Влияние температуры и бета-каротина на процессы гидролиза и окисления триацилглицеринов оливкового масла холодного отжима при хранении

В настоящее время на российский рынок поставляется оливковое масло различных сортов из многих стран мира, в том числе из Сирии.

В зависимости от технологии получения оливкового масла реализуются различные сорта, из которых наиболее востребованными на международном рынке является масло первого холодного отжима высшего качества, полученное методом прессования, без химических реагентов [1].

Оливковое масло отличается высокой биологической ценностью [2], содержит моно- и – полиненасыщенные жирные кислоты, фенольные соединения, токоферолы и фитостерины [3]. Исследованиями ряда ученых показано, что химический состав и соотношение насыщенных и ненасыщенных кислот оливкового масла, его стабильность в процессе хранения зависят от сорта оливок, типа почвы, агротехники их выращивания, времени сбора урожая и технологии получения [1–4].

Основной причиной ухудшения качества масла, снижения пищевой и биологической ценности в процессе хранения является окисление насыщенных и особенно ненасыщенных жирных кислот, а также гидролиз ТАГ с образованием моно- и диглицеридов и свободных жирных кислот [4–7]. Устойчивость масел к окислению зависит от состава жирных кислот, структуры и концентрации антиоксидантных соединений (токоферолы, фенольные соединения, каротиноиды и др. [8]. Воздействие света, кислорода и температуры также влияют на качество оливкового масла в процессе хранения [9, 10].

Проведены исследования по влиянию температуры в интервале от 10 до 25 °С на качество оливкового масла при хранении [11, 12]. Показано, что низкие температуры вызывают изменение физического состояния масла, связанного с его кристаллизацией. Это превращение влияет на растворимость некоторых соединений, например фенольных. Некоторые из вышеупомянутых исследований также касались влияния замораживания на качество оливкового масла первого отжима [12, 13].

Показано, что при низких температурах хранения оливкового масла лучше сохраняются физико – химические показатели качества и стабильность в течение 12 мес хранения. Так, содержание фенольных соединений снижается на 24% при температуре хранения масла 15 °C на 9,5% – при температуре минус 4 °C и на 7,3% – при хранении в замороженном состоянии при -18 °C [8].

В исследованиях [14] отмечено, что после трех месяцев хранения значения перекисного числа в образце оливкового масла, хранящегося при температуре 20–22 °С, уменьшаются, но медленнее, чем в процессе хранения при более высоких температурах. Эти изменения связаны с тем, что со временем пероксиды превращаются во вторичные карбонильные соединения, которые отличаются высокой стабильностью к воздействию внешних факторов. Образование низкомолекулярных альдегидов и кетонов ухудшает качество масла, придавая ему прогорклый вкус [15–20].

В решении проблемы максимально возможного сохранения качества, пищевой и биологической ценности оливкового масла в процессе хранения актуальным и перспективным направлением исследований является применение антиоксидантов различной структуры в сочетании с температурой хранения, позволяющим замедлить процессы гидролиза ТАГ и окисления СЖК при пролонгированных сроках годности. В настоящее время высказываются противоречивые мнения по поводу эффективности и целесообразности применения антиоксидантов различной структуры в зависимости от сорта, технологии получения и температуры хранения оливкового масла.

Цель исследования – изучение влияния температуры хранения и дозы бета-каротина на процессы гидролиза ТАГ и окисления СЖК, физико-химические и органолептические показатели качества оливкового масла холодного отжима.

Материалы и методы

Объектом исследования выбрано оливковое масло холодного отжима, полученное из оливок, выращенных в почвенно-климатических условиях Сирии по общепринятой технологии. Урожай оливок собран в августе 2019 г. В качестве антиоксиданта использовали бета-каротин, фирмы «Экоресурс», Санкт-Петербург. В процессе исследования влияния температуры и дозы бета-каротина на гидролитические и окислительные процессы, протекающие в оливковом масле при хранении, контрольные (№ 1) и опытные образцы с добавлением бета-каротина в количестве 400 (№ 2) и 600 мг/100 г. (№ 3) хранили при температуре + 18 °С. Образец оливкового масла (№ 4) без добавления бета-каротина хранили при температуре + 4 °С.

