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SBOG 20 años, Florianópolis SC-Brasil, 11 al 14 de noviembre de 2013.
Propiedades fisicoquímicas de mezclas
de sebo vacuno con aceites vegetales
y sus productos de interesterificación
Iván Jachmanián
Laboratorio de Grasas y Aceites
Facultad de Química. Universidad de la República
Montevideo. Uruguay
ijachman@fq.edu.uy
Generalidades y antecedentes
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Sebo vacuno (BT)
• Material graso tradicional en la industria alimentaria Uruguaya.
• Relativo bajo costo.
• Proveedor de “dureza”, conveniente para diversos tipos de alimentos.
• Contiene aprox. 5 % de TFA (naturales).
• Elevada estabilidad oxidativa.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT - desventajas
• Composición: alto nivel de ácidos grasos saturados, bajo contenido de ácidos grasos esenciales, colesterol (∼1000ppm).
• Pobre rango plástico a temperatura ambiente.
• Alto nivel de triacilgliceroles saturados que no funden completamente a 37°C (cerosidad).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT - desventajas
• Desarrollo de cristales “granulares” asociados a la presencia de un alto contenido de TAG de elevado punto de fusión, capaces de aglomerarse y desarrollar cristales β (Jin et al., FoodRes Int 40:909, 2007)
• “Cristales” o aglomeraciones que dan lugar a “estructuras granulares” con diámetros de hasta 2 o 3 mm se han reportado en shortenings y margarinas conteniendo BT (Meng et al., J Am Oil Chem Soc 87:1435, 2010).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Alternativas para su mejoramiento:
• Fraccionamiento.• Se obtiene oleína de mejores propiedades.
• Mezclado con aceites vegetales.• Problemas de compatibilidad.
• Interesterificación con aceites vegetales.• Alternativa muy versátil.• Dos modalidades: catálisis química o enzimática.
• Catálisis enzimática:• Condiciones moderadas de reacción.• Especificidad y selectividad.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Interesterificación
Redistribución de los ácidos grasos sin modificarlos.
R1
R1
R1 +
R2
R2
R2 →→→→
R1
R2
R1
R1
R1
R2 +
R2
R1
R1 +
R2
R1
R2
R1
R2
R2 +
R2
R2
R1 +
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
• Modificación de las propiedades térmicas de una mezcla: PF, SFC, tipo de cristalización.
• Mejoramiento de la plasticidad.
• Aumento de la compatibilidad de los materiales.
• Efecto “homogeneizador” sobre los triglicéridos.
• “Diseño” de la composición de los triglicéridos.
• Síntesis de “lípidos estructurados”.
Aplicaciones
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Algunos antecedentes:
• Producción de fracciones enriquecidas en ácido oléicomediante Interesterificación química de BT puro dirigida (MacKenzie y Stevenson, Enzyme Microb Techol 27:302, 2000).
• Interesterificación de mezclas BT/aceite de girasol utilizando enzimas de diferente origen (Foglia et al., J AmOil Chem Soc 70:281, 1993)
• Reducción de la temperatura de fusión de mezclas BT/aceite de canola mediante interesterificación enzimática (Forssell et al., J Am Oil Chem Soc 69:126, 1992).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Este trabajo
• Estudio de las propiedades de mezclas de sebo vacuno con dos aceites vegetales en diferentes proporciones y los cambios de composición y propiedades producidos por la interesterificación enzimática de las mismas.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Aceites de particular interés
• Aceite de girasol de alto oléico (HOSFO):• Alto contenido de ácidos grasos monoinsaturados n-9
(C18:1>85%), alta estabilidad oxidativa y valor nutricional.
• Aceite de salvado de arroz (RBO):• Relativamente abundante en Uruguay.
• Alto contenido de C16:0 (~18%).
• Alto contenido de insaponificables beneficiosos para la salud (tocoferoles, tocotrienoles y orizanoles).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Materiales
• Sebo vacuno (BT)• Primer jugo, gentilmente suministrado por el Q.F.
Leonardo Ríos, Frigorífico Tacuarembó, Tacuarembó, Uruguay.
• Aceite de girasol de alto oleico (HOSFO)• COUSA S.A., Montevideo. Uruguay.
• Aceite de salvado de arroz (RBO)• ARROZUR S.A., Treinta y Tres, Uruguay.
• Catalizador enzimático• Lipozyme TL IM (Thermomyces lanuginosus,
Novozymes).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Métodos
• Análisis de composición:• GC Shimadzu 2010 (AOCS Ce 1-62)• HPLC/ELSD Shimadzu Prominence 20A (AOCS Ce 5b-89 modificado)• Ácidos grasos en sn-2 (AOCS Ch 3-91)
• Termogramas de fusión:• DSC TA Q20 (AOCS Cj1-94)
• Morfología cristalina y microestructura• Microscopía de luz polarizada (Olympus, model BX 50)• Difracción de rayos-X (Rigaku ULTIMA IV)
• Interesterificación:• Mezclas BT/HOSFO or BT/RBO (100:0 a 50:50)• 10 % enzima. (Lipozyme TL IM) 24 h. 60ºC (sin solvente)• Agitación orbital (200rpm).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
1.- Composición (AG y TAG)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Acidos grasos (materias primas)
--0.517:1
18.23.525.716:0
--2.814:0
--2.816:1
--1.417:0
1.4-0.718:3
33.44.60.818:2
41.388.237.9(*)18:1
1.82.526.718:0
Por tipo
4.6
88.2
6.0
HOSFO
34.81.5PUFA
41.341.2MUFA
20.056.6SFA
RBOBTAcido graso
(*) aprox. 5 % isómero trans-11, 18:-1 (vaccénico)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Triacilgliceroles (materias primas)
ECN = CN – 2 x IN
RBO
OOO
LLL
OLL
PLL
OOL
PPL
StStLn
POO
POL
BT
OOO
POO
StOO
PPO
PStO
PPSt
StStO
StStP
StStSt
PPP
OOO
POO
StOO
OOL
PLL
HOSFO
Shimadzu HPLC / ELSD-LTII:2 columnas Supelcosil TM C18 (25 cm x 4.6 mm x 5 µm).-1 mL/min of acetona/acetonitrilo 1:1- 60 min: 20% cloroformo- 80 min: 20% cloroformo- 85 min: acetona/acetonitrilo 1:1
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
--4.4PStSt
--1.6StStSt
4.7--PPL
13.81.5-OLL
2.8--LLL
11.0--PLL
17.23.8-OOL
2.3nd12.1PPO
13.45.921.2POO
10.985.52.5OOO
4.4-3.2POL
nd3.7PPP
-6.8StStO
-
-
3.6
HOSFO
-5.0PPSt
-18.1PStO
-9.4StOO
RBOBTTAG
Triacilgliceroles (materias primas)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
TAG (mezclas y productos BT/HOSFO)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
TAG por tipo (materias primas)
46.39.533.8SUU
7.2-42.9SSU
44.687.42.5UUU
--14.8SSS
HOSFO RBOBTTAG
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
% HOSFO
87.4
9.5
-
-
HOSFO
2.5
33.8
42.9
14.8
BT
19.5
29.0
33.1
11.8
20
28.0
26.5
28.9
10.4
30
21.724.131.4SUU
20.724.837.2SSU
44.936.511.0UUU
7.48.913.3SSS
40 5010TAG
TAG por tipo (mezclas BT/HOSFO)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Efecto de la interesterificación sobre la composición en TAG
RV : Porcentaje de variación relativa
(TAGi)P : % del TAG “i” en el producto
(TAGi)B: % del TAG “i” en la mezcla original
( ) ( )( )
Bi
BiPi
TAG
TAGTAGRV
-100=
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT / HOSFO
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
10 20 30 40 50
HOSFO (wt%)
RV (%)
SSS
SSU
SUU
UUU
↑↑↑↑ SUU
↓↓↓↓ SSS
↓↓↓↓ UUU
↓↓↓↓ SSU
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT / HOSFO
↑↑↑↑ SUU
↓↓↓↓ SSS
↓↓↓↓ UUU
↓↓↓↓ SSU
OOO (HOSFO)
PPP, PPSt, PStSt, StStSt (BT)
PPO, PStO, StStO (BT)
POO, StOO (BT)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
% RBO
44.6
46.3
7.2
-
RBO
2.5
33.8
42.9
14.8
BT
10.9
36.3
35.8
11.8
20
15.1
37.6
32.2
10.4
30
40.138.835.1SUU
25.128.639.4SSU
23.519.36.7UUU
7.48.913.3SSS
40 5010TAG
TAG por tipo (mezclas BT/RBO)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT / RBO
-60
-40
-20
0
20
40
60
10 20 30 40 50
RBO (wt%)
RV (%)
SSS
SSU
SUU
UUU
↓↓↓↓ SUU
↓↓↓↓ SSS
↓↓↓↓ UUU
↑↑↑↑ SSU
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT / RBO
↓↓↓↓ SUU
↓↓↓↓ SSS
↓↓↓↓ UUU
↑↑↑↑ SSU
OLL, OOL, OOO (RBO)
PPP, PPSt, PStSt, StStSt (BT)
PPO, PStO, StStO (BT)
POO, StOO (BT)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
2.- Regiodistribución de los
ácidos grasos en los TAGs
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
PPL
sn-1,3-específicaH2O
OOCR1
OOCR3
OOCR2 + R1COOH + R3COOH
OH
OH
OOCR2 +
2-MAG
FFA
2-MAG
TAG
1,2-DAGHEX/Et2O/AcOH
50:50:1 BF3/MeOH
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Regiodistribución de los ácidos grasos
• Análsis sn-2 indica distribución random en los productos.
• No hay especificidad?
• Fenómenos de acil-migración?
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
3.- Termogramas de fusión (DSC)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
BT puro
I (4.5 °C)
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
Exotherm
Heat Flow (mW/mg)
II (45.6 °C)
III (21.9 °C)
(SUU+UUU)
SSS+SSU
β´→ β
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Materias primas
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
Exotherm
Heat Flow (mW/mg)
BT
HOSFO
RBO
III
III
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
Exotherm
Heat Flow (mW/mg)
BT
10 % HOSFO
20 % HOSFO
30 % HOSFO
40 % HOSFO
50 % HOSFO
III
III
Mezclas BT/HOSFO
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
Exotherm
Heat Flow (mW/mg)
BT
10 % HOSFO
20 % HOSFO
30 % HOSFO
40 % HOSFO
50 % HOSFO
SUU
Productos BT/HOSFO
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Mezclas BT/HOSFO – Contenido de sólidos
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
SFC (%)
30 %
40 %
50 %
% HOSFO
0 %
10 %
20 %
37°C
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Productos BT/HOSFO – Contenido de sólidos
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
SFC (%)
% HOSFO
0 %
10 %
20 %
30 %
40 %
50 %
37°C
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Mezclas BT/RBO
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
Exotherm
Heat Flow (mW/mg)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
Exotherm
Heat Flow (mW/mg)
BT
10 % RBO
20 % RBO
30 % RBO
40 % RBO
50 % RBO
SSU
Productos BT/RBO
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
SFC (%)
30 %
40 %
50 %
HOSFO
0 %
10 %
20 %
37°C
Mezclas BT/RBO – Contenido de sólidos
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60
Temperature (ºC)
SFC (%)
30 %
40 %
50 %
HOSFO
0 %
10 %
20 %
37°C
Productos BT/RBO – Contenido de sólidos
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Rango plásticoRango de temperatura correspondiente a un contenido de sólidos de 15 to 35%
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50
RBO (wt%)
Temperature (ºC)
Blend
Product
RBO
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50
HOSFO (wt%)
Temperature (ºC)
Blend
Product
HOSFO
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
4.- Morfología cristalina y
microstructura
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
XRD-mezclas / 20 °C
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Inte
nsi
da
d (c
uen
tas)
2θ (º) @ CuKα
50% HOSFO 50% RBO BT
ββββ’
ββββ’
β β β β
Mezclas: mayor tendencia a formar cristales β
AOCS Cj 2-95
4.6β
4.2
3.8β’
4.15α
Short spacings (Å)Crystal form
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
XRD-productos: HOSFO / 20 °C
ββββ’
ββββ’β β β β
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Inte
nsi
dad
(cu
en
tas)
2 θ (º) @ CuKα
mezcla 50 % HOSFO producto 50 % HOSFO
Productos HOSFO:Desaparición de cristales β.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
XRD-productos: RBO / 20 °C
ββββ’
ββββ’β β β β
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Inte
sid
ad
(cu
en
tas)
2θ (º) @ CuKα
Mezcla 50% RBO Producto 50% RBO
Productos RBO:Tendencia β´ más marcada.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
5.- Cristalización isotérmica
- DSC -
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
0,44
0,46
0,48
0,50
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo isotérmico (min)
Flujo de calor exotérm
ico (mW/mg)
29.5 ºC
29.0 ºC
28.0 ºC
27.0 ºC
26.0 ºC
25.0 ºC
Mezclas BT / HOSFO (R = 30 °C/min)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Mezclas BT / RBO (R = 30 °C/min)
0,62
0,66
0,70
0,74
0,78
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo isotérmico (min)
