НОВИЙ ЕМУЛЬГАТОР І КОНСЕРВАНТ НА ОСНОВІ РИЦИНОВОЇ КИСЛОТИ Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

Conclusion. It was found that the most significant factor determining the recovery diosmin from "De-tralex®" tablets is the sodium hydroxide concentration. Other extraction factors (acetonitrile concentration, extraction time, centrifugation time, addition of ammonium sulfate) did not have a significant effect. The optimal concentration of sodium hydroxide in the extract-ant is 0,02 mol/L.

REFERENCES:

1. Halafyan, A.A. Statisticheskij analiz dannyh. Statistica 6.0.: Uchebnoe posobie / A.A. Halafyan. Krasnodar: KubGU; 2005.(In Russ.)

2. Srilatha, D. Development and Validation of UV Spectrophotometric Method for Simultaneous Estimation of Hesperidin and Diosmin in the Pharmaceutical Dosage Form / D. Srilatha, M. Nasare, B. Na-gasandhya [et al.] // ISRN Spectroscopy. - 2013.: Hindawi Publishing Corporation. - Access: https://dx.doi.org/10.1155/2013/534830.

NEW EMULSIFIER AND ANTIDEGRADANT BASED ON CASTORIC ACID

Havriushenko K.,

Postgraduate Student, Department of Technology of Fats and Fermentation Products National Technical

University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine

Gladkiy F.,

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Technology of Fats and fermentation Products, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine

Skliar V.

Undergraduate Student, Department of Technology of Fats and Fermentation Products National Technical

University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine

НОВИЙ ЕМУЛЬГАТОР I КОНСЕРВАНТ НА ОСНОВ1 РИЦИНОВО1 КИСЛОТИ

Гаврюшенко К.О.,

AcnipaHm, Кафедра технологи жирiв та npodyKmie бродiння, Нацюнальний техтчний yuieepcumem

«Хартвський полiтехнiчний iHcmumym», XapKie, Украша

Гладкий Ф.Ф.,

Доктор технiчних наук, професор, Кафедра технологи жирiв та npodyKmie бродтня, Нацюнальний mехнiчний утверситет «Хартвський noлimехнiчний iнсmиmym», Хартв, Украша

C^rap В.В.

Магктрант, Кафедра технологи жиpiв та npoдyкmiв бродтня, Нацioнальний mехнiчний утверситет «Хартвський noлimехнiчний iнсmиmym», Хартв, Украша

Abstract

The article is devoted to the determination of rational conditions for amonolysis of castor oil and sodium salt of glycine with the use of a heterogeneous catalyst - zeolites of the Na-X type. A mathematical description of the dependence of the degree of transformation on the main parameters of the process, namely: temperature and duration of interaction. Ways of using the sodium salt of ricinoylglycine as an effective solubilizer against glaze substances and a component that inhibits the appearance of mold and has bactericidal properties in the composition of cosmetic and food products are proposed.

Анотащя

Стаття присвячена визначенню рацюнальних умов амонолiзу рициново! оли та raipieBoi солi глщину i3 застосуванням гетерогенного каталзатору - цеолтв типу Na-X. Отримано математичний опис залеж-носп ступеню перетворення вщ основних паpаметpiв процесу, а саме: температури та тривалосп взаемоди. Запропоновано шляхи використання налево! солi рициношглщину, як ефективного солюбшзатора вщ-носно поляних речевин та компонента, що пригшчуе появу плюняви та проявляе бактерицидш властиво-сп, у склащ косметичних та харчових продукпв.

Keywords: surfactants, amino acids, heterogeneous catalyst, zeolites, amonolysis, castor oil, acyl aminoac-ids, bactericidal properties, solubilizer, rotatable central composition plan.

K^40Bi слова: поверхнево-активш речовини, амшокислоти, гетерогенний каталiзатоp, цеолти, амо-нолiз, рицинова олiя, ациамшокислоти, бактерицидш властивосп, солюбшзатор, рототабельний центрально -композицшний план.

Вступ. В багатьох кранах свиу зростае штерес тва амшокислотних ПАР зумовлений ïx багатофун-до використання поверхнево-активних речовин кцюнальшстю, низькою токсичнiстю, вщновлюва-(ПАР) на основi амiнокислот. Розвиток виробниц- льними джерелами сировини, та повним бюрозкла-

данням. Промисловий випуск ПАР на ochobí амшо-кислот здiйснюeться в Японп (компашя «Ajinomoto»), Швейцарй' (компашя «Clariant»), США (компaнiя «Sino Lion»), Пiвденнiй Коре! (компaнiя «Miwon») та шших кра!нах. Продукти цих виробнишв, переважно, використовують у склaдi миючих зaсобiв для особисто! гiгieни в яко-стi альтернативи поверхнево-активним речовинам нaфтохiмiчного виробництва [1]. ПАР на основi aмiнокислот е цiнними й у виготовленш продуктiв харчування для подовження термiну придaтностi в якосп консерванту [2]. Тому актуальними задачами для олшно-жирово! гaлузi е удосконалення технологи одержання ПАР на основi aмiнокислот та шге-грaцiя !хнього використання при виробнищга хар-чових та косметичних продукпв.

Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми. Амшокислотш поверхнево-aктивнi ре-човини стшш до солей жорсткостi води, мають ввд-мiннi емульгуючi та антимжробш влaстивостi, як1 роблять !х цiнними як добавки в розробщ продуктiв харчування, косметики, зaсобiв особисто! ппени i фармацевтичних продуктiв [3].

ПАР на основi aмiнокислот широко використо-вуються у якостi емульгaторiв у хaрчовiй промис-ловостi, наприклад у маргаринах, молочних продуктах, низькокалоршних пастах та заправках [4]. Крiм того, новi розумiння харчових звичок та аспе-ктiв здоров'я вимагае внесення змiн до складу продукпв харчування щодо калоршносп, вмiсту жиру, вiтaмiнiв або мiнерaлiв, що призводить до постш-ного розвитку рецептур продуктiв. Рaнiше на тдп-риемствах вважали за краще використовувати не-повнi aцилглiцерини, зокрема моноацилглщерини, але поверхнево-aктивнi речовини на основi ^íto-кислот з антимжробною aктивнiстю та широким aнтибaктерiaльним спектром, викликають великий iнтерес як багато об'еднаюча альтернатива комер-цiйно доступним неповним aцилглiцеринaм в склaдi харчових продукпв. Цi поверхнево-aктивнi речовини додатково забезпечують значну антимж-робну дш. Мають aктивнiсть проти кишково! пали-чки та сальмонели, як1 е найб№ш поширеними патогенами та створюють серйозну небезпеку для здоров'я людини [5].

Методи одержання одноланцюгових амшокис-лотних ПАР вiдрiзняються в залежносп ввд типу поверхнево-активних речовин (катюнш, aнiоннi, aмфотернi чи неiоногеннi), яш збираються одер-жати з амшокислот [3]. Вiдомо, що кaтiоннi ПАР мають найбшьшу бактерицидну дiю серед шших ПАР.

Управлшням харчовими продуктами та лжами США (FDA) в 2005 рощ було схвалено застосу-вання катiонактивного ПАР - етиллаурош аргiнату як консерванта в харчових продуктах [2].

Отримують етиллаурош арпнат шляхом етери-фжацп арпшну з етанолом з подальшою реакщею складного ефiру з лауроiлхлоридом. Отриманий етиллауроiл аргiнат видiляють у виглядi пдрохло-ридно! солi. Вiн призначений для використання як консервант через виражену антимiкробну активность. Етиллаурош арпнат був також схвалений як безпечний харчовий консервант до 225 мг/кг (ррт) [2].

Етиллаурош арпнат е активним проти бакте-рш, водоростей та грибiв. Вiн використовуеться як багатофункцюнальний компонент в рецептурах косметичних продукпв з заявленим застосуванням як антистатичний засiб i як поверхнево-активна речо-вина з антимжробними властивостями у рецептурах косметичних виробiв. В 2007 рощ Свропейське агентство по безпецi продукпв харчування (EFSA) впровадило етиллауроiл арпнат як харчову добавку для використання в безалкогольних напоях та фру-ктових соках, в соленш рибi та м'ясних продуктах [6].

