Биохимический состав и показатели качества растительных масел

Накопление растительных масел и их роль в выживании культур

Растительные жиры и масла представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот (триацилглицеролы). Разница между ними физическая: жиры при комнатной температуре остаются твердыми, а масла сохраняют жидкую консистенцию благодаря преобладанию ненасыщенных жирных кислот. В вегетативных органах растений концентрация жиров редко превышает 5 % сухой массы, тогда как в семенах масличных культур она может быть выше 50 %.

Растительные масла состоят из смесей триглицеридов, которые бывают однокислотными и разнокислотными. Однокислотные глицериды содержат остатки только одной кислоты (например, олеиновой, рицинолевой или стеариновой), но в природе они встречаются крайне редко. Подавляющее большинство масел на практике представляют собой смеси разнокислотных глицеридов с небольшим количеством сопутствующих веществ.

• Глицериды в сыром масле — 95–98 %
• Свободные жирные кислоты — 1–2 %
• Фосфатиды — до 1–2 %
• Стерины — 0,3–0,5 %

Культура	Содержание масла, % сухой массы	Культура	Содержание масла, % сухой массы
Подсолнечник	29–56	Кунжут	48–63
Сафлор	25–37	Перилла	26–49
Горчица сизая	35–47	Ляллеманция	29–37
Рапс озимый	45–49	Арахис	41–55
Рыжик	25–46	Соя	15–24
Клещевина	47–58	Лен масличный	30–49

Технологические показатели качества и переработка масел

Свойства растительного жира определяются его температурой плавления, кислотным и йодным числами, а также числом омыления. Температура плавления напрямую зависит от состава кислот: преобладание насыщенных кислот (пальмитиновой, стеариновой, миристиновой) делает жир твердым, а преобладание ненасыщенных (линолевой, линоленовой) — жидким. Кислотное число показывает количество свободных жирных кислот, не использованных при биосинтезе во время созревания семян или образовавшихся при порче масла.

Йодное число отражает степень ненасыщенности жирных кислот и показывает, сколько граммов йода связывают 100 граммов жира. У растительных масел этот показатель высок и составляет 120–160, тогда как у животных жиров он колеблется в пределах 30–70. По величине йодного числа растительные масла делят на две группы:

• высыхающие (йодное число ≥130) — например, льняное и конопляное;
• невысыхающие (йодное число <85) — клещевинное и арахисовое.

Чем выше йодное число, тем более жидким является масло, тем легче оно окисляется и тем более оно пригодно для производства олифы, лаков и красок. Также масло содержит каробаноиды и витамины.

В пищевой промышленности жидкие растительные масла превращают в твердые жиры для изготовления маргарина с помощью гидрогенизации. В этом процессе водород в присутствии катализаторов присоединяется по двойным связям ненасыщенных кислот, превращая их в насыщенные. Другой важной реакцией является омыление под действием кислот или щелочей с образованием свободного глицерина и свободных жирных кислот или их солей. Среднюю молекулярную массу входящих в жир ацилглицеринов оценивают по числу омыления — количеству миллиграммов гидроксида калия, необходимому для нейтрализации всех свободных и связанных кислот в 1 грамме масла.

Почему портятся растительные масла при хранении

При длительном хранении растительные жиры неизбежно портятся, приобретая горький вкус и специфический запах. Этот процесс вызывают как химические реакции под воздействием внешней среды, так и ферменты. Например, под влиянием фермента липазы происходит гидролиз жира, аналогичный реакции омыления. При этом высвобождаются свободные жирные кислоты, ухудшающие вкус масла, а его кислотное число повышается.

Наиболее распространенной причиной порчи является окисление ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. Кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя перекиси. В ходе их дальнейшего разложения выделяются альдегиды, которые и придают маслу неприятный запах и прогорклый вкус.

Защитные липиды растений: воска, кутин и стероиды

Внешняя поверхность листьев, стеблей и плодов защищена кутикулой — водонепроницаемым барьером из кутина и воска. Восковой налет на винограде, сливах, грушах и яблоках предохраняет ткани от высыхания, избыточного намокания, а также от проникновения патогенов и вредителей. Воска синтезируются в цитоплазме эпидермальных клеток, откуда выделяются наружу в виде микроскопических пластинок, гранул или палочек.

С химической точки зрения воска — это сложные эфиры высших моноатомных спиртов и высших жирных кислот. Они являются самыми гидрофобными липидами в растении и могут содержать до 50 % примесей. В их состав входят свободные высшие спирты с четным числом углеродных атомов (от С₂₂ до С₃₂), свободные высшие жирные кислоты с длинной цепью (от С₂₄ до С₃₆), насыщенные углеводороды с нечетным числом атомов углерода (от С₂₁ до С₃₇), а также красящие и душистые вещества.

