استخراج پکتین از پوست لیموترش با کمک امواج فراصوت: مدل سازی و بهینه سازی پارامترهای فرآیند

چکیدهسابقه و هدف:در سال های اخیر، بهره برداری پایدار و ارزش افزایی ضایعات کشاورزی در چارچوب اصول شیمی سبز مورد توجه گسترده قرار گرفته است. پکتین به عنوان یک زیست پلیمر کارآمد با ویژگی های ژل دهندگی، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری، گزینه ای مناسب برای تولید بسته بندی های خوراکی و زیست پایه و جایگزینی پلاستیک های مشتق از نفت به شمار می رود. پوست لیموترش، به عنوان یکی از فراورده های جانبی کم ارزش صنایع آبمیوه گیری، منبعی غنی و اقتصادی برای تولید پکتین با کیفیت بالا است. روش های مرسوم استخراج پکتین بر پایه حرارت و اسیدهای معدنی، علاوه بر چالش های زیست محیطی، موجب تخریب ساختار مولکولی و افت کیفیت عملکردی آن می شوند. در این پژوهش، با بهره گیری از فناوری فراصوت و مدل سازی سطح پاسخ (RSM)، شرایط بهینه استخراج پکتین از پوست لیموترش تعیین شد تا امکان دستیابی به بیشترین بازده و کاربرد موثر آن در بسته بندی های زیست پایه فراهم شود.مواد و روش ها:پوست تازه لیموترش پس از جداسازی، شست وشو، خشک سازی و آسیاب، برای استخراج پکتین آماده شد. استخراج در محیط محلول سیتریک اسید و تحت تاثیر متغیرهای دامنه امواج فراصوت (۶۰، ۸۰ و ۱۰۰ درصد)، زمان فرآیند (۴، ۸ و ۱۲ دقیقه) و pH (۱، ۲ و ۳) انجام گرفت. نسبت جامد به مایع در تمامی تیمارها برابر ۱:۱۵ (وزنی/حجمی) بود. پکتین استخراج شده با اتانول رسوب داده شد، سپس خشک و به صورت پودر یکنواخت تهیه گردید و بازده آن به روش وزنی محاسبه شد. طراحی آزمایش ها بر اساس طرح باکس–بنکن در چارچوب روش سطح پاسخ انجام گرفت. تحلیل داده ها با نرم افزار Design Expert V۱۳ انجام شد و مدل چندجمله ای درجه دوم برای تبیین اثرات اصلی، درجه دوم و متقابل عوامل استخراج توسعه یافت. اعتبار مدل از طریق مجموعه ای از آزمون های آماری شامل تحلیل واریانس، ضریب تعیین، نسبت دقت کافی و تحلیل مانده ها ارزیابی شد.یافته ها:مدل پیشنهادی برازش بسیار مطلوبی با داده های تجربی نشان داد (۹۹۵۷/۰R²=، ۹۸۷۸/۰Adjusted R²=، ۹۳۰۶/۰Predicted R²=، ۰۲/%۵CV=). آزمون عدم برازش نیز معنی دار نبود (۰۵/۰P>) که صحت و کفایت مدل را تایید می کند. بررسی نمودارهای پراکندگی و احتمال نرمال مانده ها نیز بیانگر نرمال بودن خطاها، نبود نقاط پرت و یکنواختی مناسب پراکنش مانده ها بود. بر اساس تحلیل واریانس، pH موثرترین عامل کنترل کننده بازده استخراج پکتین شناخته شد (۰۰۰۱/۰P<، ۳۹/۲۳β=+)؛ در حالی که دامنه امواج و زمان استخراج نیز اثرات مثبت، اما کمتر از pH داشتند. با استفاده از تابع مطلوبیت درینگر، شرایط بهینه استخراج شامل دامنه ۴۲/۸۸ درصد، زمان ۴۸/۱۰ دقیقه و pH برابر با ۰۴/۱ تعیین گردید. تحت این شرایط، بازده پیش بینی شده برابر با ۱۳/۴۸ درصد و سطح مطلوبیت کلی برابر با ۱۰۰ درصد بود. انجام آزمایش تاییدی در همین شرایط منجر به بازده تجربی ۱۶/۴۶ درصد شد که اختلاف اندک میان مقادیر پیش بینی شده و تجربی، اعتبار و دقت بالای مدل بهینه سازی را تایید می کند.نتیجه گیری:امواج فراصوت به عنوان روشی کارآمد و سازگار با اصول شیمی سبز، کارایی بالایی در استخراج پکتین از منابع گیاهی نشان می دهند. ترکیب این فناوری با مدل سازی آماری مبتنی بر روش سطح پاسخ، امکان پیش بینی دقیق رفتار فرآیند، بهینه سازی هم زمان عوامل موثر و کاهش تعداد و هزینه آزمایش ها را فراهم می کند. یافته های پژوهش حاضر نشان داد که شرایط اسیدی و دامنه بالای امواج فراصوت به طور معنی داری موجب افزایش بازده استخراج پکتین می شود. پکتین حاصل از این روش سبز نیز ویژگی های مطلوبی برای کاربرد در تولید فیلم های خوراکی و بسته بندی های زیست پایه دارد. به طور کلی، نتایج این مطالعه چارچوبی علمی و کاربردی برای بهره برداری صنعتی از ضایعات مرکبات و تولید زیست پلیمرهای با ارزش افزوده در صنعت بسته بندی سبز ارائه می کند و می تواند زمینه ساز توسعه فناوری های پایدار مبتنی بر سامانه های پکتین–سلولز باشد.

کلیدواژه ها:

واژه های کلیدی: پکتین ، فراصوت ، روش سطح پاسخ (RSM) ، طراحی باکس بنکن ، استخراج سبز