В патенп [7] запропоновано застосування на-трiевоl солi рицино!л глiцину як антимiкробного компонента в косметичних засобах та продуктах харчування. Технолопя одержання натрiево! солi рицинош глiцину простiше в порiвняннi з шшими технологiями поверхнево-активних пох1дних амь нокислот. Отримують натрiеву сiль рицинош rai-цину шляхом аммонолiзу рициново! олл натрiевою сiллю глiцину з використанням в якостi каталiза-тору глщерату натрiю [8]. Новим ршенням е застосування в якосп каталiзатора цеолiтiв типу Na-X.

Мета дослщження. Мета полягае у визначенш рацiональних умов амонолiзу рициново! олп та на-трiево! солi глщину iз застосуванням гетерогенного каталiзатору - цеолтв типу Na-X та отримання за-лежностi величини ступеню перетворення рициново! олi! в натрiеву сiль рициноiлглiцина вщ основ-них параметрiв процесу.

Матер1али i методи дослщження. Амонолiз рициново! олi! натрiевою сiллю глiцина проводили зпдно з [8], але в якосп каталiзатора використову-вали цеолiти типу Na-X з розмiром пор 9 - 12 А компанп ООО "Харьковпромхим" (Укра!на).

Цеолiти представляють собою мшропорисп кристалiчнi алюмосилiкати, що зустрiчаються в природi або можуть бути синтезоваш У фаржезитiв (FAU) типу X система взаемозв'язаних порожнин мае тетраедричну структуру. В таблицi 1 наведет !х властивостi [9].

Таблиця 1

Властивосп i

Назва Тип каналiв Ддаметр каналiв або вiкон, нм Об'ем пор, мл/г Вiдношення Si/Al

Цеолiт X Тривимiрнi канали, порожнини з'еднаш вiкнами, тетрагональна структура 0,75 0,35 1 - 1,5

Коли юни Al3+ замщають юни Si4+ в тетра-едрi, то така структура мае негативний заряд, який компенсують катiонами Na+. Такий цеолiт познача-ють як Na-X.

На поверхнi цеолiтiв е кислотш центри, що ма-ють каталiтичну активнiсть. Цеолiти як каталiза-тори найбiльш вiдомi в процесах крекiнгу нафти [9]

За результатами апрюрно! шформаци було ви-значено найважливiшi фактори, що впливають на умови амонолiзу рициново! олл. Пошук рацюналь-них умов амонолiзу рициново! олл вiдбувався з ви-користанням методу математичного планування експерименту. Використовували центральне-ком-позицiйне рототабельне планування другого порядку (ЦКРП) з наступною обробкою результатiв реалiзацi! плану в програмi STATISTICA 12 i Microsoft Excel.

Результати дослщжень. Результатом реакцi! амонолiзу рициново! олл на^евою сiллю глiцина в присутносп гетерогенного каталiзатора е цiнний

продукт, а саме солi ациламiнокислот, як1 е альтернативою поверхнево-активних речовинам на основi алкiлсульфатiв [8] та проявляють бактерициднi вла-стивостi, що дозволяе запропонувати використову-вати !х в якостi антимiкробного компонента у склащ косметичних засобiв та продукпв харчу-вання [7].

Зпдно з [10] запропоновано пiсля реакцi! амо-нолiзу видiляти ациламiнокислоти з використанням соляно! кислоти, а в наступному нейтралiзувати !х гiдроксидом натрш для отримання ациламшокис-лот. Тому в серп дослщв ( 13 дослщв), проводили амонолiз рициново! олл глщинатом натрiю з використанням каталiзатора - цеолiтiв типу NaX i одер-жували натрiеву сiль рициношглщину з яко! потiм видiляли ациламшокислоти та визначали !! число нейтралiзацi!'. Порiвнюючи теоретичне значення ЧН з визначеним експериментально можна розра-хувати кiлькiсть активно! речовини, тобто ациламь нокислот, у ввдсотках. Цей показник обрано параметром вщуку матриц планування. Рiвнi та штер-вали варшвання факторiв наведенi в таблиц 2.

