Использование энзимной переэтерификации для модификации масел

УДК 665.3

Использование энзимной переэтерификации

для модификации масел

Л.В.Зайцева, канд. хим. наук Корпорация «СОЮЗ»

При производстве твердых жировых основ для получения маргаринов и различных жиров специального назначения основным моментом является изменение показателей плавления жиров. Для этих целей используют как процессы купажирования различных масел и жиров, так и их модификацию. Процессы гидрогенизации и переэтерификации -основные методы модификации растительных масел, приводящих к изменению их физико-химических показателей и, в частности, кривых плавления.

Процесс гидрогенизации впервые был запатентован в Великобритании Норманном в 1903 г. и внедрен в США в 1911 г. В процессе гидрогенизации, в результате взаимодействия с водородом, из жидких растительных масел получаются жировые продукты с полужидкой или твердой консистенцией. При этом полученные гидрированные жиры не только имеют низкую стоимость, но и обладают рядом функциональных преимуществ: устойчивостью при жарке, пластичностью, быстрым плавлением, хорошей взбиваемостью и т. д.

Процессы гидрогенизации и переэтерификации - основные методы модификации растительных масел, приводящих к изменению их физико-химических показателей и, в частности, кривых плавления.

Однако процесс гидрогенизации не является простым насыщением двойных связей водородом в растительных маслах в присутствии никелевого катализатора. Этот процесс сопровождается протеканием реакций изомеризации с образованием из природных цис-изомеров ненасыщенных жирных кислот более устойчивых трансизомеров. Как правило, при производстве маргаринов используют частично гидрированные масла, имеющие необходимые кривые плавления, но при этом характеризующиеся высоким содержа-

Ключевые слова: растительные масла; энзимная переэтерификация; жирные кислоты; триглицериды; ферменты.

Key words: vegetable oils; enzyme interesterification; fat acids; triglycerides; enzymes.

нием трансизомеров жирных кислот. Исследования по метаболизму промышленных трансизомеров жирных кислот в организме человека позволили сделать вывод об их полностью атерогенном характере. Доказана связь потребления продуктов с высоким содержанием трансизомеров с развитием сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний, овуля-ционного бесплодия, ожирения и других болезней [1]. Принятие закона о вынесении трансизомеров жирных кислот на маркировку продуктов питания, введенного в США в январе 2006 г., подстегнуло интерес к развитию других методов модификации растительных масел с целью получения безтрансовых масложировых продуктов. В странах ЕС борьбу с трансизомерами возглавила Дания, приняв в марте 2003 г. в законодательном порядке ограничение по содержанию трансизомеров в продуктах питания. В настоящее время в 14 странах ЕС, а также США и Канаде содержание трансизомеров жирных кислот в обязательном порядке указывается на потребительской упаковке наряду с насыщенными жирными кислотами.

Другой метод модификации растительных масел - переэтерификация. Термин «переэтерификация» относится к реакции жиров и масел, при которой триглицериды обмениваются (внутри- и межмолекулярно) остатками жирных кислот с образованием триглицеридов нового жирно-кислотного состава. Процесс обмена остатками жирных кислот носит случайный характер и поэтому часто называется рандомизацией. Процессы переэтерификации, изменяя первоначальное распределение

жирных кислот в триглицеридах, изменяют и их физико-химические характеристики. В отличие от гидрогенизации, переэтерификация не влияет на степень насыщения и не вызывает изомеризации двойных связей в жирных кислотах и потому не приводит к образованию опасных для здоровья трансизомеров. В настоящее время в мире широко используют переэтерификацию взамен гидрогенизации для получения основ для маргаринов, спредов, альтернатив масла какао, кулинарных и других жиров специального назначения.

По типу используемого катализатора переэтерификацию подразделяют на химическую и энзимную. Первоначальное развитие получила химическая переэтерификация, протекающая при использовании в качестве катализаторов этилатов или метилатов щелочных металлов. Как любой химический процесс, она требует тщательной очистки конечного продукта с целью удаления остатков катализатора и побочных продуктов реакции, а также значительных затрат энергии для проведения всех стадий, связанных с получением (температура процесса 110...125 оС) и очисткой продукта, утилизацией отходов, а следовательно, наносит серьезный урон окружающей среде.

Несмотря на то, что ферменты многие годы применяют в пищевой промышленности для гидролиза крахмала (амилазы), для расщепления пектинов до пектовой кислоты (пектиназы), гидролиза белков до пептидов и аминокислот (пептида-зы) и так далее, использование ферментов для модификации масел и жиров практически не рассматривалось. Это связано с тем, что перечисленные выше процессы протекают в водной среде, так как ферменты, являясь белковыми молекулами, хорошо растворимы в воде. Тогда как жиры и масла не растворимы в воде, а растворяются только в неполярных органических растворителях. Долгое время считалось, что ферменты не могут работать в отсутствии воды или в органических растворителях. Однако дальнейшие исследования показали, что сухие порошкообразные ферменты были активны и стабильны в безводной среде при определенных условиях. То есть была показана возможность использования ферментов в процессах модификации жиров и масел.

Исследования в этой области в начале 80-х годов прошлого века возглавили такие компании, как «Юни-левер» и «Новозаймс», а также «Фуджи Ойл». Основное внимание уделялось производству эквивалентов

масла какао (ЭМК) с использованием 1,3-специфических липаз, продуцируемых некоторыми штаммами грибов. Так, А.Р. Макреа было описано использование липазы, адсорбированной на кизельгуре, для конвертации смеси средней фракции пальмового масла со стеариновой кислотой в продукт, похожий на ЭМК, имеющий повышенное содержание желаемых 1 (3)-пальмитоил-3 (1) -стеароил-2-олеоилглицеринов и 1,3-дистеароил-2-олеоил глицеринов [2]. Катализатор активировался путем внесения воды (до 10 %), стеариновая кислота вносилась в петролейном эфире. Недостаток этого метода - невысокий выход продукта из-за частичного гидролиза триацилглицеринов, а также необходимость дополнительного внесения воды для поддержания активности фермента. При этих условиях, помимо реакции переэтерификации, протекала реакция гидролиза масел, приводящая к образованию свободных жирных кислот, что снижало выход конечного продукта.

Дальнейшие работы в развитии процессов энзимной переэтерификации были сосредоточены на поиске методов иммобилизации ферментов для решения следующих задач: увеличение термической стабильности и времени жизни фермента; максимальное сохранение активности фермента в течение всей процедуры иммобилизации; воспроизводимость и экономическая эффективность процесса.

Для нового поколения ферментов в качестве неорганического абсорбента стали применять ионообменные смолы. Их использование было лишено недостатка, присущего иммобилизации на кизельгуре. При применении ионообменных смол не требовалось дополнительно вносить воду, так как они удерживали достаточное количество воды, необходимой для активности фермента. Один из таких продуктов, Novozyme 435, широко используется во всем мире в различных реакциях синтеза. В этом препарате использована самая распространенная среди 23 тыс. известных на настоящий момент липаз -липаза Candida Antarctica B. Эта иммобилизованная форма липазы способна работать как в присутствии органических растворителей, так и в их отсутствии. Однако дороговизна материала - носителя и сложность процедуры иммобилизации приводят к высокой стоимости конечных продуктов и ограничивают их применение в синтезе косметических эфиров или при производстве омега-3 обогащенных масел.

Развитие процесса энзимной пере-этерификации продолжалось как по пути поиска новых продуцентов липаз, так и новых способов их иммобилизации. С использованием генной инженерии был создан стабильный экономически эффективный препарат липазы на основе продуцента Thermomyces lanuginosus с встраиванием гена из штамма Aspergillus. Исследования по иммобилизации этой липазы на силикаге-ле с целью получения бестрансовых маргаринов методом энзимной переэтерификации показали, что полученный препарат стабилен при температурах 55...85 *C и исходной влажности 3 %. Применение его в реакторах периодического действия в течение 9-11 циклов не требовало дополнительного внесения воды для поддержания активности, что, следовательно, значительно снижало образование свободных жирных кислот в процессе реакции [3].

В настоящее время иммобилизованная на силикагеле липаза T. lanugiosus выпускается компанией Новозаймс в виде промышленного препарата под торговой маркой Lipozyme TL IM.

