Реологические и микроструктурные свойства термически и механически обработанного масла ши



Масло ши, как и другие полиморфные жиры, подвержено морфологическим изменениям в результате практики после сбора урожая, в результате чего образуется либо гладкий и однородный жир, содержащий преимущественно β'-кристаллы, либо грубый и зернистый жир, содержащий преимущественно β-кристаллы. Целью данного исследования было определить влияние температурного контроля (темперирования) и перемешивания на реологические и микроструктурные свойства масла ши. Масло ши нагревали при 80 °C в течение 30 мин., а затем быстро охлаждали до комнатной температуры. Отпущенное масло ши выдерживали при температуре отпуска при непрерывном перемешивании в течение 6 часов. Температура плавления и вязкость закаленного масла ши значительно снизились. Индекс твердости (мм) снизился в два раза по сравнению с контролем. Реологические свойства закаленного масла по сравнению с контрольным согласуются с результатами дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгеновской дифракции и микрофотографией.

Ключевые слова: масло ши, модификация, рентгеновские лучи, реология.

Shea butter, like other polymorphic fats are susceptible to morphological changes due to post harvest practices to produce either smooth and consistent fat containing predominantly β’-crystals or coarse and grainy fat containing predominantly β-crystals. The aim of this study was to determine the effect of temperature control (tempering) and agitation on the rheological and microstructural properties of Shea butter. Shea butter was heated at 80°C for 30 minutes and then fast cooled to room temperature. Tempered Shea butter was kept constant at tempering temperature with continuous agitation for 6 hours. Slip melting point and viscosity of tempered Shea butter was significantly reduced. The hardness index (mm) showed twice reduction compared to control. Rheological properties of tempered butter in comparison with control were in agreement with differential scanning calorimetry, X-ray diffraction results and micrograph.

Keywords: shea butter, modification, X-ray, rheology.

Масло ши — это африканское масло, производимое из ядра дерева ши (Vitellaria paradoxa). Нерафинированное масло ши цвета от слоновой кости до желтого цвета с легким ореховым ароматом. Он преимущественно состоит примерно из 40–45 % стеариновой кислоты и олеиновой кислоты в почти равных пропорциях в зависимости от географического распространения [1]. Масло ши также содержит относительно большое количество неомыляемых веществ в диапазоне от 4 до 16 % по сравнению с другими жирами, такими как масло какао с содержанием неомыляемых веществ <2 % [2]. Неомыляемое масло ши в основном состоит из полициклического тритерпена. По данным Di Vincenzo et al. [3] полициклический тритерпен больше всего в масле ши в Нигерии и самое низкое в масле ши в Уганде. Основными тритерпенами в масле ши являются: α-амирин, β-амирин, лупеол и бутироспермол. Именно они отвечают за лечебный эффект масла ши.

Западноафриканское масло ши, такое как масло ши из Ганы и Нигерии, в основном используется в кондитерской промышленности в качестве заменителя какао-масла (CBS) из-за сходства по твердости и профилю жирных кислот [1]. Масло ши, используемое в качестве CBS, всегда рафинировано. Рафинирование лишает его уникальных целебных свойств. Для того, чтобы переместить западноафриканский ши в косметическую промышленность, требуются технологии снижения его твердости и, следовательно, температуры плавления без изменения его неомыляемой фракции.

Темперирование — это физический метод, используемый для изменения твердости твердых материалов, таких как металлы и растительные жиры, особенно какао-масло. Темперирование представляет собой охлаждение с контролируемой температурой, которое придает тонкую кремообразную консистенцию какао-маслу и другим CBE, т. е. маслу ши, путем модификации кристаллов жира от β до β1 [7]. Темперирование обычно комбинируют со сбиванием для получения более мягкого масла с химическими характеристиками, аналогичными исходному материалу [8]. Это преобразование приводит к резкому профилю плавления, характерному для шоколада. В этом проекте сравниваются реологические, термические и микроструктурные характеристики нерафинированного масла ши, модифицированного темперированием и перемешиванием, с контрольным (нетемперированным).

Масло ши нагревали при 80 °C в течение 30 минут, чтобы стереть кристаллическую память. Затем растопленное масло ши быстро охлаждали (5 °C/с) до температуры темперирования (25 °C). Масло ши поддерживали постоянной температурой темперирования при непрерывном перемешивании в течение 6 ч с помощью миксера Kenwood на скорости 2/3.

Темперированное сливочное масло оставляли застывать при комнатной температуре на одну неделю. Стабилизированное масло ши слегка перемешивали в течение нескольких минут, чтобы удалить все застрявшие пузырьки воздуха.

Температуру плавления скольжения, показатель твердости (консистенции) и вязкость определяли по стандартным методикам AOCS AOCS Cc 1–25 и AOCS Cc 16–60 [9].

Измерение вязкости определяли с помощью цифрового вискозиметра Brookfield модели DV-I+ (MA, США) при 40°C. Термические свойства и микроструктурные свойства модифицированного масла ши были проанализированы по Фаузи Ш. М., Рашид Н. А., Омар З. [10]. Полиморфную форму кристаллов жира в образцах масла ши проводили по методу, использованному Zhang X et al. [11].

Темперирование — это физический процесс, который используется для изменения физических характеристик полиморфных соединений, таких как молочный жир, парафин и какао-масло [12–14]. Ряд ученых [15] сообщили об использовании термической обработки (темперирования) для влияния на количество и размеры кристаллов жира. Твердость масла является одним из наиболее важных аспектов текстуры, а также наиболее измеряемым. Индекс жесткости сильно коррелирует с сенсорным восприятием [14]. Используется для определения текстуры и растекающейся способности полиморфных жиров. Одной из наиболее распространенных оценок твердости сливочного масла является конусная пенетрометрия [14]. Это простой, экономичный метод, который дает эмпирические данные о консистенции, мягкости и растекаемости полиморфных жиров.

Темперирование масла ши привело к более чем трехкратному снижению жесткости и, следовательно, растекаемости. В более ранних исследованиях была установлена прямая зависимость консистенции (показателя твердости) с непрерывной сдвиговой вязкостью и температурой плавления скольжения псевдопластичных материалов, структурно разрушенных процедурами размягчения (отпуска и/или перемешивания) [11,12]. Эти исследования согласуются с нашим исследованием, так как темперированное масло ши (темп B) имело значительно более низкую температуру плавления и вязкость по сравнению с контролем (темп A). Этот результат согласуется с Ab Latip R, et al. [6]. В их исследовании наблюдалось значительное увеличение SMP при увеличении скорости охлаждения с 1,50 до 2,00 °C/мин.

Согласно Ронхольту С., Мортенсену К., Кнудсену Дж.С. [15], темперированное сливочное масло имеет тенденцию в определенной степени восстанавливать свое первоначальное физическое состояние, но, скорее всего, не достигнет своих полных свойств, поскольку некоторые связи, такие как кристалл-кристаллические связные связи, могут быть необратимо разрушены. Необходимо изучить влияние времени на темперированное масло, чтобы обеспечить сохранение относительной мягкости во время хранения. Однако темперированное сливочное масло, смешанное при комнатной температуре, растворяет триглицериды жира, препятствуя полной перекристаллизации [7].

Олеиновая и стеариновая кислоты были основными жирными кислотами в образцах масла ши. Предыдущие исследования установили, что эти жирные кислоты преобладают в масле ши незначительные вариации под влиянием географического распределения и послеуборочных практик [3,18,19]. Состав стеариновых кислот масла ши был относительно близок для темперированного и нетемперированного масла. Тем не менее, олеиновая кислота показала различия с темперированным маслом ши (темп B), имеющим относительно более высокое количество олеиновой кислоты (51,47 %) по сравнению с темпом А (40,48 %) (таблица 1). Латип сообщил о влиянии температуры кристаллизации на олеиновую кислотную фракцию молочных жиров. Аналогичное исследование, проведенное Vanhoutte B, Dewettinck K, Vanlerberghe B, Huyghebaert A [2] на молочном жире, также показало, что перемешивание молочного жира приводит к получению более мягкого сливочного масла.

Таблица 1

Реологические свойства модифицированного масла ши в сравнении с контролем

	Скользящая температура плавления ( oC)	Вязкость (сП)	Индекс твердости (мм)
Температура А	37,0±1,0 млрд	11,0±0,05 млрд	6.21±0А
Температура B	31,0±1,5А	9,0±0А	19.28±0 млрд

Средние значения (n=3) в пределах одного столбца с разными верхними индексами достоверно различаются при p <0,05

Таблица 2

Жирнокислотный состав модифицированного масла ши в сравнении с контролем

	Пальмитиновая	Стеариновая	Олеиновая	Линолевой	Линоленовая	Арахиновая
Температура A Температура B	5.18А 5,47А	36.64А 37.02А	40.84А 51.47 млрд	6.31А 2,53 млрд	9.54А 3,01 млрд	1,49А 0,50 млрд

Средние значения (n=3) в пределах одного столбца с разными верхними индексами достоверно различаются при p <0,05