Таблиця 2

Фактори Температура процесу, °С Тривалють взаемоди, хв

Код Х1 Х2

Основний рiвень, Хю 155 225

1нтервал варiювання, AXi 10 75

ВерХШй рiвеHЬ, Xmax 167,07 291,21

НИЖН1Й рiвень, Xmin 152,93 248,79

Верхня зiркова точка, +V2 170 300

Нижня зiркова точка, -V2 150 240

Матриця планування експерименту, що мiстить значення факторiв в натуральному i кодованому ви-глядi, а також його результати представлен в таблицi 3.

Таблиця 3

Мат |)иця планування експерименту та його результати

Фактори в натуральному вигляд! Фактори в кодованому вигляд1 Кшьшсть активно! речо-вини,%

№ дос- ладу Температура про-цесу,°С Тривалють взаемоди, хв Х1 Х2 Y

1 152,93 248,79 -1 -1 65,70

2 152,93 291,21 -1 +1 72,06

3 167,07 248,79 +1 -1 71,20

4 167,07 291,21 +1 +1 64,80

5 150 270 -V2 0 52,14

6 170 270 +V2 0 80,20

7 160 300 0 -V2 71,20

8 160 240 0 +-V2 73,40

9 160 270 0 0 84,76

10 160 270 0 0 84,46

11 160 270 0 0 83,40

12 160 270 0 0 82,00

13 160 270 0 0 82,50

Стосовно процесу, що дослiджуеться, було обрано функцш вiдгуку, яка мае вигляд полшому другого ступеню:

Y=bo + biXi + ЬХ2 + ЬХ2: + ЬХ22 + ЬХХ

(1)

де Y - стушнь перетворення, %; Ь0 - константа; x1 - температура процесу, °С; х2 - тривалють процесу, хвилини; Ъь Ъ2, Ьз, Ъ4, Ъ5 - коефщенти для кожного елемента полшома. Розрахунок коефiцieнгiв проводили за формулами 2 - 5 [11]:

Ь0=^ [2Х|(п + 2) ^ уг - 2Х2С ^^ xfu уи]

и= 1 ¿ = 1 и=1

N

b> = CNl-

N

п N

ХШ Уи

и=1 N

= ~У

= Ь'Х ^XiuXjuVu

4 U=1

(2)

(3)

(4)

А

bii = jj [С2 [(п + 2)14 -п]^ х2и уи +

и=1

п N N

+с2(1 -14)^^ Уи - 2I4C ^ Уи

(5)

i = 1 и=1

де N - кшьшсть дослiдiв, п - к1льк1сть факгорiв.

В результат вiдповiдних розрахунк1в отримано рiвняння регресп, яке представлено виразом (6) в кодовому виглядi:

У= 83,42 + 4,74Х1 - 0,57Х2- 8,76Х21 + 2,14Х22 - 3,19Х1Х2

Наступний аналiз експериментальних даних було виконано за допомогою програми 8ТЛТ18Т1СЛ 12. Для перевiрки значущосп коефщенлв в рiвняннi регреси (6) було побудовано дiаграму Парето, яку представлено на рисунку 1 (Ь - лшшний ефект, О - квадратичний ефект).

р=0,05

Ошнка сфекту (Абсолютне жлчсння)

Рисунок 1 - дiаграма Парето

Аналiз даних, представлених на рисунку 1, показуе, що ефекти взаемоди тривалостi i температури процесу та лiнiйна тривалють взаемоди е незначущими, оск1льки не перетинають вертикальну лiнiю, що е 95 %-вою довiрчою ймовiрностю.

Адекватшсть отримано! модел1 перевiрялась методом дисперсшного анал1зу, результати якого пред-ставлеш в таблицi 4.

(6)

N

и=1

Таблиця 4

Дисперсшний аиа. из __

Фактор Сума ква-дратiв, SS Стутнь свободи, df Середне зна-чення квадрата, MS F- крите-рш Рiвень значущо-ст1, p

(1) Температура процесу, C(L) 179,768 1 179,7677 5,62935 0,049415

Температура процесу, C(Q) 534,223 1 534,2230 16,72898 0,004630

^уГривалстъ взаемодИ, хв^) 2,605 1 2,6055 0,08159 0,783223

Тривалють взаемодИ, хв.(Q) 246,133 1 246,1334 7,70757 0,027446

1L на 2L 40,704 1 40,7044 1,27464 0,296098

Чиста похибка 223,538 7 31,9340

Загальна сума квадра-т1В 1144,245 12

Коефiцiент детермшацп R2 = 0,80464

Скорегований коефщент детермiнацi! = 0,6651

Даш наведенi в табл. 4, зокрема ввдсутшсть утрати узгодженостi ^вень значущостi p >0,05) та зна-чення коефiцiентiв (R2 i ), 6лизьк1 до одиниц1, дозволяють зробити висновок, що отримана модел! адекватно описуе в1дгук.

Для розрахунку р1вняння регресп у Ф1зичних перемшних використовували формулу 7:

ZiXin

Х'=Ж' (7)

Залежнiсть ступеню перетворення в1д основних параметрiв процесу амонолiзу у Ф1зичних перемiнних мае вигляд:

Y= 22473,35 - 271,09 - 0,88 Z\ + 0,03 Z\ - 12,60 Z2 (8)

Графiчнi зображення залежностi температури процесу та тривалосп взаемодИ наведенi на рисунках 2

i 3.

Рисунок 2 - Залежтсть температури процесу та тривалкть взаемодИ: модель поверхт вiдгуку

148 150 152 154 156 158 160 162 164 166 168 170 172¡ Температура процесу, °С

Рисунок 3 - Залежнгсть температури процесу та тривалкть взаемодП: проекщя поверхт в1дгуку

Як можна спостертати, найбiльшi значения ступеня перетворення (бшьше 80%) знаходиться в iнтервалi температури 162°С та тривалосп процесу 270 хвилин.

В ходi статистичного аиалiзу встановлено гальюну залежиiсть (у виглядi регресшно! модел^ ступеню перетворення (к1льк1сть активно! речо-вини - рициноiлглiцину) вiд температури та тривалосп взаeмодi! рициново! олi! та натрieво! солi гль цину в присутностi гетерогенного каталiзатору -цеолiтiв типу МаХ та одержано рiвняння регресi!, яке адекватно описуе поверхню вiдгуку.

Натрieва сшь рициноiлглiцину, що утворю-еться в результата реакцi! мае жовтий колiр та подь бну на вюк текстуру за кiмнатно! температури, представляе собою анiонактивну ПАР, що розчиня-еться у водi з утворенням прозорого розчину. Помь чено, що у водних розчинах напева сшь рицинош-глiцину здатна проявляти ушкальт властивостi, а саме солюбiлiзувати вщносно полярнi речовини, наприклад ефiрнi олп. Тому натрiеву сiль рицино-шглщину можна використовувати в складi нових косметичних продуктiв [7].

Визначено ефектившсть антимiкробно! дi! водних розчишв натрiево! солi рициноiлглiцину рiз-но! концентрацi! на плiсияву, що утворюеться в

продуктах харчування таких як хлiб, сир та фрукти [7]. Визначення антимiкробно! чутливостi вшбува-лось як1сним (дифузiйним) методом, який полягае в висадженi на агарову пластину щльових органiзмiв, як1 шддають впливу антибактерiального засобу, ви-користовуючи просочеш стерильнi диски ф№тру-вального паперу. Пiсля вiдповiдного перiоду впливу вимiрюють розмiр зони гальмування росту навколо зони диску та вважають !! показником ан-тибактерiально! ефективносп [12].

Встановлено, що при концентрацп водного розчину натрiево! солi рициноiлглiцину бiльше 10% даний ПАВ сприяе пригнiченню плiснявих грибiв та шшо! мiкрофлори [7].

Тому застосування натрiево! солi рициноiлглi-цину як складово! частини косметичних, миючих засобiв, а також харчових продуктiв е ефективним для подовження термiну !х збер^ання та розши-рення асортименту продукпв на !х основi.

Для подовження терм^ зберiгання iнновацiй-ного кондитерського виробу, який представляе собою продукт з iнгредiентiв рослинного похо-дження, використано натрiеву сiль рициношгль цину в кiлькостi 0,87г на 100г продукту. Експериментальна рецептура такого продукту наведена в таблиц 5.

Таблиця 5

Рецептура iнновацiйного кондитерського виробу

Найменування сировини Витрати сировини на 600 г готово! продукцп, г

Пшоно 200

Кокосова стружка 80

Cík лимону 35

Цедра лимону 5

Мед 140

Вода 230

Ваншн 1

Виготовлений за експериментальною рецептурою кондитерський вир16 мае хорош! органолепти-чн властивостi, повн1стю п1дходить для людей з не-переносимiстю лактози або для вегетарiанцiв.

Висновки. Доведено можливють викорис-тання цеолiтiв типу NaX як каталiзатора в реакцп аммонолiзу ацилглiцеринiв - жир1в з похвдними амiнокислот.

Визначено рацiональнi умови шонол1зу рици-ново! оли натрiевою с1ллю глiцина в присутност1 гетерогенного каталiзатору - цеолiтiв типу NaX, а саме температура 162°С та тривалють взаемодИ 270 хв.

Запропоновано використовувати натрiеву с1ль рициношглщину у склада iнновацiйного кондитер-ського виробу для подовження термiну зберiгання та у склада косметичних засобiв, з огляду на ефек-тивну бактерицидну д1ю зазначено! ПАР.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ:

1. Global Amino Acid-based Surfactants Market 2020 Growth Factors, Types and Application by Regional Geography 2026. URL: https://www.wfmj.com/story/42266942/global-amino-acid-based-surfactants-market-2020-growth-factors-types-and-application-by-regional-geography-2026

2. Ethyl lauroyl arginate Chemical and Technical Assessment Prepared by Yoko Kawamura, Ph.D. and Brian Whitehouse, Ph.D., for the 69th JECFA.

3. Bordes R. Amino acid-based surfactants - do they deserve more attention? / R. Bordes, K. Holmberg. // Elsevier B.V. - 2015. - С. 1-13.

4. Flack, E. Butter, margarine, spreads, and baking fats. Lipid Technologies and Applications. New York: Marcel Dekker, Inc. 1997. P. 305-327.

5. D.B. Tripathy, et al. Synthesis, chemistry, physicochemical properties and industrial applications of amino acid surfactants : A review. Comptes Rendus Chimie. 2018. pp. 112-130.

6. Scientific Committee on Consumer Safety/ Ethyl lauroyl arginate HCl - submission IV // September 2013-р.95

7. Патент № 143173 Укра!на № u 2020 01327, МПК C07C 67/03, C11C 3/10 Споаб одержання ети-лових ефiрiв жирних кислот / К.О. Гаврюшенко, Ф.Ф. Гладкий - Опубл. 10.07.2020. Бюл. № 13.

8. Гаврюшенко К.О. Технологш поверхнево-активних похщних рициново! кислоти / К.О. Гаврюшенко, Ф.Ф. Гладкий // В1сник Нацюнального технчного ушверситету «ХП1». Серiя: 1нновацшш дослiдження у наукових роботах студенпв - 2020 -№5-56с.

9. Чоркендорф И., Наймантсведрайт X. современный катализ и химическая кинетика: Науч-ноеиздание. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. - 504 с.

10. Zhang, G. Green Synthesis, Composition Analysis and Surface Active Properties of Sodium Co-coyl Glycinate [Text] / G. Zhang, B. Xu, F. Han. // American Journal of Analytical Chemistry. - 2013. -Issue 4. - P. 445-450. doi: 10.4236/ajac.2013.49056

11. Бондарь А. Г., Статюха Г. А. Планирование эксперимента в химической технологи. Издательское объединение «Вища школа», 1976, 184 с.

12. Jaiswal K., Jaiswal S. Modelling the effects of natural antimicrobials as food preservatives Handbook of Natural Antimicrobials for Food Safety and Quality. 2015. pp. 259-284.