CC BY
18
УДК 665:664.3
Б01: 10.15587/2312-8372.2019.160316
ОПТИМВАЦ1Я СКЛАДУ ЖИРОВИХ СИСТЕМ НОВОГО ПОКОЛ1ННЯ Некрасов П. О., Гудзь О. М., Некрасов О. П., Березка Т. О.
1. Вступ
Сучасш вимоги до тдвищення якост та безпеки харчових продуктiв обумовлюють вдосконалення юнуючих та розробку нових технологiй. Зокрема, розробляються бiокаталiтичнi технологii синтезу лшщних систем, збагачених омега-3 полiненасиченими жирними кислотами [1]. Здiйснюються дослiдження щодо отримання пребiотичних i синбiотичних емульсшних жирових систем та сироватково-рослинних напоiв оздоровчого призначення [2, 3].
Ще одним напрямом пiдвищення якостi харчових продукпв е вирiшення проблеми мiнiмiзацii в iх складi вмiсту транс-iзомерiв жирних кислот. На сьогоднi ринок Украши заповнений харчовими продуктами на основi жирiв, якi виробляеться методом частковоi пдроген;зацп i внаслiдок чого мають у своему складi високий вмiст транс-iзомерiв жирних кислот. У той же час результати сучасних нутрицюлопчних дослiджень показують наявнiсть зв'язку мiж споживанням вказаних жирiв та порушенням в органiзмi роботи ферменпв, клiтинних мембран, збтьшенням рiвня холестерину в кровi та пiдвищенням ризику серцево-судинних захворювань [4, 5]. Транс^зомери не тльки не перетворюються в звичайш метаболiти цис-кислот, але й впливають на ефекгивнiсть iхнього утворення [6]. Наприклад, iз транс-транс-лшолево!' кислоти не формуеться арахiдонова кислота - найважливший компонент бiологiчних мембран i попередник дуже потрiбних органiзмовi регуляторних речовин - ейкозаноiдiв. Бтьш того, транс-iзомери у великих кшькостях зменшують швидкiсть утворення арахiдоновоi кислоти з цис-цис-лшолево!' [7]. Вживання надтрно!' кiлькостi транс-iзомерiв призводить до дефщиту незамiнних жирних кислот в оргашзм^
Тому розробка технологii виробництва жирових систем з мшмальним вмютом транс-iзомерiв е актуальним завданням.
2. Об'ект досл1дження та його технолопчний аудит
Об'ектом даного дослгдження е рецептурний склад олеогелiв як жирових систем нового поколшня.
Для проведення дослщжень як вихiдну сировину використовували наступнi жировi iнгредiенти: високоолешову соняшникову олiю, що виконувала роль постачальника мононенасичених жирних кислот, бджолиний вюк, трипальмiтин та моноацилглiцерини. Особливiстю зазначених рецептурних компонентiв е практично повна вщсутшсть у !хньому складi транс-iзомерiв жирних кислот.
Одним з найбтьш проблемних мiсць технологii олеогелш е к термостабiльнiсть, яка суттево впливае на параметри виробництва, транспортування, а також на умови i термши збер1гання.
Для виявлення залежност мiж коефщентом термостабшьност та рецептурним складом олеогелiв проводився технолопчний аудит, метою якого було визначення взаемозв'язку мiж вказаними параметрами.
Отриман залежностi дозволили встановити ращональний вмiст шгред!ент!в олеогелiв.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета дослгдження - оптимiзувати компонентний склад жирових систем нового поколiння.
Для досягнення поставлено!' мети необхщно вирiшити наступш завдання:
1. Розробити математичну модель, яка встановлюе взаемозв'язок мiж коефщентом термостабiльностi олеогелiв та !х компонентним складом.
2. Визначити ращональний вмют бджолиного воску, трипальмiтину та моноацилглщеришв, який забезпечуе максимальнi значення коефщента термостабiльностi дослiджуваних жирових систем.
4. Дослщження iснуючих р1шень проблеми
Одним iз перспективних напрямкiв вирiшення проблеми зниження вмiсту транс-iзомерiв в харчових продуктах е створення жирових систем нового поколшня, а саме олеогелiв. Олеогель е коло!дною системою, де дисперсшним середовищем е ол1я, а дисперсною фазою - складш оргашчш сполуки лiпiдноi природи, зокрема неповш ацилглiцерини, воски, жирнi кислоти, стероли та шшт
Аналiз сучасних наукових праць показав, що важливим фактором при розробщ технологт! виробництва олеогетв е обгрунтування природи шгрещенпв дисперсно! фази та к спввщношення. Наприклад, в робоп [8] було виконано пор1вняльний анал1з використання низки восюв як дисперсно! фази для олеогетв, якi застосовувались у склад! морозива Результати дослщжень показали, що олеогеш на основi воску з рисових висвок забезпечують крашу структуру i щдвищену термостабiльнiсть морозива в пор1внянт з олеогелями на основi карнаубського або канделильского восюв. В робоп [9] доведено, що бджолиний вгск у порiвняннi з шшими восками забезпечуе олеогелям найкращ адгез1йн1 та когезшт властивосп. Ц висновки тдтверджуються подальшими досл1дженнями [10], в яких показано ефективн!сть застосування олеогелiв на основ! бджолиного воску як замнника тваринного жиру у склад! харчових систем. На думку авкрт робгт [11, 12], введення до складу олеогешв моноацилгл1церин!в в кiльксстi до 7 % дозволяе отримувати жиров! системи, як! будуть мати текстуры та тершчы властивосп м'яких маргаришв, проте на вщмшу вщ останнк не будуть мстити транс-!зомер!в жирних кислот. Результати дослгдження [13] довели взаемозв'язок мтж умовами кристал!заи!! та формуванням структури олеогел1в на основ! мошацилгащеритв. В робоп [14], показано, що взаемодя трипальмпину з восками сприяе утворенню в олеогелях тривишрно! кристалчно! структури з полтшеними термомехан!чними властивостями. Вивченню впливу бшарних сумшей гелеутворювач1в на властивосп жирових систем присвячено низку робгт. Зокрема, в робоп [15] дослщжено сумюну дю Р-сигостеролу та стеариново! кислоти на мжроструктуру, текстуру та теплоф!зичн! властивосп олеогел!в, дисперсшним середовищем яких було обрано соняшникову олт Взаемодю мтж лецитином, моноацилглщеринами та фпостеролами у склад! олеогел!в проанал!зовано вщповщно у
роботах [16, 17]. У роботах шших авторш [18] за допомогою використання методв крюскануючо! електронно! мжроскопи та Раман-спектроскопи встановлено cинергетичний ефект восюв та лецитину при формуванн1 структури олеогетв. Застосування тернарних сумшей гелагор1в дозволить розширити диапазон властивостей олеогетв та пщбрати лтщну систему i3 заданими характеристиками для кожного харчового продукту [19].
Таким чином, результата теоретичних i експериментальних доагаджень проблеми конструювання олеогелiв показали перспективнiсть використання восюв, моноацилглщеришв та трипальмiтину як гелеутворюващв та 1х комплексного застосування у склад! жирових систем. Поряд з цим, в теперiшнiй час бракуе науково-обгрунтованих шдходв до розробки технологш вказаних багатокомпонентних жирових систем. Одним !з перших кромв в цьому напрямку е оптишзащя к рецептурного складу.
5. Методи дослщження
Для оптим!зацп складу олеогелiв було використано методологiю поверхнi вщклику [20]. Вказаний метод е сукупнютю математичних та статистичних прийом!в, спрямованих на моделювання процесiв та знаходження комбшацш експериментальних ряд!в предикторiв з метою оптим!зацп функцп вщклику, що в загальному вид! описуеться наступним полшомом:
П П /7-1 П
У (л.", а) = а0 + ^ üjXj + ^ а-кХ-и + ^ ^ a!jxjxj, (1)
1=1 к=1 ;=1 j=i+1
де х е R" - вектор змшних; а - вектор параметр1в.
Визначення невщомих значень вектора параметр!в a здшснювалось шляхом застосування алгоршшв регресшного анал!зу та мш1м1зацп функцюнала в!дхилу:
f(x) = fl\\y<-y(x>a)f> (2)
/=0
де m - кшьюсть експериментальних даних.
Моделювання та обробку експериментальних даних виконували у середовищ! пакета Statistica 10 (StatSoft, Inc., USA).
Метод визначення термостабтьносп олеогетв грунгувався на витримщ проб певного розм!ру i форми при температур! (30±1) °С протягом 2 годин з подальшим встановленням коефщента термостабтьносп, якй визначався вщношенням даметр1в проб до i тсля термосгатування. За кнцевий результат приймалося середне арифметичне трьох паралельних визначень.
6. Результати досл1джень
Критер!ем оптим1зацп складу олеогел!в було обрано коефщент !х термостабшьност (TS). Незалежними факторами, що варшвались, в експеримент було обрано вмют воску (W, % мас.), вмют трипальмгшну (TP, % мас.) та вмют моноацилглщеришв (MAG, % мас.).
Стосовно олеогелiв, як дослiджувались, було обрано функцгю вiдклику, яка мала вигляд полшома другого ступеню:
TS = b0 + h-W + bn-W2 + b2-TP + b22-TP2 + Йз-MAG +
+&33- MAG2 +Ö12-W-TP + Ö13-W-MAG + Ö23-TP-MAG, (
де TS - коефщгент термостабiльностi; b0 - константа; Ьь b1b b2, b22, b3, b33, b12, b13, b23 - коефщгенти для кожного елемента полшома; W - вмгст воску, % мас.; TP -вмiст трипальмгтину, % мас.; MAG - вмгст моноацилглiцеринiв, % мас.
В дослгдженнях використано центральний композицiйний ротатабельний план, який найбгльше пiдходить для обраного методу оптимгзацп [20]. Вибiр рiвнiв та iнтервалiв варiювання факторiв було здгйснено за результатами попереднiх експериментгв: вмiст бджолиного воску i трипальмггину варiювали в межах 0,3-5,0 % мас., а вмгст моноацилглщерингв - в межах 0,1-5,00 % мас.
Матрицю планування та експериментальнг значення функцгй вгдклику представлено в табл. 1. Для зменшення впливу систематичних помилок, викликаних зовнгшнгми умовами, послгдовнгсть проведення експериментгв було рандомгзовано.
Таблиця 1
Матриця планування та функци вгдклику_
Номер Вмгст воску Вмгст трипальмгтину Вмгст моноацилглщеришв Коефщгент
дослгду Кодований % мас. Кодовани' % "ас. Кодований % мас. термостабшьносп
ргвень ргвень ргвень
1 0 2,65 0 2,65 0 2,55 0,80
2 +1 4,05 -1 1,25 -1 1,1 0,80
3 0 2,65 2,65 +1,682 5,0 1,00
4 0 2,65 -1,682 0,3 0 2,55 0,61
5 -1 1,25 1 1,25 +1 4,0 0,60
6 -1 1,25 -1 1,25 -1 1,1 0,43
7 0 2,65 +1,682 5 0 2,55 0,58
8 -1 1,2: +1 4,05 -1 1,1 0,40
9 0 2,65 Н 0 2,65 -1,682 0,1 0,50
10 -1 1,25 +1 4,05 +1 4,0 0,65
11 +1 4,05 -1 1,25 +1 4,0 0,85
12 +1 4,05 +1 4,05 +1 4,0 0,85
13 +1 , 4,0. +1 4,05 -1 1,1 0,65
14 0 2,65 0 2,65 0 2,55 0,90
15 0 2,65 0 2,65 0 2,55 0,82
16 +1,682 5 0 2,65 0 2,55 0,80
17 -1,682 0,3 0 2,65 0 2,55 0,35
18 0 2,65 0 2,65 0 2,55 0,80
Для перевгрки значущостг коефгцгентгв регресп (3) було побудовано дгаграму Парето, яку представлено на рис. 1 (L - лшшнш ефект, К -квадратичний ефект).
На вказанш дгаграмг Парето (рис. 1) наведено стандартизован коефщгенти, якг вгдсортовано за абсолютними значеннями. Аналгз даних показуе, що
квадратичний ефект вмюту моноацилглщеришв, лшшний ефект вмюту трипальмiтину та ефекти взаемодп параметрiв е незначущими, оскiльки колонки ощнок зазначених ефектiв не перетинають вертикальну лiнiю, що е 95 %-вою довiрчою ймовiрнiстю.
р=0,05
Оцшка ефекту (абсолютне значения)
Рис. 1. Д1аграма Парето для перев1рки значущосп коефцценив регресп:
МАГ - моноацилглщерини
З урахуванням цього вказанi члени регресп було елiмiновано з модел^ Отримане при цьому рiвняння з розрахованими коефщентами мае вигляд:
ТЯ = 0.080 + 0.282-\У - 0.035-- 0.004-ТР + 0.076-МАС.
(4)
Адекватнiсть розроблено! моделi перевiряли методом дисперсiйного анаизу, результати якого представлено в табл. 2.
Таблиця 2
Дисперсшний ана^з моделi
Фактор Сум. квадрат1в, Стутнь свободи, ё/ Середне значения квадрата, М8 Р-критерш Р1вень значущосп, р
1 2 3 4 5 6
(1)Вмют воску, % мас. (Ь) 0,244362 1 0,244362 107,8069 0,001906
Вмст воску, % мас. (К) 0,084373 1 0,084373 37,2236 0,008846
Продовження таблиц 2
1 2 3 4 5 6
Вмют трипальм1тину, % мас. (К) 0,070083 1 0,070083 30,9190 0,011475
(3)Вмют МАГ, % мас. (Ь) 0,167376 1 0,167376 73,8423 0,003313
Утрата узгодженосп 0,039392 10 0,003939 1,7379 0,355891
Чиста похибка 0,006800 3 0,002267 | - > -
Загальна сума квадрат1в 0,589850 17 - - -
2 Коефщ1ент детермшаци В =0,921 Скорегований коефщ1ент детермшаци В2аси=0,898
Даш, наведет в табл. 2, зокрема вщсутшсть утрати узгодженосп (рвень значущосп />>0,05) та значення коефщенпв детермшаци (В2 i В2^), близькi до оrдиницi, дозволяють зробити висновок, що отримана модель адекватно описуе вщклик.
Описаний полшомом сукупний вплив вмiсту компонентiв на термостабшьшсть олеогелiв в графiчному виглядi представлено на рис. 2-4.
Рис. 2. Залежнють коефiцiента термостабiльностi олеогелiв вiд вмiсту воску та
трипальмгтину
Рис. 4. Зaлeжнicть кoeфiцieнтa тepмocтaбiльнocтi oлeoгeлiв вiд вмicтy тpипaльмiтинy тa мoнoaцилглiцepинiв
АнаЛз отриманих залежностей дозволяе зробити наступш висновки. Збтьшення в рецептурi олеогелiв BMicTy бджолиного воску вiд 0,30 до 3,30 % мас. обумовлюе зростання термостабiльностi. Подальше пiдвищення вмюту вказаного компонента не е ращональним, оскiльки практично не впливае на вщклик. Разом з тим при варшванш вмiстy трипальмiтинy вiд 0,30 до 3,10 % мас. спостергаеться збшьшення термостабiльностi, а при подальшому пiдвищеннi - зменшення цього показника. В свою чергу, пiдвищення вмюту моноацилглщеришв в дослоджуваних жирових системах обумовлюе монотонне зростання вщклику, при цьому максимальш значення коефiцiента термостабтьносп водзначаються вже при масовiй частц вказаного компонента вiд 4,0 % та вище.
Вказанi висновки подтвердились при детальному дослiдженнi закономiрностей впливу вказаних параметрiв шляхом обробки полшома (4) в середовищi Statistica 10, яка дозволила встановити рацiональнi значення масових часток компонентiв олеогелiв. Максимальне значення коефiцiента термостабiльностi досягалось при наступному вмiстi гелаторiв: бджолиного воску - 3,27 % мас.; трипальмгтину - 3,07 % мас. та моноацилглщеришв - 4,70 % мас.
7. SWOT-аналiз результат дослщжень
Strengths. До сильних сторш даного дослщження слiд вiднести математичне моделювання та експериментальне пiдтвердження резyльтатiв щодо ращонального вмiстy компонентiв жирових систем нового поколшня. Отриманi данi е науковим шдгрунтям для розробки технологiчних параметрiв промислового виробництва, умов i термтв зберiгання, а також транспортування готово!' продукцп.
Weaknesses. До слабких сторш розробленого продукту слод вiднести: бшьш високу собiвартiсть у порiвняннi з традицшними жировими системами та слабку пошформованють споживачiв про новий продукт та його переваги.
Opportunities. Що стосуеться можливостей жирових систем нового поколшня, то це: у конкуренлв в продуктах-аналогах високий вмют шюдливих для здоров'я людини транс-iзомерiв жирних кислот, недостатнiй асортимент олiйно-жировоi продукцп для здорового харчування.
Threats. До загроз при виход нового продукту на споживчий ринок слщ вщнести:
- можливють появи нових жирових систем з екв!валентними властивостями;
- консерватизм населення;
- зменшення кушвельно! спроможност споживачiв.
На основ! SWOT-анаизу запропоновано настyпнi стратегiчнi рiшення:
- при проведенш маркетингових заход!в необхщно зробити акцент на вщсутнють транс-1зомер1в у склад! запропонованих жирових систем, що шдвищуе !х безпечнють та харчову цшнють;
- доцшьно при формуванш цши ор!ентуватись на обмежену кушвельну спроможнють населення;
- розробити вщповщний дизайн упаковки з шформативним маркуванням.
Вс перел!чеш шдходи будуть сприяти шдвищенню пошформованост
споживач!в щодо нових жирових систем i виходу на нов! ринки збуту.
8. Висновки
1. Розроблено математичну модель, яка дозволяе, виходячи з даних про компонентний склад олеогелiв прогнозувати !х термостабiльнiсть. При цьому було застосовано методологiю поверхнi вiдклику, а визначення невщомих значень вектора параметрiв здiйснювалось шляхом застосування алгоритмiв регресшного аналiзу.
Аналiз отриманих залежностей дозволив зробити висновок, що збiльшення в рецептурi олеогелiв вмiсту бджолиного воску вщ 0,30 до 3,30 % мас. обумовлюе зростання термостабiльностi. Подальше тдвищення вмiсту вказаного компонента не е ращональним, оскiльки практично не впливае на вщклик. Разом з тим при варшванш вмюту трипальмггину вiд 0,30 до 3,10 % мас. спостер^аеться збiльшення термостабiльностi, а при подальшому пiдвищеннi - зменшення цього показника.
2. Визначено ращональш значення масових часток компонентiв олеогелiв: вмiст бджолиного воску 3,27 % мас.; вмют трипальмiтину 3,07 % мас. та вмют моноацилглiцеринiв 4,70 % мас. При цих значеннях досягаеться максимальне значення коефщента термостабшьностт
Лiтература
1. Kinetics and thermodynamics of biocatalytic glycerolysis of triacylglycerols enriched with omega-3 polyunsaturated fatty acids / Nekrasov P. O. et. al. // Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii. 2018. Issue 5. P. 31-36.
2. Optimization of formulation composition of the low-calorie emulsion fat systems / Tkachenko N. et. al. // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. Vol. 3, Issue 11 (81). P. 20-27. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.70971
3. Tkachenko N. A., Nekrasov P. O., Vikul S. I. Optimization of formulation composition of health whey-based beverage // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. Vol. 1, Issue 10 (79). P. 49-57. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.59695
4. Booker C. S., Mann J. I. Trans fatty acids and cardiovascular health: Translation of the evidence base // Nutrition, Metabolism and Cardiovascular Diseases. 2008. Vol. 18, Issue 6. P. 448-456. doi: http://doi.org/10.1016/j.numecd.2008.02.005
5. Neonatal and fetal exposure to trans-fatty acids retards early growth and adiposity while adversely affecting glucose in mice / Kavanagh K. et. al. // Nutrition Research. 2010. Vol. 30, Issue 6. P. 418-426. doi: http://doi.org/10.1016/j.nutres.2010.06.006
6. Trans fatty acids in hydrogenated fat inhibited the synthesis of the polyunsaturated fatty acids in the phospholipid of arterial cells / Kummerow F. A. et. al. // Life Sciences. 2004. Vol. 74, Issue 22. P. 2707-2723. doi: http://doi.org/10.1016/j.lfs.2003.10.013
7. Kwon Y. Effect oftrans-fatty acids on lipid metabolism: Mechanisms for their adverse health effects // Food Reviews International. 2015. Vol. 32, Issue 3. P. 323-339. doi: http://doi.org/10.1080/87559129.2015.1075214
8. Development of Formulations and Processes to Incorporate Wax Oleogels in Ice Cream / Zulim Botega D. C. et. al. // Journal of Food Science. 2013. Vol. 78, Issue 12. P. 1845-1851. doi: http://doi.org/10.1111/1750-3841.12248
9. Lim J., Hwang H.-S., Lee S. Oil-structuring characterization of natural waxes in canola oil oleogels: rheological, thermal, and oxidative properties // Applied Biological Chemistry. 2016. Vol. 60, Issue 1. P. 17-22. doi: http://doi.org/10.1007/s13765-016-0243-y
10. Moghtadaei M., Soltanizadeh N., Goli S. A. H. Production of sesame oil oleogels based on beeswax and application as partial substitutes of animal fat in beef burger // Food Research International. 2018. Vol. 108. P. 368-377. doi: http://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.03.051
11. Changes in microstructural, thermal, and rheological properties of olive oil/monoglyceride networks during storage / Ojijo N. K. O. et. al. // Food Research International. 2004. Vol. 37, Issue 4. P. 385-393. doi: http://doi.org/10.1016/j.foodres.2004.02.003
12. Influence of Commercial Saturated Monoglyceride, Mono-/Diglycerides Mixtures, Vegetable Oil, Stirring Speed, and Temperature on the Physical Properties of Organogels / Rocha-Amador O. G. et. al. // International Journal of Food Science. 2014. Vol. 2014. P. 1-8. doi: http://doi.org/10.1155/2014/513641
13. Shear Nanostructuring of Monoglyceride Organogels / Da Pieve S. et. al. // Food Biophysics. 2010. Vol. 5, Issue 3. P. 211-217. doi: http://doi.org/10.1007/s11483-010-9162-3
14. The Effect of Tripalmitin Crystallization on the Thermomechanical Properties of Candelilla Wax Organogels / Toro-Vazquez J. F. et. al. // Food Biophysics. 2009. Vol. 4, Issue 3. P. 199-212. doi: http://doi.org/10.1007/s11483-009-9118-7
15. Functional Characteristics of Oleogel Prepared from Sunflower Oil with P-Sitosterol and Stearic Acid / Yang S. et. al. // Journal of the American Oil Chemists' Society. 2017. Vol. 94, Issue 9. P. 1153-1164. doi: http://doi.org/10.1007/s11746-017-3026-7
16. Lecithin and phytosterols-based mixtures as hybrid structuring agents in different organic phases / Okuro P. K. et. al. // Food Research International. 2018. Vol. 111. P. 168-177. doi: http://doi.org/10.1016Zj.foodres.2018.05.022
17. Kouzounis D., Lazaridou A., Katsanidis E. Partial replacement of animal fat by oleogels structured with monoglycerides and phytosterols in frankfurter sausages // Meat Science. 2017. Vol. 130. P. 38-46. doi: http://doi.org/10.1016/j.meatsci.2017.04.004
18. Synergistic interactions between lecithin and fruit wax in oleogel formation / Okuro P. K. et al. // Food & Function. 2018. Vol. 9, Issue 3. P. 1755-1767. doi: http://doi.org/10.1039/c7fo01775h
19. Buerkle L. E., Rowan S. J. Supramolecular gels formed from multi-component low molecular weight species // Chemical Society Reviews. 2012. Vol. 41, Issue 18. P. 60896102. doi: http://doi.org/10.1039/c2cs35106d
20. Myers R., Montgomery D., Anderson-Cook C. Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. Hoboken: John Wiley & Sons, 2016. 825 p.
