Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ научных и технических аспектов технологии получения концентрата этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот омега-3 из жиров водных биологических ресурсов 10
1.1. Водные биологические ресурсы как источник получения жира, содержащего ПНЖК омега-3 10
1.1.1. Жиросодержащее сырьё водных биологических ресурсов 11
1.1.2. Сырьевая база жиросодержащего сырья 12
1.2. Способы переработки жира-полуфабриката с целью получения концентрата ПНЖК омега-3 17
1.2.1. Получение алкиловых эфиров высших жирных кислот: требования к сырью и материалам, условия проведения процесса 18
1.2.2. Способы фракционирования эфиров жирных кислот 21
1.2.3. Способы очистки концентрата этиловых эфиров ПНЖК 23
1.3. Биологически активные добавки к пище и лечебно- профилактические продукты на основе жиров водных биологических ресурсов 24
1.3.1. Биологическая ценность жиров из водных биологических ресурсов, её особенность 24
1.3.2. Биологическая активность полиненасыщенных жирных кислот омега-3 27
1.3.3. Продукты на основе ПНЖК омега-3 29
1.3.4. Окислительная порча жиров, обусловленная высоким содержанием ПНЖК 32
Глава 2. Объекты и методы исследования 35
2.1. Программно-целевая модель исследования 35
2.2. Характеристика объектов исследования 36
2.3. Методы исследований 36
2.4. Методика постановки эксперимента 38
Глава 3. Обоснование и разработка параметров получения полуфабриката концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 из рыбных жиров 44
3.1. Характеристика состава, качества и безопасности жиров для получения концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 44
3.2. Обоснование и разработка рациональных параметров получения этиловых эфиров жирных кислот из рыбных жиров 50
3.2.1. Подготовка рыбных жиров к реакции переэтерификации 50
3.2.2. Обоснование рациональных параметров переэтерификации рыбных жиров 52
3.3. Обоснование и разработка рациональных параметров получения концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 методом комплексообразования с мочевиной 64
Глава 4. Разработка технологии получения концентрата ПНЖК омега-3 из рыбных жиров 81
4.1. Изучение качественных показателей полуфабриката концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 81
4.2. Обоснование выбора метода очистки полуфабриката концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 82
4.3. Изучение показателей качества концентрата ПНЖК омега-3 в процессе хранения 93
Глава 5. Оценка эффективности разработанной технологии 108
5.1. Изучение радиозащитной и гемостимулирующей активности концентрата ПНЖК омега-3 108
5.2. Апробация технологии концентрата ПНЖК омега-3 в производственных условиях 110
5.3. Расчёт экономической эффективности технологии концентрата ПНЖК омега-3 118
Выводы 125
Список сокращений 127
Список использованной литературы 128
Приложения 151
- Сырьевая база жиросодержащего сырья
- Характеристика состава, качества и безопасности жиров для получения концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3
- Изучение показателей качества концентрата ПНЖК омега-3 в процессе хранения
- Апробация технологии концентрата ПНЖК омега-3 в производственных условиях
Введение к работе
Актуальность работы. Стратегия развития рыбохозяйственного комплекса до 2030 г. предусматривает увеличение производства омега-3 содержащей продукции, включающей как функциональные продукты питания, так и БАД к пище.
По данным Росстата болезни системы кровообращения занимают первое место по заболеваемости и смертности жителей РФ. В мировой практике представлены результаты эффективного использования высокоочищенных препаратов омега-3 полиненасыщенных жирных кислот в виде этиловых эфиров (ЭЭ ПНЖК) при профилактике и лечении не только сердечно-сосудистых, но и иммуно-воспалительных заболеваний, инсульта, психических расстройств и других заболеваний человека. В ходе многочисленных исследований показано, что биодоступность ЭЭ ПНЖК при профилактике и лечении ряда заболеваний не уступает натуральным триглицеридам и фосфолипидам (Громова, 2011).
Данные маркетинговых исследований анализа и потребления БАД к пище, содержащей рыбный жир, указывают на динамичный рост этого сегмента аптечных продаж, но при этом наблюдается снижение конкурентоспособности отечественных БАД перед зарубежными. Последнее свидетельствует о необходимости проведения исследований и поиска новых источников рыбного жира, а также разработки новых форм и видов БАД к пище и внедрению импортозамещающих технологий (Запорожская, 2013).
Рыбная промышленность обладает разнообразными сырьевыми источниками для получения пищевых жиров, содержащих биологически активные вещества – ПНЖК омега-3, витамины А, Д и другие. Высоконенасыщенные липиды легко подвергаются окислительной порче, что ведет к изменению вкуса, цвета, потере биологической ценности и накоплению токсичных веществ, поэтому требуется их стабилизация антиокислителями в процессе хранения.
Таким образом, разработка технологии концентрата ЭЭ ПНЖК омега-3, стабильного к окислению, из рыбных жиров является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в изучение жиров ВБР, разработку продуктов с высоким содержанием ПНЖК омега-3 внесли отечественные и зарубежные ученые: Ржавская Ф.М., Кизеветтер И.В., Боева Н.П., Мукатова М.Д., Одинцов А.Б., Васьковский В.Е., Исаев В.А.,
Касьянов С.П., Серебрянников Н.В., Сидоров Н.Н., Белоцерковец В.М., Петрова М.С., Байдалинова Л.С., Агафонова С.В., Charles P. Zuta, Leroy Phillips, Dipak Patil, Soo-jin Kim и другие. В их работах освещаются способы получения натуральных жиров и способы получения концентрата ЭЭ ПНЖК, которые предполагают использование органических растворителей (например, ацетона, гексана) и использование молекулярной дистилляции, которая требует специального оборудования; рассматривается влияние антиокислителей (натуральных и синтетических) на натуральные жиры, для концентрата ЭЭ ПНЖК рекомендуется использовать синтетический витамин Е, однако есть информация о его мутагенной активности и отсутствуют данные о влиянии натуральных эфирных масел на концентрат ЭЭ ПНЖК в процессе хранения (Никифорова, 2003; Yang, 2012).
Целью диссертационной работы является разработка научного обоснования технологии получения концентрата полиненасыщенных жирных кислот омега-3 из рыбных жиров, стабильного к окислению, соответствующего требованиям, предъявляемым к пищевым жирам из ВБР.
В рамках поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Изучить качественные показатели рыбных жиров, используемых для получения концентрата этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот омега-3.
-
Разработать рациональные параметры получения этиловых эфиров жирных кислот методом переэтерификации.
-
Разработать рациональные параметры получения концентрата полиненасыщенных жирных кислот из рыбных жиров методом комплексообразования с мочевиной.
-
Обосновать способ очистки концентрата полиненасыщенных жирных кислот.
-
Исследовать изменения показателей состава и качества концентрата этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот омега-3 в процессе хранения с различными антиокислителями и обосновать срок его годности.
-
Провести апробацию разработанной технологии в производственных условиях, разработать техническую документацию на концентрат ПНЖК омега-3.
7. Оценить экономическую эффективность от внедрения разработанной технологии.
Научная новизна
Установлены зависимости выхода этиловых эфиров жирных кислот от количества абсолютизированного этилового спирта, количества катализатора (гидроксида калия), температуры и продолжительности процесса, позволяющие определить рациональные параметры переэтерификации (алкоголиза) рыбного жира.
Обосновано преимущество комплексообразования этиловых эфиров жирных кислот при использовании мочевины в среде абсолютизированного этилового спирта и охлаждения до 4-5С.
Обоснован компонентный состав смеси адсорбентов, состоящей из бентонитовой глины, активированного угля и алюмосиликатов, установлено их рациональное соотношение (3:3:4), что позволило получить концентрат этиловых эфиров ПНЖК омега-3 высокой степени очистки.
Установлена высокая антиокислительная активность смеси на основе трет-бутилгидрохинона с добавлением эфирного масла укропа при стабилизации этиловых эфиров ПНЖК омега-3 в процессе хранения.
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ 2614587.
Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании выбора сырья и технологии получения концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3; в получении математической модели переэтерификации рыбного жира, позволяющей оптимизировать технологические параметры процесса; в обосновании эмпирической формулы, позволяющей рассчитать необходимое количество мочевины для проведения реакции комплексообразования.
Практическая значимость работы заключается в разработке технологии концентрата ЭЭ ПНЖК с содержанием ПНЖК омега-3 не менее 80 %, стабилизированной трет-бутилгидрохиноном с добавлением натуральных эфирных масел. Разработан комплект технической документации на производство «Концентрата ПНЖК омега-3 из рыбных жиров», включающий технические условия ТУ 10.41.12-081-00472124-2017 и технологическую инструкцию (ТИ к ТУ), продукта пищевого для производства БАД и лечебно-профилактических продуктов.
Технология апробирована в Центре научно-экспериментальных технологий
(ЦНЭТ) ВНИРО. Показана экономическая эффективность разработанной
технологии.
Методология и методы исследования основаны на системном подходе, использовании современных аналитических методов (стандартных и общепринятых в рыбной отрасли), математическом моделировании и оптимизации параметров технологических процессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Рациональные технологические параметры поэтапного процесса получения концентрата этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот, включающего переэтерификацию рыбного жира и комплексообразование этиловых эфиров насыщенных жирных кислот с мочевиной.
Способ очистки концентрата этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот методом адсорбционной хроматографии.
Обоснованный выбор эффективного антиокислителя и сроки годности концентрата этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот омега-3.
Личное участие автора состоит в аналитическом обзоре научной и патентной информации, постановке и выполнении лабораторных экспериментов; проведении аналитических исследований качественных показателей; обработке полученных данных и интерпретации результатов; разработке технических условий готового продукта и технологической инструкции по производству; подготовке статей и докладов; в написании патентной заявки; выступлении на конференции; лабораторно-производственной апробации результатов исследования.
Достоверность результатов исследования подтверждена трехкратной
повторяемостью опытов, воспроизводимостью экспериментальных данных, их
статистической обработкой, апробацией разработанных параметров в
производственных условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на V Научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы и перспективы развития рыбохозяйственного комплекса», Москва, 2017; V Международной научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология», проводимой в рамках IV Международного «Балтийского
морского форума», Калининград, 2016; Международной конференции, посвященной
75-летию со дня образования Астраханского государственного технического
университета, Астрахань, 2005; Научно-практической конференции «Значение
биотехнологии для здорового питания и решения медико-социальных проблем»,
Калининград, 2005; Международной научной конференции “Инновации в науке и
образовании – 2004”, Калининград, 2004; Конференции «Развитие
рыбохозяйственного комплекса России», Санкт-Петербург, 2004.
Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует пунктам 1, 2, 5 паспорта специальности 05.18.04 -Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором
опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, один патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и пяти приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах печатного текста, содержит 47 таблиц и 28 рисунков. Список литературы включает в себя 209 источников, в том числе 52 – иностранных авторов.
Сырьевая база жиросодержащего сырья
Основная масса вырабатываемого жира производится при изготовлении рыбной муки из жирной рыбы (сардины, сардинелла, килька, мойва, бычки). На производство рыбной муки и жира идёт малоценная в пищевом отношении, некондиционная из-за механических повреждений рыба, прилов и отходы от производства пищевой продукции [Боева, 2008].
Основным регионом международного российского промысла являются воды Атлантического океана, где вылавливают 1 млн. т ежегодно или 97 99 % вылова РФ за пределами своей ИЭЗ. Важным районом (на втором месте по значимости [Глубоков, 2005]) российского промысла за пределами национальной исключительной экономической зоны в настоящее время являются воды Центрально-восточной Атлантики (ЦВА) (рисунок 1.2) [ru.convdocs.org], где ежегодно российскими рыбаками вылавливается 250 350 тыс. т мелких пелагических рыб: ставриды, скумбрии, сардины и сардинеллы. При этом запасы пелагических рыб в этом районе в целом находятся в устойчивом состоянии и позволяются вести экономически эффективный промысел [Архипов, 2016], и суммарный потенциальный объём вылова вышеуказанных ресурсов составляет 680 тыс. т (таблица 1.1).
Из данного сырья вырабатывается пищевая продукция, кормовая рыбная мука и рыбный жир [Булатов, 2011; Глубоковский, 2013; Глубоковский, 2015 а, б].
В рамках политики импортозамещения, проводимой РФ с 2014 г., особое значение придаётся использованию водных биоресурсов северной и центральной частей Атлантического океана. Рыбная продукция глубокой переработки, вырабатываемая из сырьевых источников этих регионов, может быть стать значительной составляющей в замещении импортной продукции [Глубоковский, 2015 а, б].
В таблице 1.2 представлен общий химический состав основных промысловых видов рыб, перерабатываемых на рыбную муку и рыбный жир [Быков, 1998; Абрамова, 2003]. Анализируя данные таблицы 1.2, видно, что объекты промысла, добываемые в районе ЦВА, относятся к рыбам средней и высокой жирности, поэтому являются ценным жиросодержащим сырьём.
Примерный выход продуктов переработки рыбного сырья в процессе изготовления рыбной муки и жира представлен в таблице 1.3. Из представленных данных видно, что выход жира составляет от 71 % до 74 % от содержания жира в сырье [Исаев, 1985].
Анализ статистических данных показал, что на производство жира и рыбной муки идет от 9,2 до 18,3 % мирового улова. Совокупное мировое производство рыбного жира в последние 10 лет составляет в среднем 0,99 млн т/год. Основными производителями являются Перу, Чили, Скандинавские страны, США, Япония, Исландия [Мировое производство…, 2016]. Исходя из этого, потенциал сырьевой базы района ЦВА для получения рыбного жира составляет 12 тыс. т в год (при условии полной промышленной безотходной переработке сырья и отходов) в противовес нынешнему производству рыбного жира в РФ, составляющему не более 1,5 тыс. т/год [Статистические данные…, 2016].
Жиры, полученные из разного вида сырья в районе ЦВА, существенно отличаются по составу и качеству. Качественные показатели и состав образцов рыбных жиров колеблются в широком диапазоне: кислотное число изменяется от 1,5 до 27,4 мг КОН/г, перекисное число – от 0,04 до 0,75 % J2, альдегидное число от 7,2 до 27,7 мг коричного альдегида в 100 г.
Наименьшее количество первичных и вторичных продуктов окисления и гидролиза отмечено в жире из светящегося анчоуса, минтая, ставриды ЮВТО, из каспийской кильки. Наибольшее количество продуктов окисления и гидролиза содержится в образцах полуфабриката технического жира, выработанного из смешанного сырья: кислотное число – 18,2-27,4 мг КОН/г; перекисное число – 0,11-0,43 % J2; альдегидное число – 27,7 56,1 мг коричного альдегида в 100 г. Состав жирных кислот в жире колеблется в широких пределах в зависимости от вида сырья: насыщенные жирные кислоты – 18,5-30,5 %, мононенасыщенные жирные кислоты – 37,6 61,1 %, полиненасыщенные жирные кислоты – 16,0-34,7 %. В таблице 1.4 представлены рекомендации по использованию рыбных жиров, вырабатываемых промышленностью, в зависимости от их состава и качества [Боева, 1998; Боева, 2000].
Таким образом, перспективные объекты промысла ЦВА: скумбрия, ставрида, сардинелла – при переработке на рыбную муку и рыбный жир, характеризующиеся кислотным числом не более 10 мг КОН/г и суммарным содержанием ПНЖК более 20 %, а также по показателям безопасности соответствующие Единым санитарно-эпидемиологическим требованиям и ТР ЕАЭС 040/2016, являются перспективным сырьем для получения лечебно-профилактических продуктов и БАД к пище.
Характеристика состава, качества и безопасности жиров для получения концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3
Для проведения исследовательской работы нами были взяты образцы рыбных жиров (ОРЖ), полученных в условиях промысла из пелагических рыб континентального шельфа (скумбрии, ставриды, сардинеллы) в условиях промысла в районе Центрально-Восточной Атлантики. Для удобства проведения исследования и анализа полученных результатов образцам присвоены номера:
ОРЖ 1 – жир, полученный на промысле при переработке сардины во внутренних водах Марокко;
ОРЖ 2 – жир, полученный на промысле при переработке сардинеллы во внутренних водах Мавритании;
ОРЖ 3 – жир, полученный на промысле при переработке скумбрии во внутренних водах Марокко.
На первом этапе были изучены показатели качества образцов рыбных жиров (таблицы 3.1-3.4). Анализ органолептических показателей выявил, что все образцы рыбных жиров были прозрачные, имели цвет от светло-жёлтого до жёлтого, обладали характерным рыбным запахом без прогорклости. Кислотное число, характеризующее гидролитические изменения липидов, образцов колеблется от 2,70 (жир скумбрии) до 3,90 (жир сардинеллы) мг КОН/г, что находится на критическом уровне, близком к ПДК для пищевых рыбных жиров, перекисное число, характеризующее накопление первичных продуктов окисления, образцов жиров колеблется от 1,5 (жир сардины) до 3,1 ммоль акт. кислорода/кг (жир скумбрии), альдегидное число, характеризующее накопление вторичных продуктов окисления, образцов жира колеблется от 0,08 (жир скумбрии) до 0,75 мг коричного альдегида/100 г. (жир сардинеллы) Содержание ионола составляет 0,03 % и не превышает уровень ПДК. Эти данные показывают, что кормовая рыбная мука и жир были получены из свежего незадержанного сырья, что позволяет использовать данные образцы для производства пищевого рыбного жира и лечебно-профилактических продуктов, в том числе БАД к пище.
Результаты анализа жирнокислотного состава образцов рыбных жиров представлен в таблице 3.3: было идентифицировано 19 жирных кислот с длиной цепи от 12 атомов углерода. Минимальным суммарным содержанием ЭПК и ДГК и максимальным суммарным содержанием НЖК – 38,55 %, в том числе пальмитиновой кислоты (26,43 %), характеризуется образец рыбного жира из сардинеллы. но в то же время, в данном ОРЖ зафиксировано минимальное содержание омега-6 кислот – 4,61 % и минимальное соотношение омега-6/омега-3 кислот, составляющее 0,23. Образцы рыбных жиров из сардины и скумбрии характеризуются приблизительно одинаковым суммарным содержанием ЭПК и ДГК – 18,08 % и 17,15 %, соответственно, и соотношением омега-6/омега-3 кислот – 0,47 и 0,41, соответственно. Принципиальное отличие данных ОРЖ в содержании мононенасыщенных жирных кислот: в ОРЖ 1 – 27,9 %, а в ОРЖ 3 – 41,83 %. Среди МНЖК наибольшее содержание во всех ОРЖ имеет олеиновая – на уровне 18,14-21,15 %, также стоит отметить сравнительно высокое содержание эйкозаеновой МНЖК в ОРЖ 2 – на уровне 12,57 %.Результаты изучения жирнокислотного состава после отделения твердых триглицеридов, представленные в таблице 3.5, показали, что выбранные образцы рыбных жиров эффективно не разделяются на фракции при охлаждении с последующей фильтрацией стеариновой фракции жиров, что косвенно показывает, что статистическое распределение жирных кислот в триглицеридах происходит равномерно. Сравнительный анализ данных показал, что уменьшение содержания насыщенных жирных кислот происходит на 3,44-3,49 %, а увеличение ПНЖК в ОРЖ 1 – на 2,36 %, в других образцах – на 1,4-1,6 %, при этом сохраняется соотношения омега-6/омега-3 жирных кислот, что не дает возможности существенно повысить уровень содержания ПНЖК омега-3 жирными кислотами данным способом. Тогда как очисткой от твердых триглицеридов методом охлаждения из жира печени трески или жира, полученного ферментативным способом, возможно уменьшение содержания НЖК в 1,4-2 раза [Новиков, 1972; Агафонова, 2016]. Также данное свойство изучаемых образцов рыбных жиров затрудняет их капсулирование при производстве БАД к пище, несмотря на то, что по показателям качества и безопасности они соответствуют требованиям СанПиН и Единым нормам, предъявляемым к пищевым жирам из рыбы.
