FTIR-АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ КУКУРУЗНОГО МАСЛА ИЗ ЗАРОДЫША В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕССОВАНИЯ

УДК: 664.3:543.429.23

Аннотация

В данной работе исследовано влияние температуры механического прессования на спектральные свойства кукурузного масла, полученного из зародышей кукурузы (Zea mays L.). Масло извлекали при температурах 35°C, 50°C и 70°C, что позволило оценить влияние технологических условий на его химический состав и структурные характеристики. Для анализа использовали метод инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), обеспечивающий идентификацию функциональных групп и выявление изменений в молекулярной структуре липидов. FTIR-спектры показали наличие характерных полос поглощения, соответствующих триацилглицеридам, метильным и метиленовым группам, а также карбонильным связям жирных кислот. Полученные FTIR-спектры продемонстрировали наличие характерных полос поглощения, соответствующих основным компонентам растительных масел, включая триацилглицериды, валентные и деформационные колебания метильных (–CH₃) и метиленовых (–CH₂–) групп, а также карбонильные (C=O) связи, характерные для эфиров жирных кислот Сравнительный анализ спектров выявил изменения интенсивности и положения отдельных полос при повышении температуры прессования. Полученные результаты подтверждают эффективность FTIR-спектроскопии метод оценки влияния технологических параметров на качество, химический состав и структурные свойства кукурузного масла.

Abstract

This study investigated the effect of mechanical pressing temperature on the spectral properties of corn oil obtained from corn germ (Zea mays L.). The oil was extracted at temperatures of 35°C, 50°C, and 70°C, allowing us to evaluate the influence of process conditions on its chemical composition and structural characteristics. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used for analysis, enabling the identification of functional groups and the detection of changes in the molecular structure of lipids. FTIR spectra revealed characteristic absorption bands corresponding to triacylglycerides, methyl and methylene groups, and carbonyl bonds of fatty acids. The obtained FTIR spectra revealed the presence of characteristic absorption bands corresponding to the main components of vegetable oils, including triacylglycerides, stretching and bending vibrations of methyl (–CH₃) and methylene (–CH₂–) groups, and carbonyl (C=O) bonds characteristic of fatty acid esters. A comparative analysis of the spectra revealed changes in the intensity and position of individual bands with increasing pressing temperature. The obtained results confirm the effectiveness of FTIR spectroscopy as a method for assessing the impact of process parameters on the quality, chemical composition, and structural properties of corn oil.

Ключевые слова: кукурузное масло, зародыши кукурузы (Zea mays L.), механическое прессование, температурные режимы прессования, FTIR-спектроскопия, инфракрасный спектральный анализ, состав липидов, растительные масла.

Keywords: corn oil, corn germ (Zea mays L.), mechanical pressing, pressing temperature conditions, FTIR spectroscopy, infrared spectral analysis, lipid composition, vegetable oils.

Введение

Кукурузное масло является одним из наиболее распространённых растительных масел, широко применяемых в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности благодаря высокому содержанию ненасыщенных жирных кислот, токоферолов и других биологически активных соединений. Основным сырьём для получения масла служат кукурузные зародыши, содержащие значительное количество липидов и ценных питательных компонентов. Качество и химический состав получаемого масла существенно зависят от технологических условий экстракции, при этом одним из ключевых факторов является температура, используемая в процессе прессования. Известно, что изменение температуры в процессе механического прессования может оказывать влияние на выход масла, степень окисления липидов, а также на сохранность функциональных компонентов. Повышенные температуры способны вызывать структурные изменения жирнокислотных соединений и изменять физико-химические свойства масла. В связи с этим исследование влияния температурных режимов прессования на состав и структуру кукурузного масла представляет научный и практический интерес.

Для анализа структурно-химических характеристик растительных масел широко применяется метод инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), позволяющий быстро и эффективно идентифицировать функциональные группы и оценивать изменения химической структуры исследуемых образцов. FTIR-спектроскопия является информативным методом исследования липидных систем и активно используется для контроля качества растительных масел.

