Краснодар, Краснодарский край, Россия
Краснодар, Краснодарский край, Россия
Краснодар, Краснодарский край, Россия
Краснодар, Краснодарский край, Россия
Цель исследования – изучение влияния импульсного электрического поля (ИЭП) на изменение структурного состояния молекул фосфолипидов (ФЛ), триацилглицеринов (ТАГ) и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, для обоснования эффективности применения ИЭП в процессе его обезжиривания. Задачи: сравнить структурное состояние молекул ФЛ, ТАГ и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, до и после его обработки ИЭП; выявить влияние обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП на степень извлечения нейтральных липидов (НЛ) из жидкого лецитина. Объект исследования – жидкий подсолнечный лецитин, в котором содержанием ФЛ соответствует 61,5 %, а НЛ – 37,9 %. Обработку лецитина ИЭП проводили на лабораторной установке, состоящей из камеры с плоскопараллельно расположенными электродами, генератора сигналов ИЭП, сверхвысокоскоростного высоковольтного усилителя, цифрового осциллографа и прецизионного LCR-метра. Изменение структурных состояний молекул ФЛ, ТАГ и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, до и после его обработки ИЭП осуществляли косвенным методом путем исследования его ядерно-магнитных релаксационных характеристик на ЯМР-анализаторе АМВ 1006М. Обработка жидкого подсолнечного лецитина, предварительно нагретого до 35 °С, ИЭП в течение 7 мин при напряженности ИЭП 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 обеспечивает максимальное содержание индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в жидком лецитине, что позволит получить обезжиренный лецитин с низким содержанием НЛ и высоким содержанием ФЛ. При проведении обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина установлено, что обработка ИЭП позволяет повысить степень извлечения НЛ из жидкого лецитина на 16,1 %, это подтверждает эффективность процесса обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина с применением ИЭП.
жидкий подсолнечный лецитин, фосфолипиды, нейтральные липиды, обезжиривание жидкого подсолнечного лецитина, интенсификация, физические методы, импульсное электрическое поле
Введение. Известно, что в результате обезжиривания жидкого растительного лецитина получают пищевую добавку с высоким содержанием фосфолипидов (ФЛ) (не менее 95 %) – обезжиренный лецитин [1]. Следует отметить, что качество получаемого обезжиренного лецитина зависит от полноты экстракции органическим растворителем нейтральных липидов (НЛ) из жидкого лецитина в процессе его обезжиривания. Для проведения наиболее полной экстракции НЛ из жидкого лецитина необходим значительный расход органического растворителя, как правило, ацетона [2]. В связи с этим является актуальным поиск эффективных методов интенсификации процесса обезжиривания жидкого лецитина, позволяющих обеспечить наиболее полную экстракцию НЛ при низком расходе растворителя, а, следовательно, получить обезжиренный лецитин с высоким содержанием ФЛ.
В этом аспекте представляют интерес физические методы интенсификации, а именно метод ультразвукового (УЗ) воздействия и метод воздействия импульсного электрического поля (ИЭП) на систему «жидкий лецитин – ацетон» в процессе экстракции. Следует отметить, что метод УЗ воздействия достаточно широко используется для интенсификации твердожидкостной экстракции целевых компонентов из растительного сырья с помощью различных растворителей, включая воду [3–5].
В статье [6] нами показана эффективность применения метода УЗ воздействия для интенсификации процесса обезжиривания жидкого соевого лецитина, позволившая значительно (на 3,3 %) повысить в получаемом продукте содержание ФЛ, а также снизить расход растворителя по сравнению с контролем.
Основным преимуществом метода воздействия ИЭП в процессе экстракции, по сравнению с другими физическими методами, в т. ч. и УЗ воздействия, является его нетермический характер [7, 8].
Следует отметить, что эффективность метода воздействия ИЭП в основном была показана для интенсификации процессов массопереноса в растительном сырье, имеющем волокнистую или твердую структуру. В результате нетермической электропорации клеточных мембран растительного сырья происходит повышение их проницаемости, что обеспечивает повышение скорости диффузии растворителя внутрь клеток [9, 10].
