Удосконалення технології жирових систем зі зниженим вмістом транс-ізомерів жирних кислот для маргаринів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.06 – технологія жирів, ефірних масел і парфумерно-косметичних продуктів. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2019. У дисертаційній роботі теоретично та експериментально обґрунтовано необхідність удосконалення технології виробництва жирових систем для маргаринів з мінімальним вмістом транс-ізомерів і визначено необхідні технологічні прийоми щодо її реалізації. Жирові системи є невід’ємною складовою харчування людини. Тому сучасні вимоги до підвищення якості та безпеки обумовлюють вдосконалення відповідних технологій їх виробництва. Сформована кон'юнктура зовнішнього і внутрішнього ринків диктує необхідність нарощування темпів виробництва основних олійно-жирових продуктів з високою доданою собівартістю, зокрема маргаринів. В залежності від виключення або впровадження того чи іншого компонента в рецептуру жирового продукту, покращується або значно змінюється його властивість. Необхідність корегування харчового раціону сучасної людини в напрямку зниження в ньому частки жирів, які в своєму складі містять надмірну кількість транс-ізомерів жирних кислот, обумовлена соціальним ефектом споживання жирових продуктів підвищеної якості та спрямована на оздоровлення населення України. Доцільність зниження вмісту транс-ізомерів в жирових системах ґрунтується на доведеному зв'язку між кількістю вказаних ізомерів у складі жирових харчових продуктів і підвищенням ризику розвитку серцево- судинних захворювань, а також хвороб порушення метаболізму. Зокрема, підвищений вміст транс-ізомерів блокує дію ліпопротеїдів високої щільності, ініціюючи відкладення холестеринових бляшок на стінках кровоносних судин людини та провокуючи розвиток атеросклерозу. В роботі досліджено кінетику процесів біокаталітичного переетерифікування та гліцеролізу, на яких ґрунтується технологія виробництва жирових систем зі зниженим вмістом транс-ізомерів. З використанням математичного моделювання встановлено основні закономірності кінетики біокаталітичного переетерифікування триацилгліцеринів під дією ферментного препарату Novozym 40086 та біокаталітичного гліцеролізу триацилгліцеринів, збагачених омега-3 поліненасиченими жирними кислотами. Визначено константи швидкостей прямих і зворотних реакцій, що протікають у реакційних системах, а також константи рівноваги кожної з них. На основі отриманих даних розраховано термодинамічні параметри та зроблено висновки про внесок кожної з реакцій в загальний процес у цілому. Отримані результати слугуватимуть науковим підґрунтям для встановлення технологічних параметрів виробництва жирових систем з мінімальним вмістом транс-ізомерів. Досліджено закономірності процесу біокаталітичного переетерифікування жирів під впливом препарату Novozym 40086 та встановлено раціональні параметри технології виробництва жирових систем зі зниженим вмістом транс-ізомерів. Отримано математичну модель, яка дозволяє на основі даних про компонентний склад жирової основи прогнозувати вміст твердої фази в продуктах біокаталітичного переетерифікування, що є одним із найважливіших способів оцінки їх консистенції. Розроблена модель дозволяє вирішувати зворотну задачу – виходячи з цільової консистенції жирового продукту знаходити його рецептуру. Показана можливість удосконалення складу та властивостей жирових систем зі зниженим вміст транс-ізомерів шляхом фракціонування продукту біокаталітичного переетерифікування. Розроблено математичну модель, яка дозволяє, виходячи з даних про компонентний склад олеогелів прогнозувати їх термостабільність. При цьому було застосовано методологію поверхні відклику, а визначення невідомих значень вектора параметрів здійснювалось шляхом застосування алгоритмів регресійного аналізу. Аналіз отриманих залежностей дозволив зробити висновок, що збільшення в рецептурі олеогелів вмісту бджолиного воску від 0,30 до 3,30 % мас. обумовлює зростання термостабільності. Подальше підвищення вмісту вказаного компонента не є раціональним, оскільки практично не впливає на відклик. Разом з тим при варіюванні вмісту трипальмітину від 0,30 до 3,10 % мас. спостерігається збільшення термостабільності, а при подальшому підвищенні – зменшення цього показника. Визначено раціональні значення масових часток компонентів олеогелів: вміст бджолиного воску 3,27 % мас.; вміст трипальмітину 3,07 % мас. та вміст моноацилгліцеринів 4,70 % мас. При цих значеннях досягається максимальне значення коефіцієнта термостабільності. Показано, що кількість мезофільних аеробних і факультативно-анаеробних мікроорганізмів в м’яких маргаринах на основі жирових систем зі зниженим вмістом транс-ізомерів протягом 60 діб зберігання була нижче за встановлені стандартом норми і знаходились на рівні не вище ніж 3,4·10³, тобто більш ніж на порядок меньше за нормативний показник. Крім того, у 0,01 г досліджених зразків не виявлено БГКП, а кількісні показники наявності пліснявих грибів та дріжджів також не перевищували норми. Запропоновано технологічну схему виробництва м’яких маргаринів зі зниженим вмістом транс-ізомерів жирних кислот. Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що вперше: – встановлено основні закономірності перебігу біокаталітичних процесів, що лежать в основі технології виробництва жирових систем зі зниженим вмістом транс-ізомерів; – визначено раціональні параметри біокаталітичного переетерифікування жирів під дією ферментного препарату Novozym 40086; – розроблено математичну модель, яка дозволяє на основі даних про компонентний склад жирової сировини прогнозувати вміст твердої фази за різних температур в продуктах біокаталітичного переетерифікування; – встановлено кількісні залежності термостабільності олеогелів від рецептурного складу їх дисперсної фази. Практичне значення отриманих результатів для олійно-жирової галузі полягає у створенні перспективної технології жирових систем зі зниженим вмістом транс-ізомерів з використанням продуктів біокаталітичних реакцій та олеогелів. Запропоновано рецептури емульсійних продуктів на основі розроблених жирових систем. Розроблено нормативний матеріал: ТУ У 10.4 – 02071180 – 155 : 2019 на новий вид продукту – маргарин м'який "Новел" з подовженим терміном зберігання. Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес кафедри технології жирів та продуктів бродіння Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".The thesis for a candidate of technical science degree by speciality 05.18.06 – technology of fats, essential oils and perfume-cosmetic products. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", The Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2019. In the dissertation the need of improvement of the production technology of fatty systems for margarines with minimal content of trans-isomers has been theoretically and experimentally substantiated and the necessary technological techniques for its implementation have been determined. Fatty systems are the integral part of human nutrition. Therefore, the modern demands for quality and safety require the improvement of the respective technologies for their production. The formed conjuncture of the foreign and domestic markets dictates the need to increase the production rate of major fat-and-oil products with high added cost, in particular margarines. Depending on the exclusion or introduction of a component in the formulation of the fatty product, its property is improved or significantly changed. The need to adjust the diet of modern humans in the direction of reducing the proportion of fats, which in their composition contain an excessive amount of trans-isomers of fatty acids, arises from the social effect of consumption of high quality fatty products and aims at improving the health of the population of Ukraine. The feasibility of reducing the content of trans-isomers in fatty systems is based on the proven relationship between the content of these isomers in the composition of fatty foods and the increased risk of cardiovascular disease, as well as diseases of metabolic disorders. In particular, the increased content of trans-isomers blocks the action of high density lipoproteins, initiating the deposition of cholesterol plaques on the walls of human blood vessels and provoking the development of atherosclerosis. The kinetics of the processes of biocatalytic interesterification and glycerolysis, on which the technology of production of fatty systems with reduced content of trans isomers is based, has been investigated. The basic regularities of kinetics of biocatalytic interesterification of triacylglycerols under the action of the enzymatic preparation Novozym 40086 and biocatalytic glycerolysis of triacylglycerols enriched with omega-3 polyunsaturated fatty acids have been determined using mathematical modeling. The rate constants of the forward and reverse reactions occurring in the reaction systems and the equilibrium constants of each of them have been determined. Based on the obtained data, the thermodynamic parameters have been calculated and conclusions have been made about the contribution of each of the reactions to the overall process as a whole. The results obtained will serve as the scientific basis for the determination of technological parameters for the production of fatty systems with a minimal content of trans-isomers. The regularities of the process of biocatalytic interesterification of fats under the influence of Novozym 40086 have been investigated and rational parameters of technology of production of fatty systems with reduced content of trans-isomers have been established. A mathematical model has been obtained, which allows to predict the solid phase content of biocatalytic interesterification products, which is one of the most important ways of estimating their consistency, based on data of the fat base composition. The developed model allows to solve the inverse problem – based on the target consistency of the fat product to find its formula. The possibility of improving the composition and properties of fat systems with reduced content of trans-isomers by fractionation of the product of biocatalytic interesterification has been shown. A mathematical model has been developed that allows to predict oleogels thermal stability based on the their component composition. The response surface methodology was applied, and the unknown values of the parameter vector have been determined by applying regression analysis algorithms. The analysis of the obtained dependences made it possible to conclude that the increase in the oleogel formulation of the content of beeswax from 0.30 to 3.30% of the mass. causes an increase in thermal stability. Further enhancement of the content of the specified component is not rational, as it practically does not affect the response. However, when varying the content of tripalmitin from 0.30 to 3.10% of the mass. there is an increase in thermal stability, and with a further increase – a decrease in this indicator. The rational values of the mass fractions of oleogel components have been determined: the content of beeswax is 3.27 wt%; the content of tripalmitin 3.07% of the mass. and the content of monoacylglycerols 4.70% wt. At these values, the maximum value of the coefficient of thermal stability is reached. It has been shown that the number of mesophilic aerobic and optional anaerobic microorganisms in soft margarines based on fatty systems with reduced content of trans-isomers during 60 days of storage was below the standard and were not higher than 3.4 · 103, i.e. more than an order of magnitude less than the norm. In addition, 0.01 g of the tested samples did not show CGB, and quantitative indicators of the presence of molds and yeast also did not exceed the norm. The process operational diagram for the production of soft margarines with reduced content of trans-isomers of fatty acids has been proposed. The scientific novelty of the obtained results is that for the first time: – the basic regularities of the course of biocatalytic processes underlying the technology of production of fat systems with reduced content of trans-isomers have been established; – rational parameters of biocatalytic interesterification of fats under the action of the enzyme preparation Novozym 40086 have been determined; – a mathematical model has been developed that allows to predict the content of the solid phase at different temperatures in the products of biocatalytic interesterification on the basis of data on the component composition of fatty raw materials; – quantitative dependences of thermal stability of oleogels on the formulation composition of their dispersed phase have been established. The practical significance of the results for the fat-and-oil industry consists in the developing of promising technology of fatty systems with reduced content of trans-isomers using products of biocatalytic reactions and oleogels. Formulations of emulsion products based on developed fat systems have been offered. The standard manual has been developed: TUU 10.4-02071180-087: 2019 for a new type of product – soft margarine "Novel" with extended shelf life. The results of the dissertation have been introduced into the educational process of the Department of Technology of Fats and Fermentation Products of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute".