Совершенствование технологии переэтерификации липидов с применением биокатализаторов

Одним из основных направлений развития масложировой промышленности на ближайшую перспективу до 1990 г. является совершенствование технологических процессов путем их интенсификации на основе разработки и внедрения прогрессивных способов получения натуральных и модифицированных жиров. Это позволит повысить производительность действующих заводов, улучшить качество и расширить ассортимент выработки жиров и масел.

В этой связи, в масложировой промышленности особое внимание уделяется разработке и внедрению новыхтехнологических схем, которые отличались бы своей простотой, непрерывностью и безотходностыо.

Одним из перспективных способов получения модифицированных жиров является переэтерификация жиров и масел. Однако, разработанные до настоящего времени способы переэтерификации жиров связаны с применением токсичных катализаторов, закупаемых из-за границы (например, метилат натрия). В этом их основной недостаток. Основная цель диссертационного исследования — заменить токсичные катализаторы для переэтерификации жиров на биокатализаторы и разработать на этой основе рациональный способ ферментативной переэтерификации жиров, что представляется весьма актуальным. Это явление усиливается тем, что у нас в стране и за рубежом исследования в области ферментативной переэтерификации жиров с целью получения жировой основы, например, для производства маргарина не проводились, если считать некоторые работы поискового характера.

Целью работы было совершенствование технологии получения жировой основы для маргарина путем применения ферментных препаратов. В связи с выбранной целью работы необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявить способность ферментных препаратов липазы к ускорению реакции синтеза глицеридов, их ацилирования и пере-ацилирования.

2. Изыскать ферментные препараты наиболее специфичные к реакции переацилирования.

3. Разработать способ ферментативной переэтерификации жиров с целью получения жировой основы для маргарина.

В результате проведенных исследований установлена возможность применения липаз для синтеза липидов из глицерина и жирных кислот, для переацилирования растительных масел лаури-новой кислотой и переэтерификации растительных масел с животными жирами. Проведено детальное исследование физико-химических и каталитических свойств ферментных препаратов с целью выбора наиболее приемлемого биокатализатора для переэтерификации липидов. Изучено влияние технологических факторов на переэтерификацию растительных масел и животных жиров в присутствии ферментных катализаторов. Разработана технологическая схема нового способа переэтерификации жиров и масел в присутствии биокатализаторов. Осуществлена оптимизация процесса и найдены оптимальные условия его протекания.

Научная новизна работы состоит в изучении синтетазных свойств рада липаз на примере получения глицеридов из глицерина и жирных кислот, ацилирования растительных масел лаури-новой кислотой и переэтерификации животных жиров и растительных масел. Показано, что в отличие от липаз специфичных к реакции гидролиза, существуют липазы, обладающие селективностью к синтезу и переэтерификации липидов. Впервые экспериментально выявлен и разработан способ ферментативной переэтерификации жиров и масел. Изучена возможность применения ферментных препаратов в качестве катализаторов переэтерификации жиров и масел. Осуществлен выбор ферментного катализатора, обладающего специфичностью и селективностью действия в отношении реакции переэтерификации. Впервые предложен и рекомендован метод получения жировых основ ферментативной пере-этерификацией. Изучено влияние технологических факторов на процесс и найдены оптимальные условия его протекания. Осуществлена производственная проверка способа ферментативной переэтерификации растительных масел и животных жиров.

— 6 -2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1, Переэтерификация липидов — как способ модификации и получения жировых основ.

Жиры являются одним из основных компонентов продуктов питания и занимают особое положение в пищевом рационе, ввиду их высокой калорийности по сравнению с белками и углеводами и к различным пищевым жирам предъявляются вполне определенные требования [1,2}. Биологическая ценность жира определяется его химическим составом и физическими свойствами. Природные жиры, многие из которых обладают высокой биологической ценностью, вместе с тем не отвечают всем требованиям, предъявляемым к пищевому жиру. В одних натуральных маслах и жирах отсутствуют или найдены в незначительных количествах эссенциальные жирные кислоты, а в составе других не содержатся витамины. Поэтому в питании, наряду с растительными маслами и животными жирами, широкое целенаправленное использование получают модифицированные жиры: маргарин, кулинарные жиры и майонезы.

