Extraction of Carotenoids from Ulva rigida by Ultrasound-assisted Method

Subject Areas : Chem

Marzieh Ahmadi-Sarkhoni ¹ , Mahshid Jahadi ^{2 *}

1 - Department of Food Science and Technology, Faculty of Agriculture, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran
2 - Department of Food Industry Science and Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Isfahan Branch (Khorasgan), Islamic Azad University, Isfahan, Iran

Received: 2024-05-12 Accepted : 2024-09-06 Published : 2024-09-25

Keywords: Carotenoids, Optimization, Ultrasound-assisted Method, Ulva rigida ,

Abstract :

Background and Objectives: Ulva rigida is a type of green algae, belonging to the chlorophyta; which is known as a source of carotenoid pigments and chlorophyll due to its numerous chemical compounds. In this research, the extraction of carotenoid pigment was optimized using ultrasound-assisted method by response surface methodology. Materials and Methods: green algae Ulva rigida; In May 2022, fresh from the north of Qeshm Island, Direstan coast (Deirestan Gulf), the boundary of the region; The long slope up to Nakhzah and Salakh harbors, with latitude 260732329 and longitude 550848291, was taken. in order to; Optimizing the conditions of carotenoid extraction, using the response surface methodology, with three independent variables; ultrasonic power (5-300 W), ultrasonic time (1.59-18.40 minutes) and biomass-to-solvent ratio (1.63-8.46%). Findings: Optimizing carotenoid extraction conditions using ultrasound-assisted method showed that All independent variables had a significant effect on the efficiency of carotenoids extraction (p<0.05). In the optimum condition of carotenoid extraction using ultrasound-assisted method (ratio of biomass to solvent is 5.57%; ultrasonic power 177.38 W and ultrasonic time 9.93 min), carotenoid content and extraction efficiency were 0.99 ± 0.08 µg/ml and 18.03% respectively. Conclusion: The content and the extraction efficiency of carotenoid using ultrasound-assisted technology increased 4 times compared to the conventional extraction method. Therefore, using ultrasound-assisted method for extraction of carotenoids from Ulva rigida were considered as an effective process.

References:

Abou Gabal, A ., Khaled, A ., M Aboul-Ela, H .,Aly, H ., Shalaby, O .)2021.(Variation of photosynthetic pigments and biochemical screening in some seaweeds from Eastern Harbor, Alexandria, Egypt. Egyptian Journal of Aquatic Biology and Fisheries, 25(1), 213-226. http://dx.doi.org/10.21608/ejabf.2021.141011

Cikos, A.M., Jokic, S., Subric, D, Jerkovic I. (2018). Overview on the application of modern methods for the extraction of bioactive compunds from marine macroalgae. Journal of Marine Drugs, 16: 348.
https://doi.org/10.3390/md16100348

Ghosh , S., Sarkar ,T., Das, A ., Chakraborty, R. (2022). Natural colorants from plant pigments and their encapsulation: An emerging window for the food industry. Jourrnal of Food Science and Technology, LWT, 153, 112527.
https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.112527

Khlaf Mohammad, A., Shareef Sabeeh, N.)2022).Ultrasound assisted extraction of carotenoids from Sargassum angustifolium algae. Journal of ,Periodical Engineering and Natural Sciences2, 445-454.
http://dx.doi.org/10.21533/pen.v10i2.2776
Latique, S., Mrid, R.B., Kabach,I., Kchikich, A., Sammama, H., Yasri, ANhiri, M., Elkaoua, Douira, A., Selmaoui , K. (2021.( Foliar application of Ulva rigida water extracts improves salinity tolerance in wheat (Triticum durum L). Journal of Agronomy, 11(2), 265.
https://doi.org/10.3390/agronomy11020265.

Li, Y., Huang, X., Luo, L., Shang, C.) 2022( .Optimization of extraction conditions of carotenoids from Dunaliella parva by response surface methodology. Journal of Molecules, 27(4), 1436.
https://doi.org/10.3390/molecules27041444.

Liu, Y., Li, J., Fu, R., Zhang, L., Wang, D., Wang, S.)2019.(Enhanced extraction of natural pigments from curcuma longa L.using natural deep eutecic solvents. Journal of Industrial Crops and Product, 140:162.
http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111620.

Martins, M., Oliveira, R., Coutinho, J.A., Faustino, M.A.F., Neves, M.G.P., Pinto, D.C.,Ventura,S.P.M. (2020.( Recovery of pigments from Ulva rigida. Journal of Separation and Purification Technology, 255, 117723.
10.1016/j.seppur.2020.117723.

Nejadmansouri, M., Golmakani, M.T., Famouri, M.) 2018( .Comparison of different methods for carotenoeid extraction from Dunaliella salina. Journal of Nutrition Science,6(4):208-215.
https://doi.org/10.30476/IJNS.2021.93230.1162



Pangestuti, R., Kurnianto, D. )2017( .Green seaweeds-derived polysaccharides ulvan: Occurrence, medicinal value and potential applications. Journal of Seaweed Polysaccharides , 205-221. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-809816-5.00011-6.

Pezoa Conte, R ., Leyton, A., Anugwom, I., Von schoultz, S., Paranko, J., Maki-arvela, P.,Willfor,S.,Muszynski,M.,Nowicki,J.,Lienqueo,M.E.,Mikkola,J.P. (2015). Deconstruction of the green algae Ulva rigida in ionic liquids: Closing the mass balance. Journal of Algal Research,12, 265- 273.
http://dx.doi.org/10.1016/j.algal.2015.09.011
Sahin, S., Samli, R. )2013O .(ptimazation of olive leaf extract obtained by ultrasund assisted extraction with response surface metodulogy,ultrason. Jouranal of Ultrasonics Sonochemistry, 20 (1): 592-602.
http://dx.doi.org/ 10.1016/j.ultsonch.2012.07.029

Saini, R.K., Keum, Y.S. (2018.( Carotenoid extraction methods: A review of recent developments. Journal of Food chemistry, 240, 90-103.
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2017.07.099.

