Фосфолипиды жидких растительных лецитинов и способы их модификации

В настоящее время в технологиях продуктов питания, в том числе функциональных и специализированных, особое внимание уделяется применению пищевых добавок фосфолипидной природы, характеризующихся не только технологическими свойствами, но и биоактивным потенциалом [1]. К таким пищевым добавкам можно бесспорно отнести лецитины и, прежде всего, модифицированные лецитины.

Известно, что, благодаря применению различных методов модификации жидких растительных лецитинов, появляется возмож- ность получить лецитины с заданным составом и содержанием фосфолипидов, обладающие конкретными технологическими свойствами и биоактивным потенциалом [2].

Основным сырьём для производства модифицированных лецитинов являются жидкие растительные лецитины, вырабатываемые путем гидратации фосфолипидов из нерафинированных растительных масел.

Следует отметить, что в настоящее время отечественные масложировые предприятия вырабатывают до 8–10 тыс. тонн в год жидких растительных лецитинов [3].

Однако, несмотря на промышленные объемы отечественного сырья, а именно жидких растительных лецитинов, на российском рынке модифицированные лецитины представлены только зарубежными производителями (Германия, Китай, Аргентина), а модифицированные лецитины отечественных производителей отсутствуют [3], что связано с отсутствием эффективных технологических и технических решений их получения, обеспечивающих снижение материальных затрат, сокращение потерь целевого продукта при одновременном повышении его качества и безопасности.

Целью настоящего исследования является обзор данных, опубликованных отечественными и зарубежными учеными в области исследований физиологической роли и технологических свойств фосфолипидов, содержащихся в жидких лецитинах, а также обзор данных, характеризующих известные способы модификации жидких лецитинов, для обоснования необходимости разработки инновационных технологий получения модифицированных лецитинов.

Общая характеристика и физиологическая роль фосфолипидов

Фосфолипиды относятся к классу полярных липидов и являются основными структурными компонентами мембран клеток животных, растений и микроорганизмов, они определяют проницаемость мембран клеток для ионов, неэлектролитов и воды, тем самым регулируя водный баланс и обмен веществ [4].

Природные фосфолипиды разделяют на две группы: глицерофосфолипиды и сфингозинфосфолипиды, при этом сфингозинфосфолипиды находятся только в составе фосфолипидов животного происхождения [5].

Глицерофосфолипиды представляют собой производные 1,2-диацил- sn-глицеро-3-фосфата и имеют общую структурную формулу [5]:

где R 1 и R 2 – углеводородные остатки насыщенных или ненасыщенных жирных кислот; R⁺ – аминоспирт (холин, этаноламин), аминокислота (серин), полиол (инозитол).

Углеводородные остатки жирных кислот образуют неполярную (незаряженную) часть молекулы фосфолипида, тогда как фосфорная кислота, этерифицированная аминоспиртом (аминокислотой) или многоатомным спиртом (инозитолом), образует полярную (заряженную) часть молекулы фосфолипида.

Таким образом, фосфолипиды обладают бифильностью, т. е. сродством к полярной и неполярной фазе, что и обусловливает их свойства.

В растительных источниках наиболее высокое содержание фосфолипидов в масличных семенах, орехах и зерне.

В масличных семенах они локализованы преимущественно в нежировой фазе в свободном и связанном состоянии, а также в виде комплексов с белками и другими веществами [5].

В табл. 1 приведены основные индивидуальные группы фосфолипидов растительного происхождения [5].

Каждый из представленных в таблице фосфолипидов проявляет специфические функциональные свойства и физиологическую активность [6–11].

Так, ФХ составляет около 50 % липидов мембраны, входит в состав липопротеидов крови, является источником для организма ацетилхолина, вырабатывающего миелиновую защитную оболочку, окружающую нервы и клетки мозга, а также входит в состав сурфактанта легких (доля ФХ 80 % от состава) и в состав желчи. ФХ улучшает кратковременную память, способствует самообновлению нейросферы, снижает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний за счет нормализации соотношения между холестерином высокой и низкой плотности [6].

ФЭА, полярная часть которого содержит спирт этаноламин, составляет около 30 % липидов мембраны, содержится во всех тканях и клетках организма человека, в составе липопротеидов крови, метаболически тесно связан с ФХ и может служить предшественником его синтеза [6].

