Produção de diacilglicerol pela reação combinada de glicerólise e esterificação

Abstract

RESUMO: Dietas com alto nível de gordura associadas ao sedentarismo são a principal causa da obesidade e doenças cardíacas no mundo contemporâneo. O diacilglicerol (DAG) é um tipo de óleo/gordura que apresenta características organolépticas semelhantes aos óleos convencionais, porém, por ser estruturalmente diferente não possui rotas metabólicas eficientes de armazenamento no organismo humano. A produção do diacilglicerol alimentício se dá principalmente por três rotas distintas: hidrólise de triacilglicerol (TAG), esterificação de ácidos graxos (AG) com glicerol (GLI) e glicerólise. Por se tratar de produto alimentício, seu processo de produção não admite reações paralelas e por isso, em geral é utilizado catálise enzimática. Além disso, o uso de enzimas permite a realização da reação em temperaturas mais brandas, se comparado a catalisadores químicos e se utilizada suportada, sua separação dos produtos é facilitada. Os substratos das três reações são altamente imiscíveis, o que dificulta o processo de produção que é comumente limitado por um período de indução característico. Dentre as três rotas, a glicerólise se destaca nas pesquisas recentes, por ser menos explorada e por apresentar bom potencial de produção de diacilglicerol, entretanto, essa rota é limitada à produção mássica de ~63%, em casos idealizados. O produto restante, seria constituído majoritariamente por monoacilglicerol (MAG), que é separado do diacilglicerol por meio de complicados processos de destilação molecular ou extração líquido-líquido. O monoacilglicerol, no entanto, pode ser substrato para formação de diacilglicerol pela rota de esterificação, que consiste na reação entre o monoacilglicerol e ácido graxo livre (AGL). Nesse contexto, o objetivo principal desse trabalho, é propor uma nova rota de produção do diacilglicerol por meio da combinação dos processos de glicerólise e esterificação, visando converter o monoacilglicerol formado em diacilglicerol, em vez de separá-lo do produto. Para a realização dos experimentos, foram avaliados dois óleos (OL) vegetais (soja e linhaça) como fontes de TAG. Como catalizador, foi utilizada a lipase comercial imobilizada Novozyme® 435. Duas metodologias principais foram avaliadas: i.) a primeira metodologia consistiu na reação simultânea de glicerólise e esterificação, em que foram estudadas a influência da temperatura, da razão molar entre os substratos, do teor de enzimas por meio de um planejamento fatorial e de um delineamento central composto rotacional (DCCR), bem como o uso do ultrassom na produção de DAG. Pelo planejamento fatorial foi possível selecionar as variáveis estatisticamente significativas para a produção de DAG bem como definir seus efeitos nos rendimentos de DAG e MAG e da conversão do TAG e AGL. O uso do DCCR associado à metodologia da superfície de resposta permitiu a determinação das condições de maior rendimento em DAG que puderam ser validadas experimentalmente. Nas melhores condições (59 °C, razão GLI:OL 2.75:1, razão AGL:OL 1:2.17, 24h, enzima 4 m%) foi possível obter um óleo com 55,6 m% de DAG, porém com teor elevado de MAG residual (21,1 m%). ii) a segunda metodologia consistiu de um processo em duas etapas. Na primeira etapa foi realizado apenas a glicerólise pura, cujo produto consistia numa mistura rica em MAG e DAG e pobre em TAG. Essa mistura foi utilizada como substrato em uma segunda etapa de esterificação com AGL. Na primeira etapa, de glicerólise pura, foram determinadas condições para maximização da produção de DAG por meio do DCCR e da metodologia da superfície de respostas e na segunda etapa foi determina a razão AGL:OL que adicionada ao produto da reação anterior conduzisse às maiores frações de DAG. Nas melhores condições (Etapa 1: 57,7 °C, razão GLI:OL 1:1 , enzima 4 m%. Etapa 2: 57,7 °C, razão AGL:OL 1:1, enzima 4 m%) foi obtido um óleo com 62,05 m% de DAG, que representou um aumento de 57% em relação à concentração de DAG obtida na etapa de glicerólise pura. Em ambas metodologias foi avaliado o uso de ultrassom em uma etapa pré-reacional (3 min de exposição do substrato em 500W) para geração nanoemulsões e diminuição do tempo de indução, o que propiciou a redução de mais de 50% no tempo reacional em relação à reação sem o uso de ultrassom. As reações foram descritas matematicamente com base no modelo cinético "ping pong bibi" e apresentaram grande concordância com os dados experimentais. Além disso foi possível utilizar satisfatoriamente os parâmetros de equilíbrio calculados para as reações sem ultrassom no modelo para as reações com ultrassom

