روش های کاهش 2.3 MCPD و Glycidil Esters در صنایع روغن نباتی قسمت اول

شواهد زیاد درباره سمیت استرهای 3-MCPD و گلیسیدیل استرها (GE) در محصولات غذایی، موجب محدود کردن تشکیل این آلاینده‌های فرآیندی در صنعت روغن‌های خوراکی شد. کاهش مقدار 3-MCPD و GE با توجه به حداکثر مقدار مجاز برای GE در روغن‌های گیاهی که اخیراً توسط کمیسیون اروپا در سال 2020 تعیین شده است، بسیار اهمیت دارد. حداکثر مقدار مجاز GE در روغن‌ها و چربی‌های گیاهی که برای بازار مصرف یا به‌عنوان مواد تشکیل دهنده در تهیه غذا استفاده می‌شوند، 1000 میکروگرم بر کیلوگرم و زمانی که برای تولید غذای کودک و غلات فرآوری شده استفاده می‌شود، 500 میکروگرم بر کیلوگرم تعیین شده است. 3-MCPD و GE توسط سازمان جهانی بهداشت به‌عنوان ترکیبات سرطان‌زا شناخته شده‌اند. همان‌طور که می‌دانیم این دو ترکیب سمی در روغن پالم و روغن زیتون به مراتب بیشتر یافت می‌شوند.

در این مقاله به بررسی تئوری‌ها و روش‌های کاهش این آلاینده‌ها در روغن تصفیه شده می‌پردازیم و مقادیر آلاینده‌ها را در بخش‌ها و مراحل مختلف فرآیند تصفیه مثل خنثی‌سازی و بی‌بو بررسی می‌کنیم. مشاهده اثر استراتژی‌های کاهش و ترکیب این استراتژی‌ها باهم در راستای رسیدن به کمترین سطح از این آلاینده در روغن خروجی می‌باشد.

کاهش 2.3 MCPD و Glycidil Esters در فرآیند دگامینگ و خنثی سازی

از آن‌جا که فراریت اسیدهای چرب آزاد نسبت به تری‌گلیسرول‌ها بالاتر می‌باشد؛ در فرآیند تصفیه فیزیکی، اسیدهای چرب آزاد به‌وسیله مکانیسم دفع در مرحله بی‌بو کردن از روغن خوراکی جدا می‌شود. از طرفی طی فرآیند تصفیه شیمیایی، اسیدهای چرب آزاد در فرآیند خنثی سازی قلیایی جدا می‌شوند که یک گام ضروری و موثر برای حذف و یا کاهش اسیدهای چرب آزاد می‌باشد. در فرآیند تصفیه شیمیایی، اسیدهای چرب آزاد در شرایط آلکالینی یا قلیایی به صابون تبدیل می‌شود و سپس صابون از روغن جدا می‌شود. با این روش نه تنها اسیدهای چرب آزاد، حتی باقیمانده فسفولیپیدها، محصولات اکسید شده و یون‌های فلزی که به‌صورت کامل در مرحله دگامینگ جدا نشده بودند، از روغن جدا خواهند شد. اگرچه بیشتر اسیدهای چرب آزاد طی مرحله خنثی‌سازی از روغن جدا می‌شوند، ولی هنوز یک مرحله بی‌بو کردن برای عاری کردن روغن از اسیدهای چرب آزاد و سایر ترکیبات فرار لازم می‌باشد.

جدول زیر نتایج استراتژی‌های کاهش در طول خنثی‌سازی را نشان می‌دهد. رملی و همکاران از 0.02% اکسید کلسیم برای خنثی کردن 0.02% اسید فسفریک استفاده کرد. این کار موجب کاهش محتوای 3-MCPD از 2.2 میلی‌گرم به ازای هر کیلوگرم روغن خنثی شده به 1.4 شد، که معادل 36% کاهش در محتوای 3-MCPD شد. متیوس و همکاران نتایج مشابهی را گزارش کردند، آن‌ها به ترتیب 45 و 35 درصد کاهش در محتوای 3-MCPD را مشاهده کردند زمانی که به ترتیب از KOH و NaOH برای خنثی‌سازی استفاده کردند. اخیراً نیز متیوس و همکاران در پروژه‌ی جدیدی اثر خنثی‌سازی با سدیم کربنات و سدیم هیدروژن کربنات را بررسی کردند، نتایج حاکی از آن بود که سدیم هیدروژن کربنات در مقایسه با سدیم کربنات، محتوای 3-MCPD و ترکیبات مشتق شده از 3-MCPD را به میزان بیشتری کاهش می‌دهد. گزارش شده است که 5 میلی مول از سدیم کربنات به ازای هر کیلوگرم از روغن، محتوای 3-MCPD را 53 درصد و محتوای مشتقات 3-MCPD را تا 69% کاهش می‌دهد. نتیجه شگفت انگیز اینجا بود که که به ازای فقط و فقط یک میلی مول از هیدروژن سدیم کربنات، محتوای 3-MCPD، 81 درصد و محتوای مشتقات 3-MCPD، 84 درصد کاهش یافت. نتایج تحقیقات اخیر بصورت خلاصه در جدول آورده شده است.

