Наукова новизна одержаних результатів

- вперше виявлено, що пальмовий олеїн може бути застосований як тестовий жировий субстрат у кінетичних дослідженнях як ферментативної, так і хімічної переетерифікації олій та жирів;

- вперше установлено ефект трансформації стереоспецифічного розподілу ацилів у статистичний в молекулах ацилгліцеринів переетерифікованого жиру на прикладі ферментативної переетерифікації пальмового олеїну;

- вперше знайдено, що активність ферментного препарату «Lipozуmе TLIM» можна оцінювати за різницею температур плавлення переетерифікованого та початкового пальмового олеїну;

- вперше виявлено, що активність ферментного препарату за умови тривалого використання залежить не тільки від вмісту первинних, а й від вторинних продуктів окиснення жирової сировини;

- винайдено зв'язок між температурою плавлення переетерифікованого жиру, температурою ферментативної переетерифікації та кількістю ферментного препарату ;

- винайдено зв'язок між температурою плавлення переетерифікованого жиру та його твердістю зі складом жирової сировинної суміші у вигляді діаграм «склад-властивість», які створюють наукове підґрунтя для складання рецептур різноманітних кондитерських і кулінарних жирів.

Практичне значення одержаних результатів На підставі отриманих в дисертаційній роботі наукових результатів розроблено простий та доступний метод оцінки активності ферментного каталізатора «Lipozуmе TLIM» для практичного використання підприємствами олієжирової галузі. Обґрунтовано і видано рекомендації щодо користування діаграмами «склад-властивість», які дозволяють складати рецептури жирових сумішей в залежності від бажаних величин фізико-механічних властивостей (температура плавлення, твердість згідно з Камінським) переетерифікованих жирів.

Практична цінність одержаних наукових результатів полягає також у розробці та затвердженні нормативних документів (технічних умов) для ВАТ «Вінницький олійножировий комбінат» на продукти, що містять переетерифіковані жири:

ТУ У 15.4 - 00373758 - 015 - 2003 «Жири переетерифіковані дезодоровані серії «Віолія»;

ТУ У 15.4 - 00373758 - 013 - 2003 «Жир кулінарний «Віолія - молжир 3»;

ТУ У 15.4 - 00373758 - 022:2006 «Жири кондитерські «Шортенінги» серії «Віолія»;

Практична цінність одержаних результатів роботи зумовлена також впровадженням їх у навчальний процес під час викладання спеціальних дисциплін «Науково-практичні основи технології жирів», «Технологія галузі», «Технологія переробки жирів», науково-дослідній роботі студентів, курсовому та дипломному проектуванні за спеціальністю 7.091705 на кафедрі технології жирів НТУ «ХПІ».

Особистий внесок здобувача Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи, що винесено на захист, одержані автором особисто. Серед них: планування і проведення експерименту щодо кінетичних досліджень ферментативної переетерифікації пальмового олеїну і модельних жирових сумішей у присутності «Lipozуmе TLIM» та виявлення ефективних параметрів процесу. Виконано узагальнення експериментального матеріалу, розроблено рецептури кондитерських і кулінарних жирів та нормативну документацію на нові види жирової продукції, впроваджено їх у виробництво.

Постановку мети і задачі досліджень, математичну обробку результатів роботи та формулювання висновків виконано разом із науковим керівником.

Апробація результатів дисертації Основні положення та результати дисертації доповідались, обговорювались та одержали позитивну оцінку на конференціях: 1 - ій, 2 - ій та 4 - ій Міжнародних конференціях “Масложировая промышленность Украины: состояние, перспективы, технологии (м. Київ, 2002, 2003, 2005 рр.), Міжнародних конференціях: «Масла и сыри» (Росія, м.Москва, 2005 р.), “Масложировая индустрия» (Росія, м. Санкт - Петербург, 2006 р.).

У повному обсязі результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на засіданні кафедри технології жирів Національного технічного інституту «Харківський політехнічний інститут» (2008 р.).

Публікації За результатами дисертаційної роботи опубліковано 4 наукові праці, серед них - 3 статті у фахових виданнях ВАК України.

Структура і обсяг дисертації Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та 3 додатків. Повний обсяг дисертації 124 сторінок; з них 21 ілюстрація по тексту; 4 ілюстрації на 2 сторінках; 11 таблиць по тексту; 3 додатки на 8 сторінках; список використаних джерел із 120 найменувань на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну значущість роботи.

