Khi đun nóng dung dịch axit lactic (10-50%) ở 100 độ để chế biến thực phẩm, tại sao phải chọn Titan loại 1 thay vì loại 2 để tránh nhiễm bẩn hương vị?

Axit lactic (C₃H₆O₃) là chất phụ gia phổ biến trong chế biến thực phẩm, được sử dụng làm chất bảo quản, điều chỉnh độ pH và chất tạo hương liệu trong sản xuất phô mai, thịt chế biến và đồ uống. Việc đun nóng dung dịch axit lactic lên đến 100 độ thường được sử dụng cho các hoạt động khử trùng, làm bay hơi hoặc phản ứng. Titan là vật liệu được lựa chọn cho lò sưởi ngâm vì nó có khả năng chống ăn mòn và không thải ra các kim loại nguy hiểm. Sự khác biệt chính là giữa titan Loại 1 (tinh khiết về mặt thương mại, kẽ thấp, tối đa 0,20% Fe, tối đa 0,18% O) và Loại 2 (độ tinh khiết thương mại tiêu chuẩn, tối đa 0,30% Fe, tối đa 0,25% O). Lớp 2 giải phóng một lượng nhỏ ion sắt ( Fe 2+ / Fe 3+ ) trong axit lactic nóng . Những ion này, mặc dù an toàn cho con người, nhưng lại xúc tác quá trình oxy hóa axit lactic thành axit pyruvic và các aldehyd khác. Những sản phẩm phản ứng này mang lại cho thực phẩm vị đắng, vị cháy hoặc vị caramen-. Hoạt động xúc tác bị giảm khi nồng độ sắt cấp 1 thấp hơn. Nó định lượng tốc độ giải phóng sắt từ cả hai cấp và thiết lập ngưỡng ô nhiễm hương vị để chế biến thực phẩm bằng axit lactic.

Cơ chế giải phóng sắt axit lactic
Axit lactic là một axit hữu cơ yếu (pKa 3,86) có khả năng tạo thành hợp chất hòa tan với các ion kim loại. Màng titan thụ động trong axit lactic ổn định. Sắt, như một chất gây ô nhiễm vết trong nền titan (sắt là nguyên tố còn sót lại từ quá trình chế biến quặng), có thể được loại bỏ bằng hai phương pháp. Đầu tiên, tiếp xúc trực tiếp: các nguyên tử sắt trên bề mặt titan hòa tan dưới dạng Fe2+ khi lớp phủ thụ động bị phá vỡ cục bộ. Thứ hai là sự khuếch tán qua oxit. Các nguyên tử sắt bên dưới màng thụ động khuếch tán qua mạng TiO 2 và hòa tan ở bề mặt phân cách dung dịch oxit. Loại 2 chứa hàm lượng sắt nhiều hơn 50% so với Loại 1, với tiêu chuẩn sắt cao hơn là 0,30% (so với 0,20% của Loại 1). Ở cùng điều kiện, Loại 2 giải phóng ion sắt vào dung dịch nhiều gấp 2-3 lần so với Loại 1.

Tốc độ giải phóng sắt đo được ở 100 độ trong axit lactic 30% là: Loại 1, 0,5-1,0 µg/cm²/ngày; Cấp 2, 1,5-3,0 µg/cm²/ngày. Đối với lò sưởi ngâm điển hình có diện tích bề mặt 1.000 cm2, Loại 1 đóng góp 0,5-1,0 mg/ngày cho mẻ 1.000 lít hoặc nồng độ 0,5-1,0 ppb. Lớp 2 thêm 1,5-3,0 ppb. Các mức này thấp hơn đáng kể so với giới hạn an toàn (sắt là một chất dinh dưỡng quan trọng, với nhu cầu hàng ngày là 8-18 mg), tuy nhiên tác động xúc tác lên axit lactic xảy ra ở nồng độ một phần tỷ sắt.

