Het harden van plantaardige oliën
Plantaardige oliën bevatten vrij veel onverzadigde vetzuren. Daardoor hebben ze een relatief laag smeltpunt en zijn ze bij kamertemperatuur meestal vloeibaar. Door het harden van deze oliesoorten wordt het smeltpunt verhoogd. Deze vetten worden traditioneel verkregen via een hydrogenatieproces waarbij onverzadigde bindingen worden omgezet in verzadigde door additie van waterstof. Plastische bakkersvetten (shortenings) bestonden in het verleden voornamelijk uit geharde plantaardige oliën waarbij in het hydrogenatieproces nikkelpoeder als katalysator werd gebruikt.
Naast de productie van vetten met gewenste kristallisatie- en smelteigenschappen wordt het hydrogenatieproces ook gebruikt om de houdbaarheid van een olie of vet te verhogen. Plantaardige oliën bevatten veel polyonverzadigde vetzuren, zoals linoleenzuur (C18:3), die gemakkelijk oxideren en aanleiding geven tot ranzige levensmiddelen. Gedurende de hydrogenatie worden deze thermisch-labiele polyonverzadigde vetzuren selectief omgevormd tot meer stabiele (mono-onverzadigde) vetzuren.
Hydrogenatieproces met nikkel als katalysator In het traditionele hydrogenatieproces wordt plantaardige olie, zoals sojaolie, in contact gebracht met een nikkelkatalysator onder lage waterstofdruk en een hoge temperatuur. Hierdoor wordt een deel van de aanwezige dubbele bindingen in de vetzuurketens verzadigd en bijgevolg wordt de vloeibare plantaardige olie omgezet in half-vaste vetten met specifieke smelteigenschappen. Meestal zorgt men er echter voor om slechts een deel van de dubbele bindingen te hydrogeneren om de vorming van volledig verzadigde triglyceriden (tristearaten, SSS) te beperken. Immers, gezien het hoge smeltpunt van SSS, geeft deze bij hogere concentraties aanleiding tot een zanderig mondgevoel. |
Nadelen van hydrogenatie
Tijdens de hydrogenatie van plantaardige oliën treedt naast verzadiging ook isomerisatie van de dubbele bindingen op, waardoor ondermeer transvetzuren gevormd worden (zie artikel ‘Alternatieven voor transvetzuren’). Deze transvetzuren dragen weliswaar bij tot de gewenste fysische eigenschappen van het vet maar worden ook geassocieerd met negatieve gezondheidsaspecten, zoals een verhoogde kans op hart- en vaatziekten.
Door vervanging van het Ni metaal door edelmetaal katalysatoren (zoals Pt en Pd katalysatoren) en door andere procescondities (hogere waterstofdruk en lagere temperaturen) te gebruiken, kunnen vetten met lagere trans-gehaltes verkregen worden. Nadeel is evenwel dat deze lagere cis/trans-isomerisatie gepaard gaat met een lagere hydrogenatieselectiviteit, waardoor de polyonverzadigde vetzuren niet selectief meer omgezet worden naar stabielere vetzuren. Daarnaast worden hoge gehaltes aan triverzadigde vetten zoals SSS gevormd. Dit leidt respectievelijk tot thermisch labiele vetten en tot vetten met een ongewenst smelt- en kristallisatiegedrag. |
Interesterificatie: een alternatief met beperkingen
Naast het klassieke hydrogenatieproces bestaat een ander proces, namelijk interesterificatie, dat toelaat plastische vetten te produceren die bovendien geen (tot zeer weinig) transvetzuren bevatten. Nadeel is dat courante plantaardige oliën, door hun hoge gehalten aan linoleenzuur (C18:3), niet gebruikt kunnen worden om via interesterificatie tot een thermisch stabiel vet te komen. In plaats hiervan worden vaak tropische oliën zoals palmolie gebruikt. Nochtans bevatten zulke geïnteresterificeerde vetten hoge gehalten aan cholesterolverhogende verzadigde vetten zoals palmitaat (C16:0).
Verder staat ook de duurzaamheid van tropische oliën ter discussie.
