3-МХПД и ГЭ: новый враг или старый знакомый?

Качество и безопасность продовольственного сырья и пищевых продуктов являются факторами, имеющими важнейшее значение для сохранения и укрепления здоровья населения. Каждый из нас ежедневно употребляет пищевые продукты и должен быть уверен в том, что они не представляют собой опасности ни для его для здоровья, ни здоровья его близких.

Глицидиловые эфиры (ГЭ) образуются из диацилглицеридов под действием высоких температур (их содержание коррелирует с уровнем диацилглицеридов). Моно- и диацилглицериды образуются в результате процессов гидролиза в маслах под воздействием активных липаз. Плоды и семена масличных культур содержат фермент липазу, активность которой увеличивается по мере созревания плода. Липаза вступает во взаимодействие с маслом зрелых плодов, быстро разрушая триглицериды до свободных жирных кислот, моноацилглициридов и диацилглицеридов. В модельных системах четко установлена взаимосвязь уровня содержания этих веществ и последующего образования глицидиловых эфиров (рис. 1) в процессе высокотемпературной переработки. Для растительных масел факторами, способствующими образованию 3-МХПД и ГЭ в процессе переработки, являются климат, почва, условия роста растений и методы сбора и хранения урожая.


Рис. 1. Структурная формула глицидилового эфира

Наряду с глицидиловыми эфирами жирных кислот в процессе переработки также образуются 3-МХПД и 2-МХПД сложные эфиры жирных кислот (рис. 2, 3).

Рис. 2. 2-монохлорпропан-1,3-диол (2-МХПД)

Рис. 3. 3-монохлорпропан-1,2-диол (3- МХПД)

Эфиры 3-МХПД и 2-МХПД – органические соединения, относящиеся к хлорпропандиолам, образуются под действием повышенных температур при взаимодействии ионов хлора с липидами, содержащимися в маслах в виде природных хлорсодержащих соединений (например хлоралкан) либо технических хлорсодержащих соединений (например остатки соляной кислоты). Механизм формирования 3-МХПД, 2-МХПД и ГЭ в процессе рафинации масел и жиров до конца не изучен.

В исследовании, проведенном Chemisches and Veterinar untersuchungs amt (CVUA, Штутгарт, Германия), было показано, что следы эфиров 3-МХПД можно найти и в некоторых природных нерафинированных жирах и маслах. Между тем, значительные количества эфиров 3-MХПД были обнаружены почти во всех рафинированных жирах и маслах.

Как правило, растительные масла необходимо подвергать рафинированию перед их использованием, что может зависеть от конкретного масла и характера загрязнения после экстракции, а также в зависимости, например, от желаемых органолептических свойств рафинированного масла. Эфиры глицидола формируются в растительных маслах и жирах, подвергаемых обработке (рафинации) при температурах выше 200 °С. В свободном виде 3-МХПД и ГЭ присутствуют очень малых количествах. Дезодорация была определена как решающий этап процесса очистки, ведущего к образованию эфиров 3-MХПД и глицидола. Однако также было обнаружено, что образование некоторого количества контаминант происходит в результате отбеливания, например, с отбеливающей землей. Кроме того, было обнаружено, что предварительная кислотная обработка сырого масла, например, соляной или фосфорной кислотами как часть рафинирования, также усугубляет образование сложного эфира 3-MCPD.

Сложные эфиры 3-МХПД и ГЭ присутствуют во многих пищевых продуктах, они образуются при копчении, запекании, жарке на гриле и во фритюре. В пищевые продукты, в т.ч. в кондитерские изделия и молокосодержащие продукты, такие как детское питание, соусы, спреды, заменители молока и сливок, мороженное, 3-МХПД и ГЭ попадают вместе

с ингредиентами – растительными маслами и жирами. По литературным данным, по содержанию глицидиловых эфиров в различных маслах, их можно условно разделить на три группы:

• Низкий уровень (0,5-1,5 мг / кг): масло рапса, сои, кокоса, подсолнечное масло.
• Средний уровень (1,5-4 мг / кг): масло сафлора, арахиса, кукурузы, оливковое и хлопковое масла, масло из рисовых отрубей.
• Высокий уровень (> 4 мг / кг): гидрогенизированные жиры, пальмовое масло и фракции пальмового масла, твердые жиры для жарки.

