Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 10
1.1 Современное состояние технологии и техники производства растительных масел 10
1.2 Современное представление о механизме воздействия химических реагентов на масличный материал 19
1.3 Факторы, влияющие на окислительную устойчивость липидсодержащих объектов 26
2. Методическая часть 32
2.1 Методы исследования семян и жмыха 32
2.2 Методы исследования масел и фосфолипидных концентратов 35
2.3 Методика и техника проведения экспериментов 40
3 Экспериментальная часть 43
3.1 Исследование особенностей химического состава семян подсолнечника современных сортов 43
3.2 Исследование гидратируемости фосфолипидов и гликолипидов, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов 46
3.3 Исследование устойчивости комплексных соединений фосфолипидов и гликолипидов с ионами поливалентных металлов 58
3.4 Исследование устойчивости комплексов однозамещенного лимоннокислого натрия с ионами поливалентных металлов 60
3.5 Определение рациональных режимов влаготепловой обработки мятки с применением комплексного реагента 63
3.6 Исследование показателей качества прессовых масел 67
3.7 Исследование гидратируемости и устойчивости к окислению прессовых масел 71
4 Производственные испытания разработанной технологии 88
5 Оценка экономической эффективности разработанной технологии 91
Выводы 94
Список использованной литературы
- Современное представление о механизме воздействия химических реагентов на масличный материал
- Методы исследования масел и фосфолипидных концентратов
- Исследование гидратируемости фосфолипидов и гликолипидов, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов
- Исследование устойчивости комплексов однозамещенного лимоннокислого натрия с ионами поливалентных металлов
Введение к работе
Масложировая промышленность является одной из ведущих отраслей пищевой промышленности, определяющих продовольственную безопасность страны.
Основным масличным сырьем России являются семена подсолнечника. В общем объеме растительного масла, производимого в России, на долю подсолнечного приходится 85%о, что составляет около 15% от мирового производства данного вида масла. Сложившаяся конъюнктура внешнего и внутреннего рынков диктуют необходимость наращивания основных сырьевых ресурсов масличных культур и, в первую очередь, подсолнечника, посевные площади под который за последние 10 лет увеличились на 30%. Это определило направление селекционных работ по созданию новых сортов, отличающихся большей урожайностью, повышенной масличностью и устойчивостью к различным видам биоповреждений.
Однако, длительная целенаправленная селекция на создание таких сортов семян подсолнечника привела к неизбежному изменению их химического состава, в результате чего существенно изменились технологические свойства получаемых масел.
Учитывая это, для эффективной переработки семян подсолнечника современных сортов требуется разработка новых технологических приемов, обеспечивающих получение масел и фосфолипидов с высокими показателями качества и технологическими свойствами.
Одним из направлений совершенствования технологии переработки семян подсолнечника является поиск способов повышения гидратируемости фосфолипидов и гликолипидов, а также стойкости получаемых масел и
5 фосфолипидных концентратов к окислению с применением специальных
химических реагентов.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с НТП Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», № гос. per. 01.2.00.109253.
Целью работы является разработка технологии получения
легкогидратируемых устойчивых к окислению масел из семян
подсолнечника современных сортов с применением химических реагентов.
Основные задачи исследования:
- анализ и систематизация научно-технической литературы и патентной
информации по теме исследования;
- изучение особенностей химического состава семян подсолнечника
современных сортов;
- изучение качественного и количественного состава металлов,
содержащихся в семенах подсолнечника современных сортов;
- исследование гидратируемости фосфолипидов и гликолипидов из
масел, выделенных из семян подсолнечника современных сортов;
- изучение комплексообразующей способности однозамещенного
лимоннокислого натрия с ионами поливалентных металлов (железо, медь,
кальций, магний);
- исследование комплексообразующей способности фосфолипидов и
гликолипидов, выделенных из семян подсолнечника современных сортов, с
ионами поливалентных металлов;
- определение рационального соотношения лимонной кислоты и
однозамещенного лимоннокислого натрия в комплексном реагенте для
обработки мятки;
исследование влияния обработки мятки водными растворами комплексного реагента на основе лимонной кислоты и однозамещенного лимоннокислого натрия на гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов, а также на устойчивость масел к окислению;
разработка технологии подготовки масличного материала к извлечению масла с применением водного раствора комплексного реагента;
- изучение физико-химических показателей гидратированных масел и
фосфолипидных концентратов;
- разработка технологической инструкции и технологического
регламента;
- оценка экономической эффективности от внедрения разработанной
технологии.
Научная новизна работы. Установлено, что для семян подсолнечника современных сортов массовая доля золы выше, чем для семян подсолнечника ранней селекции, при этом в составе золы отмечено более высокое содержание ионов поливалентных металлов, включая ионы металлов переменной валентности - железо и медь.
Впервые определены константы устойчивости комплексных
соединений негидратируемых фосфатидилсеринов и фосфатидных кислот,
негидратируемых гликозидов стеринов и
ацилмоногалактозилдиацилглицеринов с ионами железа, меди, кальция и магния, а также определены константы устойчивости комплексных соединений однозамещенного лимоннокислого натрия с ионами указанных металлов.
Установлено, что комплексные соединения однозамещенного лимоннокислого натрия с ионами меди, железа, кальция и магния являются более устойчивыми, чем комплексные соединения негидратируемых
7 фосфолипидов и негидратируемых гликолипидов с ионами указанных
металлов. Определены оптимальные соотношения лимонной кислоты и
однозамещенного лимоннокислого натрия в комплексном реагенте,
вводимом в мятку при влаготепловой обработке.
Экспериментально определены оптимальные режимы влаготепловой обработки масличного материала - мятки с применением водного раствора комплексного реагента. Экспериментально доказано, что масла, полученные по разработанной технологии, обладают более высокой стойкостью к окислению, а также гидратируемостью фосфолипидов и гликолипидов.
Установлено, что фосфолипидные концентраты, выделенные из масел, полученных по предлагаемой технологии, имеют в своем составе большее содержание физиологически ценных групп по сравнению с фосфолипидными концентратами, выделенными из масел, полученных по традиционной технологии.
Научная новизна подтверждена 4 решением о выдаче патентов РФ.
Практическая значимость. Разработана усовершенствованная технология получения прессового масла из семян подсолнечника современных сортов, позволяющая повысить выход легкогидратируемого прессового масла, устойчивого к окислению, а также обеспечить получение физиологически ценных фосфолипидных концентратов. На технологию получения прессовых легкогидратируемых масел повышенной стойкости к окислению разработан комплект технической документации, включающий технологическую инструкцию и технологический регламент.
Разработанная технология проверена в производственных условиях Миллеровского МЭЗа.
Разработанные технические и технологические решения приняты к внедрению во II квартале 2005 года на Миллеровском МЭЗе.
8 Экономический эффект от внедрения разработанной технологии при
переработке 550 т семян подсолнечника в сутки составит более 7 млн. руб. в
год.
На защиту выносятся следующие основные положения
диссертационной работы:
- особенности химического состава семян подсолнечника современных
сортов;
- результаты изучения качественного и количественного состава
металлов, содержащихся в семенах подсолнечника современных сортов;
- гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов из масел,
выделенных из семян подсолнечника современных сортов;
оценка комплексообразующей способности однозамещенного лимоннокислого натрия с ионами поливалентных металлов (железо, медь, кальций, магний);
оценка комплексообразующей способности фосфолипидов и гликолипидов, выделенных из семян подсолнечника современных сортов, с ионами поливалентных металлов;
установленное рациональное соотношение лимонной кислоты и однозамещенного лимоннокислого натрия в комплексном реагенте для обработки мятки;
результаты исследования влияния обработки мятки водными растворами комплексного реагента на основе лимонной кислоты и однозамещенного лимоннокислого натрия на гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов, а также на устойчивость масел к окислению;
разработанная технология подготовки масличного материала к извлечению масла с применением водного раствора комплексного реагента;
- результаты исследования физико-химических показателей масел и
фосфолипидных концентратов;
разработанный комплект технической документации, включающий технологическую инструкцию и технологический регламент;
оценка экономической эффективности от внедрения разработанной технологии.
Современное представление о механизме воздействия химических реагентов на масличный материал
Семена подсолнечника современных сортов являются труднообрушиваемыми, что приводит к повышенному содержанию лузги в ядре, и как следствие, к повышенным потерям масла в производстве, ухудшению его качества, повышенному износу оборудования, а также к снижению качества белковых продуктов.
Растительный масличный материал, подготовленный к извлечению масла, можно представить как капиллярно-пористое тело, состоящее из двух фаз: твердой - белковой и жидкой - липидной. Жидкая фаза распределена в твердой в виде поверхностного масла, внутри вскрытых и тупиковых капилляров и внутри невскрытых клеток /83/.
Формы связи с материалом различны. Взаимодействие белков и липидов определяется, в основном, тремя видами связи "белок-липиды" различной прочности /5, 64, 83, 84/.