Однако в последнее время были проведены исследования по влиянию обработки сложных многокомпонентных пищевых систем ИЭП на эффективность протекания некоторых химических реакций, а именно реакций хелатообразования, этерификации спиртов, Майера и других без повышения температуры реакционной системы и ввода катализатора [11–13]. Кроме того, имеются сведения, что в результате обработки растворов органических кислот ИЭП возможен разрыв межмолекулярных водородных связей, что приводит к высвобождению индивидуальных молекул из их ассоциатов [11].
Учитывая, что в жидком лецитине НЛ, состоящие из триацилглицеринов (ТАГ) и свободных жирных кислот, находятся не только в виде индивидуальных молекул, но и в виде ассоциатов различных порядков, в т. ч. и с молекулами ФЛ [14], которые затрудняют процесс диффузии растворителя, а, следовательно, снижают скорость массообмена в системе «жидкий лецитин – ацетон», то представляет интерес исследование влияния обработки жидкого лецитина ИЭП на степень повышения содержания в жидком лецитине индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот.
Цель исследования – изучение влияния ИЭП на изменение структурного состояния молекул ФЛ, ТАГ и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, для обоснования эффективности применения ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина.
Задачи: сравнить структурное состояние молекул ФЛ, ТАГ и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, до и после его обработки ИЭП; выявить влияние обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП на степень извлечения НЛ из жидкого лецитина в процессе его обезжиривания.
Объекты и методы. Объект исследования – жидкий подсолнечный лецитин, содержащий 61,5 % веществ, нерастворимых в ацетоне (ФЛ), и 37,9 % НЛ.
Обработку жидкого подсолнечного лецитина ИЭП осуществляли с применением лабораторной установки, состоящей из камеры с плоскопараллельно расположенными электродами, генератора сигналов ИЭП, сверхвысокоскоростного высоковольтного усилителя, прецизионного LCR-метра и цифрового осциллографа.
Образцы жидкого лецитина, предварительно нагретые до 35 °С, помещали в камеру с электродами, зазор между которыми составлял 3 см, и подвергали воздействию ИЭП при напряженности 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 в течение заданного времени.
Напряженность ИЭП и количество подаваемых единичных импульсов были определены в результате серии предварительных экспериментов.
Оценку эффективности влияния обработки жидкого лецитина ИЭП на переход содержащихся в жидком лецитине молекул ТАГ, свободных жирных кислот и ФЛ из одного структурного состояния в другое осуществляли путем измерения ядерно-магнитных релаксационных характеристик жидкого лецитина до и после его обработки ИЭП на ЯМР-анализаторе АМВ-1006 М (ВНИИМК, Россия).
Обработку системы «жидкий лецитин – растворитель» ИЭП в процессе обезжиривания проводили аналогично обработке жидкого лецитина.
В качестве растворителя использовали ацетон марки «ч.д.а.».
После обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП осуществляли отделение ацетоновой мисцеллы, содержащей НЛ, путем фильтрования под вакуумом. Затем из ацетоновой мисцеллы удаляли растворитель с помощью роторного испарителя под вакуумом и сушили под вакуумом при температуре 50 °С до постоянной массы для расчета степени извлечения НЛ из жидкого лецитина в процессе обезжиривания.
Степень извлечения НЛ рассчитывали в процентах, как отношение массы НЛ в ацетоновой мисцелле после удаления ацетона к массе НЛ, содержащихся в жидком лецитине.
Полученные экспериментальные данные обрабатывали с помощью пакета программ MS Excel и Statistica 9.0.
Результаты и их обсуждение. На первом этапе исследовали влияние продолжительности обработки жидкого лецитина ИЭП на изменение его ядерно-магнитных релаксационных (ЯМР) характеристик, а именно амплитуд сигналов ЯМР протонов первой (А1), второй (А2), третьей (А3) и четвертой (А4) компонент, а также их суммарных значений.
В статье [14] нами было показано, что значение А1 является количественной характеристикой содержания в образце жидкого лецитина протонов индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот; А2 – протонов ассоциатов ТАГ и свободных жирных кислот; А3 – протонов молекул ФЛ в виде мицелл низких порядков; А4 – протонов молекул ФЛ в виде мицелл высоких порядков.
Учитывая это, сумма А1 и А2 характеризует содержание в образце жидкого лецитина НЛ, т. е. ТАГ и свободных жирных кислот, а сумма А3 и А4 – содержание собственно ФЛ.
