Применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии при исследовании свойств масличного сырья и продуктов его переработки на примере расторопши пятнистой

Расторопша пятнистая ( Silybum marianum L. ) является представителем семейства Астровых. Отличительной особенностью расторопши пятнистой (РП) является наличие белых пятен на зеленых крупных и колючих листьях. Соцветия ярко сиреневого цвета собраны в корзину, окруженную шипами. Плоды РП имеют цвет от коричневого до черного, в зависимости от созревания. К овальному плоду прикреплен хохолок из простых щетинок. Двухлетнее растение в природе может достигать высоты до 1,5 м [1, 2]. Являясь эврибионтом, оно встречается во многих регионах юга России. Препараты из РП применяются как средства от болезней печени, желчного пузыря, селезенки, варикозного расширения вен. Гепатопротекторные и гепатоза-щитные свойства РП обусловлены содержанием в нем редких биологически активных веществ, а именно, флаволигнанов (силибина, силимарина, силикристина и пр.). В плодах РП обнаружено до 30% жирного масла [1–8]. В настоящее время из плодов РП получают жирное масло – источник высших полиненасыщенных жирных кислот. Масло РП с высоким содержанием витамина Е обладает противовоспалительным, ранозаживляющим и антиоксидантным действием. Его применяют перорально для улучшения липидного обмена, наружно для заживления ран. Шрот растения применяется для извлечения флаволигнанов.

Химический состав и содержание БАВ в растениях, в том числе и в РП, зависит от генотипических и фенотипических факторов: сорта, места произрастания, климатических и иных условий возделывания.

Химический состав масла РП, полученного различными методами из разного по сорту и местности произрастания растительного сырья, заметно варьирует (таблица 1).

Методом газохроматографического анализа в масле РП выявлено до 24 жирных кислот, но основные из них это линолевая – до 57%, олеиновая – до 33%, пальмитиновая – около 10%, стеариновая – в среднем 5%.

Таблица 1.

Состав жирных кислот жирного масла РП [1–8]

Table 1.

Composition of fatty acids of milk thistle oil [1–8]

ЖК FA	W , %
Пальмитиновая (С16:0) Palmitic (С16:0)	8–11 8–11
Стеариновая (С18:0) Stearic (С18:0)	3–11 3–11
Олеиновая (С18:1) Oleic acid (С18:1)	21–33 21–33
Линолевая (С18:2) Linoleic acid (С18:2)	35–57 35–57
Леноленовая (С18:3) Lenolenic (С18:3)	0–6 0–6
Арахиновая (С20:0) Arachidic (С20:0)	0–7 0–7
Эйказеновая (С20:1) Eikazenic (С20:1)	0–2 0–2
Бегеновая (С22:0) Behenic (С22:0)	0–4 0–4

Из результатов анализа витаминного состава следует, что в масле РП присутствуют жирорастворимые витамины А, Е и К и незначительные следы β-каротина.

Влияние разных доз жмыха расторопши на профилактику заболеваний печени у животных рассмотрено в работе [9]. В работах [10, 11] мука семян расторопши пятнистой была использована для повышения потребительской ценности продукции и пролонгирования ее сроков годности.

Контроль подлинности масла расто-ропши, культивируемой в Самарской области, предлагается осуществлять традиционно газохроматографически по данным о жирнокислотном составе – с применением капиллярной ГЖХ [5].