Характерные жирные кислоты восков	Химическая формула
Карнаубовая	C24H48O2
Монтановая	C29H58O2
Церотиновая	C27H54O2

Среди высокомолекулярных спиртов, входящих в структуру растительных восков, преобладают следующие соединения:

• цетиловый спирт — CH₃(CH₂)₁₄CH₂OH;
• мирициловый спирт — C₃₁H₆₃OH;
• n-гексакозанол — CH₃(CH₂)₂₄CH₂OH;
• n-октакозанол — CH₃(CH₂)₂₆CH₂OH;
• n-триаконтанол — CH₃(CH₂)₂₈CH₂OH.

• Воск в оболочке семян подсолнечника — 0,2 %
• Воск в оболочке семян льна — 0,03 %
• Воск в оболочке семян сои — около 0,01 %

Кутин и суберин служат нерастворимой основой, в которую погружены воска. Кутин формирует многослойную кутикулу на клетках эпидермиса, состоящую из эпикутикулярного воска, собственно кутикулы, кутикулярных слоев (смесь целлюлозы, кутина и воска) и пектинового слоя. Суберин укрепляет клеточные стенки пробки, поясков Каспари в эндодерме и проводящих пучков у злаков, образуя слоистую структуру с водоотталкивающими свойствами.

Стероиды относятся к терпеноидам и выполняют роль регуляторов биохимических процессов. Для их структуры характерно присутствие кислородсодержащего заместителя у С₃, метильных групп у С₁₀ и С₁₃, а также отсутствие двойных связей в циклах. В эту группу входят стерины, стериды, сапогенины, гормоны и эргостерол (витамин D). Большинство стероидов присутствует в клетках в следовых количествах, однако концентрация стеринов в некоторых случаях может превышать 2 %.

Стериды и пигменты: каркас фотосинтеза и защита от перегрева

Работа фотосинтетического аппарата растений и прочность клеточных структур во многом определяются липофильными соединениями — стеролами и стеридами. Стеролы, которые присутствуют в листьях кукурузы и зародышах пшеницы, содержат от 8 до 10 углеродных атомов в боковой цепи у С17 и гидроксильную группу в положении С3. Внутри клетки они образуют сложные комплексы с белками, формируя основу внутриклеточных мембран. Стериды представляют собой сложные эфиры этих стеринов и высших жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой, олеиновой). Они также связаны с белками, нерастворимы в воде, но отлично растворяются в жировых растворителях, обеспечивая стабильность клеточного каркаса.

В мембранных структурах сосредоточены и ключевые пигменты растений — хлорофиллы и каротиноиды. На сегодняшний день известно около 10 видов хлорофиллов, отличающихся строением и окраской. В клетках высших зеленых растений всегда присутствуют хлорофиллы a (сине-зеленый) и b (желто-зеленый). Для сравнения, в диатомовых водорослях содержится хлорофилл с, в красных — хлорофилл d, а в фотосинтезирующих бактериях работают четыре бактериохлорофилла (a, b, c и d).

Химически хлорофилл устроен как сложный эфир дикарбоновой органической кислоты хлорофиллина и двух спиртов — метилового СН3ОН и фитола С20Н39ОН. Сам хлорофиллин относится к магнийпорфиринам и описывается эмпирической формулой MgN4OH30C32(COOH)2. Формула хлорофилла a — С55Н72О5N4Mg, а хлорофилла b — С55Н70О6N4Mg. За счет замены одной метильной группы на альдегидную хлорофилл b содержит на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше.

Рядом с хлорофиллом в липидном слое мембран располагаются каротиноиды — вспомогательные пигменты, защищающие растение от светового ожога. Все они состоят из 40 углеродных атомов и являются производными изопрена (СН2=С(СН3)–СН=СН2). Благодаря системе сопряженных связей эти полиеновые пигменты имеют красный, оранжевый или желтый цвет и отличаются высокой химической активностью. Каротиноиды делятся на каротины общего состава С40Н56 и кислородсодержащие ксантофиллы С40Н56О2. Поглощая коротковолновые лучи, они работают как экран против разрушительной витацидной радиации.

• Содержание хлорофилла a к b — в 3 раза больше
• Число атомов углерода в каротиноидах — 40
• Доля фосфатидилглицерина в липидах листьев — до 50%

Фосфолипиды: основа клеточных мембран и стрессоустойчивости

Фосфолипиды (фосфатиды) определяют пропускную способность клеточных мембран и способность растений выдерживать засуху и низкие температуры. От обычных жиров они отличаются присутствием остатка фосфорной кислоты и азотсодержащего фрагмента. В их состав входят остатки жирных кислот, таких как линолевая, линоленовая, пальмитиновая и стеариновая. По характеру полярной группы (компонента X) фосфолипиды делят на несколько групп.

