Косметологические свойства базовых масел

Практически любое базовое масло можно с успехом применять для возвращения здорового состояния кожи, волосам или ногтевым пластинам. В целом, подобное применение сегодня является основным для большинства видов этого продукта. Жидкие жиры, на 95-98% состоящие из триглицеридов, отлично впитываются в кожу, волосы или ногти, способствуют быстрому усвоению сопутствующих веществ и увлажняют ткани. Во многом, именно увлажнение оказывает сильный косметический эффект: авокадо, вишневых косточек, кокосовое, макадамии, оливковое – для сухой, поврежденной и шелушащейся кожи; кедра, макадамии, кукурузное, фундука – для стареющей; бразильского ореха, виноградных косточек, жожоба, зверобоя, манговых косточек, миндаля – для восстановления и укрепления волос.

Объектом исследования является касторовое масло. Это масло важно, как для пищевой промышленности, так и для технических целей.

Касторовое масло, получают холодным прессованием семян клещевины. Относится к невысыхающим жидким маслам, и не образующим пленку. Большую его долю (80%) составляют глицериды вязкой рицинолевой кислоты, содержащей в огромной молекуле только одну ненасыщенную связь. Остальное приходится на глицериды линолевой и олеиновой кислот. Основные мировые производители касторового масла – Китай и Индия.

Благодаря высокому содержанию рицинолевой кислоты касторовое масло широко используется в медицине и ветеринарии, а такие свойства, как высокая вязкость, оксистабильность и большая плотность, позволяют использовать его в промышленности для различных целей.

    Жирнокислотный состав касторового масла:

– рицинолевая кислота (CH₃-(CH₂)₅-CH(OH)-CH₂-CH=CH-(CH₂)₇-COOH) – 87,57 %;

–линолеваякислота (CH₃(CH₂)₃-(CH₂CH=CH)₂(CH₂)₇COOH) – 5,42 %;

– олеиновая кислота (СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН) – 4,17 %;

– пальмитиновая кислота (CH₃(CH₂)₁₄COOH) – 1,43 %;

– стеариновая кислота (С₁₇Н₃₅COOH) – 1,29 % [5].

Как видно, что касторовое масло в основном состоит из рицинолевой кислоты. Эта кислота и определяет его основные свойства.

Рицинолевая кислота - это непредельная гидроксикислота, имеющая цис -конформацию у 9-го атома углерода и хиральный 12-й атом углерода:

 

 

H  H

C =C

                       H₃C-(CH₂)₅-CH-H₂C  (CH₂)₇ – COOH

                                       HO

 

Рицинолеиновая кислота, одноосновная ненасыщенная оксикислота жирного ряда, СН₃(СН₂)₅СН(ОН)СН₂СН=СН(СН₂)₇СООН, бесцветная вязкая жидкость; t_пл = 5,5 ^ОС, t_кип=226 - 228 ^ОС (1,33 кн/м²), плотность 0,950 г/см³ (15 ^ОС); не растворяется в воде, хорошо растворяется в спирте и эфире.

Эфир рицинолевой кислоты и глицерина - главная составная часть (до 85 %) касторового масла, из которого гидролизом выделяют рицинолевую кислоту в смеси с другими жирными кислотами. Чистую рицинолевую кислоту можно получить из этой смеси (обычно применяемой в промышленности под названием рицинолевой кислоты) низкотемпературной кристаллизацией из ацетона. Эфиры рицинолевой кислоты (напр., бутиловый) и соли кислых эфиров рицинолевой кислоты и серной кислоты применяют в качестве эмульгаторов, диспергирующих веществ и смачивающих средств в текстильной промышленности; касторовое масло и получаемый из него метиловый эфир рицинолевой кислоты - сырьё в производстве себациновой и ундециленовой кислот, гептилового альдегида, октанола-2 и мн. др. ценных продуктов.