Sarojini, Y., Neelima, P., Sujata, B. (2015.( The seasonal variations in distribution of photosynthetic pigments in four edible species of Chlorophyceae and the effect of light, dissolved oxygen and nutrients on their distribution. Journal of Annals of Biological Research, 6(3), 36-40.


Sharayei, P., Azarpazhooh, E., Zomorodi, S., Einafshar, S., Ramaswamu, H.S. (2021). Optimazation of ultrasonic-assisted extraction of astaxanthin from green tiger (Penaeus semisulcatum) shrimp shell. Journal of Ultrasonics Soniochemistry, 76. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105666.

Wong, K.H., Cheung, P.C.K. (2000(.. Nutritional evaluation of some subtropical red and green seaweeds part I-proximate composition,amino acid profiles and some physico-chemical properties. Journal of Food Chemistry,71: 475-482.
https://doi.org/10.1016/S0308-8146(00)00175-8.

Full-Text:



علوم غذايي و تغذيه/ تابستان 1403 / سال بیست و یکم / شماره 3                                                                                                                        Food Technology & Nutrition / Summer 2024 / Vol. 21 / No. 3

مرضیه احمدی سرخونی و همكار

 

استخراج کاروتنوئیدها از Ulva rigida توسط امواج اولتراسونیک

 

مرضیه احمدی سرخونیa، مهشید جهادی*b

a دانشجوی کارشناسی‏ارشد گروه علوم و مهندسی صنایع‏غذایی، دانشکده کشاورزی و منابع‏طبیعی، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران

b دانشیار گروه علوم و مهندسی صنایع‏غذایی، دانشکده کشاورزی و منابع‏طبیعی، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخ دریافت مقاله: 23/02/1403                        تاریخ پذیرش مقاله: 16/06/1403

 

چکيده

مقدمه: Ulva rigida، یک نوع جلبک‏سبز از شاخه کلروفیتا است که به واسطه ترکیبات‏شیمیایی‏متعدد به عنوان یک منبع از رنگدانه‏های‏کاروتنوئیدی و کلروفیلی شناخته‏شده‏است. در این پژوهش استخراج رنگدانه‏‏کاروتنوئیدی به کمک اولتراسونیک با روش سطح‏پاسخ مورد بررسی قرار گرفت.

مواد و روش‏ها: جلبک سبز Ulva rigida در اردیبهشت ماه 1401 به صورت تازه از شمال جزیره ‏قشم ساحل دیرستان (خلیج دیرستان)، حدفاصل منطقه شیب‏دراز تا بندرگاه نقاشه و سلخ با مشخصات جغرافیایی N ''26ₒ73'23.2  و E ''55ₒ84'82.1  برداشت ‏شد. به منظور بهینه‏سازی شرایط استخراج کاروتنوئید از روش سطح‏پاسخ با سه متغییر‏مستقل توان اولتراسونیک (300 -5 وات) زمان اولتراسونیک (40/18- 59/1 دقیقه) و نسبت زیست‏توده به حلال (46/8- 63/1‏درصد) استفاده‏گردید.

یافته‏ها:  نتایج حاصل‏از بهینه‏سازی‏شرایط‏استخراج‏کاروتنوئید به کمک اولتراسونیک نشان‏داد که کلیه متغییرهای‏مستقل دارای تأثیر‏معنادار بر راندمان استخراج‏کاروتنوئیدها بوده‏اند (05/0>p). در بخش بهینه‏سازی‏شرایط‏استخراج‏کاروتنوئید به کمک‏اولتراسونیک شرایط بهینه شامل نسبت زیست‏توده به حلال 57/5 درصد، زمان اولتراسونیک 93/9 دقیقه با توان‏اولتراسونیک 38/177 وات محتوای کاروتنوئید 08/0± 99/0 میکروگرم بر میلی‏لیتر با بازده استخراج 03/18 درصد گزارش‏گردید.

نتیجه‏گیری: محتوای استخراج رنگدانه کاروتنوئید و بازده استخراج رنگدانه با کمک تکنولوژی اولتراسونیک نسبت به روش استخراج معمول 4 برابر افزایش داشت لذا می‏توان روش استخراجی معرفی‏شده را به عنوان یک فرآیند موثر جهت استخراج ترکیبات‏کاروتنوئیدی از جلبک Ulva rigida درنظر گرفت.

 

واژه‌های کلیدی: اولتراسونیک، بهینه‏سازی، کاروتنوئید، Ulva rigida

 

* نويسنده مسئول مكاتبات                                                                 email: [e-mail]; [e-mail]

 

