بهینه‌سازی آزمایشگاهی به‌روش سطح-پاسخ در استخراج آنتوسیانین از گلبرگ زعفران با استفاده از حلال اسید‌سیتریک

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی شیمی گرایش طراحی فرآیند دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران

4 کارشناسی ارشد، شرکت زرین گلبرگ خراسان، پارک علم و فناوری تربت حیدریه، خراسان، ایران

5 کارشناسی ارشد، جمعیت ایرانی علوم زعفران، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

10.22048/jsat.2022.318422.1445

چکیده

گلبرگ زعفران به عنوان یکی از منابع سرشار از آنتوسیانین شناخته می‌شود. با توجه به ماهیت ضایعاتی این بافت گیاهی در حال حاضر و آمار تولید قابل توجه این گیاه و مصرف بالای آنتوسیانین به عنوان رنگ خوراکی مجاز در کشور ایران، می‌توان استخراج صنعتی آن را مد نظر قرار داد. در این پژوهش برای اولین بار با رویکردی صنعتی (تعیین پارامترها با درنظر گرفتن استخراج صنعتی) شرایط استخراج آنتوسیانین منومری از گلبرگ زعفران با استفاده از تک حلال اسید‌سیتریک مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله دلایل این انتخاب برای جایگزین سایر حلال‌های مورد بررسی قرار گرفته مطالعات پیشین، می‌توان به دردسترس و مجاز بودن مصرف این ماده در صنعت غذایی اشاره کرد. متغیرهای نسبت حلال به بافت گیاهی خشک در بازه 10 الی 60 میلی‌لیتر بر گرم، دمای استخراج در بازه 25 الی 35 درجه سانتی‌گراد، درصد غلظت حلال در بازه 5 الی 20 و زمان استخراج 2 الی 120 دقیقه برای انجام آزمایش‌ها در نظر گرفته شدند. جهت بدست آوردن بهترین شرایط استخراج آنتوسیانین از گلبرگ زعفران، مدل بدست آمده از روش سطح-پاسخ مورد بهینه سازی قرار گرفت. با توجه به ضرایب بدست آمده، نسبت حلال به گلبرگ، شاخص ترین متغیر استخراج شناخته شد. نسبت حلال به گلبرگ 10 میلی‌لیتر بر گرم، درصد غلظت حلال 04/5، دمای استخراج 25 درجه سانتی‌گراد و زمان استخراج 555/179 دقیقه به عنوان شرایط بهینه استخراج تعیین شدند. برای بهینه‌سازی، زمان استخراج تا 180 دقیقه درنظر گرفته شد. پیش‌بینی مدل نیز از میزان آنتوسیانین استخراجی در زمان بهینه 944/688 میلی‌گرم بر لیتر بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Surface-Response Optimization of Anthocyanin Extraction from Saffron Petals Using Citric Acid Solvent

نویسندگان [English]

  • Seyed Mohammad Reza Naghibi Hoseini 1
  • Hossein Ali Akhlaghi Amiri 2
  • Ali Garmroudi Asil 3
  • Mahmoud Mohammadzadeh 4
  • Abbas Hemmati Kakhki 5
1 MSc. Student, Department of Chemical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Associate Professor, Department of Chemical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Assistant Professor, Department of Chemical Engineering, University of Bojnord, Bojnord, Iran
4 MSc., Zarrin Golbarg Khorasan, Khorasan, Iran
5 MSc., Iranian Association of Saffron Sciences, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Saffron petals are known as one of the richest sources of anthocyanin. Considering the significant production statistics of this plant and high consumption of anthocyanin as an authorized food color in Iran, its industrial extraction can be worthy to be considered. In this study, with an industrial approach (determination of parameters considering industrial extraction), conditions for extracting monomeric anthocyanin from saffron petals using a single solvent of citric acid have been investigated, for the first time. Among the reasons for this choice to replace other solvents studied in previous studies, we can mention the availability and allowability of this substance in the food industry. The variables of solvent to dry plant tissue ratio in the range of 10 to 60 ml/g, extraction temperature in the range of 25 to 35 °C, solvent concentration percentage in the range of 5 to 20 and extraction time of 2 to 120 minutes were considered for this experiment. After obtaining the most appropriate model to the laboratory data output, using the surface-response method, extraction conditions were optimized in order to achieve the highest amount of extracted anthocyanin. According to the obtained coefficients, ratio of solvent to dry petals was recognized as the most significant extraction variable. Solvent ratio to dry petals of 10 ml/g, solvent concentration percentage of 5.04, extraction temperature of 25 °C and extraction time of 179.555 minutes were determined as the optimal extraction conditions. Extraction time of up to 180 minutes was considered to optimize. Model predicted the amount of extracted anthocyanin in the optimal conditions was 688.944 mg/l.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Anthocyanin
  • Extraction
  • Surface-Response
  • Saffron petals
  • Citric acid
 
