Хімія та хімічні технології/8. Кінетика та каталіз

Д.т.н. Гладкий Ф.Ф., д.т.н. Некрасов П.О., асп. Подлісна О.В.

Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна

Отримання діацилгліцеринів методом біокаталітичного гідролізу

На сьогоднішній день у зв’язку з посиленням вимог дієтології щодо якості та біологічної цінності їжі з’являється необхідність пошуку нових перспективних методів переробки жирової сировини. На сучасному етапі розвитку олійно-жирової галузі одними з ефективних методів модифікації жирів є процеси ензимної трансформації, зокрема гідроліз.

Теоретично, гідроліз представляє собою хімічний процес, у якому відбувається розщеплення зв’язків в молекулах гліцеридів за участю води [1]. Продуктами є два структурних елемента – жирна кислота та гліцерин. Практично, процес розпаду протікає послідовно, з утворенням проміжних продуктів реакції – моно- та діацилгліцеринів (МАГ та ДАГ).

Відходячи від традиційної придатності гідролізу з метою одержання жирних кислот, сучасні технологічні прийоми дозволяють використовувати вказаний процес для синтезу ДАГ – ліпідів, які завдяки специфічному складу та структурі позитивно впливають на перебіг метаболічних процесів в організмі [2].

Проте на сьогоднішній день недостатньо інформації щодо ферментативного гідролізу жирів, спрямованого на їх збагачення діацилгліцеринами.

У зв’язку з цим метою даної роботи було дослідження та оптимізація процесу біокаталітичного гідролізу жирів за критерієм максимального виходу діацилгліцеринів.

Визначення оптимальних умов процесу та знаходження математичного моделі здійснювалось шляхом планування експерименту з використанням методики поверхонь відклику. Діапазони варіювання основних параметрів наступні: температура 20 – 60 ºС, вміст ферменту 1 – 10 % (від маси жиру), кількість води 10 – 50 % (від маси жиру), час реакції 1 – 10 год.

Реалізація матриці планування з використанням програми Statistica 9 (StatSoft, Inc.) дозволила отримати наступне рівняння регресії для досліджуваного процесу:

Y = –13,669 + 2,82∙Е – 0,666∙Е² + 2,331∙t – 0,065∙t² – 0,554∙τ – 1,120∙τ ² + 1,605∙w–0,023∙w²+ 0,146∙Е∙t + 0,29∙Е∙τ – 0,038∙Е∙w + 0,231∙t∙τ + 0,015∙t∙w – 0,034∙τ∙w (1)

де Y – ступінь перетворення вихідних триацилгліцеринів у діацилгліцерини, %; t – температура реакції, °С; Е – вміст ферменту, %; w – кількість води від маси олії, %; τ – час реакції, год.

Для перевірки значущості коефіцієнтів регресії було побудовано діаграму Парето, яку представлено на рис. 1 (L – лінійній ефект, Q – квадратичний ефект).

Рис.1. Діаграма Парето

Згідно даним, представленим на рис. 1, усі ефекти та їх взаємодії є значимими для досліджуваного процесу.

На основі математичної моделі (1) були отримані оптимальні параметри реакції: температура – 37 ºС, вміст ферменту – 6 %, вміст води – 34 %, час – 3,2 години, які забезпечують максимальний вміст діацилгліцеринів – 66,5 %.

З метою дослідження основних закономірностей впливу предикторів на протікання процесу в цілому було побудовано поверхні відклику, які відображають залежність вмісту діацилгліцеринів від кожної пари параметрів при фіксованих в оптимумі значеннях інших двох (рис. 2).

а б

в г

Рис. 2. Залежності вмісту діацилгліцеринів від основних параметрів

Згідно представленим графічним даним (рис. 2-а) максимальна концентрація діацилгліцеринів у системі досягається за 3,2 години, після чого швидкість накопичення ДАГ в реакційній суміші знижується. Раціональний температурний режим каталітичного процесу варіюється в діапазоні 25 – 45 ºС, причому фіксація температури на рівні 37 ºС забезпечує максимальний вміст діацилгліцеринів (рис. 2-а, 2-б, 2-в). Внаслідок незмішуваності реакційних компонентів системи поверхня розділу фаз залежить від кількості води у середовищі. Це узгоджується з даними, представленими на рис. 2-б, 2-г. При мінімальному вмісті вологи (близько 10 %) вихід діацилгліцеринів не перевищував 30 %, в той час як при доведенні води у системі до рівня 34 % вміст ДАГ досягав максимального значення. Також встановлено, що концентрація діацилгліцеринів збільшується при вмісті ферменту у системі в кількості від 1 до 6 % (рис. 2-в, 2-г). При подальшому додаванні ензиму в реакційне середовище відбувається зростання швидкості реакції, проте концентрація ДАГ практично не змінюється.

Висновки. В результаті досліджень доведена можливість синтезу діацилгліцеринів методом гідролізу жирів. Шляхом математичного моделювання встановлені оптимальні умови процесу, які забезпечують максимальний ступінь перетворення вихідних триацилгліцеринів у діацилгліцерини. Проведено аналіз впливу досліджуваних параметрів на перебіг ферментативного гідролізу в цілому.

Література:

1. Тютюников Б. Н. Химия жиров / Б.Н Тютюников, Ф.Ф. Гладкий, З.И. Бухштаб. – М.: Издательство «Колос». – 1992. – 448 с.

2. Diacylglycerol oil for the metabolic syndrome / Y. Hidekatsu, Y. Tomono, K. Ito [et al] // Nutrition Journal. – 2007. – Vol. 6. – No. 1. – P. 43-48.