Использование ИК-спектроскопии для изучения окислительных процессов в тыквенном масле

Распространение стандартов здорового образа жизни, в том числе принципов здорового питания, оказали влияние на изменение структуры ассортимента пищевых продуктов на российском потребительском рынке. Расширяется ассортимент пищевых продуктов, для производства которых используют инновационные технологии, сохраняющие биологически активные вещества (БАВ) природного сырья [1, 2]. Произошли изменения и на рынке растительного масла. Сокращение производства нерафинированного подсолнечного масла привело к увеличению потребительского спроса на нативные масла с повышенным содержанием БАВ, одним из которых является тыквенное масло [2].

Тыквенное нерафинированное масло относится к маслам линолево-олеинового типа, которое получают из семян тыквы крупной, обыкновенной или мускатной, произрастающих во многих странах [3–5]. Особый вид тыквенного штирийского масла получают из се- мян разновидности Cucurbita pepo var. Styriaca, выведенной в провинции Австрии Штирии [6, 7]. Современные технологии позволяют не только увеличить выход масла, но и сохранить БАВ и его характерные органолептические свойства [8–13]. Из БАВ в нем обнаружены каротиноиды, фосфолипиды, стерины, флавоноиды, токоферолы [2, 4, 14–16].

Благодаря высокому содержанию антиоксидантов его часто используют в качестве профилактического средства в виде биологически активной добавки к пище, а также при лечении различных заболеваний [17, 18]. Но очень высокое количество токоферолов и наличие хлорофилла может снижать его антиоксидантные свойства при хранении и нагревании, способствуя образованию токсичных продуктов окисления. Поэтому результаты исследований стойкости к окислению тыквенного масла разных ученых противоречивы [15, 19–21]. Это может быть связано с тем, что окислительные процессы в растительных маслах изучают по образованию нестабильных первичных продуктов окисления – пероксидов (перекисное число), а из вторичных – только альдегидов (анизидиновое число). Но при окислении растительных масел образуются и другие вторичные продукты (кетоны, карбонильные соединения с различной длиной углеродных цепей, оксисоединения, полимерные соединения с двумя и тремя двойными связями), уменьшая степень его ненасыщенности [22]. Для изучения окислительных изменений в маслах можно использовать ИК-спектроскопию, позволяющую охарактеризовать начальную и конечные стадии процесса [23].

Цель работы – изучить интенсивность окислительных процессов нерафинированного тыквенного масла разных видов и производителей с использованием метода ИК-спектроскопии.

Объекты и методы исследований

Объектами исследований явились образцы традиционного нерафинированного тыквенного масла торговых марок: «Dial Export», Россия; «Pelzmann», Австрия, а также шти-рийского нерафинированного тыквенного масла торговой марки «Pelzmann», Австрия.

Жирно-кислотный состав тыквенного масла определяли методом газовой хроматографии по ГОСТ Р 31663-2012 на хроматографе Agilent 6890 Series, Agilent Technologies, США. Качественный состав БАВ определяли хромато-масс-спектрометрией на газовом хроматографе «MAESTRO 7820A», ООО «Интерлаб» с масс-селективным детектором модели «5975», Германия. Регистрацию масс-спектров проводили в интервале масс от 40 до 800 m/z. Полученные масс-спектры идентифицировали с помощью электронных библиотечных масс-спектров прибора (библиотеки NIST11.L., DD2011.L.).

Для изучения окислительных процессов моделировали окислительный стресс термическим воздействием в течение 4-х часов при температуре 120 °С до появления видимых изменений в области 3200–3700 см–1, характерных для валентных колебаний группы ОН вторичных продуктов окисления. Окислительную деструкцию фиксировали каждый час окислительного стресса на ИК-Фурье спектрометре «ФСМ 1202» ООО «Мониторинг», Россия. Параметры регистрации спектров: спектральный диапазон – 400–4000 см–1; количество сканов – 20; разрешение 4 см–1; режим – интерферограмма. Полученные интерферограммы преобразовывали в спектры поглощения. Идентификацию пиков проводили согласно [24]. Рассчитывали коэффициенты окисленности по Tokassado M. [23]: К1=А2850/А3030; К2=А1465/А3030; К3=А3450/А2850; К4=А3450/А1455.

Результаты и их обсуждение

Состав жирных кислот (ЖК) исследуемых тыквенных масел (табл. 1) отличался в зависимости от вида и региона выращивания. Преобладали линолевая, олеиновая и пальмитиновая ЖК, что согласуется с исследованиями других авторов [2, 4, 6, 7]. В штирийском масле была идентифицирована линоленовая кислота, которая отсутствовала в традиционном тыквенном масле, а количество линолевой ЖК было наибольшим. Но, несмотря на это, суммарное количество ненасыщенных ЖК было большим в традиционном тыквенном масле Dial Export.

В большей степени исследуемые масла отличались качественным составом БАВ (табл. 2), из которых только γ-токоферол и сквален присутствовал во всех исследуемых образцах. В маслах из Австрии идентифицированы δ-токоферол и стигмастерол, которые отсутствовали в российском тыквенном масле. Напротив, β-токоферол и β- и γ -ситостеролы были обнаружены только в российском масле.