Чем выше уровень диацилглицеридов в маслах, тем выше содержание ГЭ.

Несвязанный хлорпропандиол, в частности 3-MCPD, был идентифицирован во многих продуктах на основе сои, включая, например, соевый соус, а также кислотно-гидролизованный растительный белок. При употреблении в пищу сложные эфиры жирных кислот хлорпропандиолов и глицидола гидролизуются липазами в желудочно-кишечном тракте, высвобождая свободные хлорпропандиолы и глицидол, которые, как было обнаружено, проявляют генотоксические канцерогенные свойства.

Большинство научных исследований, накопленных к настоящему времени, свидетельствует о наличии рисков от присутствующих в пищевых продуктах глицидиловых эфиров жирных кислот и глицидола для здоровья человека, особенно детского населения. Согласно данным Международного агентства по изучению рака (IACR) химическое вещество «глицидол» относится к канцерогенным факторам.

По оценке IACR:

• 3-МХПД моно- и диэфиры относятся к группе 2В: возможно канцероген для человека, допустимая суточная доза – 2мкг/кг массы тела.
• 2-МХПД моно- и диэфиры – пока имеются лишь ограниченные данные, но некоторые из них свидетельствуют о высоком уровне токсичности.
• глицидол и ГЭ относятся к группе 2А: вероятно канцероген для человека, допустимое ежедневное потребление настолько низкое, насколько это возможно.

Европейская комиссия законодательно ограничила содержание ГЭ жирных кислот в растительных маслах и жирах, продающихся в рознице и используемых в качестве сырья для производства продуктов питания на уровне 1 мг/кг продукта (табл. 1).

Таблица 1.  Максимально допустимый уровень ГЭ в некоторых продуктах

Согласно данным СанПиН 1.2.2353-08 «Канцерогенные факторы и основные требования к профилактике канцерогенной опасности» химическое вещество «глицидол» относится к канцерогенным факторам. На основании этого Коллегия ЕЭК приняла следующие нормы для этого вещества (табл. 2):

Таблица 2. Максимально допустимый уровень ГЭ в некоторых продуктах

23 сентября 2020 года Европейской комиссией был принят регламент ЕС 2020/1322, вносящий поправки в регламент ЕС №1881/2006 в отношении максимальных уровней содержания 3-монохлорпропандиола и сложных эфиров 3-МХПД – 2,5 мг/кг для растительных масел и 1,25 мг/кг для детского питания. Теперь содержание 3-МХПД, глицидола и их сложных эфиров должно обязательно контролироваться в пищевых продуктах, указанных в постановлении, реализуемых на территории ЕС или экспортируемых в нее.

 Для количественной оценки 3-МХПД, глицидола и их сложных эфиров возможно два варианта: прямое определение глицидилових эфиров и эфиров жирных кислот 3-MCPD, которое проводится методом ВЭЖХ / МС и косвенное определение с использованием ГХ/МС. Прямой метод имеет существенный недостаток- из-за большого количества комбинаций сложных эфиров приходится иметь дело с большим количеством хроматографических пиков, идентификация которых затруднена отсутствием аналитических стандартов. Косвенный метод определения, где проводится расщепление сложных эфиров и дериватизация, позволяют получать пики трех соединений, которые легко идентифицировать и количественно оценивать с помощью доступных аналитических стандартов.

Одним из первых методов определения, принятых международной организацией стандартизации, является метод ISO18363-1: 2015 (AOCS Official Method Cd 29c-13, ГОСТ ИСО 18363-1-2020), который обеспечивает количественное определение 3-МХПД путем щелочного разложения эфиров 3-МХПД и глицидола до 3-МХПД. Определение глицидолових эфиров в пересчете на глицидол проводилось путем пересчета разницы количественных результатов двух инжекций. Основным недостатком этого метода является неточный количественный результат по глицидолу, поскольку метод основан на предположении что нет других веществ, реагирующих с неорганическим хлоридом, которые образуют 3-МХПД. Относительное стандартное отклонение анализа одного и того же образца в разных лабораториях для 3-MCPD в концентрациях близких к 1 мг/кг превышает 25 %, а для концентраций близких к 0,1 мг/кг – превышает 130 %. Кроме того, содержание 2-МХПД этим методом не может быть измерено. Но этот метод легко автоматизируется, и имеет очень быстрое время реакции разложения, что является большим преимуществом для производственных лабораторий, основной целью которых является корректировка производственных процессов.

