一致，在23通过适当的注入装置添加防污剂或防污组分。如本文别处讨论的，该添加将pH降到低于4.5，在油流到下游设备以前进行这种降低，下游设备一般是一个或更多个热交换器、离心机和其它油加工设备。在阐述的优选实施方案中，当油流过热交换器或节约装置14、流过预热器24、以及流入和流过离心机25时存在降低的pH条件。认为至少所述节约装置和所述预热器帮助将防污剂混合和/或分散入油中。从下游离心机流出的流体将是流过一条管道的精制植物油急流26，将它与皂脚和/或二次胶27分离。
如果没有在热交换器和离心机上游这样的部位添加防污剂的该方面，这些反应后组件就经历了结垢。这样的结垢导致这些组件内的背压急剧增大。经历该条件如此严重，以致所述那个或多个离心机将开始变得不平衡，引起振动。经验还表明，在离心机位置之前、但在热交换器(例如预热器和节约装置)之后添加防污剂或防污组分，并不能解决结垢问题。反之，离心机与板框式热交换器经历了不可接受的结垢。
还确定了，防污剂或防污组分添加的效果将随该作用剂或组分的浓度而变。通常，防污剂浓度应当是至少100ppm。高达300ppm的值作用良好，但不如更低水平那样成本低。合理的工作范围是约100ppm～约200ppm，优选的范围是约125ppm～约175ppm。从效果和成本考虑，约140ppm～约160ppm是特别优选的。
实现防污效果的另一因素是该油流到达离心机以前防污剂在油中的滞留时间长短。流过该流路区段应当在不长于约一分钟、优选不长于约45秒、最优选不长于约30秒内完成。
通常用泵进行防污剂的添加。优选地，泵出的流体与连续油流体混合以添加准确浓度的防污剂，所以需要的pH降低发生在其中有效力的防污组分是可溶解的范围。例如，当柠檬酸是防污剂时，柠檬酸钙和柠檬酸镁保持可溶。
已发现，不论操作中应用何种特定的酶，本发明都将是有益的。可应用磷脂酶，包括A-1、A-2、B、C和D。酶的用量将取决于从酶生产商提供的酶的浓度，以及酶的活性。典型的最大用量应当是约1重量％。酶的浓度主要随酶和油而变化，与防污剂的作用和工艺并不特别相关。
本发明的方法的总流程图见于图5。就本发明来说，通常以约20ppm～约60ppm数量级的水平投配酶，应用高剪切混合器(如附图中所示)将酶与油混合。然后将油保持在约45℃的温度。仅仅2％的低水含量是对通过该物理加工方法处理的油所要求的一切。这样减小干燥费用。
通过按照本发明使用防污剂或防污组分，有利地保持低的pH。这样可防止柠檬酸钙形成和沉淀析出。该柠檬酸钙沉积而且其它可能形成的盐将在下游形成不希望的沉积物。例如，要不然，在下游设备的工作组件上将形成柠檬酸盐沉积物。
成品油具有通常低于2ppm的磷含量。在该酶促脱胶和物理精制后，油中的磷含量不大于约2～约5ppm。相比之下，通过前述苛性法的化学精制留下的磷含量在不低于8～10ppm的数量级。所以，借助于本发明实施的方法具有需要更少二氧化硅的优点，通常掺入二氧化硅来吸附脱胶后残余的磷。
能理解的是，已描述的本发明的实施方案只是阐述本发明的原理的一些应用。本领域技术人员可进行很多修改而不偏离本发明的真正实质和范围，包括本文分别公开的或声称的那些特征的组合。
权利要求
1.一种减少工业级食用油加工设备的结垢的方法，它包括将食用油源与酶接触，从而分解食用油源的脂肪组分而提供水合位点和产生分解的组分以提供反应的食用油；将反应后防污组分加到反应的食用油中以提供它的混合物；让所述反应的食用油和防污组分的混合物流体通入和流过下游加工设备；以及于是通过所述反应的食用油内存在的、下游加工设备中也存在的所述防污组分的作用来防止下游加工设备的工作面上结垢。
2.权利要求1的方法，其中，所述防污组分是适合与人类消费的食品一起应用的有机酸或无机酸。
3.权利要求2的方法，其中，所述防污组分是柠檬酸、磷酸、马来酸或苹果酸。
4.权利要求2的方法，其中，所述防污组分将所述反应的食用油的水相的pH减小到不大于4.5pH。
5.权利要求4的方法，其中，所述反应的食用油的水相被减小到约3.5～4.2pH。
6.权利要求4的方法，其中，在所述反应过程中，所述食用油的水相处于4.5～5.2之间的pH。
7.权利要求1的方法，其中，所述反应的特征在于剪切混合。
8.权利要求1的方法，其中，在所述反应过程中，所述防污剂以至少约100ppm的含量存在。
9.权利要求8的方法，其中，所述防污剂的含量是约100ppm～约200ppm。
10.权利要求1的方法，其中，所述通入下游加工设备是在所述添加防污组分之后不多于一分钟内完成的。
11.权利要求1的方法，其中，所述反应步骤的酶选自下组磷脂酶A-1、A-2、B、C和D中任一种。
12.根据一种包括下列步骤的方法制备的脱胶食用油将食用油源与酶接触，从而分解食用油源的脂肪组分而提供水合位点和产生分解的组分以提供反应的食用油；将反应后防污组分加到反应的食用油中以提供它的混合物；让所述反应的食用油和防污组分的混合物流体通入下游加工设备，于是防止下游加工设备的工作面上结垢；以及由此，所述脱胶的食用油具有不大于约5ppm的磷含量。
13.权利要求12的产品，其中，所述防污组分是适合与人类消费的食品一起应用的有机酸或无机酸，而且所述反应的食用油的水相具有约3.5～4.2之间的pH。
14.权利要求12的产品，其中，所述防污组分是柠檬酸、磷酸、马来酸或苹果酸，而且所述反应的食用油的水相具有约3.5～4.2之间的pH。
15.权利要求12的产品，其中，在所述反应过程中，所述防污剂以至少约100ppm的含量存在。
16.权利要求12的产品，其中，所述防污剂的含量是约100ppm～约200ppm。
17.权利要求12的产品，其中，所述通入下游加工设备是在所述添加防污组分之后不多于45秒内完成的。
18.权利要求12的产品，其中，所述反应步骤的酶选自下组任一磷脂酶A-1、A-2、B、C和D。
全文摘要
一种控制酶促脱胶特性的方法，所述特性引起工业规模食用油加工的反应器后设备的结垢。在反应器之后和任意反应器后设备例如热交换器和离心机之前添加包括有机酸或无机酸的防污剂。通常以大于油的约100ppm添加防污剂，而且通常所述油的水相pH是约3.5～4.2。
文档编号C11B3/04GK1906281SQ200480040629
公开日2007年1月31日 申请日期2004年12月17日 优先权日2003年12月19日
发明者C·L·G·戴顿, K·P·斯托勒, T·L·伯克希尔 申请人:邦奇油类公司