Effect of Process Conditions on Physical and Chemical Properties of Hydrogenated Fats: Monitoring of Cottonseed Oil Hydrogenation Process (in English)

Abstract

Hydrogenation process is simply defined as the addition of hydrogen molecules to double bonds of triglycerides. Although the definition is stated simply, mechanism of reaction involves complex mass transfer steps resulting in considerable effects on various physical and chemical characteristics of final product. In this study, changes in fatty acid composition, geometrical and positional isomer content, melting point and solid fat content were used as tools for monitoring cottonseed oil hydrogenation. Results were evaluated numerically by calculating reaction rate and linoleic selectivity. Reactions were carried out at three process temperatures and the effects of temperature on miscellaneous properties of the fat were discussed. Results showed that hydrogenation tends to produce higher saturate towards the end of the reaction especially under low selectivity conditions resulting from lower reaction temperature. This is accompanied by lower rates of trans isomer formation with higher saturates. Fats, solid fraction of which is mostly comprised of trans isomers, differ considerably from those having higher amounts of saturates, in physical characteristics such as melting point and solid fat content, indicating that the processor should monitor the reaction in order to identify the level where desired properties are achieved.

Keywords

• cottonseed oil, hydrogenation, trans isomerization, selectivity, solid fat content, melting point　　

Hidrojene Yağların Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerine İşlem Koşullarının Etkisi: Pamuk Yağının Hidrojenasyon Sürecinin İncelenmesi (İngilizce)

Abstract

Hidrojenasyon işlemi; yağ içerisinde çözünmüş bulunan hidrojen moleküllerinin doymamış çift bağlara eklenmesi olarak tanımlanmaktadır. Reaksiyon, tanım olarak basit bir eklemlemeyi ifade etmekle birlikte; son ürünün fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerinde oldukça önemli etkileri olan kütle transfer kademelerini içeren karmaşık bir mekanizmaya sahiptir. Bu çalışmada, hidrojenasyon süreci; yağ asidi kompozisyonu, geometrik ve pozisyonel izomer içerikleri, erime noktası ve katı yağ içeriği değerlerindeki değişikliklerin belirlenmesiyle izlenmiştir. Analiz sonuçları, hidrojenasyon hızı ve linoleik seçiciliği değerlerinin hesaplanmasıyla sayısal olarak değerlendirilmiştir. Hidrojenasyon reaksiyonu üç farklı sıcaklıkta (130, 150 ve 170 °C) gerçekleştirilerek; işlem sıcaklığının yağın özellikleri üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Özellikle düşük reaksiyon sıcaklıklarında; azalan seçiciliğe bağlı olarak doymuş yağ asidi miktarının arttığı görülmüştür. Bu durumun, üründeki trans isomer miktarında azalmaya da neden olduğu gözlenmiştir. Katı ve yüksek erime noktalı fraksiyonun önemli bir kısmını trans isomer içeren trigliseritlerin oluşturduğu hidrojene yağların; söz konusu fraksiyonu ağırlıklı olarak doymuş trigliseritlerden oluşan ürünlerden erime noktası ve katı yağ içeriği gibi fiziksel özellikler açısından oldukça farklı olduğu bulgulanmıştır. Bu durum; hidrojenasyon süresinin; üründe istenilen fiziksel özelliklere ulaşıldığı noktanın izlenmesi yoluyla belirlenmesi gerekliliğini açığa çıkarmaktadır.

Keywords

• pamuk çekirdeği yağı, hidrojenasyon, trans izomerizasyon, seçicilik, katı yağ içeriği, erime noktası　　　　

References

1. Haumann BF. 1994. Fat Modification Tools: Hydro- genation, Interesterification. Inform, 5:668–678.
2. Allen RR. 1981. Hydrogenation. J Am Oil Chem Soc, :166-169.
3. Hastert RC. 1981. Practical aspects of hydrogenation and soybean salad oil manufacture. J Am Oil Chem Soc, :169-174.
4. Patterson HBW. 1973. Hydrogenation of vegetable oils the hydrogenation process. Oléagineux, 28/12:583-587.
5. Coenen JWE. 1981. Selectivity in fat hydrogenation.
6. La Riv. Italiana Delle Sostanze Grasse, 58:445-452. Larsson R. 1983. Hydrogenation theory: some aspects. J Am Oil Chem Soc, 60/12:275-281.
7. Edvardsson J, Irandoust S. 1994. Reactors for hydro- genation of edble oils. J Am Oil Chem Soc, 71-3: 235-242.
8. Albright LF. 1970. Transfer and adsorption steps af- fecting partial hydrogenation of triglycerides oils. J Am Oil Chem Soc, 47-12: 490-493.

9. Karabulut I, Kayahan M, Yaprak S. 2003. Determina- tion of changes in some physical and chemical proper- ties of soybean oil during hydrogenation. Food Chemis- try, 81-3: 453-456.
10. Neall B. 2003. What to do about trans fat? S Afr Food Rev, 30-11: 51-52.
11. Schmidt S. 2000. Formation of trans unsaturation during partial hydrogenation. Eur J Lipid Sci Techn, 102- :646-648.
12. Wright AJ, Mihele AL, Dıosady LL. 2003. Cis selec- tivity of mixed catalyst systems in canola oil hydrogena- tion. Food Res Int 36-8: 797-804.
13. Hamm W. 2001. Regional differences in edible oil processing practice. II. Refining, oil modification, and formulation. Lipid Techn, 13-5:105-109.
14. Drozdowski B, Szukalska E. 2000. Effect of rapeseed oil hydrogenation conditions on trans isomer formation.
15. Eur J Lipid Sci Technol, 102-10: 642-645. Ariaansz RF, Okonek DV. 1996. Trans isomer con- trol during edible oil processing. World Conference on
16. Oilseed and Edible Oil Processing, USA. 77-91
17. Kincs FR, Cruz RG, Johnson KK. 2002. US Patent 6 369 B1
18. Gumuskesen AS, Bayaz M. 2001. The effect of hydro- genation conditions on trans fatty acids formation and selectivity of reaction during cottonseed oil hydrogena- tion. GIDA, 26/4: 261-265.
19. Butterfield RO. 1969. Kinetic rate constants deter- mined by a digital computer. J Am Oil Chem Soc, 46:429
20. Schmidt HJ. 1968. Hydrogenation of triglycerides containing linoleic acids. I. Calculation of selectivity. J Am Oil Chem Soc, 45:520-522.
21. Allen RR. 1967. Calculation of the linoleic selectivity ratios of hydrogenation catalysts. J Am Oil Chem Soc, 44: 467.
22. Butterfield RO, Dutton HJ. 1967. Digital computer program for calculating selectivities of hydrogenation catalysts. J. Am. Oil Chem. Soc., 44:549-550.
23. Albright LF. 1965. Quantitative measure of selectiv- ity of hydrogenation of triglycerides. J Am Oil Chem Soc, : 250-253.
24. Albright LF, Wisniak J. 1962. Selectivity and isomeri- zation during partial hydrogenation of cottonseed oil and methyl oleate: Effect of operating variables. J Am Oil Chem Soc, 39: 14-19.
25. IUPAC. 1979. Standarts Method for Analysis of Oils,
26. Fats and Derivatives, 7th Edition, Pergamon Pres, Eng- land. Van den Enden JC, Rossell JB, Vermaas LF, Wadding- ton D. 1982. Determination of the solid fat content of hard confectionary butters. J Am Oil Chem Soc, 59/10: 439.
27. AOCS. 1971. Official and Tentative Methods of the American Oil Chemists’ Society, 3rd Edition, USA.