餐饮废油硅酸钠－活性白土精炼工艺优化

餐饮废油硅酸钠－活性白土精炼工艺优化

程 序， 鲁 博，于修烛， 吴 楠， 周婷婷， 臧 佳

（西北农林科技大学 食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100）

摘要：以餐饮废油为试验材料，对硅酸钠-活性白土精炼工艺进行研究。通过单因素试验和正交旋转回归组合设计优化后的精炼最佳工艺条件为：活性白土和硅酸钠总加量8%，反应温度80 ℃，反应时间30 min，活性白土与硅酸钠质量比值为4。在最佳条件下精炼率为79.6%，精炼油酸值（KOH）为0.71 mg/g，过氧化值为4.32 meq/kg，符合饲料用油的行业标准。 

关键词：餐饮废油；硅酸钠；脱酸；脱色；响应面分析

中图分类号：TQ644.4;S816.7   文献标志码：A   文章编号：1003－7969(2010)10－0010－05

Refining of waste cooking oil with sodium silicate and 

activated bleaching earth

CHENG Xu，LU Bo，YU Xiuzhu， WU Nan，ZHOU Tingting，ZANG Jia

(College of Food Science and Engineering,Northwest A & F University, Yangling 712100,Shaanxi,China)

Abstract：Waste cooking oil was used as a raw material, and the refining process was studied with sodium silicate and activated bleaching earth. Through single-factor experiments and quadratic rotary combination design, the optimal refining conditions were determined as follows:activated bleaching earth and sodium silicate quantity 8%, temperature 80 ℃, reaction time 30 min, mass ratio of activated bleaching earth to sodium silicate 4∶ 1.Under the optimal conditions,the refining rate was 79.6%; the acid value and the peroxide value of the refined oil was 0.71 mgKOH/g and 4.32 meq/kg, respectively.The quality of refined oil accorded with the industrial standard of oil and fat for feedstuff .

Key words：waste cooking oil; sodium silicate;deacidification; decolorization; response surface methodology

    我国餐饮业每年排放大量的餐饮废油。餐饮废油主要成分是三甘油酯，通过预处理再经脱酸、脱色等处理后可以用来生产肥皂、饲料用油和生物柴油［1］。硅酸钠－活性白土精炼法就是利用硅酸钠来脱除油脂中的游离脂肪酸，利用活性白土脱色，一次处理完成两个工艺过程。用硅酸钠中和游离脂肪酸，皂脚易于析出和分离，脱酸油免于水洗，可简化工艺过程，节约能耗［2］。于修烛等［3，4］人分别使用硅酸钠直接精炼菜籽油和硅酸钠-活性白土精炼油炸废油，取得了良好的效果。本文在前人研究的基础上采用正交旋转回归组合设计优化硅酸钠-活性白土精炼餐饮废油的工艺条件，以期为餐饮废油的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂

    餐饮废油，陕西杨凌某餐馆排放的废油；硅酸钠(Na2SiO3·9H2O），分析纯；活性白土，江苏淮源矿业有限公司；KOH，分析纯。

1.2 仪器、设备

    JJ-1精密电动搅拌器，TDL-5-A低速台式大容量离心机，WSL-2罗维朋比色计。

1.3 试验方法

1.3.1 餐饮废油的精炼 取一定量餐饮废油，静置沉淀及离心处理。根据餐饮废油的酸值,计算碱炼时所需理论碱量。将确定好的硅酸钠和活性白土同时加入到预处理的餐饮废油中，在设定的温度下搅拌反应一定时间后，离心（4 000 r/min）15 min得精炼油。其中硅酸钠的理论碱量按下式计算：

     m0=(61/56)×m油×AV×10-3

式中：m0——硅酸钠质量，g；

m油——油样质量，g；

AV——油样酸值(KOH)，mg/g。

1.3.2 精炼工艺条件对餐饮废油精炼效果的影响 在预试验和前人研究的基础上，选取活性白土和硅酸钠的总加量、反应温度、反应时间以及活性白土与硅酸钠质量比值为试验因素做单因素试验。

1.3.3 精炼工艺优化试验 在单因素试验的基础上，以活性白土和硅酸钠的总加量（X1）、反应温度（X2）、反应时间（X3）、活性白土与硅酸钠质量比值（X4）为试验因素，以精炼油的酸值（Y1）、色泽（Y2）为试验指标,利用DPS7.05数据处理系统中正交旋转回归组合试验设计方法设计试验［5，6］。

1.4 分析方法

   酸值：GB/T 5530—1985；水分及挥发物：GB/T 5528—1995；过氧化值：GB/T 5538—1995；色泽：GB/T 5525—1985。

2 结果与分析

2.1 餐饮废油的理化指标

   餐饮废油的部分理化指标分析结果见表1。

表1 餐饮废油部分理化指标

    由表1可以看出，餐饮废油的酸值、过氧化值均超过饲料用油行业标准，不符合饲料用油要求，必须进行处理方可加以利用。

2.2 单因素试验

2.2.1 活性白土和硅酸钠的总加量对餐饮废油精炼效果的影响 在反应温度60 ℃，反应时间30 min，活性白土和硅酸钠质量比值为3，活性白土和硅酸钠的总加量分别为4%、6%、8%、10%、12%时，研究活性白土和硅酸钠的总加量对餐饮废油精炼效果的影响，结果如图1所示。

图1 活性白土和硅酸钠总加量对精炼效果的影响

    由图1可知，随着活性白土和硅酸钠总加量的增加，精炼油酸值降低，当总加量达到8%后酸值变化幅度趋缓；色泽也随着总加量的增加而降低。因此，选取活性白土和硅酸钠的总加量为8%。

2.2.2 反应时间对餐饮废油精炼效果的影响 在活性白土和硅酸钠质量比值为3，活性白土和硅酸钠的总加量为8%，反应温度60 ℃，反应时间分别为20、30、40、50、60 min时，研究反应时间对餐饮废油精炼效果的影响，结果如图2所示。

图2 反应时间对精炼效果的影响

    由图2可知，随着反应时间的延长，精炼油酸值先降低后上升，反应30 min时酸值降到最低点；色泽也是呈现先降低后升高的变化趋势。从生产周期和经济效益方面来考虑，选取反应时间为30 min。

2.2.3 反应温度对餐饮废油精炼效果的影响 在活性白土和硅酸钠质量比值为3，活性白土和硅酸钠的总加量为8%，反应时间30 min，反应温度60、70、80、90、100 ℃时，研究反应温度对精炼效果的影响，结果如图3所示。

图3 反应温度对精炼效果的影响

    由图3可知，随着反应温度的升高，分子的热运动加剧，从而增加了彼此之间的碰撞机会，反应速度加快，精炼油酸值降低。当反应温度超过80 ℃时酸值回升，原因可能是反应温度过高导致油脂氧化，致使酸值回升。而色泽随反应温度的升高呈先降低后上升又降低的变化趋势。因此，综合考虑选择80 ℃较适宜。

2.2.4 活性白土与硅酸钠质量比值对餐饮废油精炼效果的影响 活性白土的用量与白土活性度、粗油品质、碱炼工艺和损耗以及脱色油色度要求有关。在活性白土和硅酸钠的总加量为8%，反应时间30 min，反应温度80 ℃，活性白土与硅酸钠质量比值为2、3、4、5、6时，研究不同活性白土与硅酸钠质量比值对餐饮废油精炼效果的影响，结果如图4所示。由图4可知，当活性白土与硅酸钠质量比值为4时，精炼油酸值降到最低，而后开始回升。酸值的回升可能是酸性活性白土造成的。色泽会随着活性白土添加量的增加而逐渐降低，当活性白土与硅酸钠质量比值超过4时，色泽变化比较缓慢。因此，选择活性白土与硅酸钠质量比值为4。

图4 活性白土与硅酸钠质量比值对精炼效果的影响

2.3 正交旋转回归组合试验

    在单因素试验的基础上，选用正交旋转回归组合试验设计方法进行试验。餐饮废油硅酸钠-活性白土精炼工艺的试验方案及结果见表2。

表2 正交旋转回归组合试验设计方案及结果

2.3.1 酸值为指标的工艺条件优化

2.3.1.1 回归模型的建立 根据表2试验数据，以精炼油酸值为因变量的回归模型为：

    Y1=0560-0127X3+0833X4+0007X21+0000 36X23+0013X24-0025 1X1X4+0001 4X2X3-0009X2X4

    对回归模型进行检验，其决定系数R2=0.823，显著水平p＜0.01，表明回归模型极显著，有实际预测意义。由回归系数显著性检验可以看出（见表3），一次项X3，X4的回归系数极显著，说明反应时间和活性白土与硅酸钠质量比值对精炼油酸值有极显著影响。活性白土和硅酸钠的总加量的二次项X21、活性白土和硅酸钠的总加量和活性白土与硅酸钠质量比值的交互作用X1X4、反应温度和反应时间的交互作用X2X3、反应温度和活性白土与硅酸钠质量比值的交互作用X2X4的影响极显著，活性白土与硅酸钠质量比值的二次项X24的影响显著，而反应时间的二次项X23的影响不显著。因素影响的主次顺序为：X3、X2X3、X2X4＞X4＞X1X4＞X21＞X1X4＞X24。

表3 酸值的回归系数显著性检验

 注: *  *极显著；* 显著。

2.3.1.2 工艺参数分析 根据回归方程及回归系数显著性检验，对交互作用影响极显著的因素进行响应面分析，结果见图5、图6、图7。

图5 活性白土和硅酸钠总加量和两者质量比值对精炼油酸值的影响

图6 反应时间和反应温度对精炼油酸值的影响

图7 反应温度和活性白土与硅酸钠质量比值对精炼油酸值的影响

    由图5可以看出，随着活性白土与硅酸钠质量比值的增加，酸值先降低后增加。因为活性白土带有酸性，所以其添加量越多，酸值就会回升。由图6可以看出，反应时间和反应温度对精炼油酸值的影响与图7相类似。由图7可以看出，随着反应温度和活性白土与硅酸钠质量比值的不断升高，精炼油酸值升高，二者交互作用明显。

2.3.2 色泽为指标工艺条件的优化

2.3.2.1 回归模型的建立 根据表2试验数据，以精炼油色泽为因变量的回归模型为：

    Y2 = 7.744-0.647 X1 +0.112 X24+0.005 X1X2-0.013 X2X4

    对回归模型进行检验，其决定系数R2=0.764，显著水平p＜0.01，表明回归模型极显著。由回归系数显著性检验可以看出（见表4），硅酸钠和活性白土的总加量X1，活性白土与硅酸钠质量比值的二次项X24，硅酸钠和活性白土总加量与反应温度的交互作用X1X2，反应温度与活性白土与硅酸钠质量比值的交互作用X2X4对色泽影响极显著。因素影响的主次顺序为：X2X4＞X24＞X1＞X1X2。

表4 色泽的回归系数显著性检验

 注: *  * 极显著。

2.3.2.2 色泽的工艺参数分析 根据回归方程及回归系数显著性检验，对交互作用影响极显著的因素进行响应面分析，结果见图8、图9。

图8 活性白土和硅酸钠的总加量和反应温度对精炼油色泽的影响

    由图8可以看出，反应温度升高使精炼油色泽先降低后升高，而活性白土和硅酸钠总加量的升高会增加吸附作用，使精炼油色泽逐渐降低，但两者的交互作用明显，会使色泽加深。

图9 反应温度和活性白土与硅酸钠质量比值对精炼油色泽的影响

    由图9可以看出，精炼油色泽随活性白土与硅酸钠质量比值呈先降低后上升的趋势。在比值为4附近时色泽最低，在此比值下吸附作用最好，色泽降到最低。反应温度升高会使色泽缓慢上升。

    综上分析，当活性白土和硅酸钠的总加量、反应温度、反应时间、活性白土与硅酸钠质量比值各取中间水平时，即活性白土和硅酸钠的总加量为8%、反应温度为80 ℃、反应时间为30 min、活性白土与硅酸钠质量比值为4时,精炼油的酸值（KOH）为0.71 mg/g，色泽为Y20、R3.5，精炼率可达79.6%。

2.4 精炼油理化指标

    精炼油的部分理化指标分析结果见表5。

    由表 5可以看出，经过硅酸钠-活性白土精炼工艺所精炼的餐饮废油，其指标符合饲料用油行业标准，说明硅酸钠-活性白土的精炼优化工艺条件是可行的。

表5 精炼油的部分指标

3 结 论

    (1)活性白土和硅酸钠的总加量、反应时间、反应温度、活性白土与硅酸钠质量比值对餐饮废油精炼效果均有显著影响。精炼油酸值（Y1）、色泽（Y2）的优化回归模型分别为：

    Y1=0.560-0.127X3+0.833X4+0.007X21+0.000 36X23+0.013X24-0.025 1X1X4+0.001 4X2X3-0.009 X2X4

    Y2= 7.744-0.647 X1 +0.112 X24+0.005 X1X2-0.013 X2X4

    所有回归模型的决定系数均高于75%，显著水平p＜0.01，能较好地预测精炼油酸值、色泽随参数变化的规律。

    (2)餐饮废油硅酸钠-活性白土精炼的优化工艺条件为：活性白土和硅酸钠的总加量8%，反应温度80 ℃，反应时间30 min，活性白土与硅酸钠质量比值为4。此条件下对餐饮废油进行精炼，精炼率可达79.6%，精炼油酸值（KOH）为0.71 mg/g，过氧化值为4.32 meq/kg，精炼油的指标均符合饲料用油行业标准。

参考文献：

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