ФС, благодаря содержанию в полярной части остатка аминокислоты – серина, содержащего кислотную группу СООН, проявляет ярко-выраженные кислотные свойства, по сравнению с другими индивидуальными группами фосфолипидов [7]. ФС также входит в структуру клеточных мембран, играет важную роль в межклеточном сообщении и

Таблица 1

Радикал (R) Наименование фосфолипида Сокращенное обозначение –CH2CH2N(OH)(CH3)3 Фосфатидилхолин ФХ –CH2CH2NH2 Фосфатидилэтаноламин ФЭА –CH2CH(NH2)–COOH Фосфатидилсерин ФС –C6H11O6 Фосфатидилинозитол ФИ –H Фосфатидная кислота ФК передаче в клетку биохимических сигналов, стимулирует синтез ацетилхолина, активизирует холинергические процессы в головном мозге, улучшает клеточную коммуникацию и метаболизм, а также является предшественником ФЭА [8]. Результатами клинических испытаний установлено, что ФС способен задерживать возрастную деградацию умственных способностей, способствует обострению памяти и улучшению мышления, а также препятствует неврологическим повреждениям клеток тканей, обусловленных стрессом [8, 9].

ФИ присутствует в нервных клетках, обеспечивая их стабильное функционирование и рост, а также стабильную работу жизненно важных органов [10].

ФК участвует в передаче клеточных сигналов и является предшественником лизоФК, проявляющей ряд регуляторных функций [11].

Таким образом, фосфолипиды являются физиологически ценными веществами, необходимыми для нормального функционирования всех органов человека.

Учитывая это, установлена норма суточной потребности взрослого человека в фосфолипидах: 5–7 г [12].

Жидкие растительные лецитины представляют собой многокомпонентную систему, состоящую в основном из фосфолипидов, триацилглицеринов и, в незначительном количестве, других структурных компонентов клеточных мембран масличных семян (свободные жирные кислоты, гликолипиды и др.) [13, 14].

Состав и содержание фосфолипидов в жидких растительных лецитинах обусловлены видом растительного масла, из которого они получены.

Основным сырьем для производства жидких лецитинов в мире является соя. Это связано, во-первых, с большими площадями вы- ращивания сои и объемами производства соевого масла, а, во-вторых, с высоким содержанием в нерафинированном соевом масле фосфолипидов (до 3,0 %) по сравнению с другими растительными маслами [15–17].

Также в промышленных объемах вырабатываются жидкие лецитины из подсолнечных и рапсовых масел [18, 19].

Следует отметить, что Россия, Украина и Аргентина являются основными мировыми производителями семян подсолнечника и масла из него, а, следовательно, и жидких лецитинов. Сырьем для производства жидкого подсолнечного лецитина, как правило, является масло, полученное при переработке семян подсолнечника современной селекции с преобладанием линолевой кислоты до 77,0 %.

Однако в настоящее время в России увеличились посевные площади высокоолеино-вых сортов и гибридов подсолнечника и объемы производства масла из него с преобладанием олеиновой кислоты до 92 %, при этом объемы производства жидкого подсолнечного лецитина олеинового типа незначительны [14].

Следует отметить, что жидкие подсолнечные лецитины, в отличие от импортных жидких соевых лецитинов, не содержат ГМО, что имеет важное значение для обеспечения экологической безопасности продуктов питания, полученных с их применением [20].

Технологические свойства жидких лецитинов

Известно, что фосфолипиды, содержащиеся в лецитинах, обусловливают такие важные технологические свойства лецитинов, как эмульгирующая и солюбилизирующая способности, смачивание, пенообразующая способность и др. [21, 22].

Следует отметить, что фосфолипиды благодаря бифильному строению молекул и их структурным особенностям проявляют по- верхностно-активные свойства, что имеет важное технологическое значение в производстве продуктов питания.

Как правило, природные растительные фосфолипиды получают путем их гидратации из нерафинированных растительных масел водой. Полученные в результате гидратации фосфолипиды сушат под вакуумом и получают жидкие лецитины - пищевые добавки, широко применяемые в технологиях продуктов питания для совершенствования технологических процессов и повышения качества продуктов питания [13].

В табл. 2 приведены технологические свойства фосфолипидов и направления их применения в технологиях продуктов питания.

Следует отметить, что применение жидких лецитинов, полученных из растительных масел, в технологиях продуктов питания в качестве эмульгаторов является более предпочтительным по сравнению с синтетическими аналогами, что обусловлено отсутствием токсичности, а также отсутствием мутагенного и канцерогенного рисков [22].

Известно, что склонность к формированию ассоциатов мицеллярного типа, равно как и другие проявления поверхностно-активных свойств, зависит от химического строения молекул эмульгатора (поверхностно-активного вещества (ПАВ)) и, прежде всего, от соотношения размеров полярной и неполярной частей молекулы, которое выражается в показателе гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ), при этом, чем выше гидрофильные свойства, тем выше значение ГЛБ и тем ярче проявляется способность молекул ПАВ к об- разованию классических мицелл и стабилизации прямых эмульсий [23].

Однако показатель ГЛБ рассчитывается для системы вода/масло, в то время как состав реальных пищевых систем более сложный. Тем не менее, величина ГЛБ эмульгатора может использоваться для выявления области его возможного применения [23].