Typisch wordt hiervoor een vloeibare plantaardige olie gemengd met een vast (volledig verzadigd) vet. Via een basische katalysator of een lipase worden de vetzuren herverdeeld over de triglyceride moleculen, waardoor de samenstelling van de verschillende triglyceriden wijzigt en bijgevolg een vet bekomen wordt met andere fysische eigenschappen. Aangezien tijdens de interesterificatie geen verzadiging van de dubbele bindingen optreedt, worden de thermisch labiele vetzuren, zoals linoleenzuur, niet omgezet naar meer stabiele structuren. Oliën die rijk zijn aan linoleenzuur kunnen dan ook niet gebruikt worden om via dit proces thermisch stabiele vetten te bereiden. |
Ideaal vet via innovatieve hydrogenatie met vormselectieve katalyse
Tot op heden bestaat er geen proces voor de aanmaak van thermisch stabiele shortenings (bv. uit sojaolie) met de gewenste (smelt)eigenschappen én een hoge nutritionele waarde (weinig cholesterolverhogende verzadigde- en transvetzuren). Het Centrum voor Oppervlakte Chemie en Katalyse (COK , K.U.Leuven) ontwikkelde recent echter een nieuw katalytisch concept, dat gebaseerd is op vormselectieve katalyse, wat reeds lang met succes wordt toegepast in petrochemische processen. Hydrogenatie van sojaolie met een Pt-gedragen zeoliet bleek een vet op te leveren met zeer lage transgehalten en heel lage SSS concentraties. Uit de vetzuuranalyse bleek verder dat het Pt/zeoliet gehydrogeneerde vet bij een zelfde conversie (joodgetal IV) veel minder linoleenzuur (C18:3) bevat dan het klassiek Pt-gehydrogeneerd vet. Bij een IV van 65 bleek praktisch alle linoleenzuur te zijn omgezet. Bijgevolg kan het vet verkregen met de Pt/zeoliet katalysator ook gebruikt worden voor hoge temperatuurstoepassingen.
Vormselectieve katalyse Vormselectieve katalyse maakt gebruikt van een katalysator met zeer kleine poriën van moleculaire dimensie. De structuur van de katalysator omvat een kristallijn rooster van silicium- en aluminiumoxide, waarin Pt zorgvuldig wordt ingebracht via een specifieke syntheseprocedure. Als gevolg van de moleculaire afmetingen van de poriën is het triglyceride molecule te omvangrijk om volledig in de poriestructuur van de zeoliet te diffunderen. Bijgevolg kan slechts één vetzuur in de zeoliet binnendringen, waar het gehydrogeneerd wordt door Pt. De overige twee vetzuren blijven buiten de zeoliet en worden verder ongemoeid gelaten omdat ze geen contact maken met Pt (zie Figuur 1). Het nettoresultaat is een triglyceride molecule met slechts één van de drie vetzuren gehydrogeneerd. |
Figuur 1. Het concept van vormselectieve hydrogenatie van triglyceriden via een Pt/zeoliet katalysator; O = oliezuur, S = stearinezuur. (Bron: An Philippaerts, COK, K.U.Leuven)
Kortom, de vormselectieve katalyse laat toe om sojaolie in één stap om te zetten tot een thermisch stabiel (laag in C18:3), plastisch (laag in SSS) bakkersvet met zeer lage trans vetzuurgehalten.
Bronnen
- Ir. An Philippaerts, prof. Pierre Jacobs en prof. Bert Sels, Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse, K.U.Leuven, contact Bert.Sels@biw.kuleuven.be
- Jacobs, P. et al., Elimination of trans-unsaturated fatty acid compounds by selective adsorption with zeolites, US 6229032 (2001).
- Philippaerts, A. et al. Selectivity in Sorption and Hydrogenation of Methyl Oleate and Elaidate on MFI Zeolites J. Catal. (2010), 270, 172-184.
Nuttige links
- Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse, K.U.Leuven
- Open Seminar Valley ‘Palm oil: sustainable sourcing’
- The Processing Division Student Excellence Award, uitgereikt aan An Philippaerts op de 101ste American Oil Chemical Society Annual Meeting & Expo, Phoenix, 16-19 mei 2010.
Met dank aan An Philippaerts, COK, K.U.Leuven