В связи с этим в лаборатории Саратовского жирового комбината был освоен метод определения сложных эфиров 3-МХПД и ГЭ по ГОСТ ИСО 18363-1-2020. Для анализа контоминант используется газовый хроматограф Аgilent 7890В, оснащенный масс-селективным детектором Аgilent 5977В, а также роботом для пробоподготовки и дозирования – MPSrobotic, произведенным компанией GERSTEL, Германия. Полностью автоматизированная подготовка образцов основана на методе DGFC-Ⅵ 18, который в свою очередь аналогичен методам ISO18363-1: 2015; AOCS Official Method Cd 29c-13; ГОСТ ИСО 18363-1-2020. Автоматизация подготовки проб к анализу позволяет экономить время и, исключая ручные операции, снизить фактор ошибок. Робот обеспечивает концентрирование образцов для снижения пределов детектирования, замену растворителя на более подходящий для условий хроматографирования и ионизации в ГХ/МС.

Следующими были стандартизированы методы ISO 18363-2: 2018 (AOCS Cd 29b-13, ГОСТ ИСО 18363-2-2020) и ISO 18363-3: 2017 (AOCS Cd 29а-13, ГОСТ ИСО 18363-3-2020). Оба уже гораздо точнее, чем предыдущий, но они имеют очень значительное время

реакции разложения – более 16 часов. Это делает эти методы очень ограниченно годными в условиях производства, но из-за прямого количественного определения они обеспечивают более точные результаты для лабораторий, которые выдают сертификаты анализа и отвечают за качество полученных значений. Кроме того, метод ISO 18363-3:2017 трудно автоматизируется, хотя при этом обеспечивает лучшую воспроизводимость между лабораториями, а метод ISO 18363-2: 2018 требует подготовки двух образцов и двух инжекций.

Методы снижения контоминант

Ужесточение требований к качеству и безопасности пищевых продуктов, растущая глобализация пищевых рынков ставит перед производителями масложировой продукции новые задачи. Одной из таких задач является минимизация в рафинированных растительных маслах содержания сложных эфиров монохлорпропандиола и глицидола, представляющих потенциальный риск для здоровья человека. В Европейском Союзе действует рекомендация Комиссии 2014/661/EU от 10 сентября 2014 года, согласно которой следует проводить мониторинг содержания указанных соединений в пищевой продукции.

Проблему снижения контоминант можно решить, лишь поняв механизмы образования сложных эфиров монохлорпропандиола и глицидола в маслах, освоив методы их анализа, и на основании полученных знаний выработать необходимую стратегию действий.

Вероятно, при образовании в пищевых растительных маслах сложных эфиров монохлорпропандиола работают следующие механизмы: хлор является достаточно распространенным в природе элементом. Поэтому возможно предположение о достаточно широком многообразии источников хлора, как органической, так и неорганической природы, которые могут быть потенциальными предшественниками сложных эфиров монохлорпропандиола, образующихся при производстве пищевых растительных масел. Входящие в состав масел липиды, такие как ацилглицерины, фосфолипиды и гликолипиды теоретически могут реагировать с хлорсодержащими соединениями при рафинации масел с образованием сложных эфиров 3-МХПД. Безусловно, природа прекурсоров будет зависеть как от типа масла, его качества, так и от технологий его извлечения. Авторы работы Zelinkova, Z. Fatty acid esters of 3-chloropropane-1,2-diol in edible oils предполагают, что обнаруженные хлорорганические соединения по своей структуре похожи на фитосфингозины и являются эндогенными растительными метаболитами, а не экзогенными контаминантами. Таким образом, совокупности

основных доноров хлора в разных партиях сырья могут варьировать, что будет в дальнейшем сказываться на различном протекании процесса образования сложных эфиров 3-МХПД.