При изучении состава масла расторопши пятнистой, выращенной в Китае, и полученного различными методами (экстракции и холодного отжима) установлено, что метод экстракции не оказывает значительного влияния на профиль жирных кислот и триацилглицеринов (ТАГ), было рекомендовано контролировать состав ТАГ с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Наиболее распространенными ТАГ для расторопши оказались олеилдилинолеилглицерин (OLL, ~20–21%), трилинолеилглицерин (LLL, ~ 18%), пальми-тилолеиллинолеилглицерин (POL, ~ 15%) и пальмитилдилинолеилглицерин (PLL, ~ 11%) [12]. Эти данные хорошо согласуются с нашими данными [7]. ВЭЖХ может быть более надежным методом контроля подлинности растительных масел, чем ГЖХ. Вместе с тем, в работах [6, 7] показано, что хроматографические данные, как ГЖХ, так и ВЭЖХ, позволяют интерпретировать результаты термического анализа. Жирнокислотный и триглицеридный состав масел обуславливает характеристики профиля термограмм плавления ДСК, иначе говоря, максимумы эндотермических пиков и их площади значимо коррелируют с наличием тех или иных жирных кислот и ТАГ в жировой фазе. Отсюда был сделан вывод о том, что метод ДСК может быть самостоятельным методом контроля подлинности жидких растительных масел. Впрочем, теплофизические характеристики масел имеют важное значение не только с точки зрения химического анализа, но и с точки зрения пищевой технологии.

Таблица 2. Температуры максимумов эндотермических пиков масла РП (Тунис)

Table 2.

Temperatures of the maxima of the endothermic peaks of the RP oil (Tunisia)

Место Location	Температура, °С Temperature, °С
	1	2	3	4	5
Бизерта | Bizerta	-22,9	-11,6	-3,3	2,89	11,6
Зигуан | Ziguan	-20,5	-11,9	-3,1	4,6	-
Сус | Sousse	-20,6	11,6	-0,4	11,36	-

В работах [13,14] охарактеризованы состав и свойства РП, произрастающей в разных местностях Туниса. В результате термического анализа образцов из городов Бизерта, Зигуан и Сус выявлено, что при нагревании от -60 до 90 °С в масле РП различного географического положения наблюдается на кривой плавления ДСК от 4 до 5 пиков (Таблица 2).

Из данных работ [13,14] и их интерпретации сделан вывод об уникальности профиля диаграмм плавления ДСК и дана интерпретация эндотермических переходов, которую увязали с наличием в масле РП таких молекулярных разновидностей ТАГ, как LLL (22,30%), OLL (20,40%), PLL (17,31%), POL (14,30%) и OOL (7,90%), что не противоречит данным [12] с учетом природной волатильности, обусловленной генотипическими и фенотипическими факторами.

Цель работы – изучить возможность повышения информативности данных ДСК с применением расчетов вторых производных и программного разделения суперпозиций пиков тепловых эффектов на примере различных образцов масла расторопши пятнистой.

Материалы и методы

Образцы масел и сырья расторопши были получены из различных источников: произведены в лабораторных условиях в ВО «ВГУИТ» (методом холодного отжима с применением шнекового пресса), получены от ООО «Русская Олива», приобретены в розничной сети «Маслобойня №1», аптека «Вита». Термический анализ проводили на приборе синхронного термического анализа STA 449 F3 Jupiter® фирмы “NETZSCH” (Германия). Для анализа отбирали навески образцов сырья массой 15–22 мг. В качестве метода анализа использовали диффе-ренциально-сканирующую калориметрию (ДСК) в температурном диапазоне от -150 до +20 ºС, скорость нагрева 5 град/мин. Систему охлаждали жидким азотом со скоростью 5 град/мин. Измерения выполняли в атмосфере гелия (расход продувочного газа 10 мл/мин, расход защитного газа 10 мл/мин). Точность измерения температуры составляла ±0.3о С.

Для повышения информативности термограмм, полученных методом ДСК, использовали программный расчет вторых производных кривых плавления ДСК и разделение суперпозиции плохо разделенных пиков тепловых эффектов в программе NETZSCH Peak Separation по алгоритму General.

