Біохімічний склад і показники якості рослинних олій

Накопичення рослинних олій та їх роль у виживанні культур

Рослинні жири та олії являють собою складні ефіри триатомного спирту гліцерину та вищих карбонових кислот (тріацилгліцероли). Різниця між ними фізична: жири при кімнатній температурі залишаються твердими, а олії зберігають рідку консистенцію завдяки переважанню ненасичених жирних кислот. У вегетативних органах рослин концентрація жирів рідко перевищує 5 % сухої маси, тоді як у насінні олійних культур вона може бути вищою за 50 %.

Рослинні олії складаються із сумішей тригліцеридів, які бувають однокислотними та різнокислотними. Однокислотні гліцериди містять залишки тільки однієї кислоти (наприклад, олеїнової, рицинолевої або стеаринової), але в природі вони зустрічаються вкрай рідко. Переважна більшість олій на практиці є сумішами різнокислотних гліцеридів із невеликою кількістю супутніх речовин.

• Гліцериди в сирій олії — 95–98 %
• Вільні жирні кислоти — 1–2 %
• Фосфатиди — до 1–2 %
• Стерини — 0,3–0,5 %

Технологічні показники якості та переробка олій

Властивості рослинного жиру визначаються його температурою плавлення, кислотним та йодним числами, а також числом омилення. Температура плавлення безпосередньо залежить від складу кислот: переважання насичених кислот (пальмітинової, стеаринової, міристинової) робить жир твердим, а переважання ненасичених (лінолевої, ліноленової) — рідким. Кислотне число показує кількість вільних жирних кислот, не використаних при біосинтезі під час дозрівання насіння або таких, що утворилися при псуванні олії.

Йодне число відображає ступінь ненасиченості жирних кислот і показує, скільки грамів йоду зв'язують 100 грамів жиру. У рослинних олій цей показник високий і становить 120–160, тоді як у тваринних жирів він коливається в межах 30–70. За величиною йодного числа рослинні олії поділяють на дві групи:

• висихаючі (йодне число ≥130) — наприклад, лляна та конопляна;
• невисихаючі (йодне число <85) — рицинова та арахісова.

Чим вище йодне число, тим більш рідкою є олія, тим легше вона окиснюється і тим більше вона придатна для виробництва оліфи, лаків та фарб. Також олія містить каротиноїди та вітаміни.

У харчовій промисловості рідкі рослинні олії перетворюють на тверді жири для виготовлення маргарину за допомогою гідрогенізації. У цьому процесі водень у присутності каталізаторів приєднується за подвійними зв'язками ненасичених кислот, перетворюючи їх на насичені. Іншою важливою реакцією є омилення під дією кислот або лугів з утворенням вільного гліцерину та вільних жирних кислот або їхніх солей. Середню молекулярну масу ацилгліцеринів, що входять до складу жиру, оцінюють за числом омилення — кількістю міліграмів гідроксиду калію, необхідною для нейтралізації всіх вільних та зв'язаних кислот в 1 грамі олії.

Чому псуються рослинні олії при зберіганні

При тривалому зберіганні рослинні жири неминуче псуються, набуваючи гіркого смаку та специфічного запаху. Цей процес викликають як хімічні реакції під впливом зовнішнього середовища, так і ферменти. Наприклад, під впливом ферменту ліпази відбувається гідроліз жиру, аналогічний реакції омилення. При цьому вивільняються вільні жирні кислоти, що погіршують смак олії, а її кислотне число підвищується.

Найбільш поширеною причиною псування є окиснення ненасичених жирних кислот киснем повітря. Кисень приєднується за місцем подвійних зв'язків, утворюючи перекиси. Під час їх подальшого розкладання виділяються альдегіди, які й надають олії неприємного запаху та згірклого смаку.

Захисні ліпіди рослин: воски, кутин та стероїди

Зовнішня поверхня листків, стебел та плодів захищена кутикулою — водонепроникним бар'єром із кутину та воску. Восковий наліт на винограді, сливах, грушах та яблунях захищає тканини від висихання, надмірного намокання, а також від проникнення патогенів та шкідників. Воски синтезуються в цитоплазмі епідермальних клітин, звідки виділяються назовні у вигляді мікроскопічних пластинок, гранул або паличок.

З хімічної точки зору воски — це складні ефіри вищих одноатомних спиртів і вищих жирних кислот. Вони є найбільш гідрофобними ліпідами в рослині та можуть містити до 50 % домішок. До їх складу входять вільні вищі спирти з парним числом вуглецевих атомів (від С₂₂ до С₃₂), вільні вищі жирні кислоти з довгим ланцюгом (від С₂₄ до С₃₆), насичені вуглеводні з непарним числом атомів вуглецю (від С₂₁ до С₃₇), а також барвні та духмяні речовини.

Серед високомолекулярних спиртів, що входять до структури рослинних восків, переважають такі сполуки:

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

• Віск в оболонці насіння соняшнику — 0,2 %
• Віск в оболонці насіння льону — 0,03 %
• Віск в оболонці насіння сої — близько 0,01 %

Кутин і суберин слугують нерозчинною основою, у яку занурені воски. Кутин формує багатошарову кутикулу на клітинах епідермісу, що складається з епікутикулярного воску, власне кутикули, кутикулярних шарів (суміш целюлози, кутину і воску) та пектинового шару. Суберин зміцнює клітинні стінки корка, поясків Каспарі в ендодермі та провідних пучків у злаків, утворюючи шарувату структуру з водовідштовхувальними властивостями.

Стероїди належать до терпеноїдів і виконують роль регуляторів біохімічних процесів. Для їх структури характерна присутність кисневмісного замісника біля С₃, метильних груп біля С₁₀ і С₁₃, а також відсутність подвійних зв'язків у циклах. До цієї групи входять стерини, стериди, сапогеніни, гормони та ергостерол (вітамін D). Більшість стероїдів присутня в клітинах у слідових кількостях, однак концентрація стеринів у деяких випадках може перевищувати 2 %.

Стериди та пігменти: каркас фотосинтезу і захист від перегріву

Робота фотосинтетичного апарату рослин і міцність клітинних структур багато в чому визначаються ліпофільними сполуками — стеролами і стеридами. Стероли, які присутні в листі кукурудзи та зародках пшениці, містять від 8 до 10 вуглецевих атомів у бічному ланцюзі біля С17 і гідроксильну групу в положенні С3. Усередині клітини вони утворюють складні комплекси з білками, формуючи основу внутрішньоклітинних мембран. Стериди являють собою складні ефіри цих стеринів і вищих жирних кислот (пальмітинової, стеаринової, олеїнової). Вони також пов'язані з білками, нерозчинні у воді, але чудово розчиняються в жирових розчинниках, забезпечуючи стабільність клітинного каркаса.

У мембранних структурах зосереджені й ключові пігменти рослин — хлорофіли та каротиноїди. На сьогодні відомо близько 10 видів хлорофілів, що відрізняються будовою та забарвленням. У клітинах вищих зелених рослин завжди присутні хлорофіли a (синьо-зелений) і b (жовто-зелений). Для порівняння, у діатомових водоростях міститься хлорофіл с, у червоних — хлорофіл d, а у фотосинтезуючих бактеріях працюють чотири бактеріохлорофіли (a, b, c і d).

Хімічно хлорофіл влаштований як складний ефір дикарбонової органічної кислоти хлорофіліну та двох спиртів — метилового СН3ОН і фітолу С20Н39ОН. Сам хлорофілін належить до магнійпорфіринів і описується емпіричною формулою MgN4OH30C32(COOH)2. Формула хлорофілу a — С55Н72О5N4Mg, а хлорофілу b — С55Н70О6N4Mg. За рахунок заміни однієї метильної групи на альдегідну хлорофіл b містить на два атоми водню менше і на один атом кисню більше.

Поруч із хлорофілом у ліпідному шарі мембран розташовуються каротиноїди — допоміжні пігменти, що захищають рослину від світлового опіку. Усі вони складаються з 40 вуглецевих атомів і є похідними ізопрену (СН2=С(СН3)–СН=СН2). Завдяки системі сполучених зв'язків ці полієнові пігменти мають червоний, помаранчевий або жовтий колір і вирізняються високою хімічною активністю. Каротиноїди поділяються на каротини загального складу С40Н56 і кисневмісні ксантофіли С40Н56О2. Поглинаючи короткохвильові промені, вони працюють як екран проти руйнівної вітацидної радіації.

• Вміст хлорофілу a до b — у 3 рази більший
• Число атомів вуглецю в каротиноїдах — 40
• Частка фосфатидилгліцерину в ліпідах листя — до 50%

Фосфоліпіди: основа клітинних мембран та стресостійкості

Фосфоліпіди (фосфатиди) визначають пропускну здатність клітинних мембран та здатність рослин витримувати посуху і низькі температури. Від звичайних жирів вони відрізняються присутністю залишку фосфорної кислоти та азотовмісного фрагмента. До їх складу входять залишки жирних кислот, таких як лінолева, ліноленова, пальмітинова та стеаринова. За характером полярної групи (компонента X) фосфоліпіди поділяють на кілька груп.

• Холінфосфоліпіди (лецитини) — містять холін, розчинний у воді та спирті, який здатний передавати метильні групи в процесах метаболізму.
• Коламінфосфоліпіди (кефаліни) — містять коламін.
• Серинфосфоліпіди — містять амінокислоту серин.
• Інозитфосфоліпіди — містять спирт інозит.