В сентябре 2001 г. совместными усилиями компаний Novozymes и Karlshamns (сейчас ААК) в Швеции впервые был запущен процесс энзимной переэтерификации в промышленном масштабе с использованием препарата Lipozyme TL IM для производства маргаринов. Разработанный для этих целей периодический реактор был включен в систему уже имеющегося на заводе оборудования. Реактор был заполнен 400 кг иммобилизованной липазы, а масло подавалось сверху через специальную распределительную тарелку, снизу располагалась сетчатая пластина, поддерживающая частицы фермента и одновременно являющаяся фильтром.

Реактор проработал более года. Это был первый реактор, который показал, что высокая продуктивность работы фермента может быть достигнута только за счет высокого качества используемых исходных масел. Данная разработка продемонстрировала экономическую пригодность процесса энзимной переэтерификации для производства таких недорогих жировых продуктов, как маргарины.

Однако в реакторе периодического действия активность фермента, являясь функцией времени и количества пропущенного через фермент масла, постепенно снижалась практически до нуля, что было недопустимым для широкомасштабного

промышленного производства. Логическим решением этой проблемы стал переход на несколько последовательно соединенных реакторов непрерывного действия (4-6 шт.).

В сентябре 2001 г. совместными усилиями компаний Novozymes и Karlshamns (сейчас ААК) в Швеции впервые был запущен процесс энзимной переэтерификации в промышленном масштабе с использованием препарата Lipozyme TL IM для производства маргаринов.

Это было осуществлено в июле 2002 г. компанией ADM (Archer Daniels Midland Company). В США был построен первый завод по энзимной переэтерификации, использующий препарат Lipozyme TL IM компании Novozymes для производства безтрансовых маргаринов и шортенингов. Построенный завод служит моделью для всех последующих заводов по энзимной переэте-рификации жиров и масел с применением нескольких реакторов непрерывного действия.

При последовательном использовании серии реакторов нет необходимости полной конверсии масла в первом из них, так как далее масло подвергается воздействию фермента и в последующих реакторах. Это дает возможность увеличить скорость протока масла через реакторы и повысить производительность процесса. Даже если в первом реакторе активность фермента снизится до нуля, общая экономическая эффективность серии агрегатов выше, чем применение отдельного проточного реактора. В этом случае первый реактор может быть отключен от общей системы для перезагрузки фермента без ущерба для работы всей остальной системы. За счет системы трубопроводов реактор, который был первый и в котором фермент быстрее всего истощился и потребовалась его полная замена, становится последним в общей цепочке. Отработанный фермент, утративший свою активность, может быть легко удален из реактора и, более того, его можно далее использовать в качестве реагента на стадии отбелки исходных масел.

Для развития процесса энзимной переэтерификации также тщательно изучаются факторы, которые могут оказать негативное действие на ак-

тивность фермента. Известно, что активность любого фермента в первую очередь зависит от температуры и рН среды.

Установлено, что для осуществления процесса переэтерификации оптимальная температура для липазы - 70°C. Эта температура также достаточна для расплавления многих жировых смесей. На небольшой промежуток времени, если это необходимо, температура может быть увеличена до 80 *C без потери активности фермента.

Сильное негативное действие на активность липазы оказывают неорганические кислоты из отбельной глины, использующейся для удаления красящих и некоторых других веществ масел, а также лимонная кислота, применяющаяся в процессах дезодорации масел. Эти кислоты из очищенного масла попадают в гранулу с иммобилизованным ферментом и снижают рН внутри нее, тем самым уменьшают активность липазы, имеющей оптимум в щелочной зоне. При щелочных значениях рН наблюдается и наибольшая термостабильность фермента. Следовательно, снижение рН внутри гранулы уменьшается и термостабильность липазы, сокращая время ее жизни.

Количество образующихся в реакции свободных жирных кислот не оказывает негативного влияния на стабильность ферментов, но вызывает увеличение потребления катализатора на 1 кг загружаемого масла и снижает конечный выход продукта из-за образования мыл, которые также захватывают и часть нейтральных липидов. Поэтому лучше изначально использовать исходные масла и жиры с низкими значениями кислотных чисел.

Содержание фосфатидных веществ и никеля (при применении гидрированых жиров) в жирах и маслах для энзимной переэтерифи-кации тоже негативно сказывается на процессе. В этом случае иммобилизованный фермент работает как фильтрующее вещество, что снижает его эффективность для процесса пе-реэтерификации.

