Технологія одержання і використання природних антиоксидантів із вторинних продуктів олієжирових виробництв

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.18.06 "Технологія жирів, ефірних масел і парфумерно-косметичних продуктів" (18 – Виробництво та технології). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню та розробці технології отримання хлорогенової кислоти із соняшникового шроту. Актуальність теми дослідження полягає у тому, що отримання хлорогенової кислоти з вторинних продуктів переробки насіння соняшнику дозволяє виконати декілька задач одночасно: отримати цінний природний антиоксидант з дешевої вторинної сировини олієжирових виробництв – соняшникового шроту, наблизитися до технології безвідходного виробництва, а також отримати шрот з мінімальним вмістом хлорогенової кислоти для подальшого використання його в якості сировини для виробництва соняшникового білку. Як відомо, проблеми раціонального використання вторинної сировини олійножирового виробництва і окиснювального псування олій та жирів відносяться до числа пріоритетних в галузі. Серед вторинних продуктів олійновидобувного виробництва, використання яких до тепер не є ефективним, значне місце займає соняшниковий шрот, який в нашій країні виробляється у великій кількості та використовується переважно в якості корму для сільськогосподарських тварин. Між тим, він є джерелом цінних природних компонентів, таких як соняшниковий білок та поліфенольні сполуки, переважно хлорогенова кислота. Якщо отриманню та використанню соняшникового білку присвячено досить багато досліджень, то виділенню із соняшникового шроту такого потужного антиоксиданту, як хлорогенова кислота – вкрай мало. Крім того слід зазначити, що попереднє вилучення хлорогенової кислоти дасть можливість у подальшому отримувати рослинний білок, вільний від хлорогенової кислоти, яка зазвичай вилучається разом із білком і негативно впливає на колір соняшникового білку під час технологічної обробки. Цей фактор унеможливлює використання соняшникових білків у виробництві комбінованих продуктів харчування світлого кольору. Беручи до уваги викладене вище, можна констатувати, що дослідження, спрямовані на розробку науково обґрунтованої технології природного антиоксиданту із соняшникового шроту є актуальними і складають наукове завдання, яке вирішує дисертаційна робота. Актуальність теми та вагомість результатів дисертаційної роботи підтверджується тим, що вона виконувалась згідно плану проведення науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного інституту олій та жирів (м. Харків) у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт НААН України: "Фундаментальні засади одержання цінних природних речовин із вторинних продуктів олієжирової промисловості" (ДР № 0116U000092), в якій здобувач був відповідальним виконавцем усіх етапів, та "Дослідження процесів отримання білкових продуктів на підставі дослідження хімічного складу насіння соняшнику вітчизняної селекції та розробка теоретичних основ технології одержання різноманітних форм білкових продуктів" (ДР № 0111U005035), в якій здобувач був відповідальним виконавцем окремих етапів роботи. Практичне значення одержаних результатів для олієжирової галузі полягає у розробці технології отримання хлорогенової кислоти із соняшникового шроту, за якою вироблено кристалічний продукт та доведено його антиоксидантну і антибактеріальну дії у складі емульсійного продукту – майонезу. Використання хлорогенової кислоти дає можливість відмовитися від синтетичних промислових антиоксидантів та консервантів. Розроблено технологічну схему одержання хлорогенової кислоти із соняшникового шроту, а також розроблено та узгоджено проект технічних умов: ТУ У 20.14.33-00334882:001-2020 "Кислота хлорогенова.Технічні умови". Крім того, проведено апробацію виробництва партії майонезу з додаванням отриманої хлорогенової кислоти в умовах ТОВ "Ново-Водолажський Масло-Жировий Комбінат" (акт впровадження від 03.09.2020р.). Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри технології жирів та продуктів бродіння НТУ "ХПІ" під час викладання дисциплін "Технологія галузі. Технологічні розрахунки, облік та звітність у галузі", "Інноваційні технології переробки жирів" та "Інженерне проектування технологій олійножирової галузі"; в курсовому та дипломному проектуванні, а також науково-дослідній роботі студентів спеціальностей 181 "Харчові технології" та 181.01 "Технології жирів, жирозамінників та ефірних масел" (акт впровадження від 03.12.2020р.). У дисертаційній роботі удосконалено метод кількісного визначення (метод титрування перманганатом калію) хлорогенової кислоти. Для стадії екстрагування із соняшникового шроту (готування проб) визначено раціональні параметри процесу: концентрація етилового спирту – 60 %, гідромодуль в системі "шрот-екстрагент" – 1:90, тривалість екстрагування – 30 хвилин, – з одержанням математичних моделей. Крім того, метод кількісного визначення хлорогенової кислоти модифіковано в частині титрування – шляхом визначення кількості ХК по аналогії з методом