К первому виду связи можно отнести адсорбцию молекул липидов на поверхности белка, второй вид обусловлен включением липидов в состав структуры белковых молекул, а третий вид взаимодействия можно отнести к химической связи. Липиды, содержащие полярные группы, способны связываться с белком электростатическими силами. Фосфолипиды взаимодействуют с белком Р = 0 группами и четвертичными атомами азота. Свободные жирные кислоты реагируют карбоксильными группами. Полярные липиды проявляют сродство к молекуле, содержащей группы -ОН; =NH; -NH2; =S, т.е. к сульфидным - SN, пептидным -CONH- связям, в результате чего становится возможным спайка макромолекул через дисульфидные -S-S- или азотные -CO-N-N-CO- мостики.
Молекула белка имеет внешние стабилизирующие связи: ионную, водородную, дисульфидную, гидрофобную и др. Все эти связи подвержены ионизации. На рисунке 1.1 представлен химический состав фосфолипидов За счет указанных групп возможна связь белка с фосфолипидами. Эти группы также определяют групповой состав фосфолипидов в полученных маслах и их количество, переходящее в масло при его извлечении.
В растительных маслах присутствуют сопутствующие липидам вещества, представляющие собой растительные пигменты.
Один из пигментов - хлорофилл, содержащий ион Mg , координационно связанный в центре тетрапиррольного кольца.
Хлорофилл имеет боковую углеводородную цепь, образованную спиртом фитолом. Молекула подвержена ионизации и изменению свойств, в частности, окрашиванию в зеленый цвет в зависимости от рН среды и силы связи с полярными ионами металлов.
Все полярные липиды относятся к дифильным веществам - их молекулы состоят из двух частей с различными физико-химическими свойствами. Несмотря на различия в химическом составе, все эти вещества имеют сходные свойства - способность к образованию комплексов и межмолекулярных связей за счет полярных групп их молекул. Однако , эти комплексы могут разрушаться за счет введения растворов реагентов с определенным рН и его комплексообразующей способности.
В основе современной теории мембраны растительной клетки лежит двухслойная модель липидной структуры 151. Модель элементарной мембраны в виде двухслойной структуры полярных липидов представлена на рисунке 1.2.
Часть поверхности мембран покрыта периферическими белками, а в некоторых участках мембран в липидную структуру включены отдельные молекулы белка.
Таким образом, в некоторых участках мембран белки взаимодействуют с определенной частью полярных липидов. Эти связи могут быть разрушены традиционными воздействиями на масличный материал на этапах подготовки его к извлечению масла.
Однако, эти воздействия могут быть управляемыми и целенаправленными, что можно осуществить путем дополнения к традиционным технологическим факторам новых.
Методы исследования масел и фосфолипидных концентратов
Массовую долю фосфолипидов в масле и в выделенных из него фосфолипидных концентратах определяли калориметрическим методом по ГОСТ 7824-80 "Определение массовой доли фосфорсодержащих веществ".
Массовую долю металлов (калия, натрия, кальция, магния, железа, меди) в фосфолипидах и маслах устанавливали методом атомно адсорбционной спектроскопии /114-118/. Образец предварительно выдерживали в сушильном шкафу при температуре ПО С в течение трех часов с целью удаления влаги. Отбирали навеску масла (10 г) или фосфолипидов (2г) с точностью до 0,0002 г и постепенно озоляли по стандартной методике. После охлаждения готовили исходные растворы в разбавленной (50%) азотной кислоте в мерных колбах вместимостью 25 см3. Полученные пробы подвергали атомизации на атомно-адсорбционном спектрофотометре "OSS-1" (ГДР).
Гидратируемые и негидратируемые фракции фосфолипидов извлекали непосредственно из нерафинированных свежевыработанных масел, используя комплекс методов, позволяющих максимально сохранить их нативные свойства /114/.
Гидратируемые фракции фосфолипидов выделяли из нерафинированных масел на лабораторной установке по методике /114/. После гидратации полученную смесь центрифугировали при 6600 об/мин и снимали масло с осадка декантацией.
Полученные фосфолипиды высушивали до постоянной массы и отделяли от нейтральных липидов, используя диализ /114,119/.
Негидратируемые фракции получали диализом и препаративной хроматографией из гидратированного масла /120/. Препаративную хроматографию осуществляли на стеклянных пластинах в слое силикагеля марки L 5/40 с многократным развитием хроматограмм в системе растворителей гексан - диэтиловый эфир - ледяная уксусная кислота (80:20:1). Оставшиеся на старте фосфолипиды элюировали смесью хлороформ-метанол (2:1), растворитель отгоняли под вакуумом при температуре 30-40 С и полученные образцы фосфолипидов анализировали /114/.