У нас в стране и за рубежом разработаны многочисленные. методы модификации жиров, которые можно разделить условно на физические и химические.

Сущность физических методов заключается в механическом смешивании различных видов жиров в определенных соотношениях (комбижиры, специальные смешанные жиры), при котором не происходит изменения жирнокислотного и триглицеридного состава каждого из исходных жиров, но таким путем в определенной степени можно повысить общую биологическую ценность, подбирая пропорции компонентов, например, смешивание жидкого растительного масла с животным жиром приводит к получению комбижиров [з, 4]. Сюда также относятся и методы фракционирования животного жира при определенной температуре с получением жидкой (лярд-оил) и твердой (лярд-стеарин) фракций 5 • Однако, этот процесс разделения не отличается высокой селективностью и протекает частично, так как насыщенные твердые и ненасыщенные жидкие жирные кислоты часто размещены в одной и той же глицеридной молекуле, образуя смешанные триглицериды. Например, методом разделения жиров на фракции путем кристаллизации из различных растворителей, например, фракционированием натурального пальмоядрового масла в ацетоне выделяют твердый жир близкий по свойствам маслу какао [6,7]. В целом физические методы не нашли широкого применения и часто используются в качестве дополнительных операций в других способах переработки жиров,.

К химическим методам модификации жиров относится гидрогенизация, цис-транс изомеризация, переэтерификация и гидро-переэтерификация•.

Гидрогенизация — это каталитический процесс насыщения водородом этиленовых, ацетиленовых связей в радикалах непредельных жирных кислот глицеридов, содержащихся в жирах. При гидрогенизации происходит изменение химических и физических свойств жира. Этот метод получения модифицированных пищевых и технических жиров имеет наиболее широкое промышленное применение [ 8] .

В процессе гидрогенизации происходит цис-транс изомеризация двойных связей и степень этого превращения зависит от вида используемых катализаторов.

Экспериментально установлено, что наряду с ненасыщенными кислотами организму в определенных количествах требуются и насыщенные жирные кислоты. Работниками ВНИИЖа и институтом питания АМН СССР установлено, что для обеспечения требуемой пищевой ценности жира, он должен содержать 20−30% линолевой кислоты и суммарно не более 30% пальмитиновой и стеариновой кислот [ 9,10,11 ]. Бутербродный маргарин, предназначенный для диетического питания, содержит не более 25% насыщенных кислот с длиной углеродной цепи 16−18 атомов и не менее 20% незаменимой линолевой кислоты | 12 ] • Пищевые топленные животные жиры, обладая рядом специфических свойств — высокоплав-костью, салистым вкусом, своеобразным запахом, недостаточной стойкостью к окислению, в натуральном виде находят ограниченное использование в производстве маргариновой продукции, главным образом^в жировых основах кулинарных жиров [13 ]. В последние годы во ВНИИЖе разработана технология переработки смесей животных жиров с растительными маслами в пластичный пищевой саломас путем совмещения гидрирования и частичной переэтерификации этих смесей на бинарных катализаторах ?^14, 15,16 ]. Двухкомпонентные и трехкомпонентные жировые основы с улучшенными свойствами были получены также в результате использования растительных масел и животных жиров, подвергшихся селективному гидрированию с одновременной частичной переэтерификацией на гетерогенных катализаторах [13,17] .

Сравнительно новым считается метод переэтерификации жиров, который представляет собой процесс перемещения (миграции) жирных кислот в молекулах индивидуального жира, либо между молекулами триглицеридов разнородных жиров с получением жиров с новыми химическими и физическими свойствами. Получение переэтерифицированных жиров является целью нашей работы, поэтому этот вопрос будет рассмотрен нами далее более подробно.