У першому розділі «Огляд літератури і вибір напрямків досліджень» наведено аналітичний огляд науково-технічної інформації закордонних та вітчизняних авторів щодо сучасних методів модифікації харчових жирів: каталітичної гідрогенізації та гідропереетерифікації, хімічної, ферментативної переетерифікації та фракціонування олій та жирів. Зосереджено увагу на аналізі сучасного стану ензимних технологій в Україні, зокрема особливості використання ферментного препарату «Lipozуmе TLIM». На основі аналізу літературних джерел сформульовано мету та задачі досліджень.

У другому розділі «Методи дослідження жирових субстратів» наведено перелік речовин, що використовувалися у роботі, методи дослідження сировинних жирових компонентів та одержаних переетерифікованих жирів.

Температуру плавлення початкової жирової сировини та переетерифікованих жирів визначали згідно з ДСТУ 4463:2005 та ДСТУ ISO 6321 - 2003; твердість згідно з Камінським за ДСТУ 4335:2004 та ДСТУ 4463:2005 кислотне число згідно з ДСТУ 4350:2004 (ISO 660:1996 NEQ); пероксидне число згідно з ГОСТ 26593-85 та ДСТУ ISO 3960 - 2001, анізідінове число згідно з ДСТУ ISO 6885 - 2002. Жирнокислотний склад жирів визначали згідно з ДСТУ ISO 5509 - 2002 та ДСТУ ISO 5508 - 2001, вміст твердого жиру згідно з ДСТУ ISO 8292. Для обробки експериментальних даних та планування експериментів застосовували математичні методи з використанням програмних пакетів MatLab і Microsoft Excel.

У третьому розділі «Вибір тестового жирового субстрату для кінетичних та технологічних досліджень ферментативної переетерифікації олій та жирів» наводяться результати серії експериментів щодо ферментативної переетерифікації суттєво різних за жирнокислотним складом жирів у присутності ферментного препарату «Lipozуmе TLIM». В цих експериментах як сировинні компоненти (жирові субстрати) використовували пальмоядрову олію, пальмовий олеїн та саломас марки М4 (ВАТ «Вінницький олійножировий комбінат). В табл.1 наведено жирнокислотний склад зазначених жирів.

Очевидно, що пальмоядрова олія - типовий представник лауринових жирів (48% С_12:0), пальмовий олеїн містить значну кількість пальмітинової кислоти (40,02%), а саломас М4 відрізняється підвищеним вмістом ненасичених жирних кислот (переважно олеїнової) та близько 30% транс-ізомерізованих жирних кислот. Переетерифікацію жирів у присутності ферментного препарату «Lipozуmе TLIM» чинили у лабораторній установці за наступних умов: температура - 70⁰С, кількість каталізатору - 10% від маси жиру, тривалість реакції - 5 годин, постійне перемішування, атмосфера азоту. Такі умови реакції ферментативної переетерифікації є стандартними для ферментного препарату «Lipozуmе TLIM».

Таблиця 1. Жирнокислотний склад жирових субстратів

Під час аналізу продуктів реакції виявилось, що фізико-механічні показники їх (температура плавлення та твердість згідно з Камінським) для пальмоядрової олії та саломасу М4 суттєво не змінюються (табл.2).

Таблиця 2. Фізико-механічні характеристики жирів

Тільки для пальмового олеїну знайдено значне підвищення (більш, ніж на 12⁰С) температури плавлення після проведеної переетерифікації. Для перевірки одержаного результату була поставлена серія експериментів, в якій ферментативній переетерифікації піддавались зразки пальмового олеїну з початковою температурою плавлення від 17,6 до 23,1⁰С. Виявилось, що і в цьому випадку різниця температур плавлення між початковим і переетерифікованим пальмовим олеїном була значною і складала в різних експериментах від 12,5 до 14,5⁰С.

На підставі одержаних результатів пальмовий олеїн було вибрано як тестовий жировий субстрат для кінетичних досліджень ферментативної переетерифікації олій та жирів.

Четвертий розділ «Дослідження кінетичних та технологічних особливостей ферментативної переетерифікації тестового жирового субстрату» присвячено виявленню закономірностей ферментативної переетерифікації пальмового олеїну, визначенню впливу ступеню його окиснення на хід реакції переетерифікації та розробці простого та доступного метода оцінки активності ферментного каталізатора.