Состав ЖК и БАВ исследуемых образцов тыквенного масла оказал влияние на интенсивность окислительных процессов, которые были зафиксированы изменениями в ИК-спектрах в областях 1500–1700 см–1 (валентные колебания группы С=О кетонов и альдегидов), 3000–3030 см–1 (валентные колебания С–Н в цис-связи –НС=СН–), 3200–3700 см–1 (валентные колебания свободной группы ОН гидропероксидов и оксисоединений). ИК-спектр поглощения штирийского тыквенного масла Pelzmann представлен на рис. 1.

В области 3000–3030 см–1 проявляются валентные колебания С–Н в цис-связи –НС=СН–, интенсивность которой растет с увеличением числа двойных связей в молекуле. Причем, если >С=СН–, то полоса поглощения смещается в сторону низких частот [24]. Преобладание в жирно-кислотном составе тыквенных масел линолевой и олеиновой кислот с двумя и одной двойными связями, соответственно (см. табл. 1), смещает эту полосу и ее интенсивность проявляется при 3008 см–1. В ИК-спектрах тыквенных масел происходило уменьшение интенсивности полосы 3008 см–1,

Таблица 1

Жирно-кислотный состав исследуемых образцов нерафинированного тыквенного масла, % к сумме жирных кислот

Торговая марка	Жирные кислоты
	С 14:0	С 16:0	С 16:1	С 18:0	С 18:1	С 18:2	С 18:3	С 20:0	С 20:1	С 20:2
Штирийское тыквенное масло
Pelzmann	0,27	13,93	0,09	5,54	22,13	55,24	0,55	0,49	0,12	1,38
Тыквенное масло
Pelzmann	–	13,93	–	5,74	32,46	47,47	–	0,40	–	–
Dial-Еxport	–	10,47	–	3,87	32,95	52,34	–	0,37	–	–

Таблица 2

Качественный состав биологически активных веществ тыквенного масла

Торговая марка Токоферолы (ТФ) Стеролы Сквален β-ТФ γ-ТФ δ-ТФ β-сито стерол γ-сито стерол стигма стерол Штирийское тыквенное масло Pelzmann – + + – – + + Тыквенное масло Pelzmann – + + – – + + Dial-Еxport + + – + + – + которое достигло максимума через 4 часа термоокисления.

Для сравнения степени окисленности растительных масел, отличающихся исходным составом жирных кислот и БАВ, Tokassado M [23] предложил использовать коэффициенты окисленности, сопоставляющие интенсивность полос поглощения наиболее лабильных при окислении компонентов по отношению со стабильными, так называемых «скелетных» колебаний триглицеридов. В качестве «скелетных» используют деформационные и валентные колебания С–Н в группе СН 2 при частотах 1465 и 2850 см^–1. Коэффициенты окисленности для полосы 3008 см^–1 (К 1 и К 2 ) характеризуют стадию цепного процесса – зарождения цепей. Они были рассчитаны для исследуемых образцов тыквенного масла через 4 часа окисления (табл. 3).

Глубина и скорость окисления находятся в прямой зависимости от количества полине-насыщенных жирных кислот и степени их ненасыщенности. В первую очередь окисляется группа =СН–, соседняя с двойной связью, а с наибольшей скоростью — расположенная между двумя двойными связями. Поэтому процесс окисления линолевой кислоты и осо- бенно линоленовой штирийского масла, идет интенсивнее за счет раскрытия двойных связей и более раннего образования окисленных молекулярных продуктов, чем в олеиновой кислоте. Это нашло отражение в увеличении значений коэффициентов окисленности через 4 часа термоокисления всех образцов масла, но наиболее выраженных в штирийском масле Pelzmann. Более информативным был К2, который увеличился в 4,6 раза в штирийском масле, и в 3,4 и 3,7 раза в традиционном Pelzmann и Dial-Еxport, соответственно.

Область поглощения 3200–3700 см–1 характерна для валентных колебаний свободной группы ОН. Отсутствие выраженных колебаний за 3 часа термоокисления и появление их через 4 часа можно связать с образованием вторичных продуктов окисления липидов, например, гидропероксидов и оксисоединений [23, 24]. Но картина валентных колебаний в этой области была разной для исследуемых масел. Традиционное тыквенное масло Pelzmann имело широкую полосу поглощения с максимумом 3465 см–1, а остальные масла – несколько пиков разной интенсивности, которые сместились в область высоких частот (рис. 2).