Если говорить о наиболее вероятных липидных прекурсорах 3-МХПД в растительных маслах, то вначале было высказано предположение, что ими могут являться неполные ацилглицерины, в частности диацилглицерины (ДАГ). Предположение было основано на том, что наибольшее содержание 3-МХПД было обнаружено в маслах, полученных из мякоти масличных плодов, таких как пальмовое и оливковое. Указанные масла, как известно, содержат повышенное содержание ДАГ, образующихся в результате гидролиза под действием липолитических ферментов. Однако данная гипотеза была опровергнута в результатах дальнейших исследований. Они показали, что, хотя ДАГ могут теоретически реагировать с донорами хлора с образованием сложных эфиров 3-МХПД, они не являются основным липидными прекурсорами данного процесса, поскольку доказано, что наибольшая часть сложных эфиров 3-МХПД образуется на этапе дезодорации масел. Другие же сопутствующие вещества липидного характера, например, фосфолипиды и гликолипиды, также не могут существенным образом участвовать в формировании сложных эфиров 3-МХПД, так как удаляются на предыдущих этапах рафинации.

В результате многочисленных исследований было установлено, что сложные эфиры 3-монохлорпропан-1,2-диола, образуются при температуре 180 °С и выше. Из этого следует, что типичные условия дезодорации существенным образом способствуют образованию сложных эфиров 3-МХПД. Например, в случае химической рафинации пальмового масла процесс дезодорации происходит при температуре около 240 °С. Если же применяется физическая рафинация, то температура этапа дезодорации, при которой также отгоняются свободные жирные кислоты, может достигать 260–270 °С.

Для того, чтобы установить происхождение хлора, участвующего в образовании сложный эфиров 3-МХПД в процессе рафинации, в работе Hrnčiřík, K Aninitial study on the formation of 3-MCPD esters during oil refining, специалисты исследовали содержание ионов хлора в маслах до и после дезодорации с целью установления корреляции данного показателя с содержанием сложных эфиров 3-МХПД в рафинированных маслах. Но такая взаимосвязь обнаружена не была. Также потерпела неудачу попытка объяснить образование сложных эфиров 3-МХПД при дезодорации за счет хлора, присутствующего в остром паре. И только исследование Nagy, K. Mass-detect filtering of isotope signature store veal the source of chlorinated palm oil contaminants, показало зависимость между термическим разложением хлорорганических соединений, содержащихся в пальмовом масле и накоплением 3-МХПД при тепловой обработке пальмового масла. Авторы этой работы отслеживали процесс разложения хлорорганических соединений, обнаруженных в нерафинированном пальмовом масле методом высокоэффективной жидкостной хромато-масс-спектрометрии и установили, что типичным продуктом разложения указанных соединений является соляная кислота (HCl) – преимущественный донор хлора в реакции образования сложных эфиров 3-МХПД при дезодорации.

Таким образом, согласно выводам F. Destaillats, на сегодня существует два теоретически приемлемых механизма образования сложных эфиров 3-МХПД (рис. 4).

Рис. 4. Механизмы образования диэфиров монохлорпропандиола из ТАГ в при высоких температурах в присутствии HCl

Но предположение касательно одинаковых прекурсоров для сложных эфиров 3-МХПД и ГЭ в работах этого автора было опровергнуто. А именно, было показано, что предшественниками образования сложных эфиров глицидола в маслах при высоких температурах (200 °С и выше) являются моно- и диацилглицерины. Следует отметить, что небольшое увеличение содержания сложных эфиров глицидола отмечается уже при температуре свыше 180 °С, но свыше установленной критической температуры 200 °С наблюдается резкое возрастание скорости накопления в масле сложных эфиров глицидола. Разработанные авторами этого исследования механизмы образования сложных эфиров глицидола при высоких температурах (200 °С и выше) из моно- и диацилглицеринов представлены соответственно на рис. 5а и 5б.