Кінетика ферментативної переетерифікації вивчалась за наведених вище умов у серії експериментів (всього 3) з пальмовим олеїном, який мав такі початкові показники: температура плавлення - 22,2 ⁰С, кислотне число - 0,1 мг КОН/г, пероксидне число - 1,8 Ѕ О ммоль/кг. Отримана кінетична залежність t_пл = f (ф) має ступеневий характер.

Такий незвичайний характер кривої можна пояснити тим, що на першому етапі здійснюється стереоспецифічна ферментативна реакція обміну ацилів жирних кислот у положеннях 1,3 відповідних ацилгліцеринів. Далі, можна припустити, що у стані активованого комплексу (1,2 або 2,3) діацилгліцерини трансформується у 1,3 діацилгліцерини, реакція завершується приєднанням ацилу жирної кислоти у положенні 2, що спричиняє статистичний розподіл ацилів жирних кислот у молекулах ацилгліцеролів переетерифікованого жиру. Таке припущення підтверджується збігом температур плавлення хімічно переетерифікованого пальмового олеїну (t_пл.=35,1⁰С) та продукту ферментативної переетерифікації (t_пл.=35,2⁰С). До речі, обидва продукти мали практичне однакове значення величини твердості згідно з Камінським (58 і 60 г/см відповідно).

Інше пояснення неспецифічного розподілу ацилів жирних кислот у молекулах ацилгліцеринів в умовах тривалої ферментативної переетерифікації можна пов'язати з тим що «Lipozyme TLIM» як товарний продукт може містити невеликі кількості інших ферментів, які здатні спрямовувати реакцію переетерифікації у положення 2.

Ступеневий характер кінетичної кривої можна було б пояснити ступеневим збільшенням температура плавлення суміші ацилгліцеролів при монотонному збільшені кількості твердих ацилгліцеролів у сміші. Для перевірки такої можливості було здійснено вимірювання температури плавлення суміші пальмового олеїну і пальмового стеарину при монотонному зростанні долі пальмового стеарину.

Крива збільшення температури плавлення суміші не відтворює характер попередньої кривої, а є кривою з насичення. Таким чином, згадане вище пояснення не відповідає дійсності і найвірогіднішим поясненням незвичайного вигляду попередньої кривої є те, що ферментний препарат «Lipozyme TLIM» не є чистим і може каталізувати не тільки стереоспецифічну, а ще й статистичну реакцію переетерифікації.

Використання ферментних препаратів для процесу переетерифікації передбачає деяке обмеження початкових показників жирової сировини і, перш за все, ступеню їх окиснення. За рекомендаціями фірми “Novozymes” величина пероксидного числа початкових жирів не повинна перевищувати 2 - 2,5 Ѕ О ммоль/кг. Оскільки в реальному виробництві доводиться переробляти більш окиснені жирові субстрати, потрібно вияснити, чи змінюється при цьому хід реакції переетерифікації та температура плавлення переетерифікованого жиру.

Переетерифікації у присутності свіжого «Lipozyme TLIM» піддавались виробничій зразок пальмового олеїну з ПерЧ=1,8 Ѕ О ммоль/кг, окиснений у м'яких умовах до величини ПерЧ = 9,4 Ѕ О ммоль/кг, та модельна суміш їх (1:1) з ПерЧ=4,0 Ѕ О ммоль/кг.

Очевидно, що початкова величина пероксидного числа пальмового олеїну не впливає ні на характер залежностей, ні на досягнутий результат Температура плавлення переетерифікованого пальмового олеїну складає відповідно: 35,0 34,75 і 35,25⁰С. Тобто реакція ферментативної переетерифікації і в даному випадку підпорядковується раніше виявленим закономірностям. Цей результат підтверджено при використанні відпрацьованого (10 циклів) ферментного препарату.

Для обґрунтування практичних рекомендацій промисловості потрібно з'ясувати вплив ступеню окиснення пальмового олеїну на активність ферментативного каталізатора за умови його більш тривалого, ніж 10 циклів використання.

Для максимального наближення лабораторних умов до промислових експеримент чинили у проточному реакторі безперервної дії, в який поміщали свіжий ферментний препарат «Lipozyme TLIM» за темпертури 69 - 70 ⁰С. В лабораторному експерименті використовувались два зразки пальмового олеїну з наступними показниками: зразок 2 з ПерЧ = 8,7 Ѕ О ммоль/кг, АЧ = 2,3 б.о. та зразок 3 з початковим ПерЧ=17 Ѕ О ммоль/кг, АЧ = 9,7 б.о., оброблений адсорбентом F - 160 до ПерЧ=1,4 Ѕ О ммоль/кг.