Целью данной работы является исследование влияния температуры прессования на спектральные свойства кукурузного масла, полученного из кукурузных зародышей, методом FTIR-спектроскопии. Для достижения поставленной цели масло было получено при температурах 35°C, 50°C и 70°C с последующим анализом изменений спектральных характеристик.

Методы и исследование

Сырьём для получения кукурузного масла служили кукурузные зародыши, предварительно очищенные от примесей и высушенные до стабильной влажности. Прессование масла осуществляли методом механического прессования при трёх температурных режимах: 35°C, 50°C и 70°C. Выбор температурных условий был обусловлен необходимостью оценки влияния как низкотемпературного (холодного), так и умеренно и повышено-температурного прессования на структурно-химические характеристики получаемого масла. После получения образцы масла были отфильтрованы и хранились в герметичных контейнерах для предотвращения окислительных процессов до момента анализа. Спектральные характеристики определяли с использованием инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Измерения проводили в среднем инфракрасном диапазоне, позволяющем регистрировать основные колебательные переходы функциональных групп липидов.

FTIR-спектры использовали для идентификации характерных полос поглощения, соответствующих основным компонентам растительных масел, включая триацилглицериды и функциональные группы жирных кислот. Сравнительный анализ спектров образцов, полученных при различных температурах прессования, проводили с целью выявления возможных изменений интенсивности и положения полос поглощения, связанных с термическим воздействием.

Полученные данные позволили оценить влияние температурных условий прессования на спектральные характеристики кукурузного масла и выявить особенности его структурных изменений в зависимости от режима обработки сырья.

Рисунок 1. FTIR-спектральный пик показателя кукурузного масла при температуре 35^оС

ИК-спектральный анализ кукурузного масла, полученного при температуре прессования 35°C, показал наличие характерных полос поглощения, соответствующих основным функциональным группам липидов, при этом в области 3000–2800 см⁻¹ наблюдались валентные колебания C–H (sp³) метиленовых и метильных групп (2925, 2854 и 2988 см⁻¹), подтверждающие присутствие длинноцепочечных алифатических структур жирных кислот, в области 1746 см⁻¹ выявлен интенсивный пик карбонильной группы C=O, характерный для сложноэфирной связи триацилглицеридов и являющийся диагностическим маркером растительных масел, полосы при 1462 и 1376 см⁻¹ соответствовали деформационным колебаниям CH₂ и CH₃ групп, отражая структурные особенности углеводородных цепей липидов, в области 1164-1127 см⁻¹ зафиксированы валентные колебания C–O–C эфирных связей глицеридного структура, слабовыраженный сигнал в области 3008-3030 см⁻¹ указывал на присутствие ненасыщенных =C–H связей жирных кислот, при этом пик при 1668 см⁻¹ подтверждал наличие двойных связей C=C, характерных для ненасыщенных липидов, а полоса при 724 см⁻¹ была связана с вибрациями колебаниями длинных метиленовых цепей (CH₂)ₙ, что в совокупности свидетельствует о типичном липидном составе кукурузного масла с преобладанием триглицеридов и присутствием как насыщенных, так и ненасыщенных жирных кислот.

Рисунок 2. FTIR-спектральный пик показателя кукурузного масла при температуре 50^оС