Результаты

В результате термического анализа методом ДСК установлено, все профили плавления образцов масел РП могут в деталях заметно отличаться друг от друга (рисунок 1).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g) (h)

Рисунок 1. Термограммы плавления ДСК масел, семян и шрота расторопши пятнистой: (a) капсулированное масло расторопши, аптека «Вита»; (b) масло РП, «Маслобойня № 1», (c) масло РП, ООО «Русская Олива», (d) масло РП, ООО «Русская Олива», 6 мес хранения, (e) Масло РП, лаборатория ВГУИТ, (f) масло РП дикорастущей, Дагестан Маграметский район, (g) – семена РП, Липецкая область; (h) шрот семян РП, Липецкая область

Figure 1. Thermograms of melting of DSC oils, seeds and meal of milk thistle: a) encapsulated milk thistle oil, pharmacy "Vita»; (b) oil “Masloboynya 1” (c), oil LLC "Russkaya Oliva", (d) oil LLC "Russkaya Oliva", 6 months of storage, (e) oil, VSUIT laboratory, e) wild – growing oil, Dagestan, Magramet region, (g) seeds, Lipetsk region; (h) seed meal, Lipetsk region

Таблица 3.

Температуры пиков (o C) и их относительные площади (%)

Table 3.

Peak temperatures (o C) and relative areas (%)

Образец масла расторопши Sample Milk Thistle oil	Т 1	Т 2	Т 3	Т 4	Т 5	Т 6	Т 7	Т 8	S 1	S 2	S 3	S 4	S 5	S 6	S 7	S 8	S общ , Дж/г J/g
Масло капсулированное аптечное Pharmaceutical oil	-37,5	-30,6	-26,1	-19,2	-16,1	-10,8	-6,3		9,7	2,2	23,1	46,3	4,1	3,2	11,4		61,4
	-35,2	-29,4	-23,5	-15,1	-14,5	-5,1	0,3
Масло «Маслобойня № 1» Oil «Oil mill №1»	-38,7	-29,5	-25,4	-19,3	-11,4	-7,1	-1,5	3,8	17,0	2,7	26,9	31,2	2,28	7,8	9,5	2,7	63,3
	-35,6	-29,5	-23,3	-16,7	-10,8	-5,1	-0,2	6,2
Масло ООО «Русская Олива» Oil of LLC «Russkaja Oliva»	-34,7		-24,3	-21,1	-15,1	-6,5	0,1		13,1	6,4	42,7	17,4	17,6	2,8			69,9
	-33,7	-29,5	-24,2	-21,6	-14,5			1,2
Масло ООО «Русская Олива» (6 мес хранения) Oil of LLC «Russkaja Oliva» (6 months storage)	-35,7		-23,0	-20,7	-15,9	-5,8	0,1		9,4	4,4	37,7	24,7	35,5	11,9	6,2		70,8
	-34,7	-30,4	-25,9	-22,3	-14,4	-4,2		2,4
Масло ВГУИТ Oil VSUET	-35,3		-24,2	-16,9	-9,4	-3,3			12,4		48,6	24,6	5,4	9,0			66,5
	-34,9	-26,0	-24	-16,0			-0,2
Масло Дагестан, Маграметский район Oil Dagestan, Magrametsky district	-34,7		-24,5	-18,2	-10,2		-2,7	2,7	17,3		33,3	18,1	13,2	14,8	3,3		63,4
	-32,1		-24,8	-17,9		-8,8	-1,1	5,2
Семена Липецкая область (влажность 5,2%, массовая доля жира 25,2%) Seeds Lipetsk region (moisture 5,2%, fat mass fraction 25,2%)			-22,4	-14,8		-4,8	0,2				33,7	46,4		11,3	8,6		15,1
			-22,4	-13,5		-5,7	-2,0	1,9
Шрот семян, Липецкая обл. (W 6,8%, массовая доля жира 16,1%) Seed meal, Lipetsk region (W 6,8%, fat mass fraction 16,1%)	-40,5	-30,9	-21,1	-12,1	-8,3-				9,2		28,4	49,5	4,2	8,7			9,1
	-40,7	-31,8	-20,3	-11,6	-7,0			2,4

В первом приближении на всех кривых плавления масел визуально наблюдается от трех до пяти максимумов. Даже если максимум выражен не явно, имеется несколько перегибов, свидетельствующих о нахождении максимума в данной области, обусловленного очередным фазовым переходом.