• Холинфосфолипиды (лецитины) — содержат холин, растворимый в воде и спирте, который способен передавать метильные группы в процессах метаболизма.
• Коламинфосфолипиды (кефалины) — содержат коламин.
• Серинфосфолипиды — содержат аминокислоту серин.
• Инозитфосфолипиды — содержат спирт инозит.

Особую группу составляют фосфатидные кислоты, не имеющие азотистых оснований. Они содержатся в листьях капусты, зародышах пшеницы и млечном соке каучуконосных деревьев в форме солей калия, магния и кальция. Присоединяя еще один остаток глицерина, они превращаются в фосфатидилглицерин. Это вещество накапливается в хлоропластах листьев и играет важнейшую роль в их жизнедеятельности.

Слоистые структуры, образованные в растворах фосфолипидами, играют важную роль в построении клеточных мембран. Фосфолипиды – природные антиоксиданты, они предохраняют масла от окисления, легко окисляясь сами. Содержание фосфолипидов в растениях незначительное. Наибольшее его количество содержится в семенах сои – 1,5–2,0 %.

Гликолипиды. Гликолипиды в качестве спирта содержат или глицерол, или сфингозин, углеродный компонент, остатки жирных кислот. Они в отличие от фосфолипидов не содержат остатка фосфорной кислоты. В качестве углеводного компонента в гликолипидах могут выступать глюкоза, галактоза, глюкозамин, галактозамин и их ацетильные производные либо олигосахаридные цепи, состоящие из перечисленных моносахаридов. Высшие жирные кислоты, входящие в состав гликолипидов, весьма разнообразны. Наиболее важные представители класса гликолипидов: моногалактозилдиацилглицеролы, диагалактозилдиацилглицеролы и тригалактозилдиацилглицеролы. Первые два гликолипида были первоначально выделены из пшеницы, а третий – клубней картофеля. Основная масса клеточных гликолипидов находится в хлоропластах и лишь незначительные их количества присутствует в митохондриях. Гликолипиды в хлоропластах локализованы в мембранах; отношение моногалактозилдиацилглицеролы: дигалактозилдиацилглицеролы в мембранах оболочки хлоропластов составляет примерно 0,9:1, тогда как в мембранах тилакоидной системы оно, как правило, 2:1.

Сульфолипиды. По строению сульфолипиды близки к гликолипидам. Единственный представитель этого класса, присутствующий в тканях растений, – это сульфонолипид, часто называемый сульфолипидом. В молекуле этого соединения гликозильный остаток 6–сульфо–6– дезокси–D–глюкоза соединена α-гликозидной связью с sn-3-положением 1,2–диацил–sn–глицерола. Следует отметить, что гликозильный остаток является сульфонатным (связь С–S), а не сульфатным эфиром (связь С–О–S). В этом соединении преобладающая жирная кислота – α– линолевая С18:2, но может быть также и пальмитиновая С16:0. В растениях сульфонолипид локализован в хлоропластах, преимущественно в мембранах тилакоидной системы. В меньших количествах он обнаружен в этилопластах и пропластидах. Очень небольшие количества этого липида (около 1 % от их общего количества) содержатся в клубнях картофеля и плодах яблок.

Цереброзиды. Цереброзиды состоят из остатков моносахарида-галактозы, присоединенного гликозидной связью к первому углеродному атому N–ацилированного производного сфинганина–церамида. Цереброзиды обнаружены в зерновках пшеницы, в листья фасоли, клубнях картофеля, плодах яблони и грибах.

Для экстракции и разделения липидов используются органические растворители, которые не только растворяют липиды, но и способны разрушать липопротеидные комплексы, чем достигается экстракция, как свободных липидов, так и липидов, входящих в состав этих комплексов. Степень извлечения липидов может достигать 96–98%. Чаще всего для экстракции липидов применяют петролейный эфир, диэтиловый эфир и хлороформ. Используются также смеси растворителей различной полярности, например хлороформ – метанол, этанол – диэтиловый эфир и др. Как правило, использование смесей растворителей приводит к более полной экстракции липидов из различных тканей.

Для разделения нейтральных липидов используют различные хроматографические методы. Чаще всего для разделения нейтральных липидов применяют кремниевую кислоту и силикагель. Пропитывая тонкий слой силикагеля раствором нитрата серебра, можно повысить разрешающую способность адсорбента и получить разделение глицеридов по степени не насыщенности.