مقدمه

جلبک‏ها¹، موجودات چند‏سلولی هستند که در مقایسه با گیاهان ‏زمینی با سرعت ‏بالایی رشد می‏کنند و تنوع‏ بالایی از متابولیت‏ها و ترکیبات ‏‏زیست‏‏فعال ‏طبیعی‏سودمند را ارائه ‏می‏کنند. جلبک‏ها بر حسب میزان رنگدانه به سه گروه؛ سبز (کلروفیتا2) قرمز (رودوفیتا3) و قهوه‏ای (فائوفیتا4) تقسیم‏‏ می‏شوند (2024 ,.et al Oliveria). رنگدانه‏های ‏‏طبیعی به عنوان دسته‏ا‏ی از افزودنی‏ها که به طور گسترده در صنایع‏‏غذایی استفاده‏می‏شوند شناخته‏شده هستند. مصرف ‏رنگدانه‏های ‏طبیعی، با اثرات‏‏مثبت بر سلامت ‏انسان، به بهبود ‏کیفیت ‏زندگی و طول‏عمر می‏انجامد. به همین‏علت در مقابل ‏رنگدانه‏های‏‏مصنوعی با سمیت‏بالا در سراسر‏جهان محبوب ‏شده‏اند. رنگدانه‏های‏طبیعی می‏توانند به عنوان برجسته‏ترین ‏پارامتر، کیفیت‏غذا را ارزیابی و اشتها را تحریک یا سرکوب کنند ( 2024,. et allerKam). مواد‏‏ مغذی با ارزش ‏افزوده موجود در جلبک‏ها نشان‏‏دهنده تعداد ‏زیادی مواد‏‏شیمیایی با طیف ‏وسیعی از خواص ‏‏آنتی ‏اکسیدانی، ضدالتهابی و ضدتوموری هستند. از ‏نظر تغذیه‏ای جلبک‏های ‏دریایی به‏عنوان منبع مواد ‏‏زیست‏فعال مانند؛ پلی‏ساکاریدهای ‏‏سولفاته، اسیدهای ‏‏چرب‏‏امگا 3، پلی‏فنل‏ها، رنگدانه‏های‏‏طبیعی، پروتئین، پپتید، اسیدهای ‏‏آمینه و به عنوان ماده‏‏خام برای مواد‏‏شیمیایی جذاب است که می‏توانند تقاضای ‏فعلی ‏مصرف‏‏کننده‏ را، برای محصولات ‏طبیعی ‏تأمین‏‏کنند ( 2020,.et al tinsMar). در جلبک‏های‏‏سبز، رایج‏ترین انواع رنگدانه کلروفیل و کاروتنوئیدها هستندکه در صنایع‏غذایی به‏عنوان رنگدانه ‏طبیعی در غذا و نوشیدنی‏ها، استفاده می‏شود. همچنین این ترکیبات به سبب فعالیت آنتی‏اکسیدانی، ضدتوموری، ضدمیکروبی و همچنین نقش در درمان سرطان و غیرفعال‏سازی ‏میکروارگانیسم‏ها در صنایع مختلف مورد ‏استفاده ‏قرار ‏می‏گیرند
( 2021,.et al Latique). فرآیند ‏استخراج کاروتنوئیدها از منابع مختلف، به سبب وجود ترکیبات ‏قطبی‏ متنوع، با سطوح متفاوت بسیار‏مهم است. همچنین ماتریکس‏های ‏مختلف به واسطه دارا بودن موانع فیزیکی و شیمیایی از انتقال ‏جرم ‏کاروتنوئیدها در طول فرآیند استخراج ممانعت می‏کنند. انتخاب حلال یا ترکیب حلال‏مناسب یکی از مهم‏ترین‏عوامل جهت استخراج موثر کاروتنوئیدها است. کاروتنوئیدها به طور معمول با حلال‏های‏ آلی مانند اتانول، متانول، استون، استخراج‏می‏شوند ( 2024,.al et Singh). در استخراج کاروتنوئیدها محتوای ‏زیاد ‏آب در سلول‏های جلبکی جهت استخراج کارآمد، نامطلوب در نظر گرفته ‏‏می‏شوند. در این راستا روش‌های ‏‏آبگیری مبتنی بر حرارت موجب تخریب‏ حرارتی و ایزومریزاسیون5² کاروتنوئیدها می‏گردند. که جهت ممانعت از این امر، از لیوفیلیزاسیون6 (خشک‏کردن انجمادی) استفاده می‏گردد و همواره زمان و هزینه استخراج را افزایش‏می‏دهد. اعمال پیش‏تیمار مناسب بر نمونه نیز در استخراج کارآمد کاروتنوئید موثر شناخته ‏شده ‏است ( 2021,.et al alGab Abou). در پژوهش مارتین و همکاران در سال 2020 جهت بازیابی ‏رنگدانه کلروفیل و کاروتنوئید از Ulva rigida، استخراج‏جامد- مایع بهینه ‏شد. تیمارهای ‏مکانیکی ‏مختلف (خیساندن، استخراج‏مایکروویو، استخراج به کمک اولتراسونیک، نوع حلال، تعداد متوالی استخراج و نسبت جامد به مایع) مورد ‏بررسی قرار‏گرفت. جهت جداسازی رنگدانه‏ها، از ترکیبی از حلال‏ها (اتانول، هگزان و آب) استفاده‏گردید. یافته‏های این پژوهش نشان‏داد که؛ تیمارهای‏مکانیکی امکان بهینه‏سازی و اجرای یک فرآیند ‏ساده، سریع و کارآمد را جهت جداسازی دسته‏های مختلف رنگدانه‏های مشابه فراهم ‏می‏کند ( 2020,.al et tinsMar). محتوای رنگدانه‏های کلرفیل و کاروتنوئید در طی زمان برداشت تغییر می‏کند
( 2024,.et al inghS).

این پژوهش با هدف بهینه‏سازی شرایط ‏استخراج ‏رنگدانه ‏کاروتنوئید از جلبک‏سبز Ulva rigida با کمک تکنولوژی اولتراسونیک انجام پذیرفت.