Особливу групу становлять фосфатидні кислоти, що не мають азотистих основ. Вони містяться в листі капусти, зародках пшениці та молочному соку каучуконосних дерев у формі солей калію, магнію та кальцію. Приєднуючи ще один залишок гліцерину, вони перетворюються на фосфатидилгліцерин. Ця речовина накопичується у хлоропластах листя і відіграє найважливішу роль у їхній життєдіяльності.

Шаруваті структури, утворені в розчинах фосфоліпідами, відіграють важливу роль у побудові клітинних мембран. Фосфоліпіди – природні антиоксиданти, вони оберігають олії від окиснення, легко окиснюючись самі. Вміст фосфоліпідів у рослинах незначний. Найбільша його кількість міститься в насінні сої – 1,5–2,0 %.

Гліколіпіди. Гліколіпіди як спирт містять або гліцерол, або сфінгозин, вуглецевий компонент, залишки жирних кислот. Вони, на відміну від фосфоліпідів, не містять залишку фосфорної кислоти. Як вуглеводний компонент у гліколіпідах можуть виступати глюкоза, галактоза, глюкозамін, галактозамін та їхні ацетильні похідні або олігосахаридні ланцюги, що складаються з перелічених моносахаридів. Вищі жирні кислоти, що входять до складу гліколіпідів, вельми різноманітні. Найбільш важливі представники класу гліколіпідів: моногалактозилдіацилгліцероли, діагалактозилдіацилгліцероли та тригалактозилдіацилгліцероли. Перші два гліколіпіди були спочатку виділені з пшениці, а третій – бульб картоплі. Основна маса клітинних гліколіпідів знаходиться у хлоропластах і лише незначні їх кількості присутні в мітохондріях. Гліколіпіди у хлоропластах локалізовані в мембранах; відношення моногалактозилдіацилгліцероли: дигалактозилдіацилгліцероли в мембранах оболонки хлоропластів становить приблизно 0,9:1, тоді як у мембранах тилакоїдної системи воно, як правило, 2:1.

Сульфоліпіди. За будовою сульфоліпіди близькі до гліколіпідів. Єдиний представник цього класу, присутній у тканинах рослин, – це сульфоноліпід, часто званий сульфоліпідом. У молекулі цієї сполуки глікозильний залишок 6–сульфо–6–дезокси–D–глюкози з'єднаний α-глікозидним зв'язком зі sn-3-положенням 1,2–діацил–sn–гліцеролу. Слід зазначити, що глікозильний залишок є сульфонатним (зв'язок С–S), а не сульфатним ефіром (зв'язок С–О–S). У цій сполуці переважаюча жирна кислота – α–лінолева С18:2, але може бути також і пальмітинова С16:0. У рослинах сульфоноліпід локалізований у хлоропластах, переважно в мембранах тилакоїдної системи. У менших кількостях він виявлений в етіопластах і пропластидах. Дуже невеликі кількості цього ліпіду (близько 1 % від їхньої загальної кількості) містяться в бульбах картоплі та плодах яблук.

Цереброзиди. Цереброзиди складаються із залишків моносахариду-галактози, приєднаного глікозидним зв'язком до першого вуглецевого атома N–ацильованого похідного сфінганіну–цераміду. Цереброзиди виявлені в зернівках пшениці, у листі квасолі, бульбах картоплі, плодах яблуні та грибах.

Для екстракції та розділення ліпідів використовуються органічні розчинники, які не тільки розчиняють ліпіди, а й здатні руйнувати ліпопротеїдні комплекси, чим досягається екстракція як вільних ліпідів, так і ліпідів, що входять до складу цих комплексів. Ступінь вилучення ліпідів може досягати 96–98%. Найчастіше для екстракції ліпідів застосовують петролейний ефір, діетиловий ефір та хлороформ. Використовуються також суміші розчинників різної полярності, наприклад хлороформ – метанол, етанол – діетиловий ефір та ін. Як правило, використання сумішей розчинників призводить до повнішої екстракції ліпідів із різних тканин.

Для розділення нейтральних ліпідів використовують різні хроматографічні методи. Найчастіше для розділення нейтральних ліпідів застосовують кремнієву кислоту та силікагель. Просочуючи тонкий шар силікагелю розчином нітрату срібла, можна підвищити роздільну здатність адсорбенту та отримати розділення гліцеридів за ступенем ненасиченості.