Таким образом, выбранные для исследования рыбные жиры соответствуют СанПиН и Единым санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям к товарам, подлежащим санитарно эпидемиологическому надзору (контролю), и обладают высокой биологической ценностью, что позволяет их использовать в качестве сырья для производства пищевого продукта – концентрата ПНЖК омега-3.
Выбранные образцы имеют различные соотношения НЖК, МНЖК и ПНЖК, что характерно для всех натуральных рыбных жиров и зависит от вида рыб, места и сезона вылова. Высокое содержание нейтральных триглицеридов позволяет их использовать для проведения процесса переэтерификации для получения этиловых эфиров жирных кислот с последующим концентрированием. Исходное высокое суммарное содержание ПНЖК омега-3 и низкое соотношение омега-6/омега-3 жирных кислот позволит получить концентрат с повышенным содержанием ЭПК и ДГК.
Изучение показателей качества концентрата ПНЖК омега-3 в процессе хранения
В связи с тем, что концентрат этиловых эфиров ПНЖК омега-3 представляет собой высоконепредельную систему, существует необходимость подбора эффективных антиокислителей, обеспечивающих сохранение его качественных характеристик в течение длительного срока хранения. Также необходимо подобрать вкусо-ароматические вещества, маскирующие специфические запах и вкус этиловых эфиров ПНЖК [Баскакова, 2017]. С этой целью были проведены исследования полученных в процессе работы образцов концентрата ПНЖК омега-3 с различными антиокислителями в процессе хранения. Всего было проведено три серии опытов. Для обобщения данных приведена сводная таблица, характеризующая смеси антиокислителей, использованных для стабилизации ПНЖК омега-3 (таблица 4.10). В первой серии опытов образцы концентрата ПНЖК омега-3 были стабилизированы смесью антиокислителей бутилгидрокситолула (БОТ) и бутилгидроксианизола (БОА) в количестве 0,04 и 0,08 % к массе БАД без и с добавлением масла пихты (0,08 %) или смеси натуральных эфирных масел лимона и апельсина (0,08 %). Изменение показателей его качества в процессе хранения представлены на рисунках 4.2 и 4.3 [Боева, 2004].
При температуре хранения выше 18С значения перекисных чисел образцов ПНЖК омега-3 (образцы 1-6) увеличились на 20-70 %, но не превысили уровень ПДК; значения кислотных чисел во всех образцах в первый месяц хранения превысили уровень ПДК, наименьшее изменение кислотного числа наблюдается у образца с эфирными маслами лимона и апельсина. В связи с превышением кислотного числа ПДК через месяц хранения данные смеси антиокислителей не могут быть рекомендованы для стабилизации концентрата ПНЖК омега-3 при хранении при температуре выше 18С (рисунок 4.2).
Изучение изменения показателей гидролитической и окислительной порчи концентрата ПНЖК омега-3 (образцы 1-6) при температуре хранения 5-8С показало, что значение перекисного числа превысило уровень ПДК в образцах 1-5 – через 3 мес., в образце 6 – через 6 мес. хранения. В связи с тем, что изменение перекисного числа носит синусоидальный характер, значение перекисного числа в контроле I снизилось в 2 раза. Во всех образцах также наблюдался рост кислотного числа. Наименьшие изменения происходили в образце с эфирными маслами (образец 6), кислотное число которого через 6 мес. хранения было в 2 раза меньше, чем в контроле, но превысило ПДК (рисунок 4.3).
Таким образом, эфирные масла лимона и апельсина могут быть использованы для предотвращения гидролитический и окислительной порчи концентрата ПНЖК омега-3 совместно с синтетическими антиокислителями БОА (0,02 %) и БОТ (0,02 %) и хранение следует осуществлять при температуре не выше 5-8С не дольше 3 мес. [Боева, 2004].
Для второй серии эксперимента в качестве антиокислителей использовали коммерческие препараты Grindox 204, 109 и 1021 фирмы Danisco и масла лимона и апельсина (рисунок 4.4, 4.5) [Боева, 2005 а].