Исследуемые образцы хранились в герметично закрытых бутылках из темного стекла.

Гидролиз ТАГ и образование СЖК оценивали по изменению кислотного числа (КЧ), образование продуктов окисления перекисных соединений (ПС) – по изменению перекисного числа (ПЧ). При поступлении на хранение и в течение этого процесса в исследуемых образцах периодически определяли: массовую долю жира – методом Сокслета; перекисное число – титрованием тиосульфатом натрия в присутствии йодистого калия (ГОСТ 26593–85); кислотное число – титриметрическим методом в спиртовой среде относительно стандартного раствора гидроксида калия (ГОСТ Р 52110–2003).

Органолептические показатели качества масла оценивали по пятибалльной шкале по следующим дескрипторам: цвет, запах, вкус и прозрачность оливкового масла.

Эксперименты проводили в трехкратной повторяемости, данные обрабатывали методом математической статистики с нахождением доверительного интервала при вероятности 95% с применением стандартных компьютерных программ, в таблицах и на рисунках представлены средние арифметические значения исследуемых показателей.

Результаты

Механизм химических и биохимических реакций превращения ТАГ сложный, включает образование как лабильных и высоко реакционноспособных промежуточных соединений, так и стабильных конечных продуктов – карбонильных соединений. При изучении механизмов реакций на основе химико-кинетического подхода важное значение имеет последовательность трансформации ТАГ в промежуточные продукты, включающие продукты гидролиза СЖК и окисления (перекисные и гидро перекисные соединения), влияющие на качество и безопасность масла при длительном холодильном хранении.

Глубина и интенсивность этих процессов зависят от жирно-кислотного состава масла, дозы и структуры антиоксидантов, контакта с кислородом воздуха, и типа упаковочных материалов.

Кинетическое исследование заключалось в постановке экспериментов по изучению изменения СЖК и перекисных соединений (ПС) в зависимости от продолжительности хранения контрольных и опытных образцов оливкового масла при температуре + 18 и + 4 ºС.

Обозначим содержание ТАГ, СЖК и ПС [А], [В], и [С] соответственно и составим кинетические уравнения:

Пусть последовательная реакция протекает по схеме:

А K¹ >  B K2 >  C

Дифференциальные уравнения закона действующих масс для данной схемы запишем в следующем виде:

dA dr

= - KA

dB d r

= ka - kb

dC

-= KC dT 2

где K1 – константа скорости реакции образования СЖК, сут-1; K – константа скорости реакции окисления жиров, сут-1.

Одно из уравнений полученной системы исключим, используя закон материального баланса:

A = A + B + C          (4)

где A – начальная концентрация ТАГ, A = 97,6%; А , В и С – концентрации веществ в любой момент времени.

Подставим A = A_o - B - C в уравнение (2), тогда

Г dB          ,

— = K1A - (K1 + K2 ) B - K1C dT

s

— = K2C

I dT     2

Полученная система дифференциальных уравнений является линейной и в результате решения этих уравнений концентрации веществ определяются следующими соотношениями:

^B = К^{K 1} A0K ( exp [ ^{- K 1 T} ] ^- exp [ ^{- K} 2 ^T ] )

_c_ AK₂  ( ^K 1 ^{- K} 2 ) + ( ^K 2 exp [ ^{- K} 1 ^T ] ) ^-

^K 2 ^{- K} i - ( K ₁ exp [ - K ₂ t ] )

A = A - B - C

В процессе исследования влияния дозы антиоксиданта и температуры на процессы гидролиза ТАГ и окисления СЖК оливкового масла получены результаты по изменению кислотного и перекисного числа.

На рисунках 1 и 2 показана зависимость изменения содержания СЖК и ПЧ оливкового масла от дозы бета-каротина, температуры и продолжительности хранения.