Метод переэтерификации не нов. О том, что можно снизить точку плавления животного жира путем ацидолиза с уксусной, молочной и другими низшими жирными кислотами. было известно начиная с начала века. Позже были разработаны методы частичного замещения жирных кислот со средним молекулярным весом и высшими жирными кислотами в кокосовом, пальмовом и других маслах. Были получены жиры, сходные по физическим свойствам со сливочным маслом [ 18]. Процесс ацидолиза удалось совместить с гидрогенизацией в присутствии никелевого катализатора и металлического натрия, что позволило получить новые пластичные жиры. В настощее время развиты методы как внутримолекулярной, так и межмолекулярной переэтерификации глицеридов. Перегруппировку кислотных радикалов внутри одной и той же молекулы сложного жира впервые обнаружил Фишер. Им же было показано, что возможно перемещение кислотных радикалов в эфирах глицерина при синтезе симметричных глицеридов. Аналогичную картину наблюдал Грюн [ 20) .

Межмолекулярная переэтерификация обычно описывается схемой: я, — со-сн2и о н2-с-0-сни о яэс — о — сн2−0 к'-с.

II о о — сн2 яс -осн.

II о я'" -с — о-снг.

II о я'- с — о.

II о я'" - с — о — сн.

II о я: с — о — сн2.

II о с.

13 II о.

К" ~ с.

II о я, — с — о — сн2 и о.

ОСН2 о — с. ни т.д.

— ю где R1, R2 «R3 «R' «R» > R'» — радикалы жирных кислот.

Путем межмолекулярной переэтерификации из смеси различных масел и животных жиров можно получить жиры с сильно измененными физическими свойствами. В качестве катализаторов реакции переэтерификации предложены много соединений — первыми были рекомендованы кадмий, цинк и их соли, серная кислота и смеси щелочных металлов. Например, при переэтерификации оливкового и кокосового масел в присутствии ЦгС[0з при температуре 200 °C происходит обмен кислотных остатков с более ненасыщенными компонентами смеси (2l] .

Метод направленной переэтерификации использован для получения пищевых жиров из растительных масел [22]. Катализатором в этом случае служил метилат натрия в количестве 0,04 $ от веса растительного масла. Направленную переэтерификацию в присутствии метилата натрия исследовали Сергеев А. Г. и др. [2з]. С целью получения пищевых жиров ими проведен процесс переэтерификации растительных масел, таких как арахисовое, кунжутное, кокосовое и др., и их смесей в присутствии метилата натрия. Изучено влияние факторов на процесс переэтерификации.

На активность катализаторов для переэтерификации оказывали отрицательное воздействие свободные жирные кислоты, т.к. связывали определенное количество катализатора. Использование в этом случае большого количества катализатора не рекомендуется ввиду потерь жира, а также образования (при использовании алкоголятов) мыл во время дезактивации катализатора. Если кислотное число исходного жира больше 0,2 мг КОН/л, его следует нейтрализовать. При переэтерификации в присутствии алкоголятов щелочных металлов жир следует тщательно обезводить, так как даже небольшие количества влаги разлагают катализатор. Дегидратацию осуществляют при температуре 90-Ю0°С под давлением 10−50 мм рт.ст. в течение 1−2 часов в атмосфере высушенного и очищенного от следов кислорода воздуха.

Процесс переэтерификации проводят в среде нейтрального газа обычно азота или электролитического водорода, очищенного от следов кислорода. Для обеспечения интенсивного перемешивания используют быстро вращающиеся мешалки или струю нейтрального газа, который нагревают до температуры реакции. При такой переэтерификации также меняются физические свойства жиров. Так, при однофазной переэтерификации продукт переэте-рифкации смеси жира, состоящий на 55 $ из твердого жира и 45 вес.$ жидкого рапсового масла, имеет температуру плавления, измеренную точкой каплепадения, около Зб°С ;

— продукт переэтерификации смеси жира, состоящий на 35 $ из полностью гидрированного топленого свиного сала и 65 $ жидкого рапсового масла, имеет температуру плавления, измеренную по точке каплепадения, около 37 °C. При этом катализатор следует вводить непрерывно в течение определенного времени при интенсивном перемешивании. Процессы, проводимые при температуре 85 °C в присутствии метилата натрия, а также при 85 и П5°С с использованием твердого этилата натрия, протекает с одинаковой скоростью.