بالاترین میزان کاهش 3-MCPD، در فرآیند خنثی‌سازی بوسیله سدیم هیدروژن کربنات بدست آمد، اما در شرایط آزمایشگاهی و بر روی روغنی که بوسیله مشتقات کلرینی شرایط تشکیل 3-MCPD تسهیل شده بود. در ادامه اثر افزودن سدیم هیدروکسید و پتاسیم هیدروکسید روی روغن پالم مورد بررسی قرار گرفت، اگرچه نتایج در قیاس با کاهش محتوای 3-MCPD با کاهش بوسیله سدیم هیدروژن کربنات کمتر بود، ولی هنوز در مقیاس قابل قبولی قرار داشت و از طرفی شرایط آزمایش به واقعیت نزدیک شده بود. در صنعت رسیدن به این سطح از کاهش آلودگی 3-MCPD، نیازمند داشتن استراتژی ترکیبی از مجموعه عملیات‌ها جهت کاهش محتوای استری می‌باشد. اگرچه مرحله خنثی‌سازی قلیایی زمانی که از فرآیند تصفیه فیزیکی استفاده شود نیاز نمی‌باشد، اما هنوز این فرآیند در فرآیندهای تصفیه مفید می‌باشد به این دلیل که هرگونه اسید موجود در روغن که به‌صورت طبیعی در روغن وجود داشته و یا در مرحله دگامینگ وارد روغن شده باشد، باید قبل از مرحله بی‌بو کردن حذف شود، زیرا روغن خنثی شده تمایل کمتری به تولید و تشکیل 3-MCPD دارد.

کاهش 2.3 MCPD و Glycidil Esters در فرآیند بی‌رنگ کردن

در تصفیه روغن با خاک رنگبری علاوه بر تخریب حرارتی، رنگدانه‌هایی نظیر کاروتن‌‎ها نیز جدا می‌شوند. خاک رنگبری ساختار متخلخل دارد که رنگدانه‌ها بصورت فیزیکی در خلل و فرج خاک به‌دام می‌افتند. رنگدانه‌ها بوسیله نیروی واندروالس و پیوندهای کووالانسی جذب خاک می‌شوند. خاک رنگبر علاوه بر رنگدانه‌ها، سایر ناخالصی‌ها نظیر لیپیدهای اکسید شده و فلزات را نیز از روغن جدا می‌کند. تصفیه حرارتی و بی‌رنگ کردن بصورت ترکیبی باهم استفاده می‌شود، زیرا رنگبری به تنهایی نمی‌تواند همه رنگدانه‌ها را از روغن جدا کند. برخی از رنگدانه‌ها پایدار نیستند و جداسازی بیشتر آن‌ها می‌توان با تخریب حرارتی طی مرحله بی‌بو کردن بدست آورد. نتایج استراتژی‌های کاهش 3-MCPD طی فرآیند بی‌رنگ سازی در جدول زیر آورده شده است.

فرانک و همکاران مطالعاتی با تمرکز بر روی استر 3-MCPD در روغن پالم تازه و پیش تصفیه شده و همچنین روغن کلزای خام انجام دادند. قبل و بعد از هر بخش از فرآیند تصفیه مثل دگامینگ، خنثی‌سازی، شستشو، خشک کردن و بی‌رنگ کردن، محتوای استری 3-MCPD را در هر 3 نمونه از روغن اندازه‌گیری کردند. قابل توجه‌ترین نتیجه کاهش محتوای 3-MCPD پس از فرآیند بی‌رنگ کردن در نمونه روغن از پیش تصفیه شده بود. قبل از مرحله بی‌رنگ کردن محتوای استر 3-MCPD ، 6.06 میلی‌گرم به ازای هر کیلوگرم روغن بود که پس از بی‌رنگ کردن این مقدار به 2.48 میلی‌گرم به ازای هر کیلوگرم روغن رسید، یعنی محتوای استری 3-MCPD به میزان 59 درصد کاهش یافت. در روغن خام پالم کاهش آلودگی بسیار ناچیز و قابل صرف نظر بود و در روغن کلزا نیز به جز مرحله نهایی در سایر مراحل میزان کاهش آلودگی بسیار ناچیز بود.