При температуре выше 18С во всех образцах наблюдается рост кислотного числа, но оно не превышает уровень ПДК. Наилучшими показателями характеризуются образцы с Grindox 204 без и с добавлением эфирного масла лимона при хранении при температуре 5-8С и выше 18С и образец с БОТ и лимоном при хранении при температуре 5-8С.
На протяжении всего срока хранения во всех образцах концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 происходило увеличение перекисных чисел. При температуре 5-8С в контрольном образце перекисное число выросло практически в 2 раза по сравнению с его значением после хранения в течение 1 месяца. В образцах 2, 5, 6 значения перекисных чисел были выше уровня ПДК. Только в образцах с Grindox 204 с добавлением эфирного масла лимона (образец 2) перекисное число составило 5,10 ммоль акт. кисл./кг и без добавления (образец 3) – 2,80 ммоль акт. кисл./кг. При температуре 18-20С в течение 6-ти месяцев хранения во всех образцах произошло резкое увеличение перекисных чисел: в контрольном образце в 3,5 раза по сравнению с 1-ым месяцем хранения. Наименьшие изменения перекисных чисел наблюдались в образце с Grindox 204 без добавления эфирного масла лимона, где перекисное число в 3,5 раза меньше, чем в контроле.
Изучение органолептических показателей образцов ЭЭ ПНЖК омега-3 через 6 мес. хранения (рисунок 4.6), показало, что при хранении при температуре выше 18С все образцы имеют достаточно низкую оценку, при хранении в холодильнике образцы с Grindox 204 с эфирным маслом и без имеют максимальную оценку.
В результате проведенного исследования были выявлено, что на данном этапе наиболее эффективным антиокислителем для концентрата этиловых эфиров ПНЖК омега-3 является коммерческий препарат Grindox 204 (в количестве 0,04 %), действующим веществом которого является трет-бутилгидрохинон с добавлением эфирного масла лимона при хранении концентрата ЭЭ ПНЖК при температуре 5-8С в течение не более 6 месяцев.
В третьей серии экспериментов было изучено влияние чистого препарата трет-бутилгидрохинона (0,04 % к массе концентрата ПНЖК омега 3), который является основным веществом Grindox 204, с добавлением эфирных масел лимона, апельсина и укропа (0,8 % к массе концентрата ПНЖК омега-3) на стабильность концентрата ЭЭ ПНЖК в процессе хранения [Баскакова, 2017 а]. Концентрация синтетических окислителей была выбрана в соответствии с Едиными нормами, по которым суммарное содержание синтетических антиокислителей, таких как ионол, третбутилхинон, галлаты не должно превышать 400 мг/кг (или 0,04 %) [Единые санитарно-эпидемиологические нормы…]. В качестве синергиста была добавлена лимонная кислота в количестве 0,004 % к массе БАД (таблица 4.10).
На рисунке 4.7 представлены графики, характеризующие гидролитические изменения, происходящие в процессе хранения. Видно, что при температуре 5-8оС кислотные числа не превышают уровень ПДК, при температуре выше 18оС накопление идет более интенсивно и кислотное число в контроле через 15 мес. хранения превышает в 1,4 раза уровень ПДК (рисунок 4.8). Наименее интенсивное накопление происходит в образе с добавлением эфирного масла укропа.
Видно, что при температуре 5–8 C кислотные числа не превышают ПДК, за исключением контрольного образца; при температуре выше 18 С накопление идет более интенсивно: кислотное число в контрольном образце, в образце с маслом апельсина превышает уровень ПДК на 62,5 и на 12,5 %, соответственно. Наименее интенсивно накопление продуктов гидролиза происходит в образце с добавлением эфирного масла укропа при холодильном хранении: увеличивается в 1,5 раза, что составляет 35 % от уровня ПДК.
Накопление первичных продуктов окисления имеет синусоидальный характер. На графиках, представленных на рисунках 4.7 и 4.8, видно, что в контрольном образце резкое увеличение содержания первичных продуктов окисления происходит и при хранении в холодильных, и при нерегулируемых условиях: уже через месяц хранения превышает уровень ПДК в 1,4 и 2 раза соответственно. С антиокислителями при хранении в холодильнике наименее интенсивное изменение происходит в образцах с добавлением эфирных масел лимона и укропа, но при комнатной температуре происходит превышение уровня ПДК во всех образцах, кроме образца с эфирным маслом укропа.
На этом этапе также подробно рассмотрели накопление вторичных продуктов окисления, которое характеризуется изменением альдегидного числа, ПДК которого устанавливается ФС на медицинский рыбный жир и составляет не более 14 мг коричного альдегида/100 г. Как видно из рисунка 4.5, в контрольном образце через 15 мес. при нерегулируемой температуре хранения и в условиях холодильного хранения альдегидное число превышает ПДК в 1,4 и 1,56 раза соответственно. При холодильном хранении в образце с маслом апельсина значение альдегидного числа также превышает уровень ПДК. В остальных образцах накопление вторичных продуктов окисления происходит менее интенсивно.
Изучение жирнокислотного состава концентрата ПНЖК омега-3 показало (рисунок 4.9), что в процессе хранения происходит уменьшение содержания ПНЖК и увеличение содержания МНЖК и НЖК, более выраженные изменения происходят при температуре воздуха более 18С (в нерегулируемых условиях): в контрольном образце содержание жирных кислот с 5 и 6 двойными связями уменьшается почти в 2 раза.
Изменение содержания жирных кислот при обеих температурах хранения не носит столь выраженный характер, вероятно потому, что пента-и гексаеновые жирные кислоты окисляются до ди, три и тетраеновых жирных кислот, а те в свою очередь – до МНЖК и НЖК, накопление которых особенно заметно в контрольных образцах в конце 15-ти месячного срока хранения. В образцах с маслом укропа происходит наименьшее снижение содержания пента и гексаеновых кислот, что коррелируется с накоплением первичных и вторичных продуктов окисления липидов в процессе хранения.
Апробация технологии концентрата ПНЖК омега-3 в производственных условиях
Целью апробации технологии концентрата ПНЖК омега-3 с использованием разработанных параметров технологического процесса на промышленном оборудовании является установление её пригодности к промышленному внедрению.
Апробация технологии проводилась по правилам общей химической технологии с использованием принципов масштабирования и в соответствии с технологической инструкцией к ТУ Концентрат ПНЖК омега-3 10.41.12-081-00472124-2017 (Приложение 1).
В Центре научно-экспериментальных технологий ВНИРО (ЦНЭТ) была наработана опытная партия концентрата ПНЖК омега-3 в соответствии с технологической схемой, представленной на рисунке 5.1 [Баскакова, 2015] (приложение 2).
Для работы было использовано промышленное технологическое оборудование, представленное в таблице 5.2.
Было взято 20 кг рыбного жира для получения опытного образца концентрата ПНЖК омега-3.
Рыбный жир, изготовленный на промысле, в течение 2-х мес. транспортировался при температуре не выше 10С, при получении его хранили в морозильной камере при температуре минус 18С в течение 2 мес. При фильтрации на камерном фильтр-прессе через ткань бельтинга было получено 1,2 кг твердой фракции, содержащей триглицериды насыщенных жирных кислот.
Фильтрованный рыбный жир в количестве 18,6 кг характеризовался кислотным числом 3,5 мг КОН/г и содержанием ПНЖК 30,0 %, содержание триглицеридов составляло 88,0 % и фосфолипидов 3,2 %. Технологические потери рыбного жира при фильтровании составили 1,0 %.
Рыбный жир был подвергнут рафинации. Для рафинации было использовано 5 кг 1 % водного раствора едкого натра. Жир был нагрет до температуры 90С, и при перемешивании через душирующее устройство внесен раствор едкого натра. Процесс рафинации закончился через 2 часа, после чего нижний слой, содержащий мыла, слит из рафинатора. Рыбный жир был промыт водно-солевым раствором температурой 90С до нейтральной реакции промывных вод по фенолфталеину. Промытый жир для отделения влаги был центрифугирован в течение 20 мин при скорости 6000 об/мин.
Было получено 18,0 кг рыбного жира, характеризующегося кислотным число 0,3 мг КОН/г и содержащим 0,02 % влаги, что соответствует требованиями, предъявляемым к сырью для переэтерификации при использовании щелочных катализаторов. Потери при рафинации составили 3,0 %, что выше нормы [Новиков, 1972], что связано с заменой сепарататора на центрифугу и потерями при отделении фугата с применением делительных воронок.
Процесс переэтерификации рыбного жира бы проведен в соответствии с обоснованными оптимальными параметрами (п.3.2.2.). Катализатор был подготовлен путем растворения 0,13 кг гидроокиси калия в 8,5 кг абсолютизированного этанола при нагревании и охлаждён до 30С, после чего через душирующее устройство внесен при перемешивании внесен в рыбный жир температурой 30С. Перемешивание продолжалось в течение 3 ч.
Отделение этиловых эфиров жирных кислот произвели посредством центрифугирования в течение 20 мин при 3000 об/мин. От нижнего темноокрашенного глицеринового слоя под вакуумом отогнали этанол при остаточном давлении паров 20 кПа, отцентрифугировали выделенный верхний светло-желтый слой и добавили его основному количеству этиловых эфиров жирных кислот в емкость. Соединенные этиловые эфиры жирных кислот промыли двумя объёмами воды температурой 60С для удаления остатков глицерина, мыл и других примесей до нейтральной реакции по фенолфталеину. Промытые этиловые эфиры жирных кислот отделили центрифугированием в течение 20 мин со скоростью 6000 об/мин.