Для наиболее точного нахождения температуры максимума целесообразно использование второй производной, физический смыл которой заключается в нахождении ускорения плавления [14]. В таблице 3 представлены наиболее детально измеренные тепловые эффекты ряда образцов масла и растительного сырья из РП: прямые измерения температур максимумов эндотермических пиков по данным ДСК и температуры, определенные по вторым производным ДСК (цифры приведены курсивом), а также площади этих пиков, найденные при программном разделении суперпозиции не полностью разделенных пиков. Всего можно выделить до 8 фазовых переходов.

Обсуждение

При интерпретации полученных данных отметим, что для жирного масла РП ранее было установлено около 20 разнообразных ТАГ (без учета положения остатков ЖК в структуре молекулы) [12–20], которые в химической технологии жиров группируют на 4 фракции по степени ненасыщенности: 1) триненасыщен-ные (содержат три остатка ненасыщенных жирных кислот) ТАГ – UUU (U – unsaturated); 2) диненасыщенные, мононасыщенные – UUS (S – saturated); мононенасыщенные, динасы-щенные – USS, и тринасыщенные ТАГ – SSS. Плоды РП, культивируемой в Липецкой области, например, содержат в жирном масле около 60% ТАГ типа UUU и только 3% SSS [7].

ТАГ, образованные преимущественно ненасыщенными жирными кислотами (UUU, UUS) имеют отрицательные температуры плавления, SSS – положительные [7]. В результате взаимной растворимости ТАГ, из-за наличия эвтектик, различных фазовых переходов, кривые ДСК

Саранов И.А. Вестник ВГУИТ, 2021, Т. 83, №. 2, С. 208-216 плавления жиров (смесей ТАГ) имеют несколько максимумов и экстремумов, уникальных не только для различных жиров, но и жиров, выделенных из сырья разными способами, свежего жира и жира, подвергшегося окислительной порче

Если T i основных пиков достаточно точно определяется на кривых ДСК, то для определения T i слабо выраженных термических эффектов, так называемых “плеч” на основных пиках, целесообразно применять вторые произ-

Рисунок 2. Термограмма плавления ДСК масла РП производителя «Маслобойня № 1» и ее вторая производная по времени (ddДСК)

Figure 2. DSC melting thermogram of oil RP produced by "Masloboynya 1" and its second time derivative (ddDSС)

Рассмотрим приведенные в табл. 3 установленные величины теплофизических характеристик исследуемых образцов – T i и площади S i , найденные в результате компьютерного разделения накладывающихся пиков. В работе [7] показано, что жидкие растительные масла, содержащие в своем составе > 60% UUU и около 20% UUS, например, оливковое, имеют на кривых плавления ДСК наиболее ярко выраженный эндотермический пик в области от -42 до +6^о С, на плечах которого слева и справа проявляются как минимум еще два-три заметных пика.

Максимум при Т 1 . Как видно из таблицы 3, максимум пика при Т 1 слабо варьирует от -40,7 до -32,1 ºС, этот пик можно отнести, прежде всего, к фракции ТАГ UUU с наименьшими температурами плавления, в частности, он формируется за счет наличия L 3 [7].

Максимум при Т 2 . Второй пик c максимумом при T 2 от -31,8 до -26.0 ºС также формируются, скорее всего, за счет ТАГ UUU.

Максимум при Т3о от -26,1 до -20,3 ºС имеет наибольшую площадь. Его формирует смесь фракций ТАГ UUU с примесью UUS, в которых присутствуют остатки линолевой и олеиновой кислот с примесью пальмитиновой кислоты – L3, L2 O, LOP, при этом возрастание доли ТАГ типа LOP, LOS, как показано в [7], приводит к смещению максимума пика в область более высоких температур за счет включения в состав ТАГ остатков пальмитиновой, стеариновой и других насыщенных ЖК.