فرانک و همکاران در سال 2009 از بنتونیت کلسیم فعال شده با اسید به عنوان یک عامل رنگبری استفاده کردند. این عامل رنگبری نه تنها می‌تواند ترکیبات قطبی مثل پراکسیدها و فسفولیپیدها را جذب کند، بلکه می‌تواند کاروتنوئیدها را نیز جذب کند، که مجموعه نتایج تحقیقات نشان می‌دهد استفاده از این ماده برای بی‌رنگ کردن اثر بخشی بهتری دارد. در سال 2009 پودل و همکاران مطالعه ای روی کاهش غلظت استر 3-MCPD زمانی که از بنتونیت کلسیم فعال شده به‌عنوان عامل رنگبری استفاده شد انجام دادند و مشاهده شد که غلظت این آلاینده به میزان 45% کاهش می‌یابد.

رملی و همکاران اثر روش ترکیبی استفاده از دگامینگ با آب به همراه بی‌رنگ سازی با خاک رنگبری معمولی و خاک رنگبری فعال شده را بررسی کردند. نتایج کار آن‌ها نشان داد که استفاده از روش ترکیبی دگامینگ با آب و بی‌رنگ سازی با خاک رنگبری معمولی در مقایسه با استفاده از خاک رنگبری فعال شده مقدار آلاینده‌ها را تا 68% کاهش دادند. از طرفی استفاده از خاک رنگبری معمولی به تنهایی و بدون ترکیب شدن با دگامینگ به‌ همراه آب، مقدار محتوای استر 3-MCPD را تا 78% کاهش می‌دهد. اثر مثبت خاک رنگبری معمولی در مقایسه با خاک رنگبری فعال شده، در روغن دگامینگ شده با آب نیز بیشتر بود. این تفاوت ناشی از فعال شدن خاک رنگبری معمولی با اسید هیدروکلریک یا اسید فسفریک به منظور افزایش سطح موثر آن است و نکته حائز اهمیت اینجاست که اسیدهای باقیمانده و به‌ویژه اسید کلریدریک در خاک رنگبری ممکن است به عنوان یک منبع خارجی کلرید عمل کند و باعث تشکیل استر 3-MCPD و حتی 2-MCPD شوند. بنابراین باید از فعال‌سازی خاک رنگبری با اسید کلریدریک خودداری شود. ذوالقرنین و همکاران در سال 2012 نتایج کاملا مخالف نتایج رملی و همکاران 2011 منتشر کردند که در مطالعه آن‌ها اثر خاک رنگبری فعال شده بیشتر از خاک رنگبری معمولی بود، پس به دلیل چنین اختلاف نظر فاحشی روی این موضوع، نمی‌توان نتیجه‌گیری قطعی روی این مطلب داشت.

در تحقیق دیگری ذوالقرنین و همکاران از سیلیکات منیزیم به عنوان عامل رنگبری استفاده کردند، این عامل در مقایسه با سایر رنگبرها دارای سطح ویژه موثر بالاتر و مکان‌های فعال بیشتر می‌باشد. استفاده از سیلیکات منیزیم منجر به کاهش غلظت 3-MCPD به 1.55 میلی‌گرم بر کیلوگرم شد، در حالی که خاک رس فعال شده با اسید غلظت را به 0.51 میلی‌گرم کاهش داد، که به میزان 67 % بهبود در نتیج مشاهده گردید. از طرفی ذوالقرنین و همکاران در سال 2013 اثرات استراتژی‌های ترکیبی فرآیند بی‌رنگ کردن را با استفاده از سیلیکات منیزیم که به‌عنوان جاذب کمکی برای پیش‌سازهای کلر و استر عمل می‌کند، بررسی کرد. در طی آزمایشات بی‌رنگ کردن، آن‌ها مخلوط دوغابی 1 تا 20 درصد وزنی از سیلیکات منیزیم را با 0.05% خاک رس فعال شده با Taiko Supreme 1B ترکیب کردند. با استفاده از این روش نتایج قابل قبولی از منظر کاهش غلظت 3-MCPD به‌دست آمد ولی مشکلی که در این مقطع بوجود آمد غلظت بالای FFA در نمونه‌های خروجی بود که این مقدار از ماکسیمم مقدار تعیین شده توسط انجمن روغن پالم تجاوز می‌کرد. پس در نهایت به دلیل بالا بودن غلظت FFA ذوالقرنین و همکاران بی‌رنگ کردن با سیلیکات منیزیم و خاک رس فعال را به‌عنوان روش پیشنهادی مطرح کردند که سبب کاهش 3-MCPD در ترکیب خروجی و همچنین حذف رنگ مناسب و رضایت بخش بود.