Было получено 8,2 кг сырого глицерина, из которого отогнано 5,5 л этанола, 18,2 кг продукта с содержанием этиловых эфиров жирных кислот 93 %. Соответственно, выход составляет 94 %, что отличается от лабораторного эксперимента на 1 %. Это связано с неполным удалением этанола из полученных ЭЭ ЖК, что не критично, так как концентрирование будет проводиться с использованием спиртового раствора мочевины. Общие потери составили 0,8 %. Этанол после повторной перегонки под вакуумом используется для концентрирования.
Анализ жирнокислотного состава полученных ЭЭ ЖК показал, что в них содержится 28 % НЖК, 40 % МНЖК и 31 % ПНЖК.
Полученные эфиры жирных кислот хранили при температуре 4-5С до последующего их использования. При хранении в течение 24 ч не происходило выпадения в осадок НЖК, т.к. температура плавления этиловых эфиров жирных кислот отличается меньше между собой, чем температура плавления тринасыщенных и триненасыщенных глицеридов жирных кислот.
В соответствии с расчётом теоретический расход на концентрирование ПНЖК составляет 36 кг мочевины, 108 л этанола.
В соответствии с экспериментальными данными с целью оптимизации расхода сырья, материалов и времени процесса концентрирование проводилось в несколько этапов.
Этап I. Был приготовлен спиртовой раствор мочевины в расчёте на 6 кг ЭЭ ЖК: 9 кг мочевины, 36 л этанола (80 %) при нагревании до 80С в системе с обратным холодильником для устранения испарения этанола. В горячий спиртовой раствор мочевины были добавлены этиловые эфиры жирных кислот при перемешивании, после охлаждения до температуры окружающей среды смесь помещена в холодильный контур на 12 часов.
Полученный комплекс НЖК и мочевины (КI-1) фильтровали через трёхслойную бязь с использованием вакуумного нутч-фильтра, промывая комплекс 10 л 95 % этанолом при периодическом рыхлении комплекса и его уплотнении.
Анализ КI-1, показал, что в нём содержится 16 % ЭЭ ПНЖК, 84 % МНЖК и НЖК. Анализ фильтрата (ФI-1) показал, что в нем содержится 75 % ПНЖК, 25 % МНЖК и НЖК.
Фильтрат упарили под вакуумом при остаточном давлении 20 кПа и температуре 60С до объёма 20 л. Не охлаждая, внесли в фильтрат 3 кг мочевины. При перемешивании охладили и поместили в холодильный контур на 12 ч. Отогнанный этанол в количестве 20 л был использован повторно. Образовавший комплекс (КI-2) обработали аналогично КI-1, промывая 3 л этанола. Получили фильтрат и комплекс с содержанием ПНЖК 91,0 % и 1,5 % соответственно. От фильтрата отогнали 3 л этанола для повторного использования; промыли неочищенный концентрата ПНЖК 3 л 10 % раствора хлорида натрия и 3 л воды температурой 40С. Отделили центрифугированием при скорости 6000 об/мин. Получили 1,5 л концентрата ЭЭ ПНЖК. В полученном комплексе содержалось НЖК и МНЖК 96 % и ПНЖК 4 %.
Этап II. Комплекс КI-1 использовали для загрузки второй партии ЭЭ ЖК. Для этого он был растворен в 36 л этанола при температуре 60С и смешан с 6 л ЭЭ ЖК. Дальнейшие действия аналогичны этапу I.
В результате были получены комплекс КII-1, содержащий 20 % ЭЭ ПНЖК и 80 % МНЖК и НЖК, и фильтрат (ФII-1), содержащий 78 % ПНЖК, 22 % МНЖК и НЖК.
Для получения комплекса КII-2 использовали КI-1, внеся его в фильтрат ФII-1. В результате обработки, аналогичной получению фильтрата ФI-2, был получен фильтрат
Полученный после отгонки остаток, который представляет собой неочищенный концентрат этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот для удаления водорастворимых примесей и остаточного содержания этанола был промыт водой, подогретой до 40С, затем обезвожен на центрифуге в течение 20 мин. Иодоформная проба показала отсутствие этилового спирта в полученном концентрате.
В итоге было получено 6,0 кг продукта с содержанием ПНЖК омега-3 91 %. Выход в пересчете на чистое вещество составил 96,7 %, потери 3,3 %. Выход в пересчете на этиловые эфиры жирных кислот составил 34 %.
Комплекс мочевины и насыщенных жирных кислот был разрушен водой с температурой 80С, неполярная фракция отделена центригурованием и собрано в ёмкость. В общей сложности было получено 11,9 кг продукта с содержанием НЖК и МНЖК 95 %. Выход составил 65 %. Кислотное число составляло 3,6 мг КОН/г, перекисное число 4,3 моль акт. кислорода/кг, что соответствует требованиям на кормовой жир и может использоваться как кормовая добавка [Проект ТР ТС на корма].