У відповідності з практикою використання ферментативної переетерифікації на Вінницькому олійножировому комбінаті процес починають зі швидкості подачі жирів 2,5 кг/кг·год і закінчують при значенні її 0,75 кг/кг год. На рис. 4 показано, як змінюється продуктивність ферментного препарату в залежності від ступеню окиснення початкової сировини в реальних і лабораторних умовах.

На рис.1 зразок контроль - гіпотетична пряма (гарантія фірми «NOVOZYMES»), яка означає, що максимальна продуктивність ферменту складає 5000 кг переетерифікованого жиру на 1 кг каталізатору (Пер Ч менш за 4,0 Ѕ О ммоль/кг). В умовах реального виробництва (зразок 1, Пер Ч менш за 4,0 Ѕ О ммоль/кг) цей показник складає 4000 кг/кг, в лабораторних умовах - 4600 кг/кг (зразок 2, ПерЧ = 8,7 Ѕ О ммоль/кг, АЧ = 2,3 б.о.) та 3500 кг/кг (зразок 3, АЧ = 9,7 б.о., ПерЧ=1,4 Ѕ О ммоль/кг,).

Рис.1 - Залежність продуктивності ферментного препарату від ступеню окиснення початкової жирової сировини.

Таким чином, виявилось, що під час тривалого використання ферментного каталізатора ступінь окиснення початкових жирів впливає на активність ферменту. Більш того, активність ферментного каталізатора знижується не тільки при збільшенні пероксидного, але й анізідінового чисел. Тому для підвищення продуктивності ферменту жирову сировину слід ретельно очищувати не тільки від первинних, але й вторинних продуктів окиснення.

Підставою для розробки простого та доступного метода оцінки активності ферментного каталізатору була виявлена у кінетичних дослідженнях значна різниця між температурами плавлення початкового та переетерифікованого пальмового олеїну. Для кількісної оцінки залежності температури плавлення переетерифікованого пальмового олеїну від активності ферментативного препарату «Lipozyme TLIM» проведено серії експериментів ферментативної переетерифікації у присутності свіжого, повністю відпрацьованого та сумішевого (свіжий:відпрацьований) каталізатору. Результати експериментів наведено у табл.3.

Результати, наведені в табл.3 свідчать про те, що температура плавлення переетерифікованого пальмового олеїну змінюється пропорційно активності ферменту. Таким чином, якщо активність свіжого каталізатору прийняти за 100%, а повністю відпрацьованого вважати нульовою, то можна оцінювати активність ферментного каталізатора, порівнюючи фактичний приріст температури плавлення переетерифікованого пальмового олеїну з максимально можливим, який досягається з цим зразком при використанні свіжого каталізатора.

В п'ятому розділі „Дослідження процесу ферментативної переетерифікації жирових сумішей” викладено результати експериментів щодо кінетики ферментативної переетерифікації двохкомпонентних модельних жирових сумішей та пошуку ефективних параметрів цього процесу.

Таблиця 3. Залежність температури плавлення переетерифікованого пальмового олеїну від активності ферментативного препарату «Lipozyme TLIM»

Закономірності процесу ферментної переетерифікації пальмового олеїну як тестової речовини, зокрема, виявлений ефект трансформації стереоспецифічного у статистичний розподіл ацилів жирних кислот у молекулах триацилгліцеролів переетерифікованого жиру доцільно було перевірити на суміші жирів, які зазвичай використовують у виробництві. Для цього в лабораторних умовах було виконано порівняльний аналіз хімічної та ферментативної переетерифікації двохкомпонентних модельних жирових сумішей різного складу. Якість початкових жирових сумішей та переетерифікованих жирів оцінювали за основними фізико-механічними показниками - температурою плавлення і твердістю згідно з Камінським. Результати експериментів зведено у табл. 4.

Таблиця 4. Фізико-механічні показники початкових жирових сумішей і переетерифікованих жирів

Вони свідчать про те, що фізико-механічні показники переетерифікованих жирових сумішей як в результаті ферментної так і в результаті хімічної переетерифікації практично однакові, тобто за умови досягнення рівноваги ферментативної переетерифікації її стереоспецифічність втрачається і склад переетерифікованого жиру в обох випадках підкоряється статистичному закону розподілу.