استراتژی های حذف در فرآیند‌های Post refining

استراتژی‌های مطرح شده در این بخش برای حذف آلاینده‌های فرآیند در روغن‌های از ‌پیش تصفیه شده (Refined Oil) ارائه شده‌اند. جزئیات شرایط تجربی و غلظت های گزارش شده در مقالات در جدول 5 ارائه شده است.

جذب آلاینده ها بر روی جاذب ها، مانند خاک رنگبر یا کربن فعال، یک استراتژی رایج است. این استراتژی برای از بین بردن آلاینده‌ها در فرآیند بی‌رنگ کردن در طول تصفیه روغن استفاده می‌شود، اما می‌تواند برای روغن‌های تصفیه شده نیز اعمال شود. از آن‌جایی که بیشتر اجزای نامطلوب در روغن خام در طول فرآیند تصفیه حذف می‌شوند، افزودن جاذب‌ها به روغن‌های تصفیه شده ممکن است حذف آلاینده‌های فرآیند را بهبود بخشد. به همین دلیل، جاذب‌های جدید اضافه شده برای جذب 3-MCPD 2, و GE به‌راحتی در دسترس‌ هستند.

استرییوسکی و همکاران (2011) چندین جاذب مانند سیلیکات منیزیم آمورف، زئولیت و سیلیکات منیزیم مصنوعی را آزمایش کردند. جاذب در دمای 80 درجه سانتی‌گراد به روغن پالم تصفیه شده اضافه شد و به مدت 30 دقیقه باقی ماند تا واکنش نشان دهد. سپس جاذب با استفاده از سانتریفیوژ از روغن جدا شد. جالب توجه این است که پنج جاذب از نه جاذب آزمایش شده، غلظت GE را به بیشتر از 1 میلی گرم بر کیلوگرم افزایش می دهند، در حالی که به نظر می رسد 3-MCPD کمتر تحت تأثیر منفی قرار می‌گیرد. دو جاذب، زئولیت کلسینه شده و سیلیکات منیزیم مصنوعی (67 % اکسید سیلیکون و 15 % اکسید منیزیم)، نتایج امیدبخشی را ارائه کردند. استفاده از 10 % سیلیکات منیزیم مصنوعی منجر به کاهش ناچیز (5 %) غلظت 3-MCPD (از 4.3 به 4.1 میلی گرم بر کیلوگرم) شد، در حالی که غلظت GE به طور قابل توجهی 41 % کاهش یافت (از 2.2 به 0.9 میلی گرم بر کیلوگرم).

هر دو غلظت 3-MCPD و GE با استفاده از 10 % زئولیت کلسینه شده به طور قابل توجهی کاهش یافت. کاهش 19 % 3-MCPD (از 4.3 به 3.5 میلی گرم بر کیلوگرم) در مقایسه با روغن پالم نمونه، مشاهده شد و غلظت  GE نیز 77 % کاهش یافت (از 2.2 میلی گرم بر کیلوگرم به 0.5 میلی گرم بر کیلوگرم). همچنین استریجوسکی و همکاران (2011) آزمایش‌های حسی و کیفی (پایداری اکسیداسیون) روی روغن‌های پاکسازی شده انجام دادند. استفاده از زئولیت کلسینه شده کیفیت روغن را بدون اینکه باعث بدتر شدن پایداری اکسیداسیون شود، بهبود بخشید. از سوی دیگر، سیلیکات منیزیم مصنوعی، روغن با کیفیت ضعیفی تولید کرد، اما پایداری اکسیداسیون را بهبود بخشید. جاذب دیگری که قادر به حذف موثر GE است، (OPAC) اسیدشویی شده است. OPAC یک کربن فعال است که از چوب نخل پالم ساخته شده است. کربن فعال با اسید شسته می شود تا به تخلخل بالا و محیط اسیدی روی سطح آن دست یابد.

