Investigation of the possibility of obtaining butter with a high content of unsaturated fatty acids

• Vladimir G. Kaishev
• Sergey A. Oleinik
• Olga V. Sycheva

Abstract

Polyunsaturated fatty acids (PUFA) consumed with dietary fats are physiologically active substances involved in metabolic processes in the organism, in particular, carbohydrate-fat and cholesterol metabolism, regulation of redox processes. Butter is one of the main food items of the daily human diet. The basis of butter is milk fat, which is characterized by a rich fatty acid composition and unique properties. The possibility of obtaining butter with the desired ratio of saturated and unsaturated fatty acids without making adjustments to the technological process using milk with high PUFA content has been investigated.

The purpose of the study was to obtain butter enriched with PUFA from the milk of Holstein cows with a modified fatty acid composition towards an increased content of unsaturated fatty acids.

Material and methods. For the research, dairy raw materials from lactating Holstein cows were used, the milking herd included 881 cows. Dairy raw materials were studied, selected individually from each cow. According to the results of an in–depth assessment of the composition of milk lipid fractions, a group of cows was isolated after the first calving – 15 heads, whose milk was characterized by an increased content of unsaturated fatty acids. The content of milk fat, protein, lactose and fatty acid composition of milk were determined by infrared spectrometry with Fourier transform. Butter was produced from the milk of the experimental and control (combined) groups, which was evaluated by organoleptic (on a 20-point scale), physico-chemical parameters, including fatty acid composition determined by gas chromatography.

Results. Milk obtained from cows of the experimental group differed downward from the combined milk produced in the whole herd in terms of protein and casein content by 12.8%, dry matter – by 4.4%, SOMO – by 3.1%. It varied upwards in milk sugar level (by 3.2%). In the milk fat of the milk of the experimental group of cows, the total amount of saturated fatty acids was reduced by 14.9%, and unsaturated fatty acid level was increased by 12.6%; as a result, the ratio of unsaturated to saturated fatty acids was higher by 31.7%. The butter produced from the milk of cows of the experimental group was slightly inferior to the control sample in terms of the characteristics of «taste and smell», «consistency» and total score. At the same time, the prototype fat differed from the control one by a more pronounced, saturated yellow color. Evaluation of the fatty acid composition of the experimental and control fat samples showed the advantage of the prototype in terms of PUFA content compared to the control. The total amount of unsaturated fatty acids exceeded the same indicator for the control sample by 8.3%, while the superiority of polyunsaturated fatty acids was 14.4%. At the same time, saturated fatty acid level in the experimental sample was 4.2% less, but the amount of volatile low–molecular-weight fatty acids was significantly reduced compared to the control sample – by 19.1%.

Conclusion. The results obtained show the possibility and open the prospect of obtaining butter with a more favorable ratio of fatty acids in favor of PUFAs by selecting cows for milk with a higher ratio of unsaturated and saturated fatty acids and further selection aimed at an increased content of PUFAs in milk.

Keywords:milk; butter; milk fat; fatty acids; polyunsaturated fatty acids

References

1. Gorelik K.D., Gorelik Yu.V., Dmitriev A.V., Bykov K.V. Fatty acids in the composition of fat emulsions for parenteral nutrition in neonatology. Neonatologiya: novosti, mneniya, obuchenie [Neonatology: News, Opinions, Training]. 2019; 7 (1): 54–60. DOI: https://doi.org/10.24411/2308-2402-2019-11007 (in Russian)

2. Gaykovaya L.B. Omega-3 polyunsaturated fatty acids: laboratory methods in assessing their multifactorial action. Obzory po klinicheskoy farmakologii i lekarstvennoy terapii [Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy]. 2010; 8 (4): 3–14. (in Russian)

3. Gladyshev M.I. Irreplaceable polyunsaturated fatty acids and their food sources for humans. Zhurnal SFU. Biologiya [Journal Siberian Federal University. Biology]. 2012; (4): 352–86. (in Russian)

4. Popova A.Yu., Tutelyan V.A., Nikityuk D.B. On the new (2021) Norms of physiological requirements in energy and nutrients of various groups of the population of the Russian Federation. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2021; 90 (4): 6–19. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2021-90-4-6-19 (in Russian)

5. Volovik V.T., Leonidova T.V., Korovina L.M., Blokhina N.A., Kasarina N.P. Comparison of fatty acid composition of various edible oils. Mezhdunarodniy zhurnal prikladnykh i fundamental’nykh issledovaniy [International Journal of Applied and Basic Research]. 2019; (5): 147–52. DOI: https://doi.org/10.17513/mjpfi.12754 (in Russian)

6. Heirbaut S., Jing X.P., Stefańska B., Pruszyńska-Oszmałek E., Buysse L., Lutakome P., et al. Diagnostic milk biomarkers for predicting the metabolic health status of dairy cattle during early lactation. J Dairy Sci. 2023; 106 (1): 690–702. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2022-22217

7. Kharitonov E.L., Panyushkin D.E. Feed and metabolic factors of the formation of the fatty acid composition of milk in cows. Problemy biologii produktivnykh zhivotnykh [Problems of Biology of Productive Animals]. 2016; (2): 76–106. (in Russian)

