PRZEESTRYFIKOWANIE JAKO METODA MODYFIKACJI WŁAŚCIWOŚCI LIPIDÓW

(1)

ELIZA G R U C ZY Ń SK A , K A TA R ZY N A M A C IA SZEK

PRZEESTRYFIKOWANIE JAKO METODA MODYFIKACJI WŁAŚCIWOŚCI LIPIDÓW

S t r e s z c z e n i e

M ieszaninę oleju rzepakow ego i łoju w ołowego (1:1) przeestryfikow ano w obecności biokatalizato- rów - Lipozym e IM i N ovozym 435 oraz katalizatora chemicznego - m etanolanu sodu. Porów nywano właściwości fizykochem iczne otrzym anych produktów. Przeestryfikow anie spowodowało w zrost zaw ar

tości składników polarnych i liczby kwasowej oraz obniżenie tem peratury mięknięcia i zaw artości fazy stałej. N ajw iększą zaw artością frakcji polarnej charakteryzow ał się produkt przeestryfikow ania chem icz

nego. W artości liczb kw asowych w szystkich produktów reakcji były podobne. N ajniższą tem peraturę mięknięcia m iał produkt przeestryfikow ania chemicznego i produkt reakcji katalizowanej preparatem N ovozym 435. N ajlepsze w łaściwości fizykochemiczne miał produkt przeestryfikow ania w obecności N ovozym 435.

Wstęp

Przeestryfikow anie, obok uw odornienia i frakcjonow ania, je st je d n ą z m etod m o

dyfikacji struktury i w łaściw ości tłuszczów . Reakcja ta zachodzi w obecności katali

zatorów chem icznych lub biologicznych. W w yniku przeestryfikow ania zm ienia się struktura triacylogliceroli, nie w ystępują natom iast zm iany w budow ie kw asów tłusz

czow ych, ja k to m a m iejsce w procesie uw odornienia. Przeestryfikow anie różnych naturalnych i m odyfikow anych tłuszczów m oże być sposobem otrzym ania tłuszczów , bez izom erów trans, w ykorzystyw anych do kom ponow ania osnów m argarynow ych lub użytkow anych jak o tłuszcze sm ażalnicze [9, 10]. Proces ten stw arza m ożliw ości u zy skania tłuszczów o program ow anych w łaściw ościach fizykochem icznych, tzn. o po żą

danej tem peraturze topnienia i zaw artości fazy stałej [5].

Mgr inż. E. Gruczyńska, mgr inż. K. Maciaszek, Katedra Chemii, Wydział Technologii Żywności, SGGW, ul. Rakowiecka 26/30 02-528 Warszawa.

(2)

32 Eliza Gruczyńska, K atarzyna M aciaszek

C elem pracy było zbadanie w pływ u reakcji chem icznego i enzym atycznego przeestryfikow ania na w łaściw ości fizykochem iczne m ieszaniny łoju w ołow ego i oleju rzepakow ego.

Materiał i metody badań

M ateriał do badań stanow iły niskoerukow y olej rzepakow y (Zakłady Tłuszczow e

„K ruszw ica” S.A.) oraz łój w ołow y (M asarnia „R atyński i synow ie” s.c.) zm ieszane w stosunku w agow ym 1:1.

W procesie przeestryfikow ania stosow ano trzy rodzaje katalizatorów :

• im m obilizow ana lipaza z M ucor miehei o nazw ie handlowej Lipozym e IM (Novo N ordisk, D ania), specyficzna w stosunku do w iązań estrow ych w pozycji sn-1,3 triacyloglicerołi; zaw artość w ody w enzym ie w ynosiła 3%,

• im m obilizow ana lipaza z Candida antarctica o nazw ie handlow ej N o v o zy m 4 3 5 (N ovo N ordisk, D ania), niespecyficzna w zględem w iązań estrow ych w triacylogli- cerolach; zaw artość w ody w enzym ie w ynosiła ²%,

• m etanolan sodu (M erck, Niem cy).