Фосфолипиды разделяют, используя их различную растворимость в органических растворителях. Выделение "лецитиновой" и "кефалиновой" фракций возможно с учетом именно этого свойства. Данные фракции не являются чистыми, а представляют собой смеси близких по физикохимическим свойствам фосфолипидов, обогащенных фосфатидилхолинами (первые) и фосфатидилэтаноламинами (вторые). Обычно фосфолипиды разделяют методом адсорбционной хроматографии на кремниевой кислоте или силикагеле (в тонком слое или колонках), используется также ДЭАЭ- и ТЭАЭ-целлюлоза. При хроматографии на колонке с кремниевой кислотой (при увеличении доли метанола в составе элюента) фосфолипиды разделяются в такой последовательности: фосфатиди-лэтаноламины, фосфатидилинозитиды, фосфатидилхолины, сфингомиелины. Полученные фракции в дальнейшем можно очистить методом ТСХ, однако, и после такой очистки каждое пятно на хроматограмме содержит фосфолипиды, которые различаются длиной цепи и степенью ненасыщенности остатков жирных кислот, а также типами связей гидрофобных компонентов с полиолом (диацильные, плазмалогенные или алкильные фосфолипиды).

Как и для нейтральных липидов, эффективным приемом разделения фосфолипидов по степени ненасыщенности остатков жирных кислот является хроматография в слоях адсорбента, пропитанного раствором нитрата серебра.

Методы определения содержания липидов основаны на их способности растворяться в различных органических растворителях. Свободные липиды экстрагируются из анализируемого материала неполярными растворителями (гексаном, диэтиловым эфиром), связанные – системами растворителей, содержащих, как правило, спирт (смесь хлороформа и метанола, взятых в объемном соотношении 2:1). Прочносвязанные липиды получают из обработанного щелочами и кислотами шрота, оставшегося после выделения связанных липидов.

Наиболее удобным для определения содержания сырого жира в семенах и вегетативных органах растений является метод, предложенный Сокслетом. Экстракцию жира производят этиловым (серным) эфиром. Извлеченный сырой жир освобождают от растворителя и взвешивают. Состав и качество жиров и масел характеризуют с помощью разнообразных аналитических "чисел", подразумевая под ними расход определенных реагентов на реакции с жиром. Наибольшее значение имеют числа: кислотное, омыление, иодное, перекисное.

Химический контроль качества: четыре главных показателя растительного масла

При хранении семян масличных культур и готового растительного масла происходят скрытые химические процессы. Из-за воздействия влаги, тепла и воздуха жиры постепенно гидролизуются и окисляются, что снижает качество продукции. Для своевременного выявления этих изменений и определения направления переработки в лабораториях контролируют четыре основных показателя.

• Кислотное число — мера накопления свободных кислот
• Число омыления — показатель общей концентрации кислот
• Йодное число — мера ненасыщенности и высыхаемости
• Перекисное число — индикатор начальной стадии порчи

Кислотное число является ключевым показателем качества масла и семян. Оно увеличивается при длительном хранении сырья из-за гидролиза жиров. Для определения этого числа свободные жирные кислоты в масле нейтрализуют титрованным раствором гидроксида калия. Между щелочью и кислотами идет реакция: RCOOH + KOH → RCOOK + H₂O, где RCOOH — жирная кислота. О величине кислотного числа судят по количеству раствора KOH, затраченного на нейтрализацию.

Число омыления определяют для установления вида жира. Во время анализа навеску кипятят с избытком титрованного раствора гидроксида калия, в результате чего жир гидролизуется. Освободившиеся жирные кислоты сразу реагируют с гидроксидом калия. Избыток щелочи, не прореагировавший с кислотами, оттитровывают соляной кислотой: KOH + HCl → KCl + H₂O. По количеству щелочи, затраченной на связывание всех кислот жира, рассчитывают число омыления.

Йодное число необходимо для определения вида жира и его способности к высыханию. Этот показатель также используют для расчета расхода водорода на гидрогенизацию масла. Чаще всего йодное число определяют бромометрическим методом:

1. Применяют раствор брома в безводном метиловом спирте, насыщенном бромистым натрием.
2. Бром образует непрочное комплексное соединение с бромистым натрием: NaBr + Br₂ → NaBr · Br₂.
3. Отщепляясь от комплекса, бром вступает в реакцию с ненасыщенными глицеринами.
4. Количество не прореагировавшего брома определяют иодометрически и вычисляют йодное число.

Перекисное число служит основным показателем окислительной порчи жиров. В присутствии кислорода воздуха входящие в состав масла кислоты частично окисляются с образованием перекисей. Этот процесс также наблюдается при высыхании масел. Показатель выражают в граммах иода, который может прореагировать с перекисями, содержащимися в 100 г жира. Определение основано на том, что перекиси жирных кислот реагируют с иодистым калием, выделяя свободный иод, который затем оттитровывают раствором гипосульфита.