Propiedades fisicoquímicas de mezclas de sebo vacuno con ...oleosegorduras.org.br/site/imagens_editor/IVAN JACHMANIAN.pdf · mezcla: PF, SFC, tipo de cristalización. •Mejoramiento

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

[email protected]

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.


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).


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).


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.


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 +


• 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


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).


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.


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).


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).


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).


1.- Composición (AG y TAG)


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)


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


--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)


TAG (mezclas y productos BT/HOSFO)


TAG por tipo (materias primas)

46.39.533.8SUU

7.2-42.9SSU

44.687.42.5UUU

--14.8SSS

HOSFO RBOBTTAG


% 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)


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=


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


BT / HOSFO

↑↑↑↑ SUU

↓↓↓↓ SSS

↓↓↓↓ UUU

↓↓↓↓ SSU

OOO (HOSFO)

PPP, PPSt, PStSt, StStSt (BT)

PPO, PStO, StStO (BT)

POO, StOO (BT)


% 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)


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


BT / RBO

↓↓↓↓ SUU

↓↓↓↓ SSS

↓↓↓↓ UUU

↑↑↑↑ SSU

OLL, OOL, OOO (RBO)

PPP, PPSt, PStSt, StStSt (BT)

PPO, PStO, StStO (BT)

POO, StOO (BT)


2.- Regiodistribución de los

ácidos grasos en los TAGs


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


Regiodistribución de los ácidos grasos

• Análsis sn-2 indica distribución random en los productos.

• No hay especificidad?

• Fenómenos de acil-migración?


3.- Termogramas de fusión (DSC)


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


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


-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


-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


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


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


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)


-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


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


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


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


4.- Morfología cristalina y

microstructura


BT – 25° C

Mezcla BT / HOSFO 80:20 – 25° C

Producto BT / HOSFO 80:20 – 25° C

Mezcla BT / RBO 80:20 – 25° C

Producto BT / RBO 80:20 – 25° C

0.2 0.2 0.2 0.2 mmmmmmmm

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


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.


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.


5.- Cristalización isotérmica

- DSC -



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)


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



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


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)


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


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



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).


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.


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.


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.


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.


Muchas gracias!

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