Interesterificação de óleos e gorduras - Desafios. Prof. Dr. Luiz Antonio Gioielli

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1 Interesterificação de óleos e gorduras - Desafios Prof. Dr. Luiz Antonio Gioielli

2 Desafios Analíticos pesquisa rotina Processo químico enzimático Metabolismo

3 Interesterificação Redistribuição dos ácidos graxos nos triacilgliceróis, por métodos químicos ou enzimáticos - Não forma gordura trans - Não elimina gordura trans

4 A principal vantagem da interesterificação sobre a hidrogenação está relacionada à nutrição. ROUSSEAU, D., MARANGONI, A.J. Chemical interesterification of food lipids: theory and practice. In: AKOH, C.C., MIN, D.B., eds. Food lipids: chemistry, nutrition, and biotechnology. Boca Raton: CRC Press, p

5 antes após Amostras a 25ºC de oleína de palma antes e após a interesterificação

6 antes após Amostras a 20ºC da mistura binária de estearina de frango e TCM antes e após a interesterificação

7 Conteúdo de gordura sólida (% 100,0 80,0 60,0 GTHS 70/30 60/40 50/50 40/60 30/70 20/80 10/90 40,0 20,0 0, Temperatura ( o C) Conteúdo de gordura sólida para a gordura totalmente hidrogenada de soja e suas misturas binárias com óleo de linhaça

8 Conteúdo de gordura sólida (%) 70,0 60,0 50,0 70/30 60/40 50/50 40/60 30/70 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Temperatura ( o C) Conteúdo de gordura sólida das misturas binárias de gordura totalmente hidrogenada de soja com óleo de linhaça após a interesterificação química

9 Interesterificação química

10 Composição em ácidos graxos de óleos e gorduras naturais Ácidos graxos Soja Milho (%) Óleo / Gordura Manteiga de cacau Homem Porco Frango 14: ,3 2,3 1,3 16:0 9,3 11,2 24,1 24,7 25,7 21,3 16:1-0,2 0,4 6,7 3,3 10,3 18:0 3,9 2,1 35,1 7,0 11,3 5,3 18:1 24,1 28,2 36,0 44,7 42,0 37,0 18:2 54,4 57,3 3,4 5,7 14,7 17,0 18:3 8,3 1,0 - <1,0 <1,0 2,7 20: ,

11 sn-1 sn-2 sn-3 Estrutura da molécula do triacilglicerol

12 Identificação de gorduras modificadas Gordura parcialmente hidrogenada: Ácidos graxos trans (mesmo em misturas) Gordura interesterificada: Análise regioespecífica ou estereoespecífica Composição em triacilgliceróis Misturas?

13 Distribuição de ácidos graxos em triacilgliceróis de óleos e gorduras naturais Ácidos graxos (%) Óleo / Gordura Posição sn- 16:0 16:1 18:0 18:1 18:2 18:3 20:0 1 13,8-5,9 22,9 48,4 9,1 - Soja 2 0,9-0,3 21,5 69,7 7,1-3 13,1-5,6 28,0 45,2 8,4 - (%) 3,2-2,6 29,7 42,7 28,5-1 17,9 0,3 3,2 27,5 49,8 1,2 - Milho 2 2,3 0,1 0,2 26,5 70,3 0,7-3 13,5 0,1 2,8 30,6 51,6 1,0 - (%) 6,9 16,7 3,2 31,3 40,9 23,3-1 34,0 0,6 50,4 12,3 1,3-1,0 Manteiga de cacau 2 1,7 0,2 2,1 87,4 8, ,5 0,3 52,8 8,6 0,4-2,3 (%) 2,4 16,7 2,0 80,9 84,3 - -

14 Análise regioespecífica de triacilgliceróis TAG 1,3-DAG 1,2-DAG Ácido graxo Hidrólise por lipase pancreática 2-MAG 1-MAG/3-MAG Origem

15 posições sn-1,3 18:2+18:3=49,9% posição sn-2 18:2+18:3=74,6% S=25,0% 18:1=25,1% 18:1=25,4% Ressonância magnética nuclear do 13C Óleo de soja

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18 Distribuição de ácidos graxos em triacilgliceróis de óleos e gorduras naturais Ácidos graxos (%) Óleo / Gordura Posição sn- 14:0 16:0 16:1 18:0 18:1 18:2 18: <1 Homem < <1 (%) 69,2 13,5 54,7 9,5 37,3 52, <1 Porco <1 3 < <1 (%) 58,0 76,5 40,4 8,9 13,5 18, Frango (%) 25,6 23,5 22,7 25,2 38,7 45,1 37,0

19 posições sn-1,3 posição sn-2 18:1=54,4% S=76,3% S=24,4% 18:2+18:3=21,1% 18:1=17,2% 18:2+18:3=6,5% Ressonância magnética nuclear do 13C Banha

20 posições sn-1,3 S=45,9% 18:1=33,1% posição sn-2 S=78,4% 18:2+18:3=21,0% 18:1=12,7% 18:2+18:3=8,9% Ressonância magnética nuclear do 13C Gordura do leite humano

21 Número estatístico de triacilgliceróis diferentes em função do número de ácidos graxos diferentes Ácidos graxos (n) Sem distinção de isômeros (n 3 +3n 2 +2n)/6 Sem distinção de isômeros ópticos (n 3 +n 2 )/2 Todos os isômeros n 3

22 Estereospecificidade dos principais triacilgliceróis de óleos e gorduras naturais Óleo / Principais triacilgliceróis Gordura vegetal Canola OOO LOO OOLn Manteiga de cacau POSt StOSt POP Coco LaLaLa CLaLa CLaM Milho LLL LOL LLP Algodão PLL POL LLL Oliva OOO OOP OLO Palmiste LaLaLa MOLa OLaO Palma POP POO POL Amendoim OOL POL OLL Soja LLL LLO LLP Girassol LLL OLL LOO Gordura animal Manteiga PPB PPC POP Banha StPO OPL OPO Sebo POO POP POSt P = palmítico; O = oléico; St = esteárico; La = láurico; C = cáprico; M = mirístico; L = linoléico; Ln = linolênico; B = butírico Karupaiah & Sundram, Nutrition & Metabolism, v.4, n.16, p.1-17, 2007

23 composição no equilíbrio (%) Interesterificação de mistura binária (50:50) de triacilgliceróis

24 TAG (fração molar) Ácidos graxos (fração molar) Composição em triacilgliceróis de mistura binária interesterificada (AAA + BBB)

25 Massa (%) GLC Antes Após Número de carbonos Percentual em massa de triacilgliceróis para a interesterificação de gordura de babaçu e azeite de dendê, na proporção de 60:40

26 (%) em Massa 30,0 25,0 GLC Antes Após Am 5ai Am 5di 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Número de Carbonos Composição em triacilgliceróis quanto ao número de carbonos da mistura binária entre gordura de frango e TCM antes e após a interesterificação

27 Composição em triacilgliceróis - HPLC Óleo de palma Óleo de girassol Mistura 1:1 Mistura 1:1 após interesterificação química Noor Lida et al., 2002

28 Composição da banha antes e após a interesterificação Ácido graxo Antes (%) Após (%) Total Posição sn-2 Total Posição sn-2 16:0 24,8 63,6 23,8 24,2 16:1 3,1 6,4 2,9 3,3 18:0 12,6 3,0 12,2 12,0 18:1 45,0 16,5 47,2 47,4 18:2 9,8 5,1 9,5 9,8 Outros 4,7 5,4 4,4 3,3 Hidrólise por lipase pancreática

29 posições sn-1,3 S=43,5% 18:1=43,2% posição sn-2 S=43,6% 18:1=43,3% 18:2+18:3=13,3% 18:2+18:3=13,1% Ressonância magnética nuclear do 13C Banha após interesterificação química

30 posições sn-1,3 posição sn-2 18:2+18:3=58,3% 18:2+18:3=57,8% 18:1=25,0% S=16,7% 18:1=23,5% S=18,6% Ressonância magnética nuclear do 13C Óleo de soja após interesterificação química

31 Gordura Catalisador Vácuo Agitador Vapor ou água fria Nitrogênio Produto Reator para interesterificação

32 Antes da interesterificação Adição do catalisador Após a interesterificação

33 Catalisadores para interesterificação Catalisadores (%) Temperatura ( C) Tempo (min) Alquilatos metálicos 0,1-1, (metóxido de sódio) Metais alcalinos (Na, 0,1-1, K, liga Na/K) Hidróxidos 0,05-0,1 alcalinos Glicerol 0,1-0,2

34 Inativação de catalisadores de interesterificação Veneno Catalisador inativado Tipo Nível (kg / 1000 kg óleo) Na NaOCH 3 NaOH Água 0,01 % 0,13 0,3 - Ácidos graxos livres 0,05 % (em ácido oléico) Peróxido 1,0 (meq O 2 / kg) 0,04 0,1 0,07 0,023 0,054 0,04 Total 0,193 0,454 0,11