В России в июне 2009 г. Корпорацией «СОЮЗ» был запущен первый крупномасштабный комбинат по переработке растительных масел с применением технологии энзимной переэтерификации.

Стабильность фермента также снижается в присутствии продуктов окисления масел и жиров, характеризующихся перекисным и анизидино-вым числами [4]. Наилучшие результаты достигаются, если суммарное значение этих чисел не превышает 2.

Таким образом, низкие значения кислотного, перекисного и анизиди-нового чисел для исходных масел и жиров служат залогом более высокой эффективности проведения процесса энзимной переэтерификации. Снизить содержание продуктов окисления в маслах, а также содержание низкомолекулярных жирных кислот можно, пропуская масла через молекулярные сита, активированный уголь или отработанный иммобилизованный фермент, утративший свою активность. Показано, что такая обработка увеличивает продуктивность фермента (кг переэтерифицирован-ного масла/кг фермента) в 3,1; 7,4 и 4,1 раза соответственно [5].

Исследования по влиянию исходного состава переэтерифицируемых смесей не выявили зависимости снижения активности фермента от содержания твердых триглицеридов или определенных жирных кислот и их распределения в молекуле триг-лицерида. Хотя при использовании некоторых смесей наблюдалась более высокая эффективность применения фермента [6].

Огромный плюс использования энзимной переэтерификации для модификации растительных масел - возможность максимального сохранения в них токоферолов и других биологически активных веществ. Это обусловлено использованием умеренных температур проведения процесса и меньшего количества стадий очистки конечного продукта, также осуществляемых при умеренных температурах, в отличие от химических методов модификации масел. Сохранение исходных токоферолов в энзимно переэтерифицированных маслах позволяет сократить применение других антиоксидантов при производстве маргаринов и жиров специального назначения на их основе.

Исследования по совершенствованию процесса энзимной переэтери-фикации масел и жиров продолжаются. Так, при использовании sn-1,3-специфических липаз из Rhizomucor miehei для получения эквивалентов масла какао проблема заключается в поиске не очень дорогого носителя для иммобилизации фермента, позволяющего максимально сохранить его стереоспецифичность. Имеются обнадеживающие результаты в данном направлении при применении силикагеля в качестве носителя [7].

Развитие процессов иммобилизации ферментов открывает возможности одновременного использования двух и более липаз из различных источников. Эта область исследований сейчас активно развивается. Показано, что добавление Lipozyme RM IM или Novozyme 435 к Lipozyme TL IM в реакциях переэтерификации улучшает общий выход продукта [8]. Наибольший эффект достигается при применении в качестве второго фермента Lipozyme RM IM на гидрофильном носителе. Синергический эффект наблюдается также при внесении второго фермента в неиммо-билизованной форме. Это подтверждает, что иммобилизованный фермент выступает в роли носителя для дополнительно внесенного неиммо-билизованного фермента.

Негативное влияние на здоровье человека трансизомеров жирных кислот привело к необходимости разработки процессов получения жиров с определенными температурами плавления методами переэтерификации. В свете последней тенденции снижения использования химических процессов при производстве продуктов питания по всему миру энзимная переэтерификация является наилучшей альтернативой. Применение иммобилизованной липазы ограничивает использование химических реагентов не только в самом процессе переэтерифика-ции, но и в последующих процессах очистки продукта и утилизации отходов. Энзимная переэтерификация оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем любой процесс химической модификации растительных масел по совокупности всех сопутствующих процессов. Это связано как с незначительным образованием побочных продуктов, так и с соответствующим снижением затрат на их удаление, использованием более низких температур, меньшим расходом воды и электроэнергии суммарно по всем процессам.

Производство маргаринов и жиров специального назначения методом энзимной переэтерификации обеспечивает этим продуктам свойства, эквивалентные таковым в альтернативных технологиях. При этом сам процесс проще в исполнении, доступен в широких масштабах и экологически чистый.

В настоящее время в мире действует 25 заводов по получению маргаринов, заменителей масла какао, шортенингов и других жиров специального назначения с использованием технологии энзимной пе-реэтерификации.