ABSTRACT: High fat diets associated with physical inactivity are the leading cause of obesity and heart disease in the contemporary world. Diacylglycerol (DAG) is a type of oil / fat that has organoleptic characteristics similar to conventional oils, but because it is structurally different it does not have efficient metabolic routes of storage in the human organism. The production of diacylglycerol is mainly due to three different routes: triacylglycerol hydrolysis (TAG), esterification of fatty acids (AG) with glycerol (GLI) and glycerolysis. Because it is a food product, its production process does not admit of parallel reactions and therefore, enzymatic catalysis is generally used. In addition, the use of enzymes allows the reaction to take place at milder temperatures, when compared to chemical catalysts and if supported, their separation of the products is facilitated. The substrates of the three reactions are highly immiscible, which hampers the production process which is commonly limited by a characteristic induction period. Among the three routes, glycerolysis is highlighted in recent research, because it is less exploited and has a good potential for the production of diacylglycerol. However, this route is limited to the mass production of ~ 63%, in idealized cases. The remaining product would consist mainly of monoacylglycerol (MAG), which is separated from the diacylglycerol by means of complicated processes of molecular distillation or liquid-liquid extraction. Monoacylglycerol, however, may be a substrate for the formation of diacylglycerol by the esterification route, which consists of the reaction between monoacylglycerol and free fatty acid (FFA). In this context, the main objective of this work is to propose a new route for the production of diacylglycerol by combining the glycerolysis and esterification processes, in order to convert the monoacylglycerol formed to diacylglycerol, instead of separating it from the product. For the accomplishment of the experiments, two vegetable oils (soybean and linseed) as sources of TAG were evaluated. The immobilized commercial lipase Novozyme® 435 was used as the catalyst. Two main methodologies were evaluated: i) the first methodology consisted of the simultaneous reaction of glycerolysis and esterification, in which the influence of temperature, molar ratio between the substrates, Of enzyme content through factorial design and a rotational composite central design (DCCR), as well as the use of ultrasound in DAG production. By factorial planning it was possible to select the statistically significant variables for the production of DAG as well as to define its effects on the yields of DAG and MAG and the conversion of TAG and AGL. The use of the DCCR associated to the response surface methodology allowed the determination of the conditions of higher yield in DAG that could be validated experimentally. In the best conditions (59 ° C, GLI: OL 2.75: 1 ratio, AGL: OL ratio 1: 2.17, 24h, 4% enzyme) it was possible to obtain an oil with 55.6% DAG, but with a high content of Residual MAG (21.1 m%). Ii) the second methodology consisted of a two-step process. In the first step only pure glycerolysis was carried out, whose product consisted of a mixture rich in MAG and DAG and poor in TAG. This mixture was used as a substrate in the second stage of AGL esterification. In the first stage of pure glycerolysis, conditions were determined to maximize DAG production by means of DCCR and the surface methodology of responses and in the second stage the AGL: OL ratio that added to the product of the previous reaction was determined to lead to larger fractions Of DAG. Under optimum conditions (Step 1: 57.7 ° C, GLI: 1: 1 ratio, 4% enzyme) Step 2: 57.7 ° C, AGL: OL ratio 1: 1, 4% enzyme) was obtained An oil with 62.05% DAG, which represented a 57% increase over the DAG concentration obtained in the pure glycerolysis step. In both methodologies the use of ultrasound in a pre-reaction stage (3 min of substrate exposure in 500W) was evaluated for nanoemulsions generation and reduction of the induction time, which allowed the reduction of more than 50% in the reaction time in relation To the reaction without the use of ultrasound. The reactions were described mathematically based on the kinetic model "ping pong bibi" and showed great agreement with the experimental data. In addition, it was possible to satisfactorily use the calculated equilibrium parameters for the non-ultrasonic reactions in the model for the ultrasonic reactions