Рисунок 1. Изменение содержания СЖК (%) при хранении оливкового масла

• Figure 1.    Change of FFA content (%) during storage of olive oil

Рисунок 2. Изменение перекисного числа (% J2) оливкового масла в процессе хранения

• Figure 2.    Changes of peroxide value (% J2) during storage of olive oil

По результатам изменения содержания продуктов гидролиза ТАГ и окисления СЖК в процессе хранения оливкового масла в зависимости от дозы антиоксиданта, температуры и продолжительности хранения рассчитаны константы скорости реакции псевдопервого порядка К по формуле

К = 1/ τ ln C 0 /C, (6) где C 0 – начальная концентрация исследуемого соединения; С – концентрация исследуемого вещества в момент времени τ.

Значения констант скорости реакции гидролиза ТАГ К 1 и окисления СЖК К 2 приведены в таблицах 1 и 2. Зная значения констант, по формулам (5) можно определить содержание продуктов гидролиза и окисления в любой момент времени в пределах продолжительности хранения оливкового масла.

Таблица 1.

Константа скорости реакции гидролиза ТАГ оливкового масла при хранении, К 1 , сут^-1

Table 1.

Reaction rate constants of hydrolysis of olive oil TAG during storage, К 1 , day-¹

Образец Sample	Константа скорости реакции окисления К 2 , сут-1 Rate constant of oxidation reaction K 2 , days-1
	0 ≤τ ≥ 90	0 ≤τ ≥ 150	0 ≤τ ≥ 200
№ 1	0.0121	0,0102	0.0131
№ 2	0.0067	0.0069	0.0107
№ 3	0.0066	0.0068	0.0106
№ 4	0.0045	0.0046	0.0116

Таблица 2.

Константа скорости реакции окисления СЖК оливкового масла при хранении, К 2 , сут^-1

Table 2.

Reaction rate constants of oxidation of FFA in olive oil TAG during storage, К 1 , day^-1

Образец Sample	Константа скорости реакции окисления К 2 , сут-1 Rate constant of oxidation reaction K 2 , days-1
	0 ≤τ ≥ 90	0 ≤τ ≥ 150	0 ≤τ ≥ 200
№ 1	0.0045	0.0101	0.0156
№ 2	0	0.0061	0.0148
№ 3	0	0.0061	0.0144
№ 4	0	0.0046	0.0130

Как следует из рисунка 1, кислотность оливкового масла увеличивается в процессе хранения во всех образцах с различной скоростью, которая зависит от дозы антиоксиданта и температуры хранения и интенсивнее протекает в контрольном образце, особенно после 150 сут хранения при 18 °C.

В то время как образцы оливкового масла, в которые были добавлены в качестве антиоксиданта бета-каротин (№ 2, № 3) показали небольшое повышение кислотности после 5 мес хранения при 18 °C. Кислотное число значительно увеличилось в конце марта, особенно в контрольных образцах, хранящихся при температуре 18 °С.

Как следует из рисунка 2 в процессе хранения масла в течение 90 сут значение перекисного числа в четырех образцах оливкового масла незначительно увеличиваться в контрольном образце и не изменяется во всех опытных образцах.

Через 5 мес хранения значения перекисного числа постепенно увеличиваются во всех хранящихся образцах, то есть происходит окисление, прежде всего, ненасыщенных жирных кислот оливкового масла с образованием первичных нестабильных продуктов окисления.

Однако значение перекисного числа осталось в приемлемых пределах, но его значение в контрольном образце № 1 увеличилось значительнее, чем в образцах № 2 и 3, к которым бета-каротин был добавлен в качестве природного антиоксиданта при различных концентрациях. Следовательно, бета-каротин замедляет процесс окисления ненасыщенных жирных кислот и, как следствие, увеличивается стабильность масла.

Значение перекисного числа в образце № 4, хранящемся при температуре 4 °С, незначительно увеличилось. Следовательно, низкая температура хранения снижает скорость образования гидропероксида.

В конце марта значение ПЧ во всех образцах значительно возросло, а допустимые естественные пределы превысили 0,2%. Однако значение пероксида в образце № 1 продолжало увеличиваться больше, чем в остальных образцах. Это связано с тем, что увеличилось количество СЖК в результате гидролиза ТАГ.

Значение ПЧ интенсивно увеличивалось во всех образцах в период от 150 до 200 сут хранения.

Как следует из таблицы 1, константа скорости реакции гидролиза и окисления ТАГ в период хранения масла до 90 сут значительно выше в контрольных образцах, хранящихся при температуре +18. Минимальные значения К 1 и К 2 отмечены для образцов масла, хранившихся при температуре +4 °C до 150 сут.