ИК-спектральный анализ кукурузного масла, полученного при температуре прессования 50°C, показал наличие слабых полос в области 3600-3000 см⁻¹, соответствующих следовым количествам воды или свободных O–H групп (3992-3878 см⁻¹) и водородносвязанных O–H колебаний (3202-3102 см⁻¹), а также полосы при 3013 см⁻¹, связанной с =C–H валентными колебаниями ненасыщенных жирных кислот, при этом в области 3000–2800 см⁻¹ были зарегистрированы основные валентные колебания C–H (sp³), характерные для алифатической цепи триглицеридов (2925, 2886 и 2829 см⁻¹), в области 1744 см⁻¹ наблюдался интенсивный пик C=O сложноэфирной группы, подтверждающий триглицеридную природу масла, в области 1653 см⁻¹ выявлено слабое поглощение C=C связей, указывающее на присутствие ненасыщенных жирных кислот, в диапазоне 1463 и 1376 см⁻¹ зафиксированы деформационные колебания CH₂ и CH₃ групп, в области 1234-1159 см⁻¹ отмечены колебания C–O связей сложных эфиров, при 1046 см⁻¹ зарегистрированы колебания C–O, возможно связанные с присутствием следов глицерина, а пик при 720 см⁻¹ соответствовал вибрационными колебаниям длинных метиленовых цепей, что в совокупности подтверждает типичную липидную структуру кукурузного масла с преобладанием триглицеридов и умеренным содержанием ненасыщенных жирных кислот.

Показание FTIR-спектральных пиков кукурузного масла после прессования при 70°C

Рисунок 3. FTIR-спектральный пик показателя кукурузного масла при температуре 70^оС

ИК-спектр кукурузного масла, обработанного при 70°C, характеризуется наличием широких полос O–H в области 3993-3178 см⁻¹, интенсивных валентных колебаний C–H алифатических цепей при 2926-2855 см⁻¹, выраженного пика карбонильной группы сложных эфиров триглицеридов при 1747 см⁻¹, слабого поглощения ненасыщенных связей C=C при 1668 см⁻¹, а также полос деформационных колебаний CH₂ и CH₃, растяжений C–O и характерных колебаний длинноцепочечных углеводородных фрагментов, что подтверждает сохранение триглицеридной структуры масла после термической обработки.

Сравнительный анализ образцов, полученных при прессовании кукурузного зародыша при трёх различных температурных режимах, показал различия в характеристических полосах поглощения, отражающих изменения химического состава и структуры масла; результаты ИК-спектрального исследования образцов, обработанных при 35°C и 50°C методом прессования, а также при 70°C в условиях термической переработки, представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные результаты анализа трёх образцов при различных температурах

Из сравнительной таблицы-1 видно, что повышение температуры прессования влияет на FTIR-спектральные характеристики кукурузного масла, вызывая изменения интенсивности основных функциональных групп и усиливая процессы окисления липидов.

Результаты и обсуждение

Результаты ИК-спектрального анализа кукурузного масла, полученного при различных температурных режимах обработки, показали наличие характерных полос поглощения, типичных для триглицеридной структуры растительных масел. Во всех исследованных образцах наблюдались интенсивные полосы в области 2925-2854 см⁻¹, соответствующие валентным колебаниям алифатических групп CH₂ и CH₃, что свидетельствует о присутствии длинноцепочечных жирных кислот в составе масла. Наличие выраженных полос поглощения в области 1744-1747 см⁻¹ подтверждает присутствие сложноэфирной карбонильной группы (C=O), характерной для триглицеридов, являющихся основным компонентом кукурузного масла.

В спектрах также были зарегистрированы полосы в диапазоне 1234-1127 см⁻¹, относящиеся к валентным колебаниям связи C–O сложноэфирных групп, что указывает на сохранение структуры жирных кислот, связанных с глицеролом. Дополнительно пики при 720-724 см⁻¹ соответствуют колебаниям длинноцепочечных метиленовых групп (CH₂), подтверждая наличие протяжённых углеводородных цепей, характерных для липидных соединений.

Образец, полученный методом прессования при 50 °C, характеризовался наличием пика ненасыщенных связей C=C при 1653 см⁻¹, что свидетельствует о сохранении в составе масла ненасыщенных жирных кислот, преимущественно линолевой и олеиновой кислот. При этом интенсивность полосы указывает на относительно стабильное содержание ненасыщенных компонентов при умеренной температурной обработке.

В отличие от образца, обработанного при 70 °C, в спектре которого наблюдалось ослабление полосы валентных колебаний C=C при 1668 см⁻¹, что может свидетельствовать о снижении степени ненасыщенности масла. Данное изменение, вероятно, связано с термическим воздействием, вызывающим процессы окисления, частичного разрушения двойных связей или начальные стадии термодеструкции ненасыщенных жирных кислот. Несмотря на это, основные полосы, характерные для триглицеридной структуры, сохранялись, что указывает на отсутствие глубоких структурных изменений липидной матрицы масла. Таким образом, сравнительный ИК-спектральный анализ показал, что повышение температуры обработки оказывает влияние преимущественно на степень ненасыщенности кукурузного масла, тогда как основные функциональные группы триглицеридов сохраняются во всех исследованных образцах.

Заключение

Результаты ИК-спектрального анализа показали, что образец прессованного кукурузного масла, полученный при температуре 35°C, полностью соответствует характерному спектру триглицеридов кукурузного масла. В спектре были выявлены интенсивные полосы поглощения при 1746 см⁻¹, соответствующие валентным колебаниям сложноэфирной карбонильной группы (C=O), а также пики при 2925 и 2854 см⁻¹, относящиеся к валентным колебаниям алифатических групп CH₂/CH₃. Дополнительно в диапазоне 1164-1127 см⁻¹ наблюдались полосы валентных колебаний сложноэфирной связи C–O, подтверждающие наличие триглицеридной структуры масла. Полученные данные свидетельствуют о присутствии длинноцепочечных жирных кислот и сохранении сложноэфирных связей, характерных для натурального кукурузного масла. Наиболее доминирующими пиками спектра являются полосы при 1746 см⁻¹ и 2925 см⁻¹, отражающие высокое содержание карбонильных групп и алифатических углеводородных цепей. Наличие слабых полос в области ненасыщенных связей также указывает на присутствие линолевой и олеиновой кислот, являющихся основными компонентами кукурузного масла.

Сравнительный анализ образцов, обработанных при различных температурах, показал, что повышение температуры может приводить к частичному снижению степени ненасыщенности масла вследствие термического окисления, однако основная триглицеридная структура сохраняется. Таким образом, метод ИК-спектроскопии подтвердил химическую стабильность и характерный липидный состав исследуемых образцов кукурузного масла.

Список литературы:

