Produksjon av EPA- og DHA-konsentrat fra frysetørket silderogn og sildemelke ved hjelp av ureakompleksering

Abstract

Herring roe and milt are high in omega-3 fatty acids that are proven to have various health benefits. The effects are best documented for cardiovascular disease, as well as inflammatory disorders such as arthritis. The purpose of this study has been to try to concentrate the beneficial omega-3 fatty acids, EPA (eicosapentaenoic acid) and DHA (docosahexaenoic acid), from lyophilized (freeze-dried) herring roe and milt. A method for concentration of EPA and DHA that removed unwanted fatty acids by binding in urea crystals was applied. The process mainly consisted of three steps. The raw materials were first extracted with either methanol or ethanol. Then, the extract was hydrolyzed to form free fatty acids and the fatty acids were extracted into heptane. Finally, the polyunsaturated fatty acids were concentrated by urea complexation. The results were assessed by fatty acid analysis on gas chromatography (GC) and lipid class analysis by liquid chromatography (LC). Two initial experiments with cod liver oil showed that the urea complexation was successful and the yield of omega-3 fatty acids was high (over 90% on average). The initial experiment on methanol extract of herring roe showed, however, a very low degree of concentration of EPA and DHA, and the product had high levels of cholesterol. In addition, there were major emulsion problems when the hydrolyzed fatty acids were extracted. After the initial methanol-experiment with herring roe, focus was on solving the emulsion problem. Methanol was therefore replaced with ethanol in order to reduce the extraction of polar compounds that might cause the problems, but it gave no improvement. Neither did it help with addition of salts, heating or cooling the emulsified phases. Filtration through a burette filled with sodium chloride gave results but the method was not suitable for use in larger scale since it required large amounts of solvents and was time consuming. To find out more about the chemistry in the extraction, at which pH emulsion was formed and when cholesterol would go into the heptane phase, the ethanol-extracts of herring roe were titrated with 2N HCl after the hydrolysis. The results showed that the cholesterol followed the fatty acids into the heptane phase and the emulsion occurred before most of the fatty acids passed into the apolar phase. The problem of cholesterol and emulsion therefore remained basically unsolved in our experiments. Four other experiments with ethanol-extraction were carried out in which extracts of herring roe and milt were collected to examine whether it was possible to achieve successful urea complexation by varying the concentration of fatty acids and urea on three different levels: low, medium or high concentration in total nine urea experiments. Highest concentration of EPA and DHA relative to other fatty acids were achieved with high concentration of fatty acid and medium concentration of urea, where the relationship between urea and fatty acids were 1,96:1. In the most optimal urea experiment, the sum of EPA and DHA in the free fraction with fatty acids dissolved in ethanol was 76 %, where EPA and DHA were respectively 20 % and 56 % of total fatty acids. This is high levels compared to most omega- 3 products on the market. A high degree of concentration has its price in low yield. The percentage of EPA and DHA added to the urea process that was found in the concentrated fraction was respectively 73 % and 74 %. Thus, there was a loss of approximately 25 % of the two fatty acids.

Rogn og melke fra sild har et høyt innhold av omega-3 fettsyrer som er dokumentert å ha ulike positive helseeffekter. Effektene er best dokumenterte for hjerte- og karsykdom, samt for inflammatoriske lidelser som leddgikt. Hensikten med denne oppgaven har vært å forsøke å oppkonsentrere de gunstige omega-3 fettsyrene, EPA (eikosapentaensyre) og DHA (dokosaheksaensyre), fra frysetørket silderogn og melke. Til oppkonsentrering av EPA og DHA ble det anvendt en metode som fjerner uønskede fettsyrer ved at de bindes i ureakrystaller. Oppkonsentreringen foregikk hovedsakelig i 3 trinn. Råstoffene ble først ekstrahert med enten metanol eller etanol. Deretter ble ekstraktet hydrolysert for å danne frie fettsyrer før de frie fettsyrene ble ekstrahert over i heptan. Til slutt ble flerumettede fettsyrer oppkonsentrert ved ureafellingen. Resultatene ble vurdert ved hjelp av fettsyreanalyse på gasskromatografi (GC) og lipidklasseanalyse på væskekromatografi (LC). To innledende forsøk på tran viste at ureafellingen var vellykket og at utbyttet av omega-3-fettsyrene var høyt (over 90 % i snitt). Innledende forsøk på metanolekstrakt av rogn viste derimot en lite vellykket ureafelling der graden av oppkonsentrering av EPA og DHA var minimal, og produktet hadde høyt innhold av kolesterol. I tillegg var det store problemer med emulsjon ved ekstraksjonen. Etter det innledende forsøket på rogn med metanol ble det fokusert på å løse emulsjonsproblemet. Metanol ble derfor byttet ut med etanol for å forsøke å redusere ekstraksjon av polare forbindelser som kunne forårsake emulsjonsproblemet, men det gav ingen forbedring. Det hjalp heller ikke tilsetting av salt, oppvarming, eller nedkjøling av blandingen. Filtrering gjennom en byrette fylt av natriumklorid gav resultat men metoden var lite egnet for bruk i større skala da den krevde mye løsemidler og tok lang tid. For å finne ut mer om kjemien i ekstraksjonen, ved hvilken pH emulsjon ble dannet og når kolesterol ville gå over i heptanfasen ble etanolekstrakter av rognpulver titrert med 2N HCl etter hydrolyse. Resultatene viste at kolesterolet følger fettsyrene inn i heptanfasen og emulsjonen oppstod før mesteparten av fettsyrene gikk over i den upolare fasen. Dette førte til at problemet med kolesterol og emulsjon forble uløst i våre forsøk. Det ble også gjort fire andre etanolekstraksjonsforsøk på rogn og melke der ekstraktene ble samlet opp for å undersøke om det var mulig å oppnå vellykket ureafelling ved å variere konsentrasjon av fettsyrer og urea på tre ulike nivå: lav, middels eller høy konsentrasjon i totalt ni forsøk. Oppkonsentreringen av EPA og DHA var best for ureaforsøket med høy konsentrasjon av fettsyrer og middels høy konsentrasjon av urea, der forholdet mellom urea og fettsyrer var 1,96:1. I det mest optimale ureaforsøket var summen av EPA og DHA i den oppkonsentrerte fraksjonen 76 %, der EPA og DHA utgjorde henholdsvis 20 % og 56 % av fettsyrene. Dette er høye nivåer sammenlignet med de fleste omega-3 produktene på markedet. Men høy grad av oppkonsentrering har sin pris i lavt utbytte. Andelen av EPA og DHA tilsatt i ureaprosessen som ble gjenvunnet i den oppkonsentrerte fraksjonen var henholdsvis 73 % og 74 %, dvs. at tapene av EPA og DHA i prosessen er ca. 25 %.