8. Pacheco-Pappenheim S., Yener S., Nichols K., Dijkstra J., Hettinga K., van Valenberg H.J.F. Feeding hydrogenated palm fatty acids and rumen-protected protein to lactating Holstein-Friesian dairy cows modifies milk fat triacylglycerol composition and structure, and solid fat content. J Dairy Sci. 2022; 105 (4): 2828–39. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2021-21083

9. Daley V.L., Armentano L.E., Hanigan M.D. Models to predict milk fat concentration and yield of lactating dairy cows: A meta-analysis. J Dairy Sci. 2022; 105 (10): 8016–35. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2022-21777

10. Harvatine K.J. Perspective: A commentary on the effect of palmitic acid feeding on thermal properties of milk fat. J Dairy Sci. 2021; 104 (9): 9377–9. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2021-20390

Статистическую обработку данных проводили с использованием Excel. Для оценки значимости различий использовали t-критерий Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p<0,05.

Результаты и обсуждение

Состав молока, полученного от коров контрольной и опытной групп, представлен в табл. 1.

Молоко, полученное от коров опытной группы, отличалось от сборного, надоенного в целом по стаду, в меньшую сторону по содержанию белка и казеина на 12,8%, жира - на 6,6%, сухого вещества - на 4,4%, СОМО - на 3,1%; в большую сторону - по содержанию молочного сахара на 3,2%. Несмотря на отмеченные колебания, полученное от коров опытной группы молоко по идентификационным признакам полностью соответствовало требованиям Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 033/2013 "О безопасности молока и молочной продукции".

Инструментальное определение показателей молока с использованием указанного метода инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье, согласно международному стандарту ISO 9622:2013, достаточно широко применяется в аналитических исследованиях зарубежных ученых, как, например, это было показано в работе S. Heirbaut и соавт. при их использовании в качестве диагностических биомаркеров для прогнозирования метаболического состояния здоровья молочного скота в период ранней лактации [6].

Результаты исследования жирнокислотного состава молока коров опытной группы представлены в табл. 2.

В молочном жире молока опытной группы отмечено уменьшение суммарного количества насыщенных жирных кислот на 14,9% и увеличение на 12,6% содержания ненасыщенных жирных кислот. В результате получено более благоприятное соотношение ненасыщенных жирных кислот к насыщенным (на 31,7% выше). Данное явление обусловлено, на наш взгляд, физиологическим состоянием лактирующих коров, поскольку, как показали наши предварительные исследования, в молоке от коров после первого отела (первотелок) содержание насыщенных жирных кислот, как правило, ниже в среднем на 25-35% по сравнению с коровами второй и третьей лактации.

В работе Е.Л. Харитонова и Д.Е. Панюшкина было показано влияние условий кормления на состав и количество жирных кислот молока коров [7]. В исследованиях зарубежных авторов также было показано, что скармливание гидрогенизированных пальмовых жирных кислот и защищенного от рубца белка лактирующим голштино-фризским молочным коровам изменяет состав и структуру триацилглицеридов в молочном жире, а также содержание твердого жира [8]. Однако в наших исследованиях коровы всего стада, включая и опытную группу, получали одинаковый однотипный рацион, сбалансированный в соответствии с потребностями животных при достигнутом уровне молочной продуктивности. Поэтому в данном случае влияние кормового фактора нивелировано, хотя, безусловно, нами будут продолжены исследования по изучению влияния также паратипических факторов на состав и качество молочного сырья, в том числе жирных кислот молока.

Перспективность такого направления отражена также в обширном научном обзоре, подчеркивающем важность изучения как общего пула жирных кислот молока, так и в особенности содержания С 18:3 для прогнозирования выхода молочного жира и оценки здоровья коров в целом [9]. В своем обзоре K.J. Harvatine [10] обсуждает также недавно возникшую дискуссию в Канаде, которая началась в социальных сетях (Twitter) с заявления автора кулинарной книги о том, что, по ее мнению, сливочное масло "больше не мягкое при комнатной температуре" (Van Rosendaal, 2021). Дальнейшее обсуждение позволило предположить, что причиной более твердого масла было скармливание дойным коровам жировых добавок с пальмитиновой кислотой. Впоследствии эта история получила название "Баттергейт" и сложилось мнение, что фермеры скармливают пальмитиновую кислоту коровам для увеличения жирности молока. Это подчеркивает важность понимания влияния питания коров и менеджмента рациона кормления животных на качество молочных продуктов и учета восприятия потребителями практики кормления животных на ферме.

Сладкосливочное масло, выработанное из сливок, полученных путем сепарирования молока опытной и контрольной групп, по физико-химическим показателям (содержание жирных кислот) соответствовало требованиям стандарта. Согласно органолептической оценке (табл. 3) масло, полученное из молока коров опытной группы, незначительно уступало контрольному образцу по характеристикам "вкус и запах", "консистенция" и общей балльной оценке. Вместе с тем цвет опытного образца масла отличался от контрольного более выраженной, насыщенно-желтой окраской.