Przeestryfikow anie chem iczne

Substráty reakcji osuszano pod zm niejszonym ciśnieniem i dodaw ano sproszko

w any m etanolan sodu w ilości 1%, w przeliczeniu n a m asę m ieszaniny tłuszczow ej.

Czas trw ania reakcji w ynosił 1,5 godziny, a tem peratura procesu 90°C. R eakcję prze

ryw ano przez dodanie gorącej w ody zakwaszonej kw asem ortofosforow ym w celu rozłożenia katalizatora. P rzeestryfikow aną m ieszaninę tłuszczow ą poddano ekstrakcji eterem dietylow ym . O trzym any produkt suszono bezw odnym siarczanem m agnezu, a następnie oddestylow ano rozpuszczalnik.

Przeestryfikow anie enzym atyczne

Substráty reakcji osuszano pod zm niejszonym ciśnieniem i dodaw ano enzym w ilości ⁸% w stosunku do m ieszaniny tłuszczow ej. R eakcja katalizow ana preparatem Lipozym e IM trw ała ⁸ godzin, a tem peratura procesu w ynosiła 60°C. Czas reakcji k a

talizow anej preparatem N ovozym 435 w ynosił 4 godziny, a tem peratura procesu 80°C.

Proces przeryw ano przez odsączenie enzym u od przeestryfikow anego tłuszczu. Po zbadaniu w pływ u tem peratury, czasu reakcji i stopnia uw odnienia katalizatora przed

staw ione wyżej w arunki w ykonyw ania reakcji uznano za optym alne.

Izolacja czystych triacyloglicerołi metodą chromatografii kolumnowej

O ddzielenie triacyloglicerołi od niepełnych acylogliceroli i w olnych kw asów tłuszczow ych w ykonyw ano za pom o cą chrom atografii kolum now ej zgodnie z A O A C 1990 (m etoda n r 982.27). K olum nę chrom atograficzną w ypełniano żelem krzem ion

(3)

kow ym (silica gel 60, 7 0 -2 3 0 m esh, M erck) i nanoszono produkty przeestryfikow ania.

Triacyloglicerole eluow ano z kolum ny za pom o cą m ieszaniny eteru naftow ego i dietylow ego (87:13), natom iast niepełne acyloglicerole i w olne kw asy tłuszczow e za pom ocą eteru dietylow ego.

W m ieszaninie fizycznej oraz w produktach jej przeestryfikow ania oznaczano:

liczbę kw asow ą, zaw artość składników polarnych, tem peraturę m ięknięcia oraz za

w artość fazy stałej w funkcji tem peratury.

Oznaczanie liczby kwasowej

Liczbę kw asow ą oznaczano m etodą m iareczkow ą w g PN -60/A -86921.

Oznaczanie zawartości składników polarnych

Z aw artość składników polarnych oznaczano m etodą chrom atografii kolum nowej w g A O A C 1990 (m etoda nr 982.27). N a kolum nę chrom atograficzną w ypełnioną że

lem krzem ionkow ym (silica gel 60, 7 0 -2 3 0 m esh) nanoszono produkty przeestryfiko

wania. Składniki polarne w ym yw ano z kolum ny za pom ocą eteru dietylow ego.

Oznaczanie temperatury mięknięcia

T em peraturę m ięknięcia oznaczano we frakcji triacyloglicerolow ej m etodą kapila- ry otwartej wg PN -60/A -86919.

Oznaczanie zawartości fa zy stałej

Z aw artość fazy stałej w funkcji tem peratury we frakcji triacyloglicerolow ej bada

no m etodą pulsacyjnego m agnetycznego rezonansu jądrow ego stosując aparat NM S 100 M inispec firm y Brucker. O znaczenie to w ykonano w laboratorium Zakładów Przem ysłu T łuszczow ego w W arszawie.