Однофазной переэтерификацией свиного топленого жира с добавлением 9−12 $ гидрированного до низкого йодного числа хлопкового масла можно получить переэтерификат с температурой плавления 32 °C Г 24 ] .

Для ускорения проведения процесса направленной переэтетарификации, учитывая то, что эффект этого процесса зависит в основном от двух факторов — самой реакции переэтерификации и одновременно кристаллизации триглицеридов с высокой температурой плавления, есть методы в которых предложено периодическое варьирование температуры реакции [ 25] .

Переэтерификация обеспечивает изменение консистенции, температуры плавления и устойчивой кристаллической структуры жира за счет статистической перегруппировки радикалов жирных кислот внутри или между молекулами смесей триглицеридов.

В отличие от других видов модификации — переэтерификация позволяет получать модифицированные жиры заданного гли-церидного состава с известными физико-химическими характеристиками. Отличительными особенностями статистически пере-этерифицированных жиров является высокая пластичность и способность кристаллизоваться в устойчивой молекулярно-кристал-лической $ -полиморфной модификации. Вследствие чего пере-этерифицированные жиры могут быть использованы либо в качестве пластифицирующей добавки к смесям жидких и гидрированных растительных масел, либо в качестве готовой пластичной жировой основы маргариновой продукции.

Использование переэтерифицированных жиров в жировых основах маргариновой продукции преследует цели:

— повысить пластичность маргарина без использования кокосового и пальмоядрового масла ;

— обогатить жировую основу полиненасыщенными жирными кислотами ;

— обеспечить стабильность мелкокристаллической структуры жировой основы при хранении маргариновой продукции. Кроме того, использование переэтерифицированных жиров позволит.

— 13 снизить содержание транс-изомеризованных мононенасыщенных кислот в жировой основе, что особенно существенно для диетических сортов маргарина J26] .

Научно-исследовательские работы по переэтерификации проводились во ВНИИЖе с 1957 г. [ 27,28,29]. Был затронут широкий круг вопросов технологии производства переэтерифициро-ванных жиров, поиск катализаторов переэтерификации, отработка технологических требований к исходному жировому сырью. Были получены и испытаны различного рода катализаторы переэтерификации, разработан процесс переэтерификации хлопкового масла и намечены пути использования продуктов переэтерификации хлопкового масла в маргариновой промышленности [зо] .

Среди этих работ значительное место отводилось изучению процесса переэтерификации животных жиров [31 j .

Переэтерифицированные жиры, получены на жидком катализаторе, содержали большие количества моноэфиров жирных кислот, монои диглицеридов, что на 4−6°С снижало температуру плавления этих жиров, в сравнении с жирами аналогичного тригли-церидного состава, получаемыми на порошкообразном катализаторе [ 29]. Заниженная температура плавления жиров, не соответствующая их глицеридной структуре, приводила к неправильной оценке этих жиров, как сырья для производства маргариновой продукции. В результате"выработанная на основе этих жиров маргариновая продукция, обладала неудовлетворительными структурно-механическими характеристиками, маргарин крошился, после непродолжительного хранения в холодильнике был салистым, высокоплавким, недостаточно пластичным.

В 1972 г. в нашей стране организовано промышленное производство переэтерифицированных жиров на порошкообразных ката.

— 14 лизаторах по разработкам отдела гидрогенизации и переэтери-фикации ВНИИЖа. Качество этих жиров регламентируется ОСТ 18−262−75 на саломас нерафинированный для маргариновой промышленности,.