 

مواد و روش‏ها

جلبک سبز Ulva rigida در اردیبهشت ماه 1401 به صورت تازه از شمال جزیره ‏قشم، ساحل دیرستان (خلیج دیرستان) حدفاصل منطقه شیب‏دراز تا بندرگاه نقاشه و سلخ با مشخصات جغرافیایی N ''26ₒ73'23.2 و
E ''55ₒ84'82.1 برداشت‏شد. به منظور بهینه‏سازی شرایط استخراج کاروتنوئید از روش سطح ‏پاسخ با سه متغیر‏مستقل توان اولتراسونیک (300 -5 وات)، زمان اولتراسونیک (40/18- 59/1 دقیقه) و نسبت زیست‏توده به حلال (46/8- 63/1‏درصد) استفاده ‏گردید.

 

-       استخراج رنگدانه

استخراج رنگدانه از Ulva rigida، با استفاده از؛ اولتراسونیک‏‏پروب‏دار و حلال متانول 99% انجام‏گردید. در این روش مدت‏زمان‏استخراج (59/1، 5، 10، 15 و 40/18 دقیقه)، نسبت زیست‏توده به حلال (63/1، 3، 5، 7 و 36/8 درصد) و شدت‏اولتراسونیک (5، 64/79،152،240 و 300 W)، به عنوان تیمار استفاده‏ شد. دما در حدود 25 درجه ‏سانتی‏گراد جهت ممانعت از تخریب و ایزومریزاسیون رنگدانه‏‏ها حفظ‏گردید. سپس نمونه در فالکون محصور‏شده با فویل آلومینیوم (جهت ممانعت از انتقال ‏نور) تحت سانتریفیوژ قرار ‏گرفت. در انتها مایع ‏رویی‏ در سل ‏اسپکتروفتومتر UV-Vis آنالیز‏گردید و جذب‏عصاره در 3 طول ‏موج (nm 480 ,649 ,665)، خوانده شد. استخراج‏ به روش ‏معمول از نمونه‏های ‏شاهد نیز بدون اعمال اثر ‏اولتراسونیک و مطابق مراحل‏فوق انجام‏گردید. آزمایش با حداقل 6 تکرار انجام‏شد محتوای کاروتنوئید و بازده استخراج کاروتنوئید با فرمول‏های زیر محاسبه‏ گردید.
(2022 i et al.,L).

معادله 1

C = (1000× A480 - 1.29 × Chl a – 53.78 × Chl b) /220 (µg/ml)

 

a Chl= محتوای کلروفیل a

b Chl= محتوای کلروفیل b

W= وزن نمونه

A480 = جذب در طول موج nm480

(مقادیر رنگدانه، برحسب میکروگرم بر میلی‏لیتر، بیان شده‏است).

معادله 2

 

 

Y= بازده استخراج کاروتنوئید (%)

C= محتوای کاروتنوئید

V= حجم حلال مصرفی

 

 

-       تجزیه و تحلیل آماری

نتایج این پژوهش با استفاده از طرح مرکب‏مرکزی به صورت میانگین ± انحراف ‏معیار (SD) بیان‏شد و آزمایش‏ها حداقل در 6 تکرار انجام گردید تأثیر شرایط استفاده از توان‏امواج‏اولتراسونیک (در محدوده 300 -5 وات)، زمان اعمال امواج‏اولتراسونیک (40/18- 59/1 دقیقه) و نسبت زیست‏توده Ulva به حلال (63/8 – 36/1 درصد) با کمک نرم‏افزار Design- Expert در 3 سطح و 20 تیمار مطابق جدول (1) با میزان آلفا برابر 68/1 در سطح اطمینان 95% مورد بررسی قرارگرفت.

 

یافته‏ها

تأثیر سه متغیر توان اولتراسونیک، مدت زمان اعمال ‏امواج ‏اولتراسونیک و نسبت زیست توده به حلال، بر محتوای استخراج رنگدانه کاروتنوئید و بازده استخراج در جدول آنالیز واریانس (جدول 2) مورد بررسی قرار گرفت. در این جدول تاثیر مدل معنادار می‏باشد (05/0 >p)، لیکن عدم برازش، برابر 56/0 و غیرمعناداری می‏باشد، مقدار ضریب تبیین، در جدول زیر برابر 90/0 می‏باشد. هر چه این عدد به 1 نزدیک‏تر باشد تطابق نتایج به‏دست ‏آمده با نتایج‏ پیش‏بینی‏شده بیشتر می‏باشد. زیرا نمایانگر انحراف داده‏ها از مدل رگرسیون خطی است. می‏توان این نتیجه را داشت که نتایج به دست‏آمده با نتایج ‏پیش‏بینی‏شده به نسبت متناسب هستند. در این جدول مقدار ضریب تطابق ‏یافته 86/0 و ضریب پیش‏بینی‏شده 83/0 می‏باشد. مقدار ضریب‏تغییرات (CV)، که بیانگر توزیع پراکندگی داده‏های آماری در نمونه است در این مدل 94/14 می‏باشد. در جدول 2 اثر توان اولتراسونیک، نسبت زیست توده به حلال، اثر بر‏هم‏کنش توان‏اولتراسونیک و نسبت زیست‏توده به حلال بر متغییر محتوای ‏استخراج کاروتنوئید، به حالت خطی و معنا‏دار، می‏باشد.