Wyniki i dyskusja

W procesie przeestryfikow ania zachodzą dwie przeciw staw ne reakcje: hydroliza i estryfikacja [5, 9],

A nalizując w artości liczb kw asow ych otrzym anych produktów przeestryfikow a

nia (tab. ¹) stw ierdzono, że produkt otrzym any przy użyciu katalizatora niespecyficz

nego pozycyjnie - N ovozym 435 m a najm niejszą liczbę kw asow ą w ynoszącą 5,5 mg KOH/g. W yższym i w artościam i liczb kw asow ych charakteryzują się: produkt prze

estryfikow ania chem icznego - 6,5 mg K O H /g i produkt otrzym any przy użyciu katali

zatora specyficznego pozycyjnie - Lipozym e IM, w ynoszącą 6,4 m g KOH/g.

Proces hydrolizy pow oduje, że w uzyskanych produktach obok triacylogliceroli znajdują się rów nież pew ne ilości składników polarnych, czyli w olnych kw asów tłusz

czow ych, diacylogliceroli i m onoacylogliceroli [11], Porów nując udziały procentow e

(4)

34 Eliza Gruczyńska, Katarzyna Maciaszek frakcji polarnej w produktach przeestryfikow ania (tab. 2) stw ierdzono, że najw iększą zaw artością składników polarnych, w ynoszącą 14,7% charakteryzuje się produkt prze

estryfikow ania chem icznego. Praw dopodobnie jest to spow odow ane zastosow aniem dużej ilości m etanolanu sodu. Poziom dozow ania tego katalizatora stosow any przez w ielu autorów m ieści się w przedziale 0,2 -1 % [3, 7, 14, 15]. W pierw szym etapie re

akcji form uje się aktyw na postać katalizatora (diacyloglicerynian sodu) oraz pow stają estry m etylow e kw asów tłuszczow ych [13]. Poprzez przerw anie reakcji w od ą nastę

puje rozkład katalizatora i tw orzą się diąćyloglicerole oraz w odorotlenek sodu.

T a b e l a ¹

Porównanie wartości liczby kwasowej w mieszaninie wyjściowej i produktach przeestryfikowania.

The com parision o f acid value in the initial mixture and interesterification products.

Rodzaj mieszaniny Liczba kwasowa (Acid value)

(The kind o f mixture) mg KOH/g

Łój 0,9

(Tallow) Olej

(Oil) 0,1

M ieszanina fizyczna

(Initial mixture) 0,5

Produkt przeestryfikow ania enzymatycznego (Lipozyme)

(The product o f enzym atic interesterification) 6,4

Produkt przeestryfikow ania enzymatycznego (Novozym)

Produkt przeestryfikow ania chemicznego

The product o f chemical interesterification) 6,5

N ajm niej składników polarnych zaw iera produkt reakcji katalizow anej prepara

tem N ovozym 435 (2,0% ). N ieco w iększą zaw artością frakcji nietriacyloglicerolow ej charakteryzuje się produkt przeestryfikow ania w obecności enzym u specyficznego (4,1%). W przypadku przeestryfikow ania enzym atycznego zaw artość składników po larnych je st ściśle zw iązana z zaw artością w ody w początkow ym układzie reakcyjnym [1, 2, 11, 12]. W yższa zaw artość frakcji polarnej w produkcie reakcji katalizow anej preparatem Lipozym e IM m oże być spow odow ana w iększym stopniem uw odnienia katalizatora. Zw iązane je st to z w iększą hydrolizą w iązań estrow ych [⁶, ⁸].

Jednym z param etrów określających przydatność użytkow ą tłuszczów je st ich konsystencja. N ajbardziej rozpow szechnionym w skaźnikiem konsystencji je s t tem pe

ratura m ięknięcia tłuszczu [4], W e frakcjach triacyloglicerolow ych w yizolow anych z m ieszanin poreakcyjnych zaobserw ow ano obniżenie tem peratury m ięknięcia w po

rów naniu z m ieszaniną w yjściow ą (tab. 3). N ajw iększe obniżenie tem peratury m ięk

(5)

nięcia w idoczne je s t dla produktu przeestryfikow ania chem icznego (spadek o 10°C).