Flujo de calor exotérm
ico (mW/mg)
29.0 ºC
28.5 ºC
28.0 ºC
27.5 ºC
27.0 ºC
26.5 ºC
26.0 ºC
25.5 ºC
25.0 ºC
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tiempo (min)
Area (%)
29.5 ºC
29.0 ºC
28.0 ºC
27.0 ºC
26.0 ºC
25.0 ºC
Mezclas BT / RBO (R = 30 °C/min)
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Cristalización mezclas (28 °C, R = 2 - 30 °C/min)
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 5 10 15 20 25 30 35
R °C/min
n
0,0E+00
1,0E-04
2,0E-04
3,0E-04
4,0E-04
5,0E-04
k min
-1
BT / HOSFO
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
0 5 10 15 20 25 30 35
R °C/min
n
2,0E-03
4,0E-03
6,0E-03
8,0E-03
1,0E-02
1,2E-02
1,4E-02
k (min-1)
BT / RBO
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Cristalización productos (20 °C, R = 2-30 °C/min)
BT / HOSFO
0,55
0,57
0,59
0,61
0,63
0,65
0,67
0,69
0,71
0,73
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tiempo isotérmico (min)
Flujo de calor exotérm
ico (mW/mg)
1 ºC/min
5 ºC/min
10 ºC/min
15 ºC/min
20 ºC/min
30 ºC/min
Conclusiones
• El simple mezclado del sebo vacuno con ambos aceites vegetales implica una mejora en la composición de ácidos grasos (dilución de saturados).
• La reducción en el contenido de sólidos producido por el mezclado se intensifica por la interesterificación enzimática.
• Composición en TAG más “compatible” en productos (desaparición de SSS del BT y de UUU de aceites).
• Productos de dureza moderada dado el incremento de TAG de grado de saturación “moderada” (SUU or SSU en los casos de HOSFO y RBO, respectivamente).
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Conclusiones
• Los rangos plásticos de las mezclas se modificaron en diferente grado, incrementándose la plasticidad a temperatura ambiente.
• Los productos mostraron patrones de cristalización más regulares y cristales de menor tamaño que las mezclas sin interesterificar, además de una menor tendencia a formar cristales β.
• Necesidad de mayores estudios sobre la cinética de la cristalización de mezclas y productos, dada su efecto determinante sobre la microestructura cristalina y sus propiedades.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Conclusiones
• La interesterificación enzimática de BT con HOSFO o RBO es una alternativa atractiva y de alta versatilidad para el diseño de materiales grasos con bajo contenido de TFA y con propiedades fisicoquímicas mejoradas respecto a los materiales de partida.
Laboratorio de Grasas y Aceites, Facultad de Química, Montevideo, Uruguay
Trabajos en curso / inicio
• Patrones de cristalización en relación a composición y regiodistribución de FA.
• Determinación de parámetros cinéticos de la cristalización.
• Efecto de compuestos minoritarios.
• Análisis de polimorfismo por FTIR.
• Propiedades reológicas y textura.
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Agradecimientos
• Dr. Luiz Antonio Gioielli y su equipo del Departamento de Bioquímica y Tecnología Farmacéutica de la USP, Brasil, por las imágenes de PLM.
• Dr. Leopoldo Suescun. Cryssmat-Lab/DETEMA. Facultad de Química. UDELAR, Montevideo, Uruguay, por su colaboración en análisis por XRD.
• Q.F. Leonardo Ríos, Frigorífico Tacuarembó S.A., Tacuarembó, Uruguay, por el suministro del sebo vacuno.
• Francisco Ide Sales, Novozymes Latin Amércia, por proveer el catalizador enzimático.
• Por las becas y financiamiento:
• Agencia Nacional de Investigación e Innovación. ANII.
• Proyecto para el Desarrollo de las Ciencias Báscicas. PEDECIBA.
• Asociación de Universidades del Grupo Montevideo. AUGM.
• Comisión Académica de Posgrado, CAP-UDELAR.
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