35 diglicerinato Mecanismo da interesterificação química

36 CGS (%) a 40 C Tempo (min) Interesterificação de óleo de palma

37 Alterações no ponto de fusão devidas à interesterificação Óleo / Gordura Ponto de fusão ( C) Antes Após Soja -7,0 5,5 Algodão 10,5 34,0 Coco 26,0 28,2 Palma 39,8 47,0 Banha 43,0 43,0 Sebo 46,2 44,6 Manteiga de cacau 34,4 52,2 25% óleo de palma hidrogenado + 75% óleo de palmiste hidrogenado 50,2 40,3 25% triestearina + 75% óleo de soja 60,0 32,2

38 Conteúdo de gordura sólida (%) /0 LE 80/20 60/40 80/20 LE 60/40 LE Temperatura (C) Lipídios estruturados a partir de óleo de peixe e gordura de palmiste

39 Antes 0,50 0,25 PALMISTE 0,75 0,50 3,883 7,765 11,648 15,53 19,413 23,296 27,178 31,061 34,944 38,826 above Mistura TCM Após 0,75 0,25 0,50 0,75 PALMISTE 0,25 0,75 0,50 0,50 0,25 PALMA 2,907 5,813 8,72 11,627 14,534 17,44 20,347 23,254 26,161 29,067 above Diagrama triangular do conteúdo de gordura sólida (%) a 20 C Lipídios estruturados 0,75 0,25 TCM 0,25 0,50 0,75 PALMA

40 Cristalização da mistura de gordura do leite e óleo de girassol (70:30) a 20 C Ponto de amolecimento (ºC) = 31,3 Conteúdo de gordura sólida (%) = 11,1 Consistência (gf/cm 2 ) = 207,5 Cristalização da mistura interesterificada de gordura do leite e óleo de girassol (70:30) a 20 C Ponto de amolecimento (ºC) = 32,0 Conteúdo de gordura sólida (%) = 11,6 Consistência (gf/cm 2 ) = 509,1

41 a ß ß 4.2Å b ß 4.6Å 3.8Å 3.7Å 4.2Å 4.8Å SO: FHSBO 50:50 SO: FHSBO 60:40 SO: FHSBO 70:30 SO: FHSBO 80:20 4.6Å 3.8Å SO: FHSBO 50:50- I SO: FHSBO 60:40- I SO: FHSBO 70:30- I SO: FHSBO 80:20- I Antes: ß > ß Após: ß > ß Padrões de difração de raios-x para misturas de óleo de soja (SO) e óleo de soja totalmente hidrogenado (FHSBO) antes (a) e após (b) a interesterificação química, cristalizadas a 25 C por 24 horas

42 Interesterificação enzimática

43 Álcool Fase oleosa Ácido graxo Fase aquosa Lipase Esterificação/Interesterificação catalisadas por lipase

44 Mecanismo para interesterificação enzimática

45 U m i d a d e (%) b.s ( C) ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Atividade de água Isotermas de adsorção de água da Lipozyme

46 Processos descontínuos e contínuos Enzimas mais utilizadas: Lipozyme TL IM (lipase imobilizada de Thermomyces lanuginosa) Lipozyme RM IM (lipase imobilizada de Rhizomucor miehei) Novozyme 435 (lipase imobilizada de Candida antarctica) Temperaturas: C Quantidade de enzima (descontínuos): 2-30% Solventes: Descontínuos: nenhum (maioria) ou n-hexano Contínuos: nenhum Tempo de processos descontínuos: 1 72h Tempos de residência (contínuos): min

47 Camisa de aquecimento Enzima (Lipozyme IM) Bomba de circulação de água Banho de água Reservatório de produto Bomba peristáltica Reservatório de substrato Reator contínuo para produção de lipídios estruturados por interesterificação enzimática

48 Reator contínuo para produção de lipídios estruturados por interesterificação enzimática

49 Reatores de leito fixo em série Efeito guarda no primeiro reator Produtividade média: 1-2 kg óleo interesterificado/kg enzima.h Produção de kg óleo interesterificado/kg enzima (> 2500 h) A atividade da enzima diminui em função do tempo Wim De Greyt, De Smet Group, 2004

50 Composição em ácidos graxos do leite humano e de lipídios estruturados Ácidos graxos (%) Leite humano Lipídios estruturados Betapol Banha/Soja (80:20) 10:0 1,3 1,0-12:0 7,0 17,3-14:0 8,0 5,7 1,4 16:0 21,6 25,8 24,2 16:1 2,2-2,0 18:0 6,1 2,6 11,1 18:1n-9 31,8 35,1 38,5 18:2n-6 19,1 11,2 21,2 18:3n-3 1,2 1,2 1,2 20:2 0, :4n-6 0,6 - -