Podobnie w ygląda produkt przeestryfikow ania enzym atycznego w obecności biokata- lizatora niespecyficznego. N ajm niejsze obniżenie tem peratury m iąkniącia (spadek o 5°C) obserw ujem y w przypadku frakcji triacyloglicerolow ej w yizolow anej z pro

duktu przeestryfikow ania preparatem enzym u pozycyjnie specyficznego.

Ta b e 1 a 2

Zawartość frakcji polarnej w m ieszaninie wyjściowej i produktach przeestryfikowania.

Percentage o f polar fraction in the initial mixture and interesterification products.

Rodzaj mieszaniny (The kind o f mixture)

Frakcja polarna (Polar fraction)

% Łój

(Tallow) 2,5

Olej

(Oil) 0,6

Produkt przeestryfikow ania enzym atycznego (Lipozyme)

Produkt przeestryfikow ania enzym atycznego (Novozym)

(The product o f chemical interesterification) 14,7

T a b e l a 3

Tem peratura m ięknięcia m ieszaniny wyjściowej i triacyloglicerołi w yizolow anych z produktów reakcji.

M elting point o f initial m ixture and triacylglycerols isolated from reaction products.

Rodzaj mieszaniny (The kind o f mixture)

Temp, m ięknięcia (M elting point)

°C Łój

(Tallow) 37,3

Produkt przeestryfikow ania enzymatycznego (Lipozyme)

Produkt przeestryfikow ania enzymatycznego (Novozym)

(The product o f chem ical interesterification) 19,3

(6)

36 Eliza Gruczyńska, Katarzyna Maciaszek Przeestryfikow anie w pływ a rów nież na zaw artość fazy stałej we frakcji niepolar- nej w yizolow anej z m ieszaniny poreakcyjnej. A nalizując te zm iany w zakresie tem pe

ratur od 5 do 50°C (rys. 1) stw ierdzono obniżenie zaw artości fazy stałej w e w szystkich produktach przeestryfikow ania w porów naniu z m ieszaniną w yjściow ą. W zakresie tem peratur 5 - 20°C najw iększe obniżenie zaw artości fazy stałej, około 10%, obserw u

jem y, w produkcie przeestryfikow ania w obecności preparatu N ovozym 435. W prze

dziale tem peratur od 20 do 50°C profile zaw artości fazy stałej w szystkich produktów reakcji przeestryfikow ania m ają podobny przebieg. Spadek zaw artości fazy stałej praw dopodobnie je st spow odow any zm niejszeniem stosunku wyżej topliw ych triacylogliceroli do pozostałych w przeestryfikow anych m ieszaninach.

Rys. 1. Zawartość fazy stałej w m ieszaninie wyjściowej i frakcji triacyloglicerolow ej wyizolowanej z produktów reakcji.

Fig. 1. Solid fat content in the initial mixture and triacylglycerols isolated from reaction products.

(7)

Podsumowanie

Podsum ow ując m ożna stw ierdzić, że zastosow anie różnych katalizatorów procesu przeestryfikow ania pozw ala uzyskać różne produkty końcow e. Przeestryfikow anie spow odow ało w zrost zaw artości składników polarnych i liczby kw asow ej. N ajw iększą zaw artością frakcji polarnej charakteryzow ał się produkt przeestryfikow ania chem icz

nego. W produktach reakcji zachodzącej w obecności biokatalizatorów udział procen

tow y frakcji polarnej je st znacznie m niejszy. Zaw artość w olnych kw asów tłuszczo

w ych w e w szystkich otrzym anych produktach była porów nyw alna. W e frakcji triacy

loglicerolow ej produktów przeestryfikow ania zaobserw ow ano obniżenie tem peratury m ięknięcia oraz zaw artości fazy stałej. N ajw iększe obniżenie tem peratury m ięknięcia w stosunku do m ieszaniny wyjściow ej w ykazyw ał tłuszcz przeestryfikow any chem icz

nie oraz produkt reakcji katalizow anej enzym em niespecyficznym . M ożna stw ierdzić, że najlepszym i w łaściw ościam i fizykochem icznym i charakteryzow ał się tłuszcz uzy

skany w w yniku reakcji zachodzącej w obecności katalizatora niespecyficznego.