визначення таніну в чаї (ГОСТ 19885). Для процесу екстрагування хлорогенової кислоти із соняшникового шроту наважкою 100 г з метою отримання кристалічного продукту, вперше встановлено залежність ступеня екстрагування від гідромодулю в системі "шрот-екстрагент" та тривалості процесу. Визначені раціональні параметри екстрагування хлорогенової кислоти складають: гідромодуль – 1:10, тривалість екстрагування – 30 хв. Також визначено залежність ступеня екстрагування хлорогенової кислоти із соняшникового шроту від способу екстрагування. Експериментально доведено ефективність проведення процесу в одну стадію з додатковим промиванням шроту спиртовим розчином під час фільтрування (гідромодуль 1:5) у порівнянні з триступеневим екстрагуванням. Для підвищення виходу та чистоти (масової долі основної речовини) кристалічного продукту, експериментально досліджено та одержано наукові дані щодо впливу умов очищення спиртового екстракту хлорогенової кислоти на вихід кінцевого кристалічного продукту, а також визначено раціональні умови процесу очищення, що складають: кількість упареного спиртового екстракту хлорогенової кислоти – 10 % від вихідної кількості; вилучення білкових домішок за допомогою соляної кислоти (концентрованої або розчину з масовою долею 10 %) при рН 4–4,1; вилучення жирових домішок за допомогою хлороформу – 3 промивання (гідромодуль в системі «спиртовий екстракт хлорогенової кислоти - хлороформ» – 1:0,5); оптимальна кількість екстрагувань хлорогенової кислоти етилацетатом – 12-15, гідромодуль в системі "спиртовий екстракт-етилацетат" – 1:0,5; об’єм упарених витяжок етилацетату – 10 % від вихідної кількості; температура кристалоутворення +4..+6 °С. З метою ідентифікації отриманих кристалічних зразків, проведено дослідження їх складу методами: ДСК, ІЧС та ВЕРХ; за допомогою методу ІЧС визначено, що хлорогеновій кислоті притаманні характеристичні смуги карбоксильної групи – валентних коливань С=О на 1750-1700 см⁻¹ та С-О на 1275-1050 см⁻¹, а також характеристичні смуги – 1550 та 1450 см⁻¹, які відповідають ароматичному кільцю, характеристичні смуги – 1200, 1150, 1125, 1100, 1000 см⁻¹, що відповідають коливанням С-О в складних ефірах та смуги 3450 та 3300 см⁻¹, що відповідають –ОН групам. За допомогою методів ДСК та ВЕРХ визначено чистоту (масову долю основної речовини – хлорогенової кислоти), як окремих фракцій, так і об’єднаних дослідних кристалічних зразків та за отриманими результатами для подальших досліджень обрано кристалічний зразок, отриманий у досліді № 2 (екстрагент жирових домішок – хлороформ), що має загальну кількість – 0,5967% (в перерахунку на наважку шроту) і сумарну чистоту кристалічного зразку – 98,27%. Експериментально досліджено за допомогою методу ДСК антиоксидантні властивості отриманого зразку хлорогенової кислоти у складі основи майонезу – модельної суміші "вода-олія соняшникова"; виявлено збільшення періоду індукції у дослідному зразку (модельна суміш "вода-олія соняшникова" з додаванням 0,02 % отриманого антиоксиданту) у порівнянні з контрольним (модельна суміш «вода-олія соняшникова»). При цьому, проведення експерименту при температурі +110 °С дає приріст періоду індукції дослідного зразка на 19 %, а при температурі +90 °С – на 28 %. Отримані результати вказують на факт часткового руйнування хлорогенової кислоти за більш високих температур. Розглянуто та експериментально доведено можливість використання хлорогенової кислоти в якості консерванту у складі емульсійного продукту – майонезу "Провансаль". Кількість введеного дослідного консерванту дорівнювала кількості промислового консерванту – сорбінової кислоти (1000 мг/кг) згідно з ДСТУ 4487:2015. Отримано позитивний результат: після зберігання свіжовиробленого майонезу протягом двох тижнів за температури +35 °С (температура навколишнього середовища), кількість дріжджів у зразку майонезу з додаванням хлорогенової кислоти склала – >10 КУО/г, а у зразку майонезу без додавання консерванту – 20±7,9 КУО/г. На основі проведених досліджень щодо можливості підвищення ступеня вилучення хлорогенової кислоти із соняшникового шроту, а також визначених раціональних параметрів процесу екстрагування, розроблено технологічну схему отримання кристалічного зразку хлорогенової кислоти із соняшникового шроту. Проведено економічні дослідження щодо доцільності використання розробленої технології отримання хлорогенової кислоти із соняшникового шроту. Згідно з результатами спостерігається економічний ефект, а саме, очікувана відпускна ціна отриманої хлорогенової кислоти з масовою долею основної речовини 98,27 %, яка складає 480 тис грн., що значно нижче за ринкову ціну (3 322,3 тис. грн/кг) хлорогенової кислоти з масовою долею основної речовини 98 %.Thesis for a candidate of technical sciences degree (doctor of philosophy), specialty 05.18.06 "Technology of fats, essential oils and perfumery and cosmetic products" (18 – Production and technologies). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the scientific substantiation and development of the advanced technology of obtaining chlorogenic acid from sunflower meal. The relevance of the research topic is that obtaining chlorogenic acid from sunflower seed processing products allows to perform several tasks simultaneously: to obtain a valuable natural antioxidant from a cheap by-product of oil and fat production – sunflower meal, to approach waste-free production technology, and to obtain meal with minimal chlorogenic acid content for further use as a raw material for the production of sunflower protein. It is known that the processes of free radical oxidation are very dangerous for the human body. They can occur both in the human body under the influence of certain factors and in the food he consumes. If the oxidative processes occurring in the human body are difficult to control, then the processes of oxidative spoilage in food, in particular fat, can be quite effectively influenced by compounds – antioxidants. Both synthetic and natural origin antioxidants are used to combat oxidation processes. As a promising raw material for the latter can be considered a cheap by-product of oil and fat production – sunflower meal, which in our country is produced in large quantities and is used mainly as feed for farm animals. It should be noted that sunflower seed meal is primarily a source of valuable vegetable protein, the production of which is established in many countries. However, there is a problem with the extraction and use of sunflower protein. It is chlorogenic acid, which, in the meal, is bound to proteins by covalent bonds and when extracted, the latter is extracted with them. During the technological processing of proteins, especially in an alkaline environment, chlorogenic acid is oxidized to products that have a color from green to dark brown. This feature of this phenolic compound provokes a change in the color of sunflower protein and limits its scope, so the preliminary removal of chlorogenic acid from sunflower meal would help solve this problem. Unfortunately, there is no production of chlorogenic acid in Ukraine today, although it has long been proven to have a wide range of biological activity and, in particular, a powerful antioxidant capacity. Taking into account all the above arguments, it should be noted that the issues of extraction of chlorogenic acid from sunflower meal, as well as research to improve the yield and purity (mass fraction of the main substance) of the final product, are relevant and worthy of attention. The relevance of the topic and the importance of the results of the dissertation is confirmed by the fact that it was performed according to the research plan of the Ukrainian Research Institute of Oils and Fats (Kharkov) within the state research works of NAAS of Ukraine: "Fundamental principles of valuable natural substances from secondary products of the oil and fat industry" (RW № 0116U000092), in which the applicant was the responsible executor of all stages, and "Research of protein production processes based on research of chemical composition of domestic sunflower seeds and development of theoretical bases of technology for various forms of protein products" (RW № 0111U005035), in which the applicant was the responsible executor of certain stages of work. The practical significance of the obtained results for the oil and fat industry is to develop the technology of obtaining chlorogenic acid from sunflower meal, which produced a crystalline product and proved its antioxidant and antibacterial action in the emulsion product – mayonnaise. The use of chlorogenic acid makes it possible to abandon synthetic industrial antioxidants and preservatives. An improved technological scheme for obtaining chlorogenic acid from sunflower meal has been developed, and a draft of technical conditions has been developed and agreed upon: TU U 20.14.33-00334882:001-2020. "Chlorogenic acid. Specifications". In addition, the production of a batch of mayonnaise with the addition of the obtained chlorogenic acid was tested in the conditions of LLC "NOVOVODOLAZHSKY OIL-FAT PLANT". The results of the dissertation are used in the educational process of the Department of Technology of Fats and Fermentation Products of NTU "KhPI" during the teaching of disciplines: "Innovative fat processing technologies", "Engineering design of oil and fat production technologies" and "Modern directions of development of fat processing technology", in course and diploma design, as well as research work of students majoring in 181 "Food Technology" (act of implementation from. 03.12.2020 year). In the dissertation work the method of quantitative determination (method of titration with potassium permanganate) of chlorogenic acid is improved. For the stage of extraction from sunflower meal (sample preparation) the rational parameters of the process are determined: concentration of ethyl alcohol – 60 %, hydromodule in the system "meal-extractant" – 1:90, duration of extraction – 30 minutes – to obtain mathematical models. In addition, the method of quantitative determination of chlorogenic acid was modified in terms of titration – by the method of determination of tannin in tea (NSSU 19885). For the process of extraction of chlorogenic acid from sunflower meal with a portion of 100 g in order to obtain a crystalline product, for the first time the dependence of the degree of extraction on the hydromodule in the system "meal-extractant" and the duration of the process. The determined rational parameters of chlorogenic acid extraction are: hydromodule – 1:10, extraction duration – 30 minutes. The dependence of the degree of extraction of chlorogenic acid from sunflower meal on the extraction method was also determined. The efficiency of the process in one stage with additional washing of the meal with an alcohol solution during filtration (hydromodule 1:5) in comparison with three-stage extraction was experimentally proved. In order to increase the yield and purity (mass fraction of the main substance) of the crystalline product, experimentally investigated and obtained scientific data on the influence of purification conditions of alcohol extract of chlorogenic acid on the yield of the final crystalline product, and determined the rational conditions of the purification process chlorogenic acid – 10 % of the original amount; extraction of protein impurities with hydrochloric acid (concentrated or solution with a mass fraction of 10 %) at pH 4–4.1; removal of fatty impurities using chloroform – 3 washes (hydromodule in the system "alcohol extract of chlorogenic acid – chloroform" – 1:0,5); the optimal number of extractions of chlorogenic acid with ethyl acetate – 12-15, the hydromodule in the system "alcohol extract-ethyl acetate" – 1:0,5; volume of evaporated extracts of ethyl acetate – 10 % of the original amount; crystal formation temperature +4..+6 °C. In order to identify the obtained crystalline samples, the study of their composition was carried out by methods: DSC, IRS and HPLC; using the IRS method, it was determined that chlorogenic acid is characterized by characteristic bands of the carboxyl group – valence vibrations C=O at 1750-1700 cm⁻¹ and C-O at 1275-1050 cm⁻¹, as well as characteristic bands – 1550 and 1450 cm⁻¹, which correspond to the aromatic ring, characteristic bands – 1200, 1150, 1125, 1100, 1000 cm⁻¹, corresponding to the oscillations of CO in esters and bands 3450 and 3300 cm⁻¹, corresponding to -OH groups. Using the methods of DSC and HPLC, the purity (mass fraction of the main substance – chlorogenic acid) of both individual fractions and the combined experimental crystalline samples was determined and the obtained results for further studies selected the crystalline sample obtained in experiment № 2 (extractant of fatty impurities – chloroform), having a total amount of 0,5967 % (in terms of a portion of meal) and a total purity of the crystalline sample of 98,27 %. The antioxidant properties of the obtained sample of chlorogenic acid in the composition of mayonnaise base – model mixture "water-sunflower oil" were experimentally investigated using the DSC method; revealed an increase in the period of induction in the experimental sample (model mixture "water-sunflower oil" with the addition of 0,02 % of the obtained antioxidant) compared with the control (model mixture «water-sunflower oil»). In this case, conducting the experiment at a temperature of +110 °C gives an increase in the period of induction of the test sample by 19 %, and at a temperature of +90 °C – by 28 %. The obtained results indicate the fact of partial destruction of chlorogenic acid at higher temperatures. The possibility of using chlorogenic acid as a preservative in the composition of the emulsion product – mayonnaise "Provence" is considered and experimentally proved. The amount of introduced experimental preservative was equal to the amount of industrial preservative – sorbic acid (1000 mg/kg) in accordance with DSTU 4487:2015. A positive result was obtained: after storage of freshly produced mayonnaise for two weeks at a temperature of +35 °C, the amount of yeast in a sample of mayonnaise with the addition of chlorogenic acid was -> 10 CFU / g, and in a sample of mayonnaise without preservative – 20 ± 7,9 CFU / g . Based on the research on the possibility of increasing the degree of extraction of chlorogenic acid from sunflower meal, as well as certain rational parameters of the extraction process, an improved technological scheme for obtaining a crystalline sample of chlorogenic acid from sunflower meal. Economic studies on the feasibility of using the developed technology for obtaining chlorogenic acid from sunflower meal. According to the results, there is an economic effect, namely, the expected selling price of the obtained chlorogenic acid with a mass fraction of the basic substance of 98,27 %, which is 480 thousand UAH, which is much lower than the market price (3 322,3 thousand UAH/kg) chlorogenic acid with a mass fraction of the basic substance of 98 %.