Оценка жирнокислотного состава опытного и контрольного образцов масла показала преимущество опытного образца по содержанию ПНЖК по сравнению с контрольным (табл. 4).

Общее содержание ненасыщенных жирных кислот превышало аналогичный показатель для контрольного образца масла на 8,31%, ПНЖК - на 14,41%. В то же время насыщенных жирных кислот в опытном образце масла меньше на 4,18%, но особенно значительно снижение количества летучих низкомолекулярных жирных кислот по сравнению с контрольным образцом - на 19,12%. Этим и обусловлено снижение балльной оценки опытного образца масла за показатель "вкус и запах", так как именно летучие жирные кислоты придают сливочному маслу специфический аромат. Также присутствие в составе низкомолекулярных летучих жирных кислот: масляной, капроновой, каприновой и каприловой - является показателем натуральности молочного жира. Их суммарное содержание, согласно ГОСТ 32261-2013 "Масло сливочное. Технические условия", должно быть в пределах 6,9-13,5%. Поэтому снижение их содержания в опытном образце масла, хоть и является нежелательным эффектом, но находится на приемлемом уровне (среднее для натурального молочного жира).

Заключение

Путем отбора группы коров с благоприятным соотношением насыщенных и ненасыщенных жирных кислот при направленном индивидуальном мониторинге качества молока достигнуто повышенное на 31,7% соотношение ненасыщенных жирных кислот к насыщенным в молоке коров после первого отела (первотелок) по сравнению со сборным молоком от всего стада.

Выработанное сладкосливочное масло из молока коров с благоприятным соотношением насыщенных и ненасыщенных жирных кислот отличается от контрольного образца повышенным содержанием ПНЖК на 14,4%. Полученные результаты исследования показывают возможность и открывают перспективу получения сливочного масла с более благоприятным соотношением жирных кислот в пользу ПНЖК.

¹ Номер госрегистрации в племенном регистре РФ № 262704801000; номер аккредитации в реестре аккредитованных лиц №РОСС RU.0001.21 ПЦ12, приказ Федеральной службы по аккредитации № ПК-3 от 17.03.2020.

² Официальный сайт ICAR [Электронный ресурс]. URL: https://www.icar.org/index.php/certifications/milk-analysis-laboratories-certifications/milk-analysers-icar-certified/icar-certified-milk-analysers/ (дата обращения: 02.02.2023).

³ Номер аккредитации в реестре аккредитованных лиц № РОСС RU.0001.21 ПЦ12, приказ Федеральной службы по аккредитации №ПК-3 от 17.03.2020.

Литература

1. Горелик К.Д., Горелик Ю.В., Дмитриев А.В., Быков К.В. Жирные кислоты в составе жировых эмульсий для парентерального питания в неонаталогии // Неонатология: новости, мнения, обучение. 2019. Т. 7, № 1. С. 54-60. DOI: https://doi.org/10.24411/2308-2402-2019-11007

2. Гайковая Л.Б. Омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты: лабораторные методы в оценке их многофакторного действия // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2010. Т. 8, № 4. С. 3-14.

3. Гладышев М.И. Незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты и их пищевые источники для человека // Журнал СФУ. Биология. 2012. № 4. С. 352-386.

4. Попова А.Ю., Тутельян В.А., Никитюк Д.Б. О новых (2021) Нормах физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации // Вопросы питания. 2021. Т. 90, № 4. С. 6-19. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2021-90-4-6-19

5. Воловик В.Т., Леонидова Т.В., Коровина Л.М., Блохина Н.А., Касарина Н.П. Сравнение жирнокислотного состава различных пищевых масел // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 5. С. 147-152. DOI: https://doi.org/10.17513/mjpfi.12754

6. Heirbaut S., Jing X.P., Stefańska B., Pruszyńska-Oszmałek E., Buysse L., Lutakome P. et al. Diagnostic milk biomarkers for predicting the metabolic health status of dairy cattle during early lactation // J. Dairy Sci. 2023. Vol. 106, N 1. Р. 690-702. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2022-22217

7. Харитонов Е.Л., Панюшкин Д.Е. Кормовые и метаболические факторы формирования жирнокислотного состава молока у коров // Проблемы биологии продуктивных животных. 2016. № 2. С. 76-106.

8. Pacheco-Pappenheim S., Yener S., Nichols K., Dijkstra J., Hettinga K., van Valenberg H.J.F. Feeding hydrogenated palm fatty acids and rumen-protected protein to lactating Holstein-Friesian dairy cows modifies milk fat triacylglycerol composition and structure, and solid fat content // J. Dairy Sci. 2022. Vol. 105, N 4. Р. 2828-2839. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2021-21083

9. Daley V.L., Armentano L.E., Hanigan M.D. Models to predict milk fat concentration and yield of lactating dairy cows: A meta-analysis // J. Dairy Sci. 2022. Vol. 105, N 10. Р. 8016-8035. DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2022-21777

10. Harvatine K.J. Perspective: A commentary on the effect of palmitic acid feeding on thermal properties of milk fat // J. Dairy Sci. 2021. Vol. 104, N 9. Р. 9377-9379. https://doi.org/10.3168/jds.2021-20390

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.