Подальші дослідження були спрямовані на розробку математичної моделі, яка б відтворювала вплив температури реакції (х₁, ⁰С) та кількості ферментного препарату «Lipozyme TLIM» (х₂, % від маси жирової суміші) на ефективність процесу ферментативної переетерифікації. Функцією відгуку (у, ⁰С) вибрано різницю між значеннями температури плавлення початкової жирової суміші та продукту ферментативної переетерифікації. Як об'єкти моделювання, вибрано жирову суміш пальмового стеарину та рафінованої дезодорованої соняшникової олії “Олейна” (співвідношення компонентів (1:1)), яку піддавали ферментативній переетерифікації протягом трьох годин.

Для скорочення кількості дослідів та розробки математичної моделі застосовано метод рототабельного композиційного планування. На підставі відповідних розрахунків знайдено значення функції відгуку та одержано рівняння регресії. У кодових змінних воно має вигляд:

У = 8,9 + 1,7 Х₁ - 0,675 Х₁ Х₂ - 1,25 Х₂² (1)

Розрахункове значення критерію Фішера F_розрах=14,74, табличне значення F_табл=19,25. Оскільки F_розр < F_табл , рівняння (1) адекватно описує поверхню відгуку. У фізичних змінних рівняння регресії набуває такого вигляду:

у = - 35,87 + 0,6·х₁ - 0,027·х₁·х₂ + 2,76 х₂ - 0,05·х₂² (2)

Отже, встановлена кількісна залежність (у вигляді регресійної моделі) ефективності процесу ферментативної переетерифікації від температури реакції та кількості ферментного препарату «Lipozyme TLIM» та розраховано оптимальні параметри процесу: температури реакції - 70 ⁰С, кількості ферменту - 5%.

Шостий розділ «Розробка жирових рецептур для маргаринової продукції» присвячено створенню рецептур кондитерських і кулінарних жирів за допомогою методів математичного моделювання. За пропозицією Вінницького олійножирового комбінату сировинними компонентами для створення жирових рецептур було вибрано пальмовий олеїн (ПО), пальмоядрова олія (ПЯ) та саломас М3 (СМ). Для одержання кондитерських жирів різноманітного призначення на підставі виробничого досвіду складено жирові суміші та поставлено дві серії експериментів щодо ферментативної переетерифікації тривалістю 1,2 год. та 5 год. В табл. 6 наведено фізико-механічні показники початкових сумішей та переетерифікованих жирів.

За експериментальними даними були складені рівняння регресії, в яких температура плавлення або твердість згідно з Камінським переетерифікованих продуктів залежить від складу початкових жирових сумішей. Одержані рівняння регресії мали вигляд:

- для температури плавлення, після переетерифікації протягом 5 годин:

Y = 24,2x₁ + 37,7x₂ + 29,3x₃ - 24,2x₁x₂ - 9,4x₁x₃ - 0,4x₂x₃ + 2,1x₁x₂x₃ (3)

- для твердості після переетерифікації протягом 5 годин:

Y = 368x1 + 55x2 + 110x3 -438x1x2 -384x1x3 + 26x2x3 - 168x1x2x3 (4)

Таблиця 6. Фізико-механічні показники жирових сумішей і переетерифікованих жирів

Далі за допомогою одержаних рівнянь розраховувались величини температур плавлення та твердості згідно з Камінським у багатьох точках факторного простору і за допомогою спеціальної програми на ПЕОМ були побудовані трикутні діаграми «СКЛАД - ВЛАСТИВІСТЬ». Ці діаграми наведено на рис. 6 та 7.

Для практичного користування діаграмами доцільно накласти діаграму залежності температури плавлення переетерифікованого жиру від складу початкової жирової суміші на діаграму залежності твердості згідно з Камінським переетерифікованого жиру від складу початкової жирової суміші. Перетин ліній залежності, що відповідає бажаній температурі плавлення з необхідною твердістю продукту дає точку на діаграмі, за якою визначають склад сировинних компонентів початкової суміш, тобто складають рецептури конкретного виду маргаринової продукції(кондитерських і кулінарних жирів та жирів різноманітного призначення).

Таким чином, було встановлено, що шляхом суміщення трикутних діаграм «СКЛАД -ВЛАСТИВІСТЬ» можна складати жирові рецептури для одержання різноманітної маргаринової продукції з заданими фізико-механічними показниками.

ВИСНОВКИ