Максимум при Т 4 смещается от -21.6 до -11.6 ºС, он формируется смесью, содержащей преимущественно ТАГ UUS, с примесью UUU и USS. Увеличение доли олеиновой, пальмитиновой и стеариновой кислот и суммы USS смещает максимум пика в область более высоких температур [7].

Максимум при Т 5 . Этот нечеткий пик при -16.1 до -7.0 ºС скорее всего образуют ТАГ из фракция USS.

Максимум при Т 6 от -10,8 до -5,7 ºС обусловлен также наличием более узкой фракции ТАГ типа USS и, возможно, небольшой долей SSS. Об этом говорит то, что этот пик находится в области отрицательных температур.

Максимум при Т 7 от -6,3 до +0,1 ºС обусловлен также наличием фракции ТАГ типа USS и большей долей SSS, чем при Т 6 . Об этом говорит то, что этот пик смещен в сторону положительных температур.

Максимум при Т8, от +1,2 до +6,2 ºС связан с фазовым переходом ТАГ USS и SSS, содержащих пальмитиновую, стеариновую, арахиновую и бегеновую кислоты. Скорее всего на термограммах исследуемых образцов отсутствует пик, характеризующий «чистую» фракцию SSS, так как положительные значения температур в максимумах не слишком велики.

Если проанализировать изменение профиля ДСК свежеотжатого масла РП и масла, после полугода хранения в темной стеклянной таре в комнатных условиях, можно заметить смещение пиков Т6 и Т8 в сторону более высоких температур и увеличение площади пиков, характеризующих более тугоплавкие фракции, одновременно с этим наблюдается уменьшение площади пиков тепловых эффектов полиненасы-щенных ТАГ. Это можно объяснить окислительной порчей, в результате которой отдельные полиеновые жирные кислоты в ТАГ приобретают кислородсодержащие функциональные группы – пероксидные, эпоксидные, диольные и карбонильные. Кислородсодержащие функциональные группы в углеводородных радикалах лучше вступают в межмолекулярные взаимодействия, что приводит к увеличению температуры фазовых переходов ТАГ, содержащих частично окисленные фрагменты жирных кислот. Семена, лишенные масла, а именно, шелуха семян расторопши, так называемый шрот, помимо клетчатки, флаволигнанов содержит остаточные количества масла, состав которого принципиально не отличается от состава масла в семенах, хотя обращает внимание наличие заметной фракции с пиком при -40,7 о С, то есть, часть полиненасыщенных ТАГ типа UUU экстрагируется из семян хуже. Что касается масла расторопши дикорастущей в Дагестане, оно имеет свой профиль, несколько отличный от масла РП, культивируемой в Липецкой области, в нем меньше относительное количество фракции, имеющий пик в области Т4 и больше ТАГ с более высокой температурой фазового перехода

Заключение

Термический анализ образцов масла расторопши пятнистой показал, что при общем подобии профилей кривых плавления ДСК, они имеют различия, обусловленные различными генотипическими и фенотипическими факторами – сортом, местом и условиями произрастания. Кривые ДСК свежеотжатого масла отличаются от кривых ДСК после хранения масла в течение 6 месяцев. Этот факт следует изучить с целью определения возможностей метода ДСК в контроле свежести масла. Двукратное дифференцирование позволяет выявить температуры фазовых переходов в случае перекрывающихся пиков плавления, поиск которых без двойного дифференцирования затруднен. Использование программного обеспечения для разделения пиков позволяет в первом приближении оценить площади перекрывающихся пиков и повысить информативность данных ДСК. При термическом анализе семян и шрота расторопши установлено, что в шроте содержится остаточное количество масла, в котором доля триненасыщен-ных жиров завышена по сравнению с семенами, что указывает на то, что они труднее извлекаются из масла методом холодного отжима.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № МК-590.2020.8.