В России в июне 2009 г. Корпорацией «СОЮЗ» был запущен первый крупномасштабный комбинат по переработке растительных масел с применением технологии энзимной пе-реэтерификации, позволяющий производить до 1 млн т продукции в год. С использованием в качестве основ энзимно переэтерифицированных масел комбинат выпускает различные виды жиров специального назначения, а также заменители масла какао, жиры для производства кремов, сливок и мороженого на растительных маслах. Так, например, применение энзимной переэтерификации для получения заменителей масла какао ла-уринового типа позволяет получать продукт, содержащий менее 1 % трансизомеров жирных кислот, в отличие от заменителей масла какао нелауринового типа, получаемых на основе частично гидрированных растительных масел и содержащих свыше 37 % трансизомеров жирных кислот [9]. Получаемые безтрансовые заменители масла какао могут дальше использоваться как при производстве твердых кондитерских плиток, так и корпусов для конфет и полых фигур, различных видов глазурей.

Пуск комбината по переработке растительных масел с применением

технологии энзимной переэтерифи-кации открыл новую эру в России по использованию в промышленном масштабе экологически чистых процессов не только при переработке белково- и углеводосодержащего сырья, но также растительных масел и жиров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зайцева, Л.В. Роль различных жирных кислот в питании человека и при производстве пищевых продук-тов/Л.В. Зайцева//Пищевая промышленность. - 2010. - № 10. - С. 60-63.

2. Macrea, A.R. Microbial lipasesas catalysts for the interesterification of oils and fats. In: Biotechnology for the Oils and Fats Industry, Eds. C. Ratledge, P. Dawson/A.R. Macrea, J. Battray, AOCS press, Champaign, IL (USA). - 1985. - Р. 89-198.

3. Production of margarine fats by enzymatic interesterification with silica-granulated Thermomyces lanuginosus in a large-scale stady/Н. [et al.]//J. Am. Oil Chem. Soc. - 2001. -№ 78. - Р. 57-64.

4. Osorio, N.M. Operational stability of Thermomyces lanuginosus lipase during interesterification of fat in

continuous packed-bed reactor. Eur./ N.M. Osorio, M.M.R. da Fonseca S. Ferreira-Dias//J. Lipid Sci. Technol.

2006, 108, pp.545-553.

5. Online pre-purification for the continuous enzymatic interesteri-fication of balk fat containing omega-3 oil./N.A. Ibrahim//J. Am. Oil Chem. Soc. - 2008. - № 85. - Р.95-98.

6. Bertram, M. A microtiter plate-based assay method to determine for quality. Eur./M. Bertram, C. Manschot-Lawrence, E. Floter, U.T Bornscheuer//J. Lipid Sci. Technol. -

2007. - № 109. - Р. 180-185.

7. Watanabe, T. Optimization of reaction conditions for the production of DAG using immobilized 1,3 -regiospecific lipase Lipozyme TL IM./Т. Watanabe [et al.]//J. Am. Oil Chem. Soc. - 2003. - № 80. - Р. 1201-1207.

8. Ibrahim, N.A. Ezymatic intereste-rification of palm stearin and coconut oil by a dual lipase system/N.A. Ibrahim, Z. Guo, Хю Xu//J. Am. Oil Chem. Soc. - 2008. - № 85. Р. 37-45.

9. Скокан, Л.Е. Об использовании жиров - заменителей масла какао нелауриновой группы в производстве кондитерской глазури/Л.Е. Скокан, Л.И. Рысева, Н.В. Линовская// Кондитерское производство.-2010. - № 4. - С. 12-13.

16-я международная

специализированная выставка оборудования, технологий и сырья для хлебопекарной и кондитерской промышленностей

? = <0© ыжн

хлв

Конд

2011

При поддержке:

Министерства аграрной политики Украины,

Украинского союза промышленников и предпринимателей,

Объединения предприятий хлебопекарй.ОЙ^^Ь

промышленности "Укр|тебпром",

Национального университета

пищевыхтехнологий.

к, йшш

Эрш^щгшжйк^^шшжа "О© щяящ, (ГЕшгаъега Юз©

КУБОК УКРАИНЫ

И КОНДИТЕРСКОМУ МАСТЕРСТВУ

Генеральный спонсор:

Организатор:

Выставочная фирма 'ТРОЯН"

г./ф.: +38 (044) 258-01-23, 258-00-22 258-27-75, 258-02-37 E-mail: manager^troyan.kiev.ua www. bread-expo, kiev.ua