А.Г.Сергеев и др. [ 32,33 ] разработали способ получения смесей триглицеридов путем переэтерификации в присутствии алкоголятов щелочных металлов в качестве катализатора. Для получения новых видов маргаринов предложено использовать метод гидропереэтерификации смеси растительных масел и животных жиров на отравленном катализаторе. Перкель и др. ^34] применили метод низкотемпературного гидрирования масел в растворителях в сочетании с переэтерификацией гидрированных жиров и получили разнообразные по консистенции и составу жиры, отличающиеся пониженным содержанием изомеров непредельных жирных кислот.

Каталитическое перераспределение кислотных остатков триглицеридов жиров исследовано П. А. Артамоновым с сотр.^Зб]. На примере многофазной переэтерификации хлопкового масла изучена скорость реакции каталитического перераспределения жир-нокислотных радикалов в зависимости от природы катализатора, температуры и продолжительности реакции. Установлено снижение активности алкоголята, применяемого в качестве катализатора, по мере удлинения углеродводородного радикала спирта. При повышении температуры скорость направленной переэтерификации возрастает, достигая максимума при 25 °C. Дальнейший рост температуры повышает скорость процесса ненаправленной переэтерификации.

Сочетание методов переэтерификации жиров позволяет широко варьировать состав глицеридов. В этой связи весьма перспективна переэтерификация натуральных и гидрированных жиров в сочетании с фракционированием. Путем переэтерификации гидрогенизированного кокосового и пальмоядрового масел с жидким растительным маслом был получен жир с высокой твердостью при относительно низкой температуре плавления, близкой к температуре плавления масла какао [Зб]. В реузльтате переэтерификации смеси, в которой насыщенные и ненасыщенные остатки находились в соотношении 4:1, был получен жир, состоящий на 50% из тринасыщенных глицеридов и 50% смеси глице-ридов, который соответствовал по составу глицеридов маслу какао. Якубов М. К.?37]также разработал способ получения «модифицированных» жиров, обладающих свойствами, близкими к свойствам масла какао, путем переэтерификации твердых фракций бараньего, говяжьего или свиного жира с кокосовым маслом, а также гидрогенизированного хлопкового масла или китового жира с кокосовым маслом. Продукт переэтерификации пере-кристаллизовывался из ацетона для отделения высокоплавкой фракции. Однако, этот жир не получил положительной оценки в кондитерской промышленности из-за недостаточной твердости.

Использование методов переэтерификации с последующим фракционированием позволяет получить переэтерифицированную смесь из оливкового масла и с полностью гидрогенизированным хлопковым маслом. Продукт переэтерификации дважды подвергался фракционированию из ацетона. При смешивании полученного таким образом жира с маслом какао незначительно снижается температура плавления, жир обладает полиморфизмом и стабильная форма устанавливается через 3 дня, при темперировании в течение этого времени при комнатной температуре. Однако, он не обладает очень хорошими технологическими свойствами, т.к. дает недостаточную усадку при формировании шоколадных изделий [38−40 ] .

Более лучшие переэтерификаторы для коццитерской промышленности получены путем переэтерификации гидрогенизирован-ного пальмоядрового масла и переэтерифицированного после гидрогенизации пальмоядрового масла [ 41 ] .

Редько Т. С, [42] установила, что жир, получаемый методом переэтерификации гидрированного пальмоядрового масла, при одинаковой твердости имеет более низкую температуру плавления и температуру полного просветления, чем жир-полученный фракционированием. Для получения повышенной твердости жир необходимо дезодорировать, удаляя побочные продукты переэтерификации — метиловые и этиловые эфиры жирных кислот.

Обсужденные выше исследования были направлены на получение жиров для маргариновой продукции, занимающей важное место в составе продуктов питания. Поскольку, практически можно получать маргарины требуемого жирового состава и комбинациями насыщенных и ненасыщенных остатков в молекулах гли-церидов жирных кислот, поиск технологов направлен на выработку диетических маргаринов повышенной пищевой ценности.