همچنین اثر مربعات توان اولتراسونیک و مربع نسبت زیست‏توده به حلال نیز بر متغییر محتوای استخراج کاروتنوئید معنی‏دار می‏باشد (05/0<p). تأثیر شاخص‏های نسبت زیست‏توده/ حلال‏ و توان ‏اولتراسونیک، بر محتوای کاروتنوئید کل استخراج‏شده از Ulva rigida نمایش ‏داده شده‏است. با افزایش نسبت زیست توده Ulva به حلال محتوای کاروتنوئید استخراج شده تا رسیدن به نسبت حدود 6 روندی صعودی و پس از آن روندی کاهشی را طی می‏کند. با افزایش توان‏اولتراسونیک  تا 5/152 وات، محتوای کاروتنوئید استخراجی افزایش و پس از آن کاهش می‏یابد. تأثیر دو متغیر فوق‏الذکر موجب شده تا شکل به فرم گنبدی باشد (شکل a 1).

 

---

[1] 4  Phaeophyta     5  Isomerization   6  yophilizationL

[2] 1 Algae           2  Chlorophyta          3  Rhodophyta 

 

جدول 1 - طرح مرکب مرکزی متغییرهای وابسته و مستقل
Table 1- Central composite design with independent and dependent variables
No	Independent variables			Dependent variables
	Ultrasonic power (X1)	Ultrasonic time (X2)	Ulva biomass/solvent (X3)		Carotenoid content (µg/ ml)		Carotenoid extraction yield (%)
1	64.80	5	3		0.23		77.83
2	240.20	5	3		0.48		8.25
3	64.80	15	3		0.46		8.40
4	240.20	15	3		0.38		11.31
5	64.80	5	7		0.57		10.35
6	240.2	5	7		1.02		13.14
7	64.80	15	7		0.53		7.59
8	240.2	15	7		0.86		11.977
9	5	10	7		0.22		8.3
10	300	10	5		0.54		13.28
11	152.5	10	5		0.71		13.07
12	152.5	10	5		0.93		12.7
13	152.5	10	5		0.25		15.99
14	152.5	10	1.64		0.78		9.42
15	152.5	10	5		0.95		18.32
16	152.5	10	5		0.82		20.23
17	152.5	10	5		0.95		19.13
18	152.5	10	5		0.82		19.13
19	152.5	10	5		0.91		17.86
20	152.5	10	5		1.10		16.46

 

b

a

Figure 1- 3D graph the effect of Ulva biomass to solvent ratio and ultrasonic power in 10 min (a); ultrasonic power and time in Ulva rigida biomass to solvent ratio constant (b) on carotenoid content (µg/ ml)

 

شکل 1- نمودار سه بعدی تاثیر نسبت زیست توده/ حلال و توان اولتراسونیک ؛ در مدت زمان ثابت 10دقیقه (a) توان اولتراسونیک و زمان در نسبت ثابت زیست توده Ulva rigida  به حلال (b)، بر محتوای کاروتنوئید (µg/ ml)

 

 

اثر دو متغییر توان اولتراسونیک و زمان به صورت مستقل از یکدیگر در شکل b1 نشان داده شده است. به طوری که تغییرات زمان روندی ثابت و خطی بر محتوای استخراج کاروتنوئید داشته و افزایش توان اولتراسونیک تا حدود 5/152 وات روند صعودی و پس از این محدوده روند کاهشی را نشان می‏دهد. تغییرات یک طرفه اثر توان اولتراسونیک بر محتوای استخراج رنگدانه کاروتنوئید منجر به ایجاد ساختار فوق گردیده است.

تاثیرمتقابل زمان - توان اولتراسونیک، نسبت زیست‏توده به حلال-توان اولتراسونیک و نسبت زیست توده به حلال -زمان بر بازده استخراج کاروتنوئیدها در شکل 2 نشان داده شده است. با افزایش زمان‏اولتراسونیک تا حدود؛ 10 دقیقه روند افزایش بازده استخراج صعودی است اما این اثر مثبت، پس از 10 دقیقه روند کاهشی را ایجاد‏کرده ‏است. نسبت زیست توده به حلال نیز، تا حدود 6 درصد، روند صعودی و متقابلاً افزایش بازده استخراج کاروتنوئید را نمایش می‏دهد. با افزایش توان اولتراسونیک، تا حدود 5/152 وات، ماکزیمم بازده استخراج حاصل می‏شود. در حالیکه از این نقطه به بعد؛ حالت کاهشی را طی ‏می‏کند. بر هم کنش مثبت توان ‏اولتراسونیک با زمان و نسبت زیست‏توده به حلال، در میزان بازده استخراج کاروتنوئید، موجب ایجاد فرم گنبدی، در شکل a2 و b2 وc 2 شد. اثر توان‏اولتراسونیک تا شرایط بهینه جهت استخراج رنگدانه‏های کاروتنوئید حاصل از Ulva rigida توسط دستگاه‏اولتراسونیک با توان اولتراسونیک 37/177 وات نسبت زیست‏توده به حلال 57/5 درصد و زمان 93/9 دقیقه حاکی از استخراج 99/0 میکروگرم بر میلی‏لیتر محتوای‏کاروتنوئید و 03/18 درصد بازده استخراج بود. می‏توان نتیجه‏گرفت که مدل ارائه‏شده می‏تواند به‏عنوان مدل قابل اطمینان و دقیق جهت پیشگویی استخراج ‏کاروتنوئیدها از Ulva rigida با اولتراسونیک، استفاده شود. مطابق جدول 3 خطای حاصل بین اطلاعات حاصل در شرایط آزمایشگاهی و پیش‏بینی نرم‏افزار برای محتوای کاروتنوئید و بازده‏استخراج به ترتیب 04/4 و 27/2 درصد، است. با مقایسه میزان استخراج بین نمونه‏ها در شرایط بهینه و استخراج در شرایط معمول (بدون استفاده از امواج ‏اولتراسونیک) ملاحظه می‏شود محتوای استخراج حدود 4 برابر و بازده استخراج نیز حدود 4 برابر افزایش یافته‏است.