Обработку жидкого подсолнечного лецитина ИЭП осуществляли в течение 5; 7 и 9 мин. Следует отметить, что предварительно было установлено отсутствие изменения ЯМР-характеристик жидкого лецитина при его обработке ИЭП менее 5 мин.
На рисунке 1 приведены данные по влиянию обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП на значение А1 и А2 (а) и на их сумму (б), а на рисунке 2 – на значения А3 и А4 (а) и на их сумму (б) по сравнению с образцом жидкого лецитина без обработки ИЭП (К).
А
Рис. 1. Влияние обработки жидкого лецитина ИЭП на значения А1 (
) и А2 ( 
) (а)
и на их сумму (б) при продолжительности обработки: 1–5 мин; 2–7 мин; 3–9 мин
б
Окончание рис. 1
а
б
Рис. 2. Влияние обработки жидкого лецитина ИЭП на значения А3 ( ) и А4 ( ) (а)
и на их сумму (б) при продолжительности обработки: 1–5 мин; 2–7 мин; 3 –9 мин
Из приведенных на рисунке 1 данных видно, что при повышении продолжительности обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП с 5 до 7 мин значение А1, характеризующее содержание в лецитине индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот, увеличивается, а значение А2, характеризующее содержание молекул ТАГ и свободных жирных кислот в виде ассоциатов, снижается за счет высвобождения из ассоциатов индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот.
При повышении продолжительности обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП с 7 до 9 мин А1 и А2 не изменяются, что, по-видимому, можно объяснить недостаточной интенсивностью воздействия ИЭП для дальнейшего высвобождения из ассоциатов индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот.
Из данных, приведенных на рисунках 1, б; 2, видно, что сумма амплитуд А1 и А2, значения амплитуд А3 и А4, а также их сумма, во время проведения экспериментов по обработке образцов жидкого подсолнечного лецитина ИЭП не изменялись, что свидетельствует об отсутствии высвобождения индивидуальных молекул ФЛ из мицелл низких порядков и является положительным моментом, так как в процессе обезжиривания жидкого лецитина высвобождение молекул ФЛ из мицелл низких порядков может привести к их потере с раствором НЛ в растворителе, а, следовательно, к снижению содержания ФЛ в обезжиренном лецитине.
Следует отметить, что в результате предварительных экспериментов по повышению интенсивности (напряженность ИЭП выше 6 кВ/см) и увеличению продолжительности (более 9 мин) обработки образцов жидкого подсолнечного лецитина ИЭП нами установлен нежелательный рост перекисных чисел указанных образцов.
На рисунке 3 представлены данные по влиянию продолжительности обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП на степень повышения содержания индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот по сравнению с образцом жидкого подсолнечного лецитина без обработки ИЭП.
1 – обработка ИЭП в течение 5 минут;
2 – обработка ИЭП в течение 7 минут;
3 – обработка ИЭП в течение 9 минут
Рис. 3. Влияние продолжительности обработки жидкого лецитина ИЭП на степень повышения содержания индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в его составе
Анализ данных рисунка 3 показывает, что обработка жидкого лецитина ИЭП в течение 7 мин обеспечивает степень повышения индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в лецитине на 18,5 % по сравнению с образцом жидкого лецитина без обработки ИЭП.
Таким образом, обработка жидкого подсолнечного лецитина, предварительно нагретого до 35 °С, ИЭП в течение 7 мин при напряженности 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 обеспечивает максимальное содержание индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в жидком лецитине, что, в свою очередь, позволит получить обезжиренный лецитин с низким содержанием НЛ и высоким содержанием ФЛ.
Для подтверждения указанной гипотезы на следующем этапе проводили обработку системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина.
На рисунке 4 приведены данные по влиянию обработки системы «жидкий лецитин-ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина на степень извлечения из него НЛ по сравнению со степенью извлечения НЛ из жидкого лецитина, в процессе обезжиривания которого не проводили обработку системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП.
Процесс обезжиривания жидкого лецитина ацетоном без обработки системы «жидкий лецитин-ацетон» ИЭП осуществляли при температуре 35 °С, соотношении (масс./масс.) лецитин : ацетон, равном 1 : 6, и перемешивании в течение 10 мин с частотой вращения мешалки 20 с–1, а процесс обезжиривания жидкого лецитина с обработкой ИЭП – при температуре 35 °С, соотношении (масс./масс.) лецитин : ацетон – 1 : 6 путем смешивания жидкого лецитина и ацетона в течение 3 мин с частотой вращения мешалки 20 с–1, с последующей обработкой системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в течение 7 мин.
1 – без обработки ИЭП;
2 – с обработкой ИЭП
Рис. 4. Влияние обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина на степень извлечения из него НЛ
Из приведенных на рисунке 4 данных видно, что обработка системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП позволяет повысить степень извлечения НЛ на 16,1 %, а это, в свою очередь, подтверждает эффективность применения метода воздействия ИЭП для интенсификации процесса обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина.
Заключение. Таким образом, на основании комплекса проведенных исследований установлена эффективность применения метода нетермического физического воздействия, а именно метода воздействия ИЭП в течение 7 мин при напряженности 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 для интенсификации процесса обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина.
Учитывая это, перспективными являются дальнейшие исследования по разработке технологии получения обезжиренных лецитинов с применением ИЭП.
1. Лисовая Е.В., Викторова Е.П., Лисовой В.В. Анализ ассортимента лецитинов, представленных на российском рынке // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК – продукты здорового питания. 2019. № 2 (28). С. 51–55.
2. Фосфолипиды жидких растительных лецитинов и способы их модификации / Е.В. Лисовая [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. «Пищевые и биотехнологии». 2023. Т. 11, № 1. С. 5–18.
3. Елапов А.А., Кузнецов Н.Н., Марахова А.И. Применение ультразвука в экстракции биологически активных соединений из растительного сырья, применяемого или перспективного для применения в медицине // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2021. Т. 10, № 4. С. 96–116.
4. Потороко И.Ю., Калинина И.В. Перспективы использования ультразвукового воздействия в технологии экстракционных процессов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. «Пищевые и биотехнологии». 2014. Т. 2, № 1. С. 42–47.
5. A comprehensive review of ultrasonic assisted extraction (UAE) for bioactive components: Principles, advantages, equipment, and combined technologies / L. Shen [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2023. Vol. 101. P. 106646.
6. Влияние ультразвукового воздействия на эффективность процесса обезжиривания жидких лецитинов / Е.В. Лисовая [и др.] // Техника и технология пищевых производств. 2023. Т. 53, № 3. С. 445–454.
7. Кошевой Е.П., Шорсткий И.А. Оценка эффективности использования импульсного электрического поля в процессах экстрагирования масличных материалов // Научные труды КубГТУ. 2019. № 1. С. 383–398.
8. Recent advances on application of ultrasound and pulsed electric field technologies in the extraction of bioactives from agro-industrial by-products / B. Kumari [et al.] // Food and bioprocess technology. 2018. Vol. 11. P. 223–241.
9. Review of the application of pulsed electric fields (PEF) technology for food processing in China / D. Niu [et al.] // Food Research International. 2020. Vol. 173. P. 109715.
10. Pulsed electric field applications for the extraction of bioactive compounds from food waste and by-products: A Critical Review / T. Cha¬tzimitakos [et al.] // Biomass. 2023. Vol. 3, Is. 4. P. 367–401.
11. Enhancement of ethanol – acetic acid esterification under room temperature and non-catalytic condition via pulsed electric field application / Z.R. Lin [et al.] // Food and Bioprocess Technology. 2012. № 5 (7). P. 2637–2645.
12. Study on the Maillard reaction enhanced by pulsed electric field in a glycin–glucose model system / J. Wang [et al.] // Food and Bioprocess Technology. 2011. № 4 (3). P. 469–474.
13. The preparation of Fe-glycine complexes by a novel method (pulsed electric fields) / Z.H. Zhang [et al.] // Food Chemistry. 2017. № 219. P. 468–476.
14. Исследование ядерно-магнитных релакса-ционных характеристик сложных липидных систем «триацилглицерины-фосфолипиды» / О.С. Агафонов [и др.] // Новые технологии. 2010. № 2. С. 11–14.