Исследование фракционного состава фосфолипидов и неомыляемых липидов проводили методами тонкослойной (ТСХ) и высокоэффективной жидкостной (ВЭЖХ) хроматографии, как наиболее эффективными, быстрыми и точными /114,121-125/.
При изучении группового состава фосфолипидов методом ТСХ использовали систему растворителей: хлороформ-метанол-вода (65:25:4) и пластины для тонкослойной хроматографии "Сорбфил" /114,126/.
Образцы в виде растворов фосфолипидов в хлороформе с массовой долей 1% наносили микрошприцем в количестве 3 мкл на стартовые точки, находящиеся на расстоянии 10 мм друг от друга и на 10 мм выше линии погружения.
Развитие хроматограмм продолжали до подъема фронта растворителя до линии, отстоящей от края пластины на 10 мм. Хроматограммы проявляли спиртовым раствором фосфорно-молибденовой кислоты (ФМК) с массовой долей 5%.
Идентификацию полученных пятен проводили по метчикам и специальным тестам на индивидуальные группы фосфолипидов. Пластины после развития хроматограмм вынимали из камеры, удаляли растворитель в вытяжном шкафу и помещали в йодную камеру для проявления. Отмечали полученные пятна, после чего пластины обрабатывали специфическими реагентами.
Исследование гидратируемости фосфолипидов и гликолипидов, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов
Ранее в работах Черкасова В.Н. было показано, что присутствие в семенах подсолнечника поливалентных металлов приводит к снижению гидратируемости фосфолипидов из масел в результате образования устойчивых комплексных соединений /82/. Учитывая это, необходимо было изучить гидратируемость фосфолипидов из масел. Кроме этого, наряду с гидратируемостью фосфолипидов, необходимо было изучить и гидратируемость гликолипидов.
На рисунках 3.3 и 3.4 приведены данные, характеризующие гидратируемость фосфолипидов и гидратируемость гликолипидов, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов.
Из приведенных данных видно, что гидратируемость фосфолипидов и гидратируемость гликолипидов, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов, значительно ниже, чем указанные показатели для сорта-контроля.
Этот факт объясняется повышенным содержанием ионов поливалентных металлов, образующих комплексные соединения с фосфолипидами и гликолипидами.
На рисунке 3.5 приведена характеристика ионов поливалентных металлов, содержащихся в маслах, выделенных из семян подсолнечника.
Из приведенных данных видно, что содержание поливалентных металлов в маслах семян подсолнечника современных сортов значительно выше, чем в масле семян сорта-контроля.
Учитывая, что наибольшее содержание поливалентных металлов, а также более низкая гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов отмечены для масел семян современных сортов Мастер и Флагман, в дальнейшем детально исследовали указанные сорта семян подсолнечника.
В таблице 3.2 приведена характеристика ионов металлов, содержащихся в фосфолипидах и гликолипидах, выделенных из масел семян подсолнечника указанных сортов и сорта-контроля.
Из приведенных в таблице 3.2 данных видно, что в фосфолипидах и гликолипидах, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов, содержание ионов поливалентных металлов значительно выше, чем в сорте - контроле.
Специальными опытами установлено, что комплексные соединения с ионами поливалентных металлов образуют из групп фосфолипидов -фосфатидилсерины и фосфатидные кислоты, а из групп гликолипидов -ацилмоногалактозилдиацилглицерины и гликозиды стеринов.
На рисунках 3.6 и 3.7 приведены данные по содержанию указанных негидратируемых фосфолипидов и негидратируемых гликолипидов в маслах, выделенных из семян подсолнечника.
Из приведенных на рисунке 3.6 диаграмм видно, что содержание фосфатидилсеринов и фосфатидных кислот, образующих соединения с ионами поливалентных металлов, в маслах семян подсолнечника современных сортов значительно выше (на 15-17%), чем этот показатель для масел семян подсолнечника сорта-контроля. Следует отметить, что аналогичная закономерность отмечена и для групп гликолипидов, образующих комплексные соединения с ионами «, поливалентных металлов. Полученные данные еще раз подтверждают более низкую гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов, выделенных из масел семян подсолнечника современных сортов, обусловленную наличием большего количества негидратируемых групп фосфолипидов и гликолипидов, связанных с ионами поливалентных металлов в устойчивые комплексные соединения.
Учитывая, что на стойкость к окислению получаемых масел и фосфолипидных концентратов оказывает влияние не только наличие ионов металлов, катализирующих процессы окисления, но и активность липоксигеназы, содержащейся в семенах, определяли активность этого фермента. На рисунке 3.8 приведены в виде диаграмм данные по активности ; липоксигеназы семян подсолнечника современных сортов и сорта - контроля.