 

بحث

کاروتنوئیدها به عنوان گروهی از مواد زیست‏فعال در صنایع غذایی به عنوان یک افزودنی ‏رنگی و آنتی‏اکسیدان، استفاده‏ می‏شوند. علاوه بر این با خواص ضد‏سرطانی، ضدپیری و تعدیل‏کننده سیستم ایمنی شناخته‏شده‏هستند. در بررسی حاضر اثر مثبت افزایش توان اولتراسونیک تا محدوده 5/152 وات با ماهیت رفتار امواج ‏اولتراسونیک قابل‏تفسیر می‏باشد. امواج اولتراسونیک با فرکانس یافته‏‏های مشابهی بر اساس تحقیقات Nejadmansouri و همکاران، 2018 گزارش گردیده‏است. به دنبال افزایش توان اولتراسونیک شکل‏گیری بیش از حد حباب‏ها مانع از انتشار امواج اولتراسونیک و درنتیجه کاهش عملکرد آن می‏گردند (2018 ,.et al rayeiSha). خارج از محدوده بهینه توان اولتراسونیک، به سبب تشکیل و تجمیع رادیکال‏های OH و H در طول فرآیند کاویتاسیون منجر به تخریب قابل توجه ترکیبات آنتی‏اکسیدانی از جمله کاروتنوئیدها شود.

اثر استفاده از تکنولوژی اولتراسونیک نسبت به روش معمول به سبب عملکرد آن در انتقال جرم محلول و همچنین بهبود و افزایش سطح تماس بین زیست‏توده و حلال استخراج، نسبت داده ‏می‏شود (2023 ,Goksen). Sahin و Samli، 2013 گزارش‏کردند که، استخراج ترکیبات موثر توسط مرحله اصلی انجام‏می‏گیرد. مرحله اول که "شستشو" نام دارد. در 10 تا 20 دقیقه نخست و با انحلال اجزاء محلول در سطح ترکیب رخ می‏دهد. در این مرحله ممکن است، تا حدود 90 درصد از ترکیبات موثر، استخراج گردد. در مرحله دوم که به استخراج " آهسته" مرسوم است. انتقال جرم از سطح ترکیب به حلال توسط پدیده "انتشار" رخ می‏دهد. در نتیجه زمان طولانی اعمال‏اولتراسونیک نیز مطلوب شمرده نمی‏شود. وانگ و همکاران، 2000 در مطالعه بر استخراج ترکیبات فنلی و فلاونوئیدی با اعمال امواج ‏اولتراسونیک بر میوه Elaeagnus pungens گزارش‏داد که بالاترین بازده استخراج ترکیبات‏فنلی در زمان اولتراسونیک 20 دقیقه

 

b	a
c

Figure 2- 3D graph the effect of ultrasonic power and time in Ulva rigida biomass to solvent ratio constant (a); Ulva rigida biomass to solvent ratio and ultrasonic power in 10 min (b) and Ulva rigida biomass to solvent ratio and time in 152.50 W ultrasonic power on carotenoid extraction yield (%).

شکل 2- نمودار سه بعدی اثر زمان و توان اولتراسونیک در نسبت ثابت زیست‏توده Ulva rigida به حلال (a)، توان اولتراسونیک و نسبت زیست توده به حلال، در زمان ثابت 10 دقیقه (b)، زمان اولتراسونیک و نسبت زیست توده به حلال، در توان ثابت اولتراسونیک 50/152وات (c) بر بازده استخراج کاروتنوئید

 

جدول2- نتایج آنالیز واریانس محتوای‏کاروتنوئید و بازده استخراج کاروتنوئید طرح مرکب مرکزی Table 2- ANOVA for carotenoid content and carotenoid extraction yield results of the central composite design
Carotenoid extraction yield(%)			Carotenoid content (µg/ ml)			Sources
P-Value	F-Value	Mean square	Df		P-Value	F-Value	Mean square	Df
0.00	10.69	47.88	6		0.00	25.43	0.26	5		Model
0.03	5.83	26.11	1		0.00	15.81	0.16	1		Ultrasonic power (X1)
	0.01	0.06	1		-	-	-	-		Ultrasonic time (X2)
	0.23	1.05	1		0.00	37.73	0.39	1		Ulva biomass/solvent (X3)
	-	-	-		0.04	4.78	0.04	1		X1X3
	31.52	141.13	1		0.00	4.61	0.5	1		2(1X)
	18.39	2.34	1		-	-	-	-		2(2 X)
	19.35	6.63	1		0.00	26.10	0.27	1		2(3 X)
	-	4.48	3				0.01	14		Residue
	3.71	6.23	8		0.65	0.93	0.01	9		Lack of fit
	-	1.68	5		-	-	0.01	5		Pure error
			19		-	-	-	19		Total
0.83					0.90			R2
0.75					0.86			Adjusted-R2
16.1					14.94			CV

 

جدول 3- شرایط بهینه پیش‏بینی شده توسط نرم افزار Table 3- Optimized characterization using software
Carotenoid extraction yield (%)		Carotenoid content (µg/ ml)	Ultrasonic power (W)	Ulva biomass/solvent (%)	Ultrasonic time (min)	Treatment
18.44		0.95	177.38	5.57	9.93	Optimized predicted by software
18.03		0.99	177.388	5.57	9.93	Optimized point
4.58		0.24	-	5.57	9.93	Control
2.27		4.04	-	-	-	% Error

 

 