Фосфоліпіди розділяють, використовуючи їхню різну розчинність в органічних розчинниках. Виділення "лецитинової" та "кефалінової" фракцій можливе з урахуванням саме цієї властивості. Дані фракції не є чистими, а являють собою суміші близьких за фізико-хімічними властивостями фосфоліпідів, збагачених фосфатидилхолінами (перші) та фосфатидилетаноламінами (другі). Зазвичай фосфоліпіди розділяють методом адсорбційної хроматографії на кремнієвій кислоті або силікагелі (у тонкому шарі або колонках), використовується також ДЕАЕ- і ТЕАЕ-целюлоза. При хроматографії на колонці з кремнієвою кислотою (при збільшенні частки метанолу у складі елюенту) фосфоліпіди розділяються у такій послідовності: фосфатидилетаноламіни, фосфатидилінозитиди, фосфатидилхоліни, сфінгомієліни. Отримані фракції у подальшому можна очистити методом ТШХ, однак, і після такого очищення кожна пляма на хроматограмі містить фосфоліпіди, які розрізняються довжиною ланцюга і ступенем ненасиченості залишків жирних кислот, а також типами зв'язків гідрофобних компонентів з поліолом (діацильні, плазмалогенні або алкільні фосфоліпіди).

Як і для нейтральних ліпідів, ефективним прийомом розділення фосфоліпідів за ступенем ненасиченості залишків жирних кислот є хроматографія у шарах адсорбенту, просоченого розчином нітрату срібла.

Методи визначення вмісту ліпідів ґрунтуються на їхній здатності розчинятися у різних органічних розчинниках. Вільні ліпіди екстрагуються з аналізованого матеріалу неполярними розчинниками (гексаном, діетиловим ефіром), зв'язані – системами розчинників, що містять, як правило, спирт (суміш хлороформу і метанолу, взятих у об'ємному співвідношенні 2:1). Міцнозв'язані ліпіди отримують з обробленого лугами та кислотами шроту, що залишився після виділення зв'язаних ліпідів.

Найбільш зручним для визначення вмісту сирого жиру у насінні та вегетативних органах рослин є метод, запропонований Сокслетом. Екстракцію жиру проводять етиловим (сірчаним) ефіром. Вилучений сирий жир звільняють від розчинника і зважують. Склад і якість жирів та олій характеризують за допомогою різноманітних аналітичних "чисел", розуміючи під ними витрату певних реагентів на реакції з жиром. Найбільше значення мають числа: кислотне, омилення, йодне, перекисне.

Хімічний контроль якості: чотири головні показники рослинної олії

При зберіганні насіння олійних культур і готової рослинної олії відбуваються приховані хімічні процеси. Через вплив вологи, тепла та повітря жири поступово гідролізуються й окислюються, що знижує якість продукції. Для своєчасного виявлення цих змін та визначення напрямку переробки у лабораторіях контролюють чотири основні показники.

• Кислотне число — міра накопичення вільних кислот
• Число омилення — показник загальної концентрації кислот
• Йодне число — міра ненасиченості та висихання
• Перекисне число — індикатор початкової стадії псування

Кислотне число є ключовим показником якості олії та насіння. Воно збільшується при тривалому зберіганні сировини через гідроліз жирів. Для визначення цього числа вільні жирні кислоти в олії нейтралізують титрованим розчином гідроксиду калію. Між лугом і кислотами йде реакція: RCOOH + KOH → RCOOK + H₂O, де RCOOH — жирна кислота. Про величину кислотного числа судять за кількістю розчину KOH, витраченого на нейтралізацію.

Число омилення визначають для встановлення виду жиру. Під час аналізу наважку кип'ятять з надлишком титрованого розчину гідроксиду калію, у результаті чого жир гідролізується. Жирні кислоти, що звільнилися, одразу реагують з гідроксидом калію. Надлишок лугу, що не прореагував з кислотами, відтитровують соляною кислотою: KOH + HCl → KCl + H₂O. За кількістю лугу, витраченого на зв'язування всіх кислот жиру, розраховують число омилення.

Йодне число необхідне для визначення виду жиру та його здатності до висихання. Цей показник також використовують для розрахунку витрати водню на гідрогенізацію олії. Найчастіше йодне число визначають бромометричним методом:

1. Застосовують розчин брому у безводному метиловому спирті, насиченому бромистим натрієм.
2. Бром утворює неміцну комплексну сполуку з бромистим натрієм: NaBr + Br₂ → NaBr · Br₂.
3. Відщеплюючись від комплексу, бром вступає в реакцію з ненасиченими гліцеринами.
4. Кількість брому, що не прореагував, визначають йодометрично і обчислюють йодне число.

Перекисне число служить основним показником окислювального псування жирів. У присутності кисню повітря кислоти, що входять до складу олії, частково окислюються з утворенням перекисів. Цей процес також спостерігається при висиханні олій. Показник виражають у грамах йоду, який може прореагувати з перекисами, що містяться у 100 г жиру. Визначення ґрунтується на тому, що перекиси жирних кислот реагують з йодистим калієм, виділяючи вільний йод, який потім відтитровують розчином гіпосульфіту.