Из приведенных данных видно, что активность липоксигеназы для семян подсолнечника современных сортов выше, чем для семян сорта -контроля.
Исследование устойчивости комплексов однозамещенного лимоннокислого натрия с ионами поливалентных металлов
Для оценки гидратируемости фосфолипидов и гликолипидов, полученных из прессовых масел, проводили пробную гидратацию на лабораторной стендовой установке (рисунок 3.13).
Установка работает следующим образом: нерафинированное масло подается в емкость 1, где посредством электронагревателя 2 нагревается до заданной температуры.
Гидратирующий агент (вода) нагревается до температуры гидратации электронагревателем 5 в напорной емкости 4. Масло и гидратирующий агент поступают в электромагнитный активатор (ЭМА) 7, где происходит смешение нерафинированного масла и гидратирующего агента при одновременной магнитной обработке.
Гидратацию проводили в ЭМА, так как работами /155,157,147,158/ было показано, что использование электромагнитной активации позволяет значительно повысить полярность фосфолипидов, особенно их негидратируемых форм.
Расход масла и воды контролировался объемными жидкостными лопастными расходомерами.
Далее смесь поступает в экспозитор 9, где происходит формирование агрегатов фосфолипидной эмульсии, откуда подается на экспериментальный тонкослойный отстойник для разделения фаз.
В работах /148-151/ было показано, что наибольшее влияние магнитного поля на негидратируемые фосфолипиды достигается при индукции 0,25 Тл и скорости его вращения 50 с"1 Учитывая это, указанные параметры были выбраны в качестве рабочих при проведении экспериментов. Масло обрабатывали водой, температура во всех опытах составляла 60 С, а количество воды - 2% к массе масла. Эти режимы были выбраны на основе предварительных опытов. Гидратированные масла высушивали под вакуумом до постоянной массы и анализировали.
На рисунках 3.14 и 3.15 приведены данные, характеризующие гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов.
Из приведенных на рисунках 3.14 и 3.15 данных видно, что использование водного раствора комплексного реагента, состоящего из лимонной кислоты и однозамещенного лимоннокислого натрия, на стадии влаготепловой обработки мятки, позволяет получить не только высококачественные прессовые масла, но и значительно увеличить гидратируемость фосфолипидов и гликолипидов.
В таблицах 3.6 и 3.7 приведены данные, характеризующие физико-химические показатели гидратированных масел и фосфолипидных концентратов.
Как видно из приведенных данных масла, полученные по разработанной технологии, после гидратации имеют более высокие показатели качества и по сравнению с маслами, полученными по традиционной технологии.
Следует отметить, что гидратированные масла, полученные по разработанной технологии, соответствуют требованиям высшего сорта, а по традиционной технологии - 2 сорта.
Из данных, приведенных в таблице 3.7, видно, что фосфолипидные концентраты, выделенные из масла, полученного по разработанной технологии, имеют более высокие показатели качества, чем фосфолипидные концентраты, выделенные из масла, полученного по традиционной технологии.
Анализ данных таблицы 3.7 показывает, что групповой состав фосфолипидов, выделенных из масел, полученных по предлагаемой технологии, заметно изменился по сравнению с групповым составом фосфолипидов, выделенных из масел, полученных по традиционной технологии.
Следует отметить, что массовая доля фосфатидилхолинов и фосфатидилинозитолов практически не изменилась (на 1% каждой группы), несколько возросла доля фосфатидилинозитолов и значительно возросло (в равной степени) содержание фосфатидилсеринов и фосфатидных кислот. Такое изменение группового состава фосфолипидов позволяет судить о степени связанности фосфолипидов указанных групп с ионами металлов.
На рисунках 3.16 и 3.17 приведены данные по стойкости к окислению гидратированных масел и фосфолипидных концентратов.
Следует отметить, что в фосфолипидных концентратах, выделенных из масла, полученного по разработанной технологии, содержание собственно фосфолипидов выше, а содержание продуктов окисления значительно ниже по сравнению с фосфолипидными концентратами, выделенными из масла, полученного по традиционной технологии.
По-видимому, это можно объяснить тем, что ионы металлов переменной валентности, входящие в состав комплексов негидратируемых фосфолипидов, связываются в более устойчивые комплексы с однозамещенным лимоннокислым натрием и лимонной кислотой, в результате чего негидратируемые формы фосфолипидов переходят в гидратируемые.