حاصل گردیده‏است. در بررسی دیگر با هدف استخراج پلی‏فنل‏ها از سبوس‏گندم توسط اولتراسونیک دریافتند که سرعت استخراج این ترکیبات به طور قابل‏توجهی از 10 تا 30 دقیقه افزایش یافته‏است اما از 30 تا 50 دقیقه تقریبا روند ثابتی را نشان داده‏است. در بررسی پژوهش حاضر همانطور که شکل 5 نشان‏می‏دهد اثر متغییر زمان اولتراسونیک و نسبت زیست‏توده به حلال بر بازده استخراج کاروتنوئید اثر مثبت و تقویت‏شونده‏ای در زمان حدود 10 دقیقه و نسبت زیست‏توده به حلال 6 درصد مشاهده‏گردید. این اثر مثبت نشان‏می‏دهد که زمان 10 دقیقه زمان مناسب و بهینه جهت حصول حداکثر میزان بازده استخراج کاروتنوئید در نسبت زیست‏توده به حلال حدود 6 درصد، است. زیرا افزایش مدت زمان اعمال امواج اولتراسونیک تا محدوده نامبرده با اثر بر سطح مشترک دو فاز، بازده استخراج رنگدانه را افزایش می‏دهد و بر اساس اصل انتقال جرم بالا بودن مقدار حلال منجر به افزایش گرادیان غلطتی مابین نمونه مورد نظر و حلال، می‏گردد. که به عنوان نیرو محرکه جهت افزایش انتقال‏جرم و بازده استخراج تا محدوده 10 دقیقه از اعمال امواج اولتراسونیک می‏گردد. پس از افزایش بیشتر هر دو پارامتر زمان اولتراسونیک و نسبت زیست‏توده به حلال روند کاهش در میزان بازده استخراج مشهود می‏باشد. که این روند نزولی را می‏توان به افزایش میزان زیست‏توده به حلال و کاهش حجم حلال نسبت داد. در حالی‏که در زمان بهینه اعمال امواج اولتراسونیک (10 دقیقه) و نسبت زیست‏توده به حلال 6 درصد بهترین بازده استخراج حاصل گردیده‏است. زمانی‏که مقدار حلال افزایش می‏یابد ترکیبات‏هدف در تماس کامل با حلال قرار‏می‏گیرند و این امر استخراج ترکیبات هدف را به حداکثر میزان می‏رساند. همچنین افزایش نسبت زیست‏توده به حلال اختلاف غلظت را افزایش می‏دهد ( 2019,. et al Liu). اما مقادیر بالای حلال هزینه عملیاتی را نیز افزایش می‏دهد. با این وجود می‏توان اظهار کرد که تناسب مناسب مابین زیست توده و حلال تاثیر مثبت بر بازده استخراج‏کاروتنوئید خواهد‏داشت. همچنین در طول فرآیند استخراج زمان بسیار کوتاه فرآیند منجر به واکنش ناکافی و در نتیجه کاهش راندمان استخراج، می‏گردد. از سوی دیگر طولانی شدن زمان واکنش یک استخراج ناکارآمد ممکن است منجر به تخریب اکسیداتیو ترکیبات‏هدف گردد. که مطابق مطلب فوق الذکر از لحاظ اقتصادی برای فرآوری‏صنعتی، ناکارآمد است. مطالعه اثر اولتراسونیک بر عملکرد استخراج کاروتنوئید از Dunaliella salina نیز نتایج مشابهی حاصل‏گردید. طی این بررسی بالاترین عملکرد اولتراسونیک زمان 10 دقیقه اعمال اولتراسونیک گزارش‏گردید. نتایج این پژوهش نشان‏داد که این عملکرد می‏تواند به سبب انتقال‏سریع ترکیب هدف از سطح جامد و سلول‏های تجزیه‏شده به حلال توسط امواج‏اولتراسونیک باشد. که نفوذ حلال متانول را به غشاء سلول Dunaliella salina را افزایش می‏دهد 
 2018),. et alNejadmansour). نتایج بدست‏آمده از بررسی ما نشان می‏دهد اثر توان اولتراسونیک در شرایط بهینه (توان اولتراسونیک 38/177 وات، نسبت زیست‏توده به حلال 57/5 درصد و زمان 93/9 دقیقه) نسبت به شرایط استخراج معمول (نسبت زیست توده به حلال 57/5 درصد و زمان استخراج 93/9 دقیقه) افزایش قابل ملاحضه‏ای را در مقدار کاروتنوئید استخراج‏شده (4 برابر) و بازده استخراج کاروتنوئید (4 برابر) به همراه‏داشته‏است. به طور کلی مشخص ‏شده ‏است که استفاده از محدوده بهینه توان ‏اولتراسونیک به عنوان یک پارامتر حیاتی برای حصول بالاترین بازده استخراج کاروتنوئیدها باشد به نحوی که 5/152 وات و زمان 10 دقیقه، جهت دستیابی به بازده استخراج کاروتنوئید بهینه می‏باشد. به نحوی که با افزایش بیشتر زمان‏استخراج عملکرد بازده استخراج کاروتنوئیدها، به طور قابل‏توجهی کاهش می‏یابد.