51 Conteúdo de gordura sólida (%) Leite humano 20 Betapol Banha:Soja 80:20 M Banha:Soja 80:20 IQ 10 Banha:Soja 80:20 IED Banha:Soja 80:20 IEC Temperatura (C) Gordura do leite humano e lipídios estruturados

52 saturados 18:2 18:1 Ácidos graxos na posição sn-2 de lipídios estruturados obtidos a partir de interesterificação enzimática contínua (Lipozyme TL IM) de banha e óleo de soja (70:30)

53 Composição em ácidos graxos da estearina de palma, do óleo de linhaça e dos lipídios estruturados na proporção 50:50 Ácidos Graxos (%) Amostras Estearina Linhaça LE 50:50 14:0 1,0-0,5 16:0 55,0 5,5 30,8 18:0 5,3 3,7 4,5 18:1 32,4 19,0 26,1 18:2 6,1 16,2 11,0 18:3-55,5 27,1 20:0 0, : I.I* 38,4 189,7 112,3 I.S* 200,5 192,9 196,7

54 Conteúdo de Gordura Sólida (%) Estearina de Palma Mistura Lipídica Lipídio Estruturado Temperatura (ºC) Conteúdo de gordura sólida da estearina de palma, da mistura de estearina de palma e óleo de linhaça e dos lipídios estruturados obtidos por via enzimática contínua

55 Massa (g) CONTROLE GRUPO 01 GRUPO 02 GRUPO 03 GRUPO 04 7% soja 7% mist 14% mist 7% LE 14% LE Dias Ganho de peso dos ratos Wistar em função do tempo, de acordo com a ração oferecida (estearina de palma/óleo de linhaça 50:50)

56 Comparação de custos Custo Interesterificação Interesterificação Hidrogenação (US$ /ton) Química Enzimática Investimento 6,5 3,7 9,0 Operação 21,0 34,7 48,7 Perdas de óleo 10,5 2,3 0,7 Custo total 38,0 40,7 58,4 Wim De Greyt, De Smet Group, 2004

57 Comparação Interesterificação Química Vantagens Enzimática Menor custo Especificidade (por posições do glicerol e por ácidos graxos) Rápida Reutilização de lipases imobilizadas Fácil de aumentar a escala Condições de reação brandas Melhor adaptada para processos Melhor adaptada para processos descontínuos contínuos Refinação posterior mais simples Menor formação de sub-produtos

58 Comparação Interesterificação Química Enzimática Desvantagens Não tem especificidade Custo das lipases Escurecimento do óleo Mudanças de matéria-prima em processos contínuos Maiores perdas de óleo Difícil de aumentar a escala (mín. 1,5%) Catalisador tóxico (olhos, pele, Lenta vias respiratórias) Formação de sub-produtos Migração acil (ésteres metílicos, sabões, mono e (processos descontínuos lentos) diacilgliceróis) Maiores perdas de tocoferóis

59 Metabolismo Gorduras vegetais interesterificadas, com maior proporção de ácidos graxos saturados de cadeia longa na posição sn-2, são mais bem absorvidas por animais e crianças, mas não por adultos humanos. Gorduras interesterificadas não demonstram respostas metabólicas diferentes (digestibilidade ou lipídios séricos) quando comparadas com as correspondentes gorduras não interesterificadas. Há poucas evidências que confirmem efeitos prejudiciais à saúde de gorduras interesterificadas ou gorduras ricas em ácidos graxos saturados na posição sn-2 em aspectos agudos ou crônicos.

60 A interpretação dos resultados é complicada pelas diferenças na quantidade de gordura na dieta, duração do período da dieta (máximo 4 semanas), pequena população envolvida e escolha do estudo metabólico. É necessário investigar os efeitos de gorduras com diferentes composições posicionais, mas com características físicas similares, a fim de distinguir entre efeitos da composição posicional (proporção de ácidos palmítico e esteárico na posição sn-2) e das propriedades físicas. É provável que diferenças nas características físicas de gorduras resultantes da interesterificação sejam os fatores determinantes do nível de lipemia pósprandial, ao invés da posição dos ácidos graxos nos triacilgliceróis. Pesquisa adicional é necessária para esclarecer os efeitos à saúde em longos períodos de gorduras interesterificadas usadas comercialmente.

61 Conclusão A interesterificação química ou enzimática apresenta-se como importante método de modificação de óleos e gorduras, com a vantagem de não promover a formação de isômeros trans. Contudo, para atender as exigências do mercado, deverá ser associada aos outros métodos de modificação existentes, como a mistura, o fracionamento e a hidrogenação. Há desafios a serem superados, referentes a métodos analíticos, ajuste de processos e entendimento sobre o metabolismo de óleos e gorduras interesterificados.

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