 
Рис. 5. Механизмы образования сложных эфиров глицидола при высоких температурах из моноацилглицеринов (а) и диацилглицеринов (б)

На основании вышеизложенного уменьшить содержание сложных эфиров 3-МХПД и сложных эфиров глицидола в растительных маслах можно с помощью нижеследующих подходов и методов:

• промывкой нерафинированного пальмового масла полярными растворителями, такими как вода или смеси вода-спирт, с целью удаления из масла полярных хлорсодержащих соединений. Из-за возможности превращения полярных хлорсодержащих соединений в неполярные в процессе стерилизации плодов, предлагается удалять указанные доноры хлора не из полученного нерафинированного масла, а из пульпы;
• использование для выращивания масличного сырья почв с низким содержанием солей, применение не содержащих хлор удобрений, воды для полива, гербицидов и инсектицидов;
• для уменьшения содержания ДАГ и свободных жирных кислот в пальмовом масле рационально собирать урожай сразу же, как только обнаружены первые созревшие гроздья, а также по возможности сократить промежуток времени между сбором урожая и извлечением масла из плодов.

Результаты многих исследований показали прямую зависимость между кислотностью отбельных глин и содержанием сложных эфиров 3-МХПД в рафинированном масле. На этом основании было предложено использовать для рафинации природные отбельные глины и кислотно-активированные отбельные глины с более близким к нейтральному значением рН для снижения образования сложных эфиров 3-МХПД. Также рекомендована промывка для удаления остатков минеральных кислот.

Для снижения содержания сложных эфиров глицидола предлагается выполнять дезодорацию при более низких температурах – вплоть до 200 °С. Этот же подход, хоть и в меньшей степени, справедлив и для сложных эфиров 3-МХПД.

Поскольку важна не только температура, но и продолжительность процесса дезодорации, в результате многочисленных исследований предложено использовать так называемую двухэтапную дезодорацию. Подобный подход уже применяется в промышленных масштабах для снижения формирования транс-изомеров жирных кислот и оптимизации количества токоферолов в масле. Используя короткий этап дезодорации при высокой температуре (250/270 °С) в комбинации с длительным этапом при более низкой температуре (200 °С), можно снизить температурную нагрузку на масло. Например, комбинация дезодорации при 200 °С в течение 120 минут с последующей дезодорацией при 250 °С в течение 5 минут ведет к снижению содержания сложных эфиров 3-МХПД и родственных соединений на треть, а отдельно эфиров 3-МХПД – на две трети по сравнению с традиционной дезодорацией. Двухэтапная дезодорация при 270 °С, с предшествующим длительным этапом дезодорации при пониженной температуре, имеет следствием снижение содержания 3-МХПД и родственных соединений почти на 80 % (Matthäus, B. Final results of the German FEIResearch Project Concerning 3-MCPD Esters and Related Compounds). Еще один эффективный путь снижения тепловой нагрузки на масло и самое главное – практически исключающий образование сложных эфиров 3-МХПД и сложных эфиров глицидола – молекулярная дистилляция масел вместо дезодорации или в комбинации с дезодорацией в мягких условиях. Также перспективен биокаталитический метод, позволяющий с помощью ферментативных процессов удалять

сложные эфиры 3-МХПД из рафинированных масел (Bornscheuer, U. T. Enzymatic removal of 3-monochloro-1,2-propandiol (3-MCPD) and its esters from oils).

Таким образом, с целью снижения содержания сложных эфиров 3-МХПД и сложных эфиров глицидола в растительных маслах целесообразно действовать в 3-х направлениях:

1. Уменьшение содержания вплоть до полного исключения прекурсоров сложных эфиров 3-МХПД и сложных эфиров глицидола в масличном сырье и нерафинированных маслах.
2. Корректировка условия извлечения масел и процессов рафинации с возможным включением дополнительных этапов рафинации в полный цикл очистки.
3. Снижение содержания сложных эфиров 3-МХПД и сложных эфиров глицидола в рафинированных маслах с помощью соответствующих сорбентов либо ферментативными методами

При использовании на практике существующих стратегий важно найти баланс между максимально возможным снижением загрязняющих веществ сложных эфиров 3-MCPD и ГЭ в процессе переработки и сохранением качества масла.

Подписывайтесь на телеграм-канал SOLPRO | Жиры и маргарины, чтобы быть в курсе основных тенденций пищевой отрасли.