Химия и химические технологии/ 8. Кинетика и катализ

Д.т.н. Гладкий Ф.Ф., д.т.н. Некрасов П.А., Плахотная Ю.Н.

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»

Оптимизация ферментативной этерификации по критерию максимального выхода 1,3-диацилглицеринов

В настоящее время не вызывает сомнения исключительная роль питания в сохранении и регулирования важнейшего национального ресурса – здоровья населения. Согласно данным, приведенным директором НИИ Питания РАМН, академиком РАМН Виктором Тутельяном, 30 – 50% в общей структуре заболеваемости населения составляют алиментарно-зависимые болезни [1]. Темпы отрицательной динамики указанной патологии с каждым годом все более ощутимы. По прогнозам ВОЗ, к 2015 года примерно 2,3 миллиарда детей старше 15 лет будет иметь избыточный вес и более 400 миллионов – ожирение. Сердечно-сосудистые заболевания сейчас занимают первое место по уровню смертности.

Однако большинство алиментарно-зависимых болезней относятся к управляемым патологиям. Эти негативные тенденции можно предотвратить с помощью регулирования характера и количества потребляемой пищи. Учитывая это, одним из важнейших этапов профилактики и лечения является введение в рацион продуктов, способных оказывать положительное действие на отдельные органы и системы или организм в целом. Такие продукты объединены под общим названием функциональных продуктов. Они не отличаются по органолептическим показателям от традиционных, могут входить в ежедневный рацион как здоровых, так и больных людей.

Для масложировой промышленности подобным продуктом может стать масло, обогащенное 1,3-диацилглицеринами (1,3-ДАГ). Эти соединения в небольших количествах содержатся почти во всех растительных маслах [2].

Проведенные нами доклинические исследования показали, что особенная структура молекулы 1,3-ДАГ определяет ее физиологическое действие на липидный обмен: снижение концентрации триацилглицеринов (ТАГ), неэтерифицированных жирных кислот (ЖК) и нормализация показателей жирового обмена в крови положительно сказывается на уменьшении количества висцерального жира и массы тела в целом [3]. При этом в 1,3-ДАГ и ТАГ содержится одинаковое количество энергии [2].

Получение 1,3-диациглицеринов при использовании традиционных химических катализаторов невозможно из-за отсутствия позиционной специфичности и высоких температур процесса, что не позволяет применять в качестве сырья полиненасыщенные жирные кислоты. Альтернативой могут стать ферментативные технологии, позволяющие, экономя энергоресурсы, получать целевой продукт высокого качества.

Среди основных методов синтеза 1,3-ДАГ наиболее перспективным является процесс этерификации ЖК и глицерина, с помощью которого можно получить гомогенные 1,3-диацилглицерины высокой степени чистоты [4].

Целью работы была оптимизация параметров процесса ферментативной этерификации для получения максимального количества 1,3-ДАГ. В качестве катализатора использовали 1,3-специфический энзим Lipozyme RM IM. Процесс проводили под вакуумом без растворителей.

Для решения поставленной задачи использовали метод планирования эксперимента, был выбран центральный композиционный рототабельный план. Наиболее значимыми параметрами были время и температура процесса, содержание фермента и мольное соотношение субстратов, которые варьировались на выбранных уровнях согласно (табл.1).

В результате работы была получена математическая модель (1), адекватность которой была проверена с помощью дисперсионного анализа.

(1)

где DAG – содержание 1,3-диацилглицеринов в смеси.

Таблица 1 Факторы и уровни их варьирования

Кодирован-ные значения параметров	Реальные значения параметров
	Температура реакции, °С	Содержание фермента, %	Соотношением ЖК : глицерин (моль/моль)	Время реакции, часы
	t	f	w	τ
-1,68	20	1,0	3,0	1,0
-1	26	2,8	7,5	5,7
0	35	5,5	14,0	12,5
+1	44	8,2	20,5	19,3
+1,68	50	10,0	25,0	24,0

На основании полученной модели рассчитаны оптимальные условия для получения максимального выхода 1,3-ДАГ: мольное соотношение ЖК : глицерин 2,6 : 1, температура 57 °С, содержание фермента 4,1 %, длительность процесса 5,2 часа. При этих параметрах концентрация целевого продукта в смеси составляла 79,2 %.

Математическая модель в графическим виде представлена на рис. 1.

а) б)

в) г)

Рис. 1. Зависимость содержания 1,3-ДАГ от параметров процесса

Анализ данных рис. 1а, 1в свидетельствует о том, что при увеличении температуры с 30 до 47 °С выход 1,3-ДАГ возрастает до 75 % и остается таковым в диапазоне указанного параметра 47 – 68 °С. Уменьшение выхода с последующим ростом температуры связано с денатурацией белковой структуры фермента. Результаты, приведенные на поверхностях (рис. 1в, 1г), указывают на то, что рациональным содержанием энзима в системе является диапазон 3 – 9 %, дальнейшее увеличение количества катализатора ускоряет образование ТАГ. Аналогичная тенденция наблюдается для мольного соотношения ЖК : глицерин (рис. 1а, 1б), при это выход больше 75 % можно получить в пределах от 1,6:1 до 3,5:1. Согласно данным рис. 1б и 1г зона оптимума по времени – 4 – 6,5 часов. При увеличении длительности реакции концентрация ДАГ уменьшается, и преобладает образование следующего продукта – триацилглицеринов.

Таким образом, в результате исследований была получена математическая модель процесса этерификации жирных кислот глицерином, позволяющая оптимизировать технологические параметры производства жиров, обогащенных диацилглицеринами. Установлены условия для получения максимального выхода целевого продукта.

Литература:

1. Тутельян В.А. Лечебное питание: Современные подходы к стандартизации диетотерапии / А.В. Тутельян, М.М. Гапаров, Б.С. Каганов, Х.Х. Шарафетдинов. – М.: Новое тысячилетие. – 2010. – 301 с.

2. Flickinger B.D. Nutritional characteristics of DAG oil / B.D. Flickinger, N. Matsuo // JAOCS. − 2003. − Vol. 38. − No. 2. – P. 129-131.

3. Некрасов П.О. Дослідження харчової цінності діацилгліцеринової олії / П.О. Некрасов, О.В. Подлісна, В.Г. Гопкалов // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". – Харків: НТУ "ХПІ", 2010. – №11. –
С. 170-177.