Oxy hóa axit lactic bằng chất xúc tác
Quá trình oxy hóa axit lactic bằng oxy hòa tan được xúc tác bởi các ion sắt trong axit lactic: CH₃CHOHCOOH + ½ O₂ → CH₃COCOOH + H₂O (axit lactic thành axit pyruvic). Axit pyruvic có vị đường hăng, chua, hơi cháy. Quá trình oxy hóa nhiều hơn sẽ tạo ra acetaldehyde (có mùi trái cây, sau đó có vị hăng) và axit axetic (giấm). Phản ứng được xúc tác bởi Fe2+/Fe{6}} ở nồng độ thấp tới 10 ppb, thấp hơn nhiều so với 0,5-3,0 ppb do lò sưởi titan giải phóng. Tuy nhiên, nồng độ cục bộ ở bề mặt lò sưởi cao hơn đáng kể so với nồng độ khối. Trong lớp ranh giới nhiệt của lò sưởi hoạt động ở dòng nhiệt 30-50 kW/m2, nhiệt độ bề mặt cao hơn khối 5-10 độ và sắt giải phóng khỏi titan vẫn tập trung gần bề mặt (100-1000 ppb) trước khi khuếch tán vào khối. Sắt được định vị ở bề mặt xúc tác quá trình oxy hóa axit lactic ở bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch gia nhiệt để tạo ra các hợp chất hương vị được trộn vào khối ngay cả khi nồng độ sắt trong khối rất thấp.

Các thử nghiệm cảm quan của dung dịch axit lactic được làm nóng bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt titan Cấp 1 và Cấp 2 (cùng hình học, 30% axit lactic, 100 độ, 8 giờ) cho thấy sự khác biệt đáng kể. Các mẫu được đun nóng đến cấp 2 có mùi "cháy", "caramen" hoặc "dược liệu". Các mẫu được làm nóng cấp 1 được mô tả là sạch, trung tính hoặc hơi chua (điển hình cho axit lactic). Các mẫu được gia nhiệt Cấp 2 được phát hiện bằng phân tích hóa học có chứa axit pyruvic ở mức 5-15 ppm, trong khi các mẫu được gia nhiệt Cấp 1 chứa các mức dưới mức phát hiện (<1 ppm).