 

نتیجه‌گیری

بر اساس یافته‏های پژوهش‏حاضر بهینه‏سازی ‏استخراج ‏رنگدانه‏ کاروتنوئیدی از جلبک سبز Ulva rigida به کمک اولتراسونیک به عنوان تکنولوژی سبز، اثر معنی‏دار این روش در استخراج را نسبت به روش استخراج ‏معمول بازگو می‏کند. در شرایط بهینه استخراج کاروتنوئید (توان اولتراسونیک 38/177 وات، نسبت زیست‏توده به حلال 57/5 درصد و زمان 93/9 دقیقه) محتوای کاروتنوئید با مقدار 99/0 میکروگرم بر میلی لیتر و بازده استخراج 03/18 درصد، نسبت به شرایط استخراج معمول (نسبت زیست توده به حلال 57/5 درصد و زمان استخراج 93/9 دقیقه) با مقدار کاروتنوئید استخراج شده 24/0 میکروگرم بر میلی‏لیتر و بازده‏استخراج 58/4 درصد، افزایش چهار برابری را در شرایط اعمال شده فوق الذکر گزارش‏کرده‏است که اثر قابل توجه توان اولتراسونیک به عنوان یک تکنولوژی استخراج سبز با قابلیت‏های بالا از جمله کاهش زمان ‏استخراج همچنین کاهش تخریب رنگدانه‏های حساس به دما و نور به دنبال آن بازده استخراج بالاتر را در بستری کنترل‏شده فراهم می‏کند. یافته‏ها در پژوهش‏حاضر می‏تواند جلبک‏سبز Ulva rigida را به عنوان منبعی‏ جایگزین در سبد‏غذایی ‏‏انسان قراردهد و یا در صنایع ‏غذایی به عنوان افزودنی، بهبود‏دهنده‏کیفیت و ساختار، یا به عنوان مکمل مورد استفاده‏‏قراردهد. همچنین نتایج پژوهش حاضر استفاده از تکنولوژی سبز اولتراسونیک را به عنوان یک سیستم اقتصادی و مستعد در مقایسه با روش‏های سنتی استخراج با حلال جهت کاربرد در فرآیندهای مختلف از جمله استخراج ترکیبات حساس به دما تأیید‏می‏کند.

 

منابع

Abou-Gabal, A., Khaled, A., Aboul-Ela, H., Aly, H. & Shalaby, O. (2021). Variation of photosynthetic pigments and biochemical screening in some seaweeds from eastern harbor, alexandria, egypt. ao lanruaJ Egyptian and Fisheries, 25(1), 213-226. http://dx.doi.org/10.21608/ejabf.2021.141011

Nasseu, n. (2023). Elucidation and quantification health-promoting phenolic compounds, antioxidant properties and sugar levels of ultrasound assisted extraction, aroma compositions and amino acids profiles of macroalgae, Laurencia papillosa. JyaualhehtsirS sJirasautls ao anruaJ, 98, 106527. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106527.

Kammler, S., Romero, A. M., Burkhardt, C., Baruth, L., Antranikian, G., Liese, A. & Kaltschmitt, M. (2024). Macroale valorization for the production of polymers chemicals and energy. Journal of Biomass and Bioenergy , 183, 107105. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2024.107105.

Latique, S., Mrid, R.B., Kabach, I., Kchikich, A., Sammama, H., Yasri, A., ihtrt, M., Jsaana, D. A. & yeJhaant, K. (2021). Foliar application of Ulva rigida water extracts improves salinity tolerance in wheat (Triticum durum L). Journal of Agronomy, 11(2), 265. https://doi.org/10.3390/agronomy11020265.

Li, Y., Huang, X., Luo, L. & Shang, C. (2022). Optimization of extraction conditions of carotenoids from Dunaliella parva by response surface methodology. ao lanruaJ Molecules, 27(4), 1436. https://doi.org/10.3390/molecules27041444.

Liu, Y., Li, J., Fu, R., Zhang, L., Wang, D. & Wang, S. (2019). Enhanced extraction of natural pigments from lurcuma Jonga L. nsing uatural deep eutecic solvents. Journal ao Industrial Crops aud Product. 140, 162. http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111620.

Martins, M., Oliveira, R., Coutinho, J.A., Faustino, M.A.F., Neves, M.G.P., Pinto, D.C., Meuinra, Y.P.M. (2020). Recovery of pigments from Ulva rigida. Journal of Separation and Purification Technology, 255, 117723. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117723

Nejadmansouri, M., Golmakani, M.T. & Famouri, M.)2018(. Comparison of different hethods for larotenoeid extraction from Dunaliella salina. Journal of Nutrition Science, 6 (4), 208-215. https://doi.org/10.30476/IJNS.2021.93230.1162

Oliver, J. M., Pardal, M. A., Pereira, L., Matos, A. M. & Rodrigues, E. T. (2024). Portuguese macroalgae and halophytes for human consumption: minimal risk of norovirus and salmonella infection. Journal of ,Food Control110600, 164. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2024.110600.

Sahin, S &. Samli, R. )2013O .(ptimazation of olive leaf extract obtained by ultrasund assisted extraction with response surface metodulogy, ultrason. Journal of Ultrasonics Sonochemistry, 20 (1), 592-602. http://dx.doi.org/ 10.1016/j.ultsonch.2012.07.029.

Sharayei, P., Azarpazhooh, E., Zomorodi, S., Einafshar, S. & Ramaswamu, H.S. (2021). Optimazation of ultrasonic-assisted extraction of astaxanthin from green tiger (Penaeus semisulcatum) shrimp shell. Journal of Ultrasonics Soniochemistry, 105666, 76. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105666. 

B ,Pal & .A Sing .K Singh. (2024.( Carbohydrate and pigment composition of macroalgae in a kelp-

dominated Arctic fjord. Journal of Rigional Studies in Marine Science, 103644, 77. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2024.103644.

Wong, K.H. & Cheung, P.C.K. (2000). Nutritional evaluation of some subtropical red and green seaweeds part I-proximate composition,a mino acid profiles and some physico-chemical  properties. Journal of Food Chemistry, 71, 475-482. https://doi.org/10.1016/S0308-8146(00)00175-8.

 

 

 

 

13