استخراج و خالص سازی اسید آلژینیک از جلبکهای قهوه ای سواحل جنوب شرقی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران/پژوهشکده فناوریهای شیمیایی/گروه شیمی آلی و دارویی

چکیده

اسید آلژینیک پلی ساکاریدی با ارزش است که از جلبکهای قهوه ای استخراج و بعنوان تغلیظ کننده، قوام دهنده، پایدار کننده و توانایی تشکیل ژل بطور وسیعی در صنایع غذایی، دارویی، زیست پزشکی، آرایشی، نساجی، رنگ و چاپ استفاده می گردد. روش استخراج و شرایط محیطی از جمله عوامل تاثیرگذار بر بازده فرآیند استخراج بوده که بررسی آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد.
در این تحقیق از دو روش اسیدیفیکاسیون و کلسیفیکاسیون بمنظور مقایسه راندمان استخراج اسیدآلژینیک استفاده شده و تاثیر عواملی چون دما، غلظت و زمان جهت تعیین شرایط بهینه استخراج، بررسی گردیده است. از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز برای شناسایی و مقایسه اسید آلژینیک تهیه شده با نمونه استاندارد و از روشهای مندرج در رفرانس Food Chemicals Codex برای آنالیز آن استفