Исследование зависимости свойств масла зародышей пшеницы от типа растворителя

В настоящее время проблема рационального питания становится всё более актуальной. Рацион современного человека сегодня вполне достаточен по калорийности, но не в состоянии удовлетворить потребность организма в витаминах, минералах и других биологически активных веществах.

Для структуры питания в экономически развитых странах характерно избыточное потребление животных жиров и дефицит полиненасыщенных жирных кислот, полноценных белков, большинства витаминов, минеральных веществ (кальция, железа), микроэлементов (йода, фтора, селена, цинка) и пищевых волокон, а поэтому сложилась парадоксальная ситуация - люди, переедая и обеспечивая избыточность энергии, не доедают с позиций обеспечения биологически активными веществами, т.е. в итоге жертвуют своим здоровьем.

Наиболее эффективным путём решения проблемы дефицита микронутриентов в пище является обогащение продуктов природными источниками этих веществ, к которым относится масло зародышей пшеницы (МЗП). Масло зародышей пшеницы является уникальным по своему биохимическому составу и целебным свойствам.

Основным сырьем для получения масла зародышей пшеницы являются хлопья из пшеницы. Зерно пшеницы состоит из эндосперма, отрубей и зародыша, на которые приходится 81 % - 84 %, 14 % - 16 %, и 2 % - 3 % соответственно [1]. Коммерческий помол пшеницы в муку направлен на максимальное извлечение эндосперма с минимально возможным загрязнением отрубями и зародышами, которые образуют побочные продукты мукомольной промышленности. Клетки оболочек и крахмального эндосперма пшеничного зерна омертвели, выполнив свои функции в процессе его развития и формирования, а клетки зародыша сохранили жизнедеятельность, что и определяет их ценный биохимический состав [2].

Почти все передовые страны считают полную переработку зерновых культур, и в частности пшеницы, в продукты питания одной из основных задач [3].

В составе МЗП обнаружены следующие компоненты [4]:

- насыщенные жирные кислоты: миристиновая кислота, пальмитиновая кислота, стеариновая кислота, эруковая кислота, гондоиновая кислота;

- моно- и полиненасыщенные жирные кислоты: олеиновая кислота (омега-9), линолевая (омега-6) кислота, линоленовая кислота (омега-3), арахидоновая кислота (омега-6);

- жирорастворимые витамины: токоферолы, каротиноиды, эргокальциферол;

- водорастворимые витамины: фолиевая кислота (витамин В9), пантотеновая кислота.

Кроме того, в его составе также найдены лецитин, метионин, фитостеролы.

Уникальность свойств МЗП обусловлена присутствием в составе, как минимум, 3-х активных комплексов, это:

1. Антиоксиданты - токоферолы и каротиноиды, причем по содержанию витамина Е масло является рекордсменом среди всех природных соединений (от 200мг % - 600 мг %).

2. Незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты, в т.ч. линолевая, линоленовая, в оптимальном для липидного обмена в организме человека соотношении, лецитин.

3. Витамины группы В, D, РР, пантотеновая, фолиевая (2 мг %-3 мг %) кислоты и аминокислота метионин.

Масло проявляет широкий спектр фармакологического и косметического действия, а именно [4]:

- оказывает общее оздоровительное действие;

- нормализует функции иммунной и эндокринной системы;

- является стимулятором репродуктивной функции;

- увеличивает работоспособность;

- повышает жизненный тонус и устойчивость к стрессам;

- способствует быстрому заживлению ран, ожогов, язв и заболеваний желудочно-кишечного тракта;

- обладает антиатеросклеротическими и кардиозащитными свойствами;

- снижает уровень холестерина в крови и печени;

- регулирует гормональный баланс.

Ведущие косметические фирмы мира включают масло зародышей пшеницы в состав кремов, лосьонов, косметических масок, бальзамов, шампуней и т.д.

Также зародыши пшеницы применяют для похудения, включая их в состав диет. Эффективность диеты обусловлена вытеснением из рациона жирной и богатый углеводами пищи за счет употребления продуктов, богатых белками.

Получение масла из зародышей пшеницы может происходить либо экстракцией, либо механическим отжимом (прессованием). Прессованием можно извлечь только около 50 % масла, содержащегося в масличном сырье. Механический отжим применяют только для зародышей пшеницы очень высокой чистоты с минимальным загрязнением отрубями. Экстракция растворителем на сегодняшний день является наиболее широко используемым методом извлечения масла [5]. Систематических исследований экстракции МЗП не известно. Поэтому цель работы состоит в изучении извлечения масла из зародышей пшеницы углеводородными растворителями разного класса методом исчерпывающей экстракции и кинетики экстракции.

В качестве растворителей использованы: нефрас согласно ОСТ 3801199-80; гексан согласно ТУ 2631-003-05807999-98, этиловый спирт согласно ДСТУ 4221:2003, изопропиловый спирт согласно ГОСТ 9805-84. Выход масла определён массометрическим методом. Кинетику изучено путём определения концентрации масла в мисцелле.

Исследования осуществлены в аппарате Сокслета. Результаты по выходу масла зародышей пшеницы различными органическими растворителями представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Выходы масла зародышей пшеницы, полученные экстракцией различными растворителями.

Растворитель	Температура кипения, ⁰С	Выход масла, % мас.
Гексан	68,95	11,88
Нефрас	73	7,66
Этиловый спирт	78,39	11,69
Изопропиловый спирт	82,4	15,7

Как видно из таблицы, наибольший выход был получен в случае экстракции изопропиловым спиртом. При этом масло было более вязкое, чем во всех остальных случаях, более ярко окрашено. Это, вероятно, свидетельствует о способности данного растворителя извлекать высокомолекулярные компоненты или какую-то часть продуктов, не содержащих липидную составляющую.

Определение зависимости выхода масла от соотношения зародышей пшеницы к количеству растворителя и оптимального процентного соотношения компонентов в смеси растворителей проведено с применением планирования эксперимента в аппарате Зайченко при температурах кипения растворителей.

Таблица 2 – План экспериментов, где X1-количество нефраса; X2- количество этилового спирта; X3- количество изопропилового спирта.

№	Х1	Х2	Х3
1	1	0	0
2	0	1	0
3	0	0	1
4	2/3	1/3	0
5	1/3	2/3	0
6	2/3	0	1/3
7	1/3	0	2/3
8	0	2/3	1/3
9	0	1/3	2/3
10	1/3	1/3	1/3

Каждый опыт проводили в трёх вариантах, с разницей в весе навески масличного сырья (10 г, 5 г и 2,5 г). Количество растворителя (100 мл) и условия проведения эксперимента оставались неизменными. Таким образом, соотношение зародыши пшеницы:растворитель равнялось 10:100, 5:100 и 2,5:100.

Результаты по влиянию растворителя и соотношения ЗП:растворитель приведены в таблице 3.

Таблица 3- Результаты определения влияния соотношений 3х-компонентной смеси растворителей и соотношения ЗП/растворитель на выход МЗП

Выход масла зародышей пшеницы, % мас.
Соотношение ЗП:растворитель 10:100	Соотношение ЗП:растворитель 5:100	Соотношение ЗП:растворитель 2,5:100
7,98	7,9	7,63
24,03	25,02	26,47
20,94	22,94	24,56
9,19	10,45	10,79
17,79	26,75	23,2
8,39	8,27	10,17
9,07	9,2	9,78
24,39	25,75	26,7
21,89	22,41	25,16
9,28	11,42	15,2

На основе этих результатов было получено уравнение регрессии для соотношения ЗП:растворитель 10:100:

Y = 7,98*x1 + 24,03*x2 + 20,94*x3 -11,3175*x1*x2 -25,785*x1*x3 + 2,9475*x2*x3 - 21,9375*x1*x2(x1-x2) + 24,57*x1*x3(x1-x3) + 9,92250000000002*x2*x3(x2-x3) -123,525*x1*x2*x3 (1)

где, b1=7,98; b2=24,03; b3=20,94; b12=-11,318; b13=-25,785; b23=2,947

v12=-21,937; v13=24,57 ; v23=9,923; b123=-123,525

Используя уравнение (1), построена диаграмма (рис.1) , на которой определены уровни выхода при различных соотношениях растворителей.

1000

100000

110000000

11000000000

10000000000000

1000000000000001

1000000000000001111

000000000000000011112

000000000000000001112223

00000000000000000111122233

00000000000000000111122233344

1000000000000000111112223334445

1110000000000011111122223334445556

111111111111111111222223333444555566

222111111111112222222333334444555666677

22222222222222223333333444445555666677777

33333333333333334444444455555666666777778888

4444444444444455555555566666667777777888888888

6666666666666666666677777777788888888889999999999

x3 77777777777888888888888899999999999999999M999999999 x2

Рис. 1 – Зависимость выхода МЗП при соотношении ЗП:растворитель 10:100

Y max=24,84617004 При параметрах x1=0 x2=0,82 x3=0,18

Y min=6,385273125 При параметрах x1=0,55 x2=0,15 x3=0,3

0 - соответствует интервалу 6,39 : 8,231

1 - соответствует интервалу 8,23 : 10,077

2 - соответствует интервалу 10,08 : 11,924

3 - соответствует интервалу 11,92 : 13,77

4 - соответствует интервалу 13,77 : 15,616

5 - соответствует интервалу 15,62 : 17,462

6 - соответствует интервалу 17,46 : 19,308

7 - соответствует интервалу 19,31 : 21,154

8 - соответствует интервалу 21,15 : 23

9 - соответствует интервалу 23 : 24,846

Исходя из этих данных, определены условия максимального выхода МЗП: количество нефраса 0; этилового спирта 0,82; изопропилового спирта 0,18.

На основании даннях табл.3 получено уравнение регрессии для соотношения ЗП:растворитель 5:100:

Y = 7,9*x1 + 28,02*x2 + 22,94*x3 + 2,88*x1*x2 -30,0825*x1*x3 -6,3*x2*x3 -64,755*x1*x2(x1-x2) + 27,5625*x1*x3(x1-x3) + 11,115*x2*x3(x2-x3) -120,8925*x1*x2*x3 (2)

где, b1=7,9; b2=28,02; b3=22,94; b12=2,88; b13=-30,083; b23=-6,3

v12=-64,755; v13=27,562; v23=11,115; b123=-120,892

Исходя из уравнения (2), построена диаграмма (рис.2) , на которой определены уровни выхода при различных соотношениях растворителей.

1000

100000

100000000

11000000000

10000000000000

1000000000000011

1000000000000011122

100000000000001112223

000000000000011112223334

00000000000001111222333445

10000000000011111222333444556

1100000000011111122233344455667

1111100011111111222233344455566778

111111111111112222233334445556677788

221111111112222222333344445556667778899

22222222222222233333344445555666777888999

3333333333333333334444445555666677778888999M

4444444444444444444455555566666677777888899999

5555555555555555555555666666667777777888888899999

x3 666666666666666666666667777777777778888888888888888 x2

Рис. 2 – Зависимость выхода МЗП при соотношении ЗП:растворитель 5:100

Y max=31,16343344 При параметрах x1=0,14 x2=0,86 x3=0

Y min=5,42155072 При параметрах x1=0,88 x2=0,12 x3=0

0 - соответствует интервалу 5,42 : 7,996

1 - соответствует интервалу 8 : 10,57

2 - соответствует интервалу 10,57 : 13,144

3 - соответствует интервалу 13,14 : 15,718

4 - соответствует интервалу 15,72 : 18,292

5 - соответствует интервалу 18,29 : 20,867

6 - соответствует интервалу 20,87 : 23,441

7 - соответствует интервалу 23,44 : 26,015

8 - соответствует интервалу 26,02 : 28,589

9 - соответствует интервалу 28,59 : 31,163

Максимальный выход МЗП, исходя из расчёта по уравнению (2), получен при таких соотношениях: количество нефраса 0,14; этилового спирта 0,86; изопропилового спирта 0.

Аналогично получено уравнение регрессии при соотношении ЗП:растворитель 2,5:100:

Y = 7,63*x1 + 26,47*x2 + 24,56*x3 -0,247499999999999*x1*x2 -27,54*x1*x3 + 1,8675*x2*x3 -41,3775*x1*x2(x1-x2) + 40,725*x1*x3(x1-x3) + 6,09750000000002*x2*x3(x2-x3) -39,78*x1*x2*x3 (3)

где, b1=7,63; b2=26,47; b3=24,56; b12=-0,247; b13=-27,54; b23=1,868

v12=-41,377; v13=40,725; v23=6,098; b123=-39,78

Исходя из уравнения (3), построена диаграмма (рис.3) , на которой определены уровни выхода при различных соотношениях растворителей.

100m

11000m

111100000

11111100000

11111111110000

1111111111111111

1111111111111112222

111111111112222222223

111111111122222223333334

11111111122222223333344444

11111111222222333334444455556

1111111222222333334444455556666

1111122222223333344444555566667777

111222222233333444445555566667777788

222222233333344444455555666677777888889

33333333344444445555566666677777888889999

34444444444555555566666677777788888889999999

555555555556666666667777777788888888999999999M

6666666677777777777778888888888899999999999999999

x3 888888888888888888889999999999999999999999999999999 x2

Рис. 3 – Зависимость выхода МЗП при соотношении ЗП:растворитель 2,5:100

Y max=27,542905 При параметрах x1=0,1 x2=0,9 x3=0

Y min=6,512545 При параметрах x1=0,9 x2=0,1 x3=0

0 - соответствует интервалу 6,51 : 8,616

1 - соответствует интервалу 8,62 : 10,719

2 - соответствует интервалу 10,72 : 12,822

3 - соответствует интервалу 12,82 : 14,925

4 - соответствует интервалу 14,92 : 17,028

5 - соответствует интервалу 17,03 : 19,131

6 - соответствует интервалу 19,13 : 21,234

7 - соответствует интервалу 21,23 : 23,337

8 - соответствует интервалу 23,34 : 25,44

9 - соответствует интервалу 25,44 : 27,543

В этом случае максимальный выход МЗП был получен при таких соотношениях: количество нефраса 0,1; этилового спирта 0,9; изопропилового спирта 0.

Исследование кинетики экстракции МЗП во времени для обозначенных оптимальных параметров свидетельствует о росте концентрации масла в мисцелле со временем.

Органолептические свойства жиров могут изменяться при продолжительном хранении. Причиной таких изменений оказывается чаще всего образование в жирах из их ацилглицеринов новых веществ и потеря вкусовых веществ натурального происхождения.

Масло зародышей пшеницы из-за своего жирнокислотного состава подвержено химической порче, которая сопровождается накоплением в нем жирных кислот за счет гидролиза ацилглицеринов, а также накопление перекисей за счёт действия молекулярного кислорода или же кислорода воздуха.

Изменение состояния масла зародышей пшеницы наблюдали на протяжении 5 месяцев при разных условиях хранения. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Изменение физико-химических показателей масла зародышей пшеницы в зависимости от времени и условий хранения

Наименование показателя	Условия хранения	Время хранения, месяцев
Наименование показателя	Условия хранения	1	2	3	4	5
Кислотное число, мг КОН/г [2]	При температуре 1-3⁰С, без доступа света	6,84	7,065	7,2	7,47	7,98
Кислотное число, мг КОН/г [2]	При комнатной температуре, 18-20⁰С, на свету	-	-	7,6	7,72	8,45
Перекисное число, ммоль/кг1/2О	При температуре 1-3⁰С, без доступа света	1,55	2,03	2,1	2,41	5,67
Перекисное число, ммоль/кг1/2О	При комнатной температуре, 18-20⁰С, на свету			27,9	75,8	175,6

Выводы

1. Установлено, что лучшим соотношением зародыши пшеницы:рас творитель является 5:100.

2. При использовании смеси растворителей, наибольшая концентрация масла в мисцелле достигается при соотношении этиловый спирт : изопропиловый спирт 2:1.

3. Адекватность уравнений регрессий подтверждена опытным путём.

4. Увеличение времени экстракции способствует увеличению концентрации масла в мисцелле.

5. Масло зародышей пшеницы необходимо хранить в темном месте.

Список литературы:

1. Atwell WA. 2001. Wheat Flour. St. Paul, MN: Eagan Press.

2. ГОСТ 28672-90. Ячмень. Требования при заготовке и поставке.

3. Физиолого-биохимические и технологические основы хранения и переработки риса-зерна / Под редакцией Соседова Н.И. М.: Колос, 1979.-С. 286.

4. Патент РФ 2317099. Лечебно-профилактическое средство для восстановления нарушений половых функций, способ получения масла зародышей пшеницы и способ получения концентрата масла зародышей пшеницы для восстановления нарушений половых функций, 2006. – с 2-3.

5. Woerfel JB. 1995. Extraction. In: Erickson DR, editor. Practical Handbook of Soybean Processing and Utilization. Champaign, IL: AOCS Press. p 65-92.

№	Х1	Х2	Х3
1	1	0	0
2	0	1	0
3	0	0	1
4	2/3	1/3	0
5	1/3	2/3	0
6	2/3	0	1/3
7	1/3	0	2/3
8	0	2/3	1/3
9	0	1/3	2/3
10	1/3	1/3	1/3

№	Х1	Х2	Х3
1	1	0	0
2	0	1	0
3	0	0	1
4	2/3	1/3	0
5	1/3	2/3	0
6	2/3	0	1/3
7	1/3	0	2/3
8	0	2/3	1/3
9	0	1/3	2/3
10	1/3	1/3	1/3

№	Х1	Х2	Х3
1	1	0	0
2	0	1	0
3	0	0	1
4	2/3	1/3	0
5	1/3	2/3	0
6	2/3	0	1/3
7	1/3	0	2/3
8	0	2/3	1/3
9	0	1/3	2/3
10	1/3	1/3	1/3