چنگ و همکاران (2017) کارایی حذفGE  به‌واسطه OPAC اسید شویی شده را به عنوان بخشی از یک مطالعه سینتیکی و مکانیکی ظرفیت جذب OPAC نشان دادند. در غلظت 30 میلی گرم در 100 میلی لیتر OPAC اسید شویی شده، کاهش 95 درصدی GE مشاهده شد (75/3 تا 2/0 میلی گرم بر کیلوگرم). این جاذب بهترین میزان کاهش GE را در مقایسه با جاذب های دیگر از جمله سلولاز قلیایی (آنزیمی که در برخی قارچ‌ها یافت می‌شود و می‌تواند سلولز را هیدرولیز کرده و تبدیل به ملکول‌های کوچکتری بنماید)، خاک فعال و OPAC اسیدشویی نشده، نشان داد. تعادل پس از 40 دقیقه به دست آمد و حداکثر ظرفیت جذب 36.2 میلی گرم GE بر گرم OPAC اسید شویی شده بود. چنگ و همکاران (2017) اشاره کردند که نحوه حذف GE هم به‌دلیل جذب روی OPAC اسید شویی شده و هم به‌دلیل تخریب GE در محیط‌های فعال شده اسیدی است.  هیچ تفاوتی در کیفیت روغن قبل و بعد از تصفیه با OPAC اسید شویی شده مشاهده نشد که آن را به یک جاذب مناسب برای اتخاذ استراتژی‌های کاهش تبدیل می‌کند. با این حال، از آن‌جایی که اثر OPAC اسید شویی شده روی غلظت‌های 3-MCPD 2,  مورد آزمایش قرار نگرفت، آزمایش‌های بیشتری باید انجام شود تا بتوان از آن به عنوان جاذب برای آن‌ها استفاده کرد.

یک رویکرد قابل مقایسه برای کاهش آلاینده‌ها، تجزیه هدفمند آلاینده‌ها با آنزیم‌ها، برای تبدیل GE به آسیل گلیسرول و گلیسرول است. اصل مهم تبدیل 3-MCPD آزاد به گلیسیدول توسط هالوهیدرین دهالوژناز و به‌دنبال آن هیدرولیز گلیسیدول به گلیسرول توسط Epoxide hydrolases است.  3-MCPDهمچنین می‌تواند توسط همان آنزیم‌ها به گلیسرول تبدیل شود، اما برای شروع واکنش به 3-MCPD آزاد نیاز دارد. یک لیپاز برای هیدرولیز 3-MCPD به 3-MCPD آزاد استفاده شد. در یک سیستم دو فازی با نسبت آب در روغن 5 درصد حجمی، لیپاز قادر بود 100% استرهای اولئات 3-MCPD را به 3-MCPD تبدیل کند. در یک آزمایش جداگانه با استفاده از نسبت 5 درصد آب در روغن، Halohydrin dehalogenase  (یک نوع آنزیم) توانست 100 درصد 3-MCPD را به گلیسیدول تبدیل کند و به‌دنبال آن تبدیل کامل (100 درصد) گلیسیدول به گلیسرول توسط اپوکسید هیدرولاز انجام شد.

با این حال، در آزمایشی که توسط بورنشوئر و همکاران (2010) انجام گرفت، غلظت گلیسیدول تشکیل شده (7.7 میلی مولار) با غلظت اولیه 3-MCPD (10 میلی مولار) مطابقت نداشت. مکانیسم تبدیل آنزیمی را نمی‌توان به‌طور کامل با داده‌های مشاهده شده توضیح داد. با این وجود، استفاده از آنزیم ها برای حذف 3-MCPD از روغن نباتی امیدبخش است، اما قبل از اینکه روغن فرآوری شده برای مصرف ایمن در نظر گرفته شود، نیاز به تحقیقات بیشتری دارد. ایمنی محصولات باید بررسی شود.

در نتیجه، چندین استراتژی کاهش Post refining ، از جمله استفاده از جاذب‌ها و آنزیم‌ها، در حذف آلاینده‌های فرآیند از روغن‌های گیاهی کاملاً تصفیه شده، موثر هستند. هنگامی که روغن تصفیه شده با یک جاذب (زئولیت کلسینه شده) تصفیه شد، غلظت 3-MCPD تا 19% کاهش یافت. و این روش برای GE موثرتر بود. در نهایت، تصفیه Post refining  با 1٪ خاک رنگبر فعال شده (V2R) برای GE با کاهش 99٪ کارآمدترین روش بود.

در شماره بعدی این مقاله استراتژی‌های کاهش آلاینده‌ها در فرآیند بی‌بو سازی و پارامترهای موثر بر آن بررسی خواهد شد و در ادامه ترکیبی از استراتژی‌های قسمت‌های مختلف فرآیند تصفیه به‌منظور رسیدن به کمترین سطح از آلاینده‌های یاد شده در روغن خوراکی خروجی ارائه می‌شود.

واحد تحقیقات شرکت دمیرچی