Рицинолевую кислоту получают гидролизом касторового масла. В промышленности же используют при 150 °С щелочной гидролиз, с последующим его подкислением. Кислота, получаемая при таком гидролизе, окрашена и имеет неприятный запах, содержит много примесей, например, трудно отделяемый сульфат натрия [2,3,4]. Также кроме рицинолевой образуется дирицинолевая кислота, а при более высоких температурах – пента- и тетрарицинолевые кислоты.

Из-за выделения большого количества примесей, целесообразнее применять ферментативный гидролиз [35]. Выход рицинолевой кислоты в таком случае возможен в чистом виде в мягких условиях, а именно, без повышенного давления и при температуре от 35-45 °С [3,4,5].

При ферментативном гидролизе льняного и рапсового масел нам удалось достичь выхода жирных кислот 85 и 45 % соответственно [13].

Высокая вязкость касторового масла затрудняет образование устойчивых эмульсий «масло-вода», следовательно, ограничивает получение высокого выхода рицинолевой кислоты. В то время, как ферментативный гидролиз идет на границе раздела фаз. Для того, чтобы решить эту проблему, в работах [3,4,5] повышают скорость гомогенизации, добавляют эмульгаторы и растворители, а также оптимизируют практически все технологические параметры.

Авторам [3], при ферментативном гидролизе касторового масла, удается повысить выход рицинолевой кислоты (они использовали в качестве катализатора липазы из Aspergillus oryzae). Увеличение выхода кислоты составило с 5-6 % до 40 %, достигается при оптимизации различных технологических параметров процесса, а также подборе среды реакции.

Другим решением проблемы ферментативного гидролиза касторового масла является поиск новых высокоэффективных и селективных ферментативных систем.

Вопрос о получении рицинолевой кислоты гидролизом касторового масла изучен недостаточно хорошо, из-за существующего ряда проблем, которые затрудняют этот процесс – это отсутствие разработанной технологии, высокоэффективных и селективных ферментов, пригодных для гидролиза касторового масла, высокая стоимость необходимых ферментов, а также затруднение при гидролизе касторового масла, вследствие высокой вязкости, по сравнению с другими растительными маслами. Но столь трудные проблемы никого не останавливают, так как работы в данной области ведут достаточно интенсивно [2,3].

И поэтому, пока этот вопрос изучен недостаточно, в каждом отдельном случае необходим индивидуальный подбор активирующего воздействия, в зависимости от вида и свойств фермента, который будут применять, а также проведение экспериментальных исследований.

 

1.2 ПОЛУЧЕНИЕ ЛИПАЗ, И ИХ ИСТОЧНИКИ

 

Для осуществления ферментативного катализа касторового масла с получением промышленно-ценных продуктов необходимо использовать ферменты липаз.

Липазы – это гетерогенные катализаторы, находящие свое применение в многочисленных отраслях промышленности. Свою работу они совершают на поверхности раздела фаз, и играют важную роль в жизнедеятельности всей биоты [5].

Традиционно в качестве сырья для получения биодизеля используются рапс [1-6], соя [3, 7-22] и подсолнечник [22-31]. Также применяются кукурузное [32], оливковое [22, 33, 34], солеросовое [35] масла, масло хлопчатника [36, 37], огуречника [22], микроводорослей [38] и другие [39, 40].

Выбор сырья обусловлен географическим положением производства. Например, в Индии как источник сырья преимущественно рассматривается ятрофа [30, 31, 41-44]; в Африке развивается производство на пальмовом масле [45]; в Китае в качестве сырья для получения биодизеля из дерева Aleurites fordii производят тунговое масло [46], а из растения Sapium sebiferum получают так называемое stillingia-масло [47].

Наиболее перспективно получение биодизеля из различных отходов, таких как отработанные масла для жарки [29, 32, 40, 48-51] и жировой сток [52] в пищевой индустрии, а также отходы рыболовства [53, 54]. В этом случае не происходит давления на рынок продовольствия.

 В качестве модельного триглицерида в лабораторных исследованиях часто используется триолеат глицерина (триолеин) [55-59].