Amelia, F., Galih, N.A., Arini, M., Alia, N.F., Sisca, U., and Mimiek M. 2013. Extraction and stability test of anthocyanin from Buni fruits (Antidesma bunius L) as an alternatsive natural and safe food colorants.Journal of Food and Pharmaceutical Sciences 1: 49-53.
Andersen, M. 1987. Anthocyanins in fruits of Vaccinium uliginosum L. (Bog Whortleberry). Journal of Food Science 52 (3): 665-666.
Azghandi Fardaghi, A., Es-haghi, A., Feizy, J., and Lakshmipathy, R. 2021. Antioxidant capacity and chemical composition of different parts of saffron flowers. Journal of Food and Bioprocess Engineering 4 (1): 69-74.
Bronnum-Hansen, K., and Flink, J.M. 1985. Anthocyanin Colourants From elderberry (Sambucus nigra L.) process considerations for production of a freeza dried product. Journal of Food Technology 20: 713-723.
Cacace, J.E., and Mazza, G. 2003. Optimization of extraction of anthocyanins from black currants with aqueous ethanol. Journal of Food Science 68: 240-248.
Carvalho, F.B., Gutierres, J.M., Bohnert, C., Zago, A.M., Abdalla, F.H., Vieira, J.M., Palma, H.E., Oliveira, S.M., Spanevello, R.M., Duarte, M.M., Lopes, S.T.A., Aiello, G., Amaral, M.G., Pippi, N.L., and Andrade, C.M. 2015. Anthocyanins suppress the secretion of proinflammatory mediators and oxidative stress, and restore ion pump activities in demyelination. The Journal of Nutritional Biochemistry 26: 378-390.
Castañeda-Ovando, A., Pacheco-Hernández, M.d.L., Páez-Hernández, M.E., Rodríguez, J.A., and Galán-Vidal, C.A. 2009. Chemical studies of anthocyanins: A review. Food Chemistry 113: 859-871.
Fuleki, T., and Francis, F.J. 1968. Quantitative methods for anthocyanins. Journal of Food Science 33: 266-274.
Ghiselli, A., Nardini, M., Baldi, A., and Scaccini, C. 1998. Antioxidant activity of different phenolic fractions separated from an Italian red wine. Journal of Agricultural and Food Chemistry 46: 361-367.
He, J., and Giusti, M.M. 2011. High-purity isolation of anthocyanins mixtures from fruits and vegetables–A novel solid-phase extraction method using mixed mode cation-exchange chromatography. Journal of Chromatography A1218: 7914-7922.
Hemmati Kakhki, A., Hoseini, K., and Rahimi, S. 1994. Search and extraction of Khorasan saffron petal anthocyanin and study of its stability in a model beverage. MSC dessertation, Department of Agriculture and Food Industries of Khorasan Research Institute, Mashhad.
Kafi, M. 2006. Saffron (Crocus sativus) Production and Processing: Science Publishers, New York.
Kapasakalidis, P.G., Rastall, R.A., and Gordon, M.H. 2006. Extraction of polyphenols from processed black currant (Ribes nigrum L.) Residues. Journal of Agricultural and Food Chemistry 54: 4016-4021.
Kong, J.M., Chia, L.S., Goh, N.K., Chia, T.F., and Brouillard, R. 2003. Analysis and biological activities of anthocyanins. Phytochemistry 64: 923-933.
Koocheki, A., Taherian, A.R., Razavi, S.M.A., and Bostan, A. 2009. Response surface methodology for optimization of extraction yield, viscosity, hue and emulsion stability of mucilage extracted from Lepidium perfoliatum seeds. Food Hydrocolloids 23 (8): 2369-2379.
Lee, J., Rennaker, C., and Wrolstad, R.E. 2008. Correlation of two anthocyanin quantification methods: HPLC and spectrophotometric methods. Food Chemistry 110 (3): 782-786.
Mahdavee Khazaei, K., Jafari, S.M., Ghorbani, M., and Hemmati Kakhki, A. 2014. Optimization of anthocyanin extraction in Saffron's petal with response surface methodology: JRIFST 3: 37-50.
Metivier, R.P., Francis, F.J., and Clydesdale, F.M. 1980. Solvent extraction of anthocyanins from wine pomace. Journal of Food Science 45: 1099-1100.
Ni, P.B.T.D., Ni, M.A.S.S., and I, G.P.M. 2020. Extraction and stability of natural dyes from the skin of red dragon fruit.Sustainable Environment Agricultural Science 4: 130-141.
Parabavathy, N., Shalini, S., Balasundaraprabhu, R., Dhayalan Velauthapillai., Prasanna, S., Walke, P., and Muthukumarasamy, N. 2017. Effect of solvents in the extraction and stability of anthocyanin from the petals of Caesalpinia pulcherrima for natural dye sensitized solar cell applications. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 28: 9882-9892.
Tedesco, I., Luigi Russo, G., Nazzaro, F., Russo, M., and Palumbo, R. 2001. Antioxidant effect of red wine anthocyanins in normal and catalase-inactive human erythrocytes. The Journal of Nutritional Biochemistry 12: 505-511.
Vatai, T., Škerget, M., Knez, Ž., Kareth, S., Wehowski, M., and Weidner, E. 2008. Extraction and formulation of anthocyanin-concentrates from grape residues. The Journal of Supercritical Fluids 45: 32-36.
Vrhovsek, U., Masuero, D., Palmieri, L., and Mattivi, F. 2012. Identification and quantification of flavonol glycosides in cultivated blueberry cultivars. Journal of Food Composition and Analysis 25: 9-16.
Wilska J., Jeszka, J., and Zajac, K. 1991. Anthocyanin as natural food colourants. I. F. I. 3: 10-15