В маргариновой промышленности Франции широко используют переэтерифицированные жиры для выработки деликатесных маргаринов, хотя государственный стандарт предусматривает производство, в основном, столовых маргаринов. Переэтерифициро-ванный жир получают из смеси саломаса с маслом того же вида, а также жиров и масел различных сортов. Например, (в %):саломас рапсовый с температурой плавления 33−35°С — 60- саломас рапсовый или подсолнечный с температурой плавления 41−45°С -25- масло подсолнечное — 25 [43]. В ГДР и СССР требования, предъявляемые к переэтерифицированным жирам аналогичны: температура плавления 34+2 и просветления 37 + 2 °C. Разница между температурами плавления и просветления не более 5 °C, кислотное число не более 0,25 мг КОН, цветное число по йоду не более 5 $ кр.ед. Топленные животные жиры (свиной, говяжий) даже высшего сорта находили весьма ограниченное применение (только в рецептурах некоторых специальных кулинарных жиров) ввиду их быстрой окислительной порчи, специфического запаха и салистого вкуса. Эти жиры в требуемом интервале температур недостаточно пластичны, имеют резкие колебания технологических характеристик, что затрудняет их использование в качестве маргариновой продукции. Благодаря переэтерификации этих жиров можно получить пищевые жиры с пониженной температурой плавления и улучшенными органолептическими и физическими свойствами [44] .

Таким образом, метод переэтерификации имеет большие преимущества перед другими модифицированными видами жиров. Основным преимуществом переэтерификации жиров, по сравнению с гидрированием, является применение относительно мягких технологических режимов ведения процесса, отсутствие в процессе образования трансизокислот, ухудшающих пищевые достоинства получаемых жиров, простота метода и высокие потенциальные возможности в аспекте значительного улучшения качества вырабатываемых модифицированных жиров и расширения их ассортимента.

ВЫВОДЫ.

1, Исследована возможность применения липаз (Л-1, Л-2, Л-3) в качестве биокатализаторов для синтеза липидов из глицерина и жирных кислот.

Установлено, что липазы, как растительного, так микробного (Л-2, Л-3) происхождения обладают довольно высокой синтезирующей способностью, причем, Л-1 и Л-2 синтезируют три-глицериды с высоким выходом, а Л-3 значительно уступает этим ферментным препаратам,.

2, При изучении процесса ацилирования растительных масел лауриновой кислотой установлено, что как и в реакции синтеза триглицеридов, наиболее существенным фактором для осуществления процесса является количество водной фазы. Сравнительная оценка полученных продуктов реакции показала, что с препаратом Л-1 и Л-2 ацилирование идет в большей степени, чем с Л-3.

3. Исследован процесс переэтерификации растительных масел с животными жирами в присутствии липаз (Л-1, Л-2, Л-3). Показана целесообразность применения биокатализаторов: перегруппировка кислотных остатков радикалов жирных кислот приводит к получению переэтерификата с улучшенными физико-химическими показателями.

4. Проведено детальное исследование физико-химических и каталитических свойств ферментных препаратов с целью выбора наиболее приемлемого биокатализатора для переэтерификации липидов. Установлено, что по значениям температурных и рН оптимумов, термостабильности и специфичности к типу катализируемой реакции наиболее подходящими катализаторами являются липазы Л-1 и Л-2.

5. Изучено влияние технологических факторов на ферментативную переэтерификацию липидов. Выявлено, что оптимальной температурой проведения процесса для Л-1 является 50°, а для Л-2 55°, оптимальным рН среды для Л-2 7,7, для Л-1 8,8, длительность процесса 90−120 мин, количество катализатора 0,15% к весу жировой смеси, соотношение исходных жиров (жир: масло) 1:1 и 1:2 при числе оборотов мешалки 16 об/с,.

6, Разработана технологическая схема нового способа ферментативной переэтерификации растительных масел с животными жирами. Проведена опытно-промышленная проверка разработанного способа.