Так, ПАВ с показателем ГЛБ от 8 до 18 (гидрофильные) лучше растворимы в воде, чем в масле, и стабилизируют прямые эмульсии («масло в воде»), а ПАВ с числом ГЛБ от 3 до 6 (липофильные) стабилизируют обратные эмульсии («вода в масле») [24].

Жидкие лецитины, имеющие показатель ГЛБ, равный 3–4, характеризуются слабыми эмульгирующими свойствами, что ограничивает область их применения в технологиях продуктов питания. Жидкие лецитины применяются, в основном, для стабилизации обратных эмульсий «вода в масле» (например, маргарин), а также для регулирования реологических свойств шоколадных масс в производстве шоколада [23].

Характеристика известных способов модификации жидких лецитинов

В мировой практике для целенаправленного регулирования биологически активного потенциала и технологических свойств жидких лецитинов их подвергают модификации или трансформации для получения пищевых добавок с заданными составом и свойствами.

Так, известно, что из всех групп фосфолипидов наивысшей поверхностной активностью обладает ФХ, в меньшей степени - ФЭА, ФС, ФИ и ФК [25].

Таблица 2

Технологические свойства фосфолипидов	Направления применения фосфолипидов в технологиях продуктов питания
Эмульгатор, стабилизатор	Технологии сухого молока, детского питания, майонезов, майонезных соусов, маргаринов, спредов, кетчупов и мясных фаршевых изделий
Улучшитель	Технологии хлебобулочных и мучных кондитерских изделий
Антиразбрызгиватель	Технологии маргаринов и спредов
Пластификатор	Технологии сыров, карамельных масс, леденцов и ириса
Разжижитель	Технологии шоколада, вафель и кремовых начинок
Солюбилизатор	Технологии красителей и вкусовых добавок
Пеногаситель	Технологии дрожжей и спирта
Антиоксидант	Технологии майонезов, майонезных соусов и кетчупов

В работах [2, 26] показано, что благодаря модификации жидкого лецитина возможно получение лецитинов, обогащенных фосфа-тидилхолинами, с высокой эмульгирующей способностью.

Кроме того, в работах [27–29] отмечено, что на повышение способности лецитинов стабилизировать эмульсии прямого типа («масло в воде»), в том числе и наноэмульсий, влияет соотношение в их составе фосфати-дилхолинов и фосфатидилэтаноламинов, при этом, чем оно выше, тем более выражены гидрофильные свойства лецитинов и тем выше стабильность получаемых эмульсий.

Следует отметить, что фосфолипиды, содержащиеся в жидких лецитинах, помимо проявления эмульгирующих свойств, обладают антиоксидантной активностью.

В работе [30] показано, что инкапсулированный бета-каротин в эмульсии прямого типа, в которой в качестве эмульгатора применялся жидкий соевый лецитин, в меньшей степени подвержен окислению, по сравнению с эмульсией, содержащей в качестве эмульгатора синтетический Tween 20.

В работах [31, 32] также подтверждается, что эмульсии, стабилизированные лецитинами, в меньшей степени подвержены окислению, по сравнению с эмульсиями, стабилизированными другими синтетическими эмульгаторами, такими как эфиры сахарозы и жирных кислот, моно- и диглицериды жирных кислот, Tween 80.

Следует отметить, что в России промышленный выпуск модифицированных лецити- нов, полученных из отечественного экологически безопасного растительного сырья, отсутствует, в связи с чем в технологиях продуктов питания используются исключительно импортные модифицированные лецитины.

Модификация жидких лецитинов может осуществляться физическими, химическими и ферментативными способами [33] (см. рисунок).

Следует отметить, что лецитины, подвергшиеся химической модификации (ацетилирование и гидроксилирование), в пищевой промышленности не используются и применяются, в основном, в лакокрасочной промышленности [2].

Ферментативная модификация подразумевает воздействие фосфолипаз А1, А2, В, С и Д на молекулы фосфолипидов [34]. Катализируемые ферментами реакции, такие как гидролиз и этерификация, позволяют получать с учетом высокой селективности различные по составу фосфолипидов лецитины [35].

Наибольшим преимуществом использования ферментативного способа модификации является возможность регулирования состава модифицированных лецитинов в зависимости от природы используемой фосфолипазы.

Физические методы модификации заключаются в проведении обезжиривания жидких лецитинов с получением фосфолипидных комплексов и их фракционировании, основанном на различной растворимости отдельных групп фосфолипидов в органических растворителях.

Способы модификации жидких лецитинов

Химическая модификация (ацетилирование и гидроксилирование)

Ферментативная модификация (воздействие фосфолипаз

А1, А2, В, С и Д)

Физическая модификация (обезжиривание и фракционирование)

Способы модификации жидких лецитинов

В результате обезжиривания жидкого лецитина путем экстракции нейтральных липидов с применением селективного растворителя получают пищевую добавку – обезжиренный лецитин с высоким содержанием собственно фосфолипидов до 98 % [13].

Следует отметить, что обезжиренные лецитины за счет удаления нейтральных липидов, некоторого количества гликолипидов, красящих и ароматических веществ, характеризуются значительным повышением эмульгирующей способности и диспергируемости в воде, а также более нейтральным вкусом, по сравнению с жидким лецитином [36].

Кроме того, преимуществом использования обезжиренных лецитинов в различных отраслях пищевой промышленности, помимо высокой технологической функциональности, является удобство и точность их дозирования [13].

Так, в работе [37] приведено сравнительное исследование влияния обезжиренного соевого лецитина на реологические свойства и процесс кристаллизации какао-масла в производстве шоколада, по сравнению с жидким соевым лецитином. Показана более высокая эффективность применения обезжиренного лецитина в низких дозировках в качестве агента кристаллизации, а также для улучшения реологических свойств шоколадных масс, по сравнению с жидким лецитином, что позволяет значительно снизить затраты на производство шоколада.

Большинство существующих способов обезжиривания жидких лецитинов основаны на экстракции из жидкого лецитина нейтральных липидов селективным растворителем [2].

В качестве растворителя для проведения процесса обезжиривания жидких лецитинов используют ацетон [2].

Применение в качестве растворителя ацетона для проведения процесса обезжиривания жидкого лецитина основано на том, что практически все фосфолипиды не растворяются в ацетоне, в отличие от других органических растворителей, а нейтральные липиды растворяются полностью.

Как правило, в известных способах [38– 40] процесс обезжиривания фосфолипидных продуктов (жидких лецитинов и фосфатидных концентратов) с применением в качестве растворителя ацетона осуществляют при темпе- ратуре 50–55 °С, а в некоторых способах – при температуре до 75 °С [41–43].

Однако повышение температуры жидкого лецитина приводит к нежелательным потерям фосфолипидов (до 3,0–3,5 %) в связи с тем, что молекулы фосфолипидов высвобождаются из мицелл низких порядков и переходят в жидкую фазу, содержащую ацетон и нейтральные липиды.

Кроме того, указанные способы предусматривают использование больших объемов растворителя (примерно 30-кратный расход ацетона на единицу массы жидкого лецитина), что приводит к увеличению энергозатрат на его регенерацию.

Следует отметить, что в результате снижения расхода ацетона достаточно сложно получить высокий выход целевого продукта, т. е. обезжиренного лецитина.

В работе [44] в качестве экстрагента для обезжиривания фосфатидного концентрата применяют изопропиловый спирт. Обезжиривание проводят при температуре 70–80 °С, то есть при температурах, близких к температуре кипения растворителя. Процесс осуществляется в две стадии при соотношении (по массе) фосфатидный концентрат – изопропиловый спирт, равном 1:2 на первой стадии и 1:1 – на второй.

Основным недостатком проведения процесса обезжиривания фосфатидного концентрата изопропиловым спиртом является высокая температура процесса, которая способствует протеканию окислительных процессов в обезжиренном лецитине.

В работе [2] показано, что для удаления излишней влаги и наиболее полного разделения нейтральных липидов и полярных липидов, в том числе фосфолипидов, с применением в качестве растворителя гексана, растительный лецитин пропускают через хроматографическую колонку с диоксидом кремния. Следует отметить, что указанный способ нецелесообразно применять для получения обезжиренного лецитина в промышленных масштабах, так как он является достаточно трудоемким и требует больших затрат на регенерацию адсорбента.

В работе [45] показано, что проведение процесса обезжиривания жидкого лецитина возможно с помощью сверхкритической экстракции с применением диоксида углерода при давлении 35–45 бар и температуре 79–

93 °С. Основным ограничением промышленного применения указанного способа является необходимость использования дорогостоящего оборудования.

Таким образом, анализ отечественной и зарубежной научно-технической и патентной информации показал, что известные способы модификации жидких лецитинов для получения модифицированных лецитинов имеют ряд недостатков, во-первых, высокая энерго- и ресурсозатратность (высокие потери и расходы селективного растворителя), во-вторых, сложность технологического процесса, что обусловливает высокую себестоимость ко- нечного продукта, а, в-третьих, высокие потери целевого компонента – фосфолипидов.

Учитывая высокую востребованность модифицированных лецитинов в технологиях продуктов питания, которые в настоящее время на российском рынке представлены только импортными производителями, актуальным является производство отечественных модифицированных лецитинов.

В связи с этим разработка инновационных технологий производства модифицированных лецитинов является стратегически важной задачей для обеспечения продовольственной независимости страны.