 В отличие от других видов катализа переэтерификации триглицеридов катализ липазами позволяет решить проблему СЖК. При щелочном катализе их необходимо отделять на стадии очистки масла, при использовании липаз СЖК переводится в эфиры, и таким образом, резко увеличивается выход биодизеля. В связи с этим, экономически выгодное применение липаз видится в первую очередь в переработке кислых масел. В качестве примера стоит привести весьма интересные работы Y. Watanabe с соавторами [60] (исследователи проводили двухстадийный липазный катализ нерафинированного рапсового масла, насыщенного свободной олеиновой кислотой (77,9%)), а также L. Wang с соавторами [21], которые использовали побочный продукт рафинации соевого масла (28% СЖК).

С точки зрения вредных для процесса веществ, содержащихся в нерафинированном сырье, следует отметить фосфолипиды. Так в работе [8] при метанолизе неочищен- ного соевого масла иммобилизованной липазой из Candida antarctica (Novozym 435) было выяснено, что именно фосфолипиды, содержащиеся в растительной смоле, зна- чительно ингибируют реакцию. Однако дополнительной очистки можно избежать, используя вместо метанола метилацетат, о чем будет сказано ниже.

На сегодняшний день доступно множество коммерческих препаратов липаз. Наиболее широко используются:

 Novozym 435 – липаза, получаемая из Candida antarctica, иммобилизованная на макропористом полиметилметакрилате;

 Lipozyme RM IM – липаза, получаемая из Rhizomucor miehei, иммобилизованная на анионите;

Lipozyme TL IM – липаза, получаемая из Thermomyces lanuginosus, иммобилизованная на гранулированном силикагеле.

Липазы по своим свойствам могут быть региоспеци- фичными или неспецифичными. Подавляющее большинство региоспецифичных липаз действуют на крайние 1,3-эфирные связи триглицерида, в то время как реация с центральной 2-связью затруднена, что снижает выход конечного продукта на треть. Это препятствие может быть уменьшено путем использования явления ацил- миграции ацильных групп триглицеридов из положения 2 в свободные положения 1 или 3 с последующей реакцией с 1,3-региоспецифичной липазой. Ацил-миграция может быть индуцирована использованием иммобилизированных полярными ионообменными смолами липаз, например, анионитом в случае Lipozyme IM или добавлением силикагеля в реакционную среду. Выход увеличивается до 90%. В работах [4, 21] был применен метод комбинированного использования 1,3-региоспецифичной (Lipozyme TL IM) и неспецифичной (Novozym 435) липаз.)

Учитывая то, что стоимость Novozym 435 намного больше стоимости Lipozyme TL IM, применение этого метода позволяет снизить себестоимость биодизеля.

Среди продуцентов липаз, используемых для переэтерификации липидов доминируют грибы:

• грибы рода Candida: C. antarctica [3, 8, 17-20, 22, 23, 25-27, 30, 31, 33, 36, 37, 39, 46, 47, 49, 51-55, 59-61](включая коммерческие препараты Lipozyme CALB L, Lipase SP435, Novozym 435), C. rugosa [2, 7, 62] и C. sp. 99–125 [9, 40, 56];

• Rhizomucor miehei (ранее Mucor mihei) [3, 16, 24, 34, 47, 55, 58, 59, 63] (включая коммерческие препараты Lipozyme IM, Lipozyme RMIM);

• Thermomyces lanuginosus [6, 15, 22, 29, 50, 55] (включая коммерческие препараты Lipozyme TL, LipozymeTL IM);

• грибы рода Rhizopus: R. niveus [7] и R. oryzae [7, 14];

 • грибырода Penicillium: P. camembertii [7] и P. expansum [32];

• Aspergillus niger [7]; • Saccharomyces cerevisiae [5].

Несколькорежевкачествепродуцентовлипазвыступаютбактерии:

 • Burkholderia cepacia (ранее Pseudomonas cepacia) [7, 10, 23, 41, 44, 45, 49, 52, 55, 59, 62] (включаякоммер- ческиепрепараты Lipase PS-30);

• Pseudomonas fluorescens [7, 11-13, 55, 57, 62];

• Alcaligenes sp. [1];

• Bacillus subtilis [48];

• Chromobacterium viscosum [42];

• Enterobacter aerogenes [43];

• Photobacterium lipolyticum [33].