1. Frederick R. van de Voort, Al-Alawi A., Sedman J. Automated FTIR Analysis of Free Fatty Acids or Moisture in Edible Oils // Journal of Laboratory Automation. - 2006. - Vol. 11(1). - P. 23-29. DOI: 10.1016/j.jala.2005.11.002.
2. Abdul Rohman, Che Man Y.B. Application of FTIR Spectroscopy for Monitoring the Stabilities of Selected Vegetable Oils During Thermal Oxidation // International Journal of Food Properties. - 2013. - Vol. 16(7). - P. 1594-1603. DOI: 10.1080/10942912.2011.603874.
3. S. T. H. Sherazi, Talpur M.Y., Mahesar S.A., Kandhro A.A., Arain S. Main Fatty Acid Classes in Vegetable Oils by SB-ATR-FTIR Spectroscopy // Talanta. - 2009. - Vol. 80(2). - P. 600-606. DOI: 10.1016/j.talanta.2009.07.030.
4. J. M. Nzai, Proctor A. Determination of Phospholipids in Vegetable Oil by Fourier Transform Infrared Spectroscopy // Journal of the American Oil Chemists’ Society. - 1998. - Vol. 75. - P. 1281-1289. DOI: 10.1007/s11746-998-0173-x.
5. Xiuming Jiang, Li S., Xiang G., Li Q., Fan L., He L., Gu K. Determination of the Acid Values of Edible Oils via FTIR Spectroscopy Based on the OH Stretching Band // Food Chemistry. - 2016. - Vol. 212. - P. 585-589. DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.06.035.
6. Abdul Rohman, Ghazali M.A.B., Windarsih A., Riyanto S. Comprehensive Review on Application of FTIR Spectroscopy Coupled with Chemometrics for Authentication Analysis of Fats and Oils in Food Products // Molecules. - 2020. - Vol. 25(22). - 5485. DOI: 10.3390/molecules25225485.
7. Yongwei Fu, Toyoda K., Ihara I. Application of ATR-FTIR Spectroscopy and Principal Component Analysis in Characterization of 15-Acetyldeoxynivalenol in Corn Oil // Journal of Environmental Agriculture and Food Chemistry. - 2014 DOI - 10.1016/j.eaef.2014.07.001.
8. Frederick R. van de Voort, Yu X., Du S., Yue T., Li Z. Automated and Simultaneous Determination of Free Fatty Acids and Peroxide Values in Edible Oils by FTIR Spectroscopy // Journal of the American Oil. DOI: 10.1007/s11746-006-0137-4.
9. Omar R. Bayari, Salem M. Musleh, Maha F. Tutungi, Ghazi W. Derwish. Bleaching of Some Vegetable Oils With Acid Activated Jordanian Bentonite and Kaolinite. Asian Journal of Chemistry, 2010, 20(3): 2385–2397. Asian Publications. DOI: 10.14233/ajchem.2010.16642.
10. Rakhimov D., Fayzullayeva N., Shomaksudova K., Kenjayev N., Hakimova Z., Rakhmanov S., Abdurakhimov A. BIO Web of Conferences. A bibliometric review of vegetable oils and modified fats studied in scientific bases around the world. 2024., Volume 93. DOI: 10.1051/bioconf/20249302005. DOI: 10.1051/bioconf/20249302005.
11. Moreau R.A., Johnston D.B., Hicks K.B. The influence of moisture content and cooking on the screw pressing and pre-pressing of corn oil from corn germ // Journal of the American Oil Chemists’ Society. - 2005. - Vol. 82, №11. - P. 851-854. DOI: 10.1007/s11746-005-1154-6.
12. Zheng L., Jin J., Huang J., Wang Y., Korma S.A., Wang X., Jin Q. Effects of heat pretreatment of wet-milled corn germ on the physicochemical properties of oil // Journal of Food Science and Technology. - 2018. - Vol. 55, №8. - P. 3154-3162. DOI: 10.1007/s13197-018-3243-6.
13. Rexhepi F., Surleva A.R., Hyseni A., et al. Comprehensive Investigation of Thermal Degradation Characteristics and Properties Changes of Plant Edible Oils by FTIR-Spectroscopy // Acta Chemica Iasi. - 2019. - Vol. 27, №2. - P. 263-286. DOI: 10.2478/achi-2019-0017.
14. Sun Y., Ren J., Song C., Zhao Y. Effect of Production Processes on the Quality Characteristics and Flavor of Corn Germ Oil // Food Science. - 2024. DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20231031-254.
15. Han C., Liu Q., Jing Y., Wang D., Zhao Y., Zhang H., Jiang L. Ultrasound-assisted Aqueous Enzymatic Extraction of Corn Germ Oil: Analysis of Quality and Antioxidant Activity // Journal of Oleo Science. - 2018. - Vol. 67, №6. - P. 745-754. DOI: 10.5650/jos.ess17241.
16. Karlovic D., Sovilj M.N., Turkulov J. Kinetics of Oil Extraction from Corn Germ // Journal of the American Oil Chemists’ Society. - 1992. - Vol. 69, №5. - P. 471-476. DOI: 10.1007/BF02540952.
17. Esmat A.Y., Hassan R.E., Abo-ElWafa G.A., et al. Physicochemical characteristics and oxidative stability of Egyptian corn germ oil produced by aqueous enzymatic extraction // Grasas y Aceites. - 2018. - Vol. 69, №4. DOI: 10.3989/gya.0112181.