Проведена органолептическая оценка показателей качества исследуемых образцов масла по следующим дескрипторам: вкус, цвет, запах, прозрачность. Сенсорную оценку проводили при поступлении на хранение контрольных образцов масла, затем контрольных и опытных образцов через 5 и 7 мес хранения.

Данные приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Органолептические показатели качества контрольных и опытных образцов масла через 7 мес хранения

Figure 3. Changes in the organoleptic indicators of the quality of control and experimental oil samples during storage after 7 months

При поступлении на хранение оливковое масло отличалось нежным вкусом, мягким приятным ароматом, зеленовато-желтым цветом и прозрачностью. Органолептическая оценка показателей качества масла по исследуемым дескрипторам составила 5 баллов.

После 5 мес хранения запах и вкус образца № 1 начал ухудшаться в результате окисления ненасыщенных жирных кислот и образования пероксидов. В то же время отмечено, что остальные три образца сохранили хороший вкус и запах.

Но через 7 мес хранения контрольный образец имел прогорклый привкус и неприемлемый неприятный запах из-за окисления ненасыщенных жирных кислот и образования соединений, ответственных за неприятный запах и вкус, таких как альдегиды, кетоны и другие вторичные продукты окисления. В тоже время образцы масла, в которые добавлен бета-каротин (№ 2 и 3) и образец № 4, хранящийся при температуре 4 °С, имели более высокие баллы при сенсорной оценке вкуса и запаха, чем образец № 1 (рисунок 3). Не отмечено изменений в цвете масла во всех исследуемых образцах.

Следует отметить, что масло, хранящееся при температуре 4 °С кристаллизовалось, изменилась консистенция и было непрозрачным, но после выдерживания при температуре 18–20 °С кристаллы разрушались и масло приобретало характерную для него прозрачность.

Таким образом, в процессе хранения оливкового масла органолептические показатели масла изменялись в зависимости от продолжительности и температуры хранения и дозы антиоксиданта. Максимальная оценка органолептических показателей качества масла получена для образцов, хранящихся при температуре +18 °С с добавлением бета – каротина в количестве 400 мг/100 и хранящихся при температуре +4 °С без добавления антиоксиданта.

Заключение

На основании теоретических и экспериментальных исследований по хранению оливкового масла обосновано применение антиоксиданта бета-каротина, замедляющего процессы окисления насыщенных и ненасыщенных жирных кислот масла в процессе длительного хранения при температуре +18 °С.

На основании анализа результатов исследований сделаны следующие выводы:

• 1.    Показано, что оливковое масло первого отжима, полученное из оливок, выращенных в почвенно-климатических условиях Сирии, содержит 97,6% ТАГ.

• 2.    Установлено, что скорость реакций гидролиза ТАГ и окисления насыщенных и ненасыщенных жирных кислот оливкового масла зависит от дозы бета-каротина и температуры хранения. Составлены математические модели, характеризующие зависимости изменения перекисного и кислотного числа от продолжительности хранения при температуре +18 °С контрольных образцов оливкового масла, а также образцов, содержащих 400 и 600 мг/л бета – каротина. Определены константы скорости реакций псевдопервого порядка гидролиза и окисления свободных жирных кислот.

• 3.    Установлено, что в процессе хранения опытных образцов масла значительно замедляются гидролитические и окислительные процессы ТАГ при добавлении антиоксиданта бета-каротина.

• 4.    По комплексу органолептических, физикохимических показателей качества и показателей безопасности оливкового масла рекомендуются следующие сроки годности при температуре хранения +18 °С: масло без добавления бета-каротина – 5 мес, с добавлением 400 мг/ г бета – каротина – 7 мес, при температуре +4 °С без добавления антиоксидантов – 7 мес.

Показано, что минимальные изменения содержания продуктов гидролиза ТАГ и окисления СЖК в процессе хранения оливкового масла при температуре +18 °С характерны для образцов, содержащих 400 мг/ л бета-каротина и для образцов масла, хранящихся при температуре +4 °С без добавления антиоксиданта.