Рис. 1. ИК-спектры поглощения штирийского тыквенного масла Pelzmann в процессе окисления: 1 – до окисления; 2 – через 4 часа термоокисления

Таблица 3

Коэффициенты окисленности тыквенного масла для полосы 3008 см–1

Торговая марка	К 1 = А 2853 /А 3008 ,*(10–2)		К 2 = А 1465 /А 3008 ,*(10–2)
	начало окисления	конец окисления	начало окисления	конец окисления
Штирийское тыквенное масло
Pelzmann	304,37	343,96	75,92	343,89
Тыквенное масло
Pelzmann	343,98	350,69	88,36	297,59
Dial-Еxport	320,60	322,27	60,22	220,19

Через 4 часа термоокисления в штирий-ском масле в этой области ИК-спектра появилось 8 пиков, наибольшая высота пика была характерна для полосы 3646 см–1. В масле Dial-Еxport появилось 10 пиков с наибольшей величиной пика для полосы 3656 см–1. Рассчитать динамику коэффициентов окисленно-сти в процессе термоокисления невозможно из-за отсутствия полос поглощения в начале окисления, но можно сравнить коэффициенты окисленности для области 3200–3700 см–1 по интенсивности максимального пика через 4 часа окисления между разными видами тыквенных масел (табл. 4). Полученные результаты позволили расположить исследуемые масла в зависимости от коэффициентов окислен-ности, связанных с колебаниями группы ОН, в следующей последовательности: штирий-ское Pelzmann < традиционное Pelzmann < традиционное Dial-Еxport. Это говорит о том, что, несмотря на наиболее выраженные изме- нения в содержании ненасыщенных ЖК (полоса 3008 см–1) в масле Pelzmann, образование вторичных продуктов окисления, связанных с колебаниями группы ОН, происходит с меньшей интенсивностью, чем в масле Dial-Еxport.

При изучении окислительных процессов в растительных маслах следует также учитывать образование альдегидов и кетонов, которые в ИК-спектрах проявляются валентными колебаниями группы С=О в области 1500– 1700 см–1. Причем появление полос поглощения в этой области в штирийском масле Pelzmann началось уже через один час термического воздействия появлением пиков низкой интенсивности при частотах 1560 и 1652 см–1. Постепенно количество пиков и их интенсивность увеличивались. Через 4 часа в штирий-ском масле было 6 пиков с волновыми числами, см–1: 1507, 1540, 1558, 1652, 1683, 1700 (рис. 3).

Рис. 2. Увеличенные фрагменты области 3200–3700 см–1 ИК-спектров поглощения исследуемых образцов тыквенного масла: 1 – до окисления; 2 – через 4 часа термоокисления

Таблица 4

Торговая марка	К 3 =А max /А 2853 ,*(10–2)	К 4 =А max /А 1465 ,*(10–2)
Штирийское тыквенное масло
Pelzmann	176,78	175,82
Тыквенное масло
Pelzmann	209,97	247,44
Dial-Еxport	229,89	346,90

Коэффициенты окисленности тыквенного масла для области 3200–3700 см–1 через 4 часа термоокисления

а) штирийское Pelzmann               б) Pelzmann                    в) Dial-Еxport

Рис. 3. Увеличенные фрагменты области 1500–1700 см–1 ИК-спектров поглощения исследуемых образцов тыквенного масла: 1 – до окисления; 2 – через 4 часа термоокисления

Напротив, в традиционных тыквенных маслах изменения в этой области начались только через 3 часа термоокисления, и в конце окисления были представлены только одним выраженным пиком средней интенсивности. Можно предположить, что при термоокисле- нии в штирийском тыквенном масле образование вторичных продуктов в большей степени связано с накоплением альдегидов и кетонов (колебания группы С=О в области 1500– 1700 см–1), а в традиционных тыквенных маслах – с оксисоединениями (колебания группы

ОН в области 3200–3700 см–1). Причем в традиционных маслах процесс более выражен в масле Dial-Еxport, которое содержит менее активный антиоксидант – β-токоферол в отличие от масла Pelzmann, содержащего δ-токоферол.

Заключение

Нерафинированные тыквенные масла отличаются составом жирных кислот и биологически активных веществ в зависимости от видовых и региональных особенностей используемого сырья. Штирийское тыквенное масло содержит в незначительном количестве линоленовую кислоту и больше линолевой кислоты по сравнению с традиционным тыквенным маслом. Отечественное традиционное тыквенное масло Dial-Еxport характеризуется большей степенью ненасыщенности жирных кислот. В его составе содержится β-токоферол и β- и γ -ситостеролы, отсутствующие в маслах из Австрии. В то же время в маслах из Австрии содержатся ö-токоферол и стигмастерол, отсутствующие в отечественном масле. Использование ИК-спектроскопии позволило изучить образование первичных продуктов окисления по изменению спектров в области 3000–3030 см^–1 (валентные колебания С–Н в цис-связи –НС=СН–) и вторичных продуктов в областях 3200–3700 см^–1 (валентные колебания свободной группы ОН гидропероксидов и оксисоединений); 1500–1700 см^–1 (валентные колебания группы С=О кетонов и альдегидов). В штирийском тыквенном масле происходят преимущественно изменения в области 1500–1700 см^–1, а в традиционном – в области 3000–3030 см^–1, что говорит о различном протекании заключительной стадии окисления. Вероятно, это связано с химическим составом масел, в том числе содержания хлорофилла, который тоже оказывает влияние на окислительные процессы.