Темпы A и B имели три основных кристаллических полиморфа (α, β' и β). Однако процентное представление этих полиморфов отличалось. Несмотря на то, что химический состав (жирные кислоты) относительно схож (таблица 2), различная кристаллическая структура (полиморфизм) может быть отнесена на счет различий в термической и механической обработке, проведенной Темпом Б. Рёнхольт и другиеми [15, 21], объяснили, что на полиморфизм влияют такие факторы, как скорость охлаждения, механическая обработка и температура перемешивания. Темп B был ниже β полиморфность по сравнению с A. Самой высокой полиморфной формой в темпе B были α-кристаллы, за которыми следовали β'-кристаллы. Противоположная картина наблюдалась в темпе А (β > β'> α). Полиморфная форма жира определяет его реологию и текстурное поведение. β-кристаллы имеют тенденцию образовывать крупные, тромбоцитарные кристаллы, в результате чего образуется зернистая макроскопическая структура [12]. Исследования показали, что β-кристаллы являются наиболее стабильной кристаллической формой с самой высокой температурой плавления [11,14]. β полиморф имеет линейную сильную корреляцию с твердостью сливочного масла. Исследования показали, что сливочное масло с высоким процентом β' является желательным из-за высокой линейной корреляции с растекаемостью, мягкостью и привлекательностью для потребителя [15].

Термические свойства масла ши исследованы методом экстраполяции профиля плавления. При температуре 40 °C и 50 °C другие легкоплавкие триглицериды продолжали плавиться до достижения равновесия. В темперированном сливочном масле этого явления не было. Темп B показал крутой график с плавлением, начавшимся при 31 °C. Температура плавления была установлена при 37 °C и при 42 °C было достигнуто равновесие.

Основываясь на вышеизложенных данных, можно сделать вывод, что термическая обработка (темперирование) существенно повлияла на реологию, тепловые свойства и кристаллический полиморфизм западноафриканского масла ши.

Литература:

1. Nahm HS (2021) Quality characteristics of West African shea butter (Vitellaria paradoxa) and approaches to extend shelf-life. Doctoral dissertation, Graduate School, New Brunswick, Rutgers University, New Jersey.
2. Alander J (2019) Shea butter-a multifunctional ingredient for food and cosmetics. Lipid Technology 16(9): 202–205.
3. Di Vincenzo D, Maranz S, Serraiocco A, Vito R, Wiesman Z, et al. (2020) Regional variation in shea butter lipid and triterpene composition in four African countries. J Agric Food Chem 53(19): 7473- 7479.
4. Hall J, Aebischer D, Tomlinson H, Osei-Amaning E, Hindle J (2019) Vitellaria paradoxa: a monograph. School of Agricultural and Forest Sciences, University of Wales, Bangor, UK.
5. Okullo J, Omujal F, Agea JG, Vuzi PC, Namutebi A, et al. (2020) Physico-chemical characteristics of Shea butter (Vitellaria paradoxa C. F. Gaertn.) oil from the Shea districts of Uganda. African Journal of Food, Agriculture, Nutrition and Development 10(1): 2070- 2084.
6. Andersson A, Alander J (2023) Shea butter extract for bioactive skin care. AAK, Sweden, pp: 1–8.
7. Lipp M, Anklam E (2019) Review of Cocoa Butter and Alternative Fats for Use in Chocolate- Part A. Compositional data. Food Chem 62(1): 73–97.
8. Gnanasambandam R, Bedi A (2023) U. S. Patent No. 8,790,733. Washington, DC: U. S. Patent and Trademark Office.
9. AOCS (2020) Official methods and recommended practices of the AOCS. 6th(Edn.), AOCS Press, USA.
10. Fauzi SHM, Rashid NA, Omar Z (2023) Effects of chemical interesterification on the physicochemical, microstructural and thermal properties of palm stearin, palm kernel oil and soybean oil blends. Food chemistry 137(1–4): 8–17.
11. Zhang X, Li L, Xie H, Liang Z, Su J, et al. (2024) Effect of temperature on the crystalline form and fat crystal network of two model palm oil-based shortenings during storage. Food and bioprocess technology 7(3): 887–900.
12. Barry BW, Grace AJ (2019) Structural, rheological and textural properties of soft paraffins. Journal of texture studies 2(3): 259–279.
13. Lechter A (2022) Effect of Minor Components on Cocoa Butter Polymorphism and Kinetics of Crystallization. Cocoa Butter and Related Compounds, pp: 213–232.
14. Wright AJ, Scanlon MG, Hartel RW, Marangoni AG (2021) Rheological properties of milkfat and butter. Journal of Food Science 66(8): 1056–1071.
15. Ronholt S, Mortensen K, Knudsen JC (2023) The effective factors on the structure of butter and other milk fat‐based products. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 12(5): 468–482.