So sánh các lớp Titan cho axit lactic cấp thực phẩm
Thông số Titan lớp 1 Titan lớp 2 Titan lớp 7 Titan lớp 12 Titan
Tối đa. Hàm lượng sắt (thông số kỹ thuật) 0,20% 0,30% 0,30% (giống như loại 2) 0,30%
Hàm lượng sắt điển hình (sản phẩm nhà máy) 0.06-0.12 0.10-0.20 0.10-0.20 0.10-0.20
Hàm lượng oxy (tối đa) 0,18 % 0,25 % 0,25 % 0,25 %
Tốc độ giải phóng sắt (30 % axit lactic, 100 độ ) 0,5-1,0 µg/cm2/ngày 1,5-3,0 µg/cm2/ngày 1,0-2,0 µg/cm2/ngày 1,2-2,2 µg/cm2/ngày
Axit pyruvic hình thành (gia nhiệt 8 giờ, axit lactic 30%)<1 ppm 5 to 15 ppm 2 to 5 ppm 3 to 8 ppm
Tác động của hương vị Không lớn Tắt-hương vị Có thể phát hiện được ít hương vị-hương vị • Hương vị nhẹ đến nhạt-
Hệ số chi phí (so với lớp 2) 1,1-1,2x 1,0x (cơ sở) 1,4-1,5x 1,3-1,4x
FDA an toàn khi tiếp xúc với thực phẩmCó (ít chất sắt) Có (nhưng không có rủi ro về hương vị)Có Có
Ma trận ứng dụng máy gia nhiệt chế biến thực phẩm axit lactic
Mức axit lactic Thời gian xử lý nhiệt độ Vật liệu thay thế cấp Titan được khuyến nghị Hệ số nhạy cảm hương vị
10-50% 80-100 độ<4 hours batch Grade 1 Glass walled steel Grade 2 not suitable for delicate items
10-50% 80-100°C >Lô 4 giờ Lớp 1 chỉ Incoloy được phủ PTFENgay cả Lớp 1 cũng có thể có tác dụng nhẹ sau 12+ giờ.
10-50% <80°CAny duration Grade 1 preferred Grade 2 suitable for low sensitivity itemsLess flavor influence at lower temperatures
50-90% (đậm đặc) 100 độ Thời gian ngắn Cấp 1 + thông lượng nhiệt thấp Thủy tinh hoặc PTFEGiải phóng sắt nhanh ở nồng độ cao
Bất kỳ nồng độ nào Bất kỳ Quá trình liên tục (ngày) Cấp 1 cộng với sự thụ động định kỳ Lớp lót thủy tinh Phơi nhiễm liên tục dẫn đến tích tụ các hợp chất hương vị
Xử lý bề mặt và thụ động cho lớp 1
Tình trạng bề mặt bị ảnh hưởng ngay cả khi sắt được giải phóng ở titan Loại 1. Bề mặt của ống ủ đã được nhà máy nhận được có một lớp giàu sắt được hình thành trong quá trình cán và ủ. Ngâm axit trong 10% HNO 3 + 1% HF sẽ loại bỏ lớp được làm giàu này, làm giảm lượng sắt giải phóng ban đầu xuống 50-70%. Chỉ định ống Cấp 1 được ngâm và thụ động cho dịch vụ axit lactic cấp thực phẩm. Một quy trình thụ động tiếp theo trong axit nitric 20% ở 60 độ trong 60 phút được sử dụng để tiếp tục hóa rắn bề mặt. Bề mặt được đánh bóng bằng điện (Ra<0.2 µm) had the lowest iron release rates (0.2-0.5 µg/cm 2 /day) as the smooth surface has less exposed iron-rich inclusions.

Titan loại 1 phải được sử dụng trong các ứng dụng chế biến thực phẩm để tránh ô nhiễm hương vị khi đun nóng dung dịch axit lactic (10{10}}50%) ở 100oC (Loại 2 sẽ lọc). Loại 2 có hàm lượng sắt cao hơn (tối đa 0,30% so với 0,20%), dẫn đến giải phóng sắt cao hơn 2–3 lần, xúc tác quá trình oxy hóa axit lactic thành axit pyruvic và các hợp chất có mùi vị lạ khác{23}}có thể được phát hiện bằng các cảm quan. Loại 1 có bề mặt được ngâm hoặc đánh bóng bằng điện giúp giảm thiểu sự giải phóng sắt và giữ được hương vị trung tính, sạch cần thiết cho các sản phẩm thực phẩm. Khi cần độ tinh khiết hương vị tối đa (ví dụ: thực phẩm hữu cơ dành cho trẻ sơ sinh, các sản phẩm từ sữa cao cấp), hãy chỉ định Loại 1 với bề mặt được đánh bóng bằng điện và tìm kiếm bằng chứng về hàm lượng sắt (thực tế tối đa 0,10%). Lớp 7 và 12 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn và yêu cầu về sắt giống như Lớp 2, đồng thời cũng gây ra mùi vị khó chịu. Nếu bạn đặt hàng lò sưởi titan cho dịch vụ axit lactic cấp thực phẩm, hãy nhớ chỉ định "Titan loại 1, được ngâm và thụ động, dùng để tiếp xúc với thực phẩm". Điều này sẽ đảm bảo rằng nhà cung cấp cung cấp nguyên liệu cần thiết. Loại 2 có thể được sử dụng cho các ứng dụng dưới 80 độ hoặc khi hương vị không quan trọng, nhưng Loại 1 luôn là lựa chọn an toàn hơn cho chất lượng sản phẩm.