Study of biocatalytic synthesis of phytosterol esters as formulation components of nutritional systems for health purposes

Abstract

The development of new domestic food technologies aimed at protecting and preserving human health is among the most urgent social challenges of our time. Phytosterols and their derivatives, in particular esters, are the perspective formulation components of food products for health purposes. These compounds regulate plasma cholesterol levels, prevent diseases associated with atherosclerosis, reduce cancer risk, and have antiinflammatory, antifungal, and antibacterial effects. Currently, phytosterol esters are mainly produced by chemical esterification and transesterification, which involve several drawbacks, in particular, excessive energy consumption, by-product emission, product darkening, low selectivity, and the necessity to remove the catalyst from the product. All the listed drawbacks of chemical technologies are excluded when synthesizing phytosterol esters by biocatalytic esterification, establishing the rational parameters of which was the purpose of this study. The study objective was solved through the response surface methodology. The unknown values of the parameters were determined by applying regression model algorithms. Minimization of the deviation potential was performed by finding appropriate combinations of the predictor experimental series. The Statistica 10 program was used for modeling, experimental data processing, and statistical calculations. A mathematical model was developed to predict the degree of feedstock conversion into products based on the process conditions. The conducted studies made it possible to establish the rational values for biocatalytic esterification aimed at synthesizing esters of phytosterol and fatty acids with a temperature of 58 °C and reaction time of 435 minutes.

Перспективними рецептурними компонентами харчових продуктів оздоровчого призначення є фітостероли та їх похідні, зокрема складні ефіри. Вони нормалізують рівень холестерину в плазмі крові, запобігають виникненню хвороб, пов’язаних з атеросклерозом, знижують ризик раку і мають протизапальну, протигрибкову та антибактеріальну активність. У теперішній час естери фітостеролів отримують здебільшого шляхом хімічної етерифікації та трансетерифікації, які мають низку вад, зокрема надмірне споживання енергії, утворення побічних речовин, потемніння продуктів, низька селективність, необхідність видалення каталізатора з продукту. Перелічені вади виключаються у випадку синтезу естерів фітостеролів методом біокаталітичного етерифікування, встановленню раціональних параметрів якого було метою представленого дослідження. Задача дослідження вирішувалась з використанням методології поверхні відклику. Визначення невідомих значень вектора параметрів здійснювали шляхом застосування алгоритмів регресійного аналізу. Мінімізацію функціоналу відхилу виконували шляхом знаходження відповідних комбінацій експериментальних рядів предикторів. Розроблено математичну модель, яка дозволяє на основі даних щодо умов процесу прогнозувати ступінь перетворення вихідної сировини в продукти реакції. Проведені дослідження дозволили встановити раціональні значення основних параметрів біокаталітичного етерифікування, спрямованого на синтез складних ефірів фітостеролів та жирних кислот: температура 58 °С, час реакції 435 хвилин.