LITERATURA

[1] Foglia T.A., Petruso K., Feairheller S.H.: Enzymatic interesterification o f tallow -sunflow er oil mixtures. JAOCS, 70, 1993, 281.

[2] Forssell p., K ervinen R., Lappi M., Liko P., Suortti T., Poutanen K.: Effect o f enzym atic interesteri

fication on the m elting point o f tallow -rapeseed oil (LEAR) mixture. JAOCS, 69, 1992, 126.

[3] G avriilidou V ., B oskou D.: Chemical interesterification o f olive oil-tristearin blends for margarines.

International Journal o fF o o d Science and Technology, 26, 1991, 451.

[4] Jakubowski A.: Przeestryfikowanie jako metoda modyfikacji konsystencji tłuszczów. Tłuszcze Ja

dalne, 28, 1990,21.

[5] Ledóchowska E.: Zastosowanie enzymatycznego przeestryfikow ania do m odyfikacji tłuszczów.

Tłuszcze Jadalne, 30, 1995, 43.

[6] Ledóchowska E., D atta I.: O ptim ization o f enzymatic interesterification o f fats to increase the con

tent o f triacylglycerols in the reaction product. Pol. J. Food Nutr. Sci., 7/48, 1998, 683.

[7] Lo Y .C., Handel A.P.: Physical and chemical properties o f random ly interesterified blends o f soy

bean oil and tallow for use as margarine oils. JAOCS, 60, 1983, 815.

[8] M acKenzie A .D., Stevenson D.E.: M odification o f the nutritional properties o f fats using lipase catalysed directed interesterification. Biotechnology Letters, 17, 1995, 383.

[9] M arangoni A .G., Rousseau D.: Engineering triacylglycerols: The role o f interesterification. Trends in Food Science and Technology, 6, 1995, 329.

[10] M oham ed H.M .A., Bloom er S., Hammadi K.: M odification o f fats by lipase interesterification I:

Changes in glyceride structure. Fat Sci. Technol., 11, 1993, 428.

[11] Q uinlan P., M oore S.: M odification o f triglycerides by lipases: process technology and its application to the production o f nutritionally im proved fats. Inform, 4, 1993, 580.

(8)

38 Eliza Gruczyńska, Katarzyna M aciaszek [12] Rousseau D., M arangoni A.G.: Tailoring the textural attributes o f butter fat / canola oil blends via

Rhizopus lipase-catalyzed interesterification. 1. Compositional modifications. J. Agric. Food Chem.

46, 1998,2368.

[13] Rozendaal A.: Interesterification o f oil and fats. Inform, 3, 1992, 1232.

[14] Schmidt S., H urtova S., Zem anovic J., Sekretár S., Simon P., Ainsworth P.: Preparation o f modified fats from vegetable oil and fully hydrogenated vegetable oil by random ization w ith alkali catalysts.

Food Chemistry, 55, 1996, 343.

[15] Sreenivasan B.: Interesterification o f fats. JAOCS, 55, 1978, 796.

INTERESTERIFICATION AS A METHOD OF MODIFICATION OF PROPERTIES OF LIPID

S u m m a r y

A mixture o f low erucic acid rapeseed oil and b eef tallow (1:1) has been used for interesterification in the presence o f two biocatalysts - Lipozym e IM, N ovozym 435 and chemical catalyst - sodium methox- ide. The physico-chem ical properties o f interesterified fats have been compared. The increase o f polar compounds content and acid value and the decrease o f melting point and solid fat content have been ob

served. The product o f chem ical interesterification is characterized by the highest polar fraction content.

The acid values o f all the products are similar to one another. The triacylglycerol fraction isolated from the fat after chem ical and Novozym 435 catalyzed interesterification are both characterized by the lowest melting point. ^