Из липаз животного происхождения чаще всего используется 1,3-региоспецифичная свиная панкреатическая липаза [28, 35].

Активные продуценты липаз относятся к различным группам микроорганизмов: это дрожжи (представители рода – Candidalipolytica, Candidarugosa, Candidaantarctica), актиномицеты Thermoactinomyces и Streptomyces, и бактерии из родов Bacillus и Pseudomonas [9].

В пищевой же промышленности активно применяют ферменты мицелиальных грибов Aspergillus, Geotrichum, Rhizopuz, Penicillium, Rhizomucor, Humi-cola, Mucor. Для получения высокого уровня продукции липаз чаще всего используют рекомбинантные штаммы [9].

Липазы – ферменты класса гидролаз, которые катализируют расщепление триглицеридов до двух жирных кислот и моноглицеридов. Она имеет гидрофобную и гидрофильную части, и действует только на поверхности раздела вода-жир [10].

Параметры процесса

Важными условиями при катализе липазами являются содержание воды, тип носителя, на котором иммобилизована липаза и соотношение ацил-акцептор:масло.

 Вода в реакционной смеси нежелательна, поскольку способствует гидролизу триглицеридов и образованию, как следствие, СЖК, но для функционирования липазам необходимо определенное количество воды [59, 62], которое зависит от конкретного типа липазы. Хотя, например, липаза Burkholderia cepacia обладает высокой стойкостью к метанолу и не требует содержания воды в реакционной смеси [62].

При иммобилизации на пористом носителе содержание воды в реакционной смеси становится более важным. В работе [69] (реакция в среде гексана) был предложен механизм, при котором сначала в капиллярах, на стенках которых иммобилизованы липазы, образуется тонкий гидратный слой – необходимый для энзиматической активности, но при большем содержании воды в смеси поры затапливаются, и большая часть иммобилизованной липазы оказывается отрезанной от реакционной смеси, и, как следствие, общая активность катализатора падает. Эта модель может также частично объяснить ингибирование процессов на иммобилизованной липазе низкомолекулярными спиртами и карбоновыми кислотами.

Липазы присущи всем живым объектам, способных накапливать их значительное количество. Источниками получения ферментов липаз могут быть:

– отдельные органы растений или сами растения. Проращенное зерно различных злаков (солод) – основной источник ферментов. Оно может либо служить конечным материалом для получения ферментных препаратов более очищенных, либо использоваться в качестве технического ферментного препарата.

– поджелудочная железа, железистый желудок крупного рогатого скота, слизистые оболочки их желудков и тонкая кишка свиней.

– штаммы рекомбинантных и природных микроорганизмов, такие как: актиномицеты, бактерии, дрожжи, грибы. Микроорганизмы производят, не только параллельно целый комплекс ферментов, так и в больших количествах только один фермент [10].

Среди вышеперечисленных источников получения ферментов липаз – липазы, полученные из микроорганизмов, обладают тремя преимуществами. Первое – это источник получения липаз из микроорганизмов является восстанавливаемым. Второе, липазы, получаемые из микроорганизмов, обладают широким температурным и рН диапазоном действия. Третье, липазы микроорганизмов, сравнивая с липазами животных и растений, удобны в биотехнологии, для использования [11]. Впрочем, есть огромный минус – это высокая стоимость липаз, которая ограничивает их применение в промышленности, поэтому проводится много работ по поиску из различных групп микроорганизмов, высокоактивных и новых продуцентов.

На активность каждой липазы, и, следовательно, скорость ферментативной реакции важны такие параметры, как pH среды и оптимальная температура. При определении активности ферментов нужно учитывать такие переменные, как:

– масса полученного продукта или исчезнувшего субстрата;

– время, потраченное на реакцию;

– количество фермента, но на самом деле массу или объем

биологического материала, содержащего фермент.

Исследование и подбор условий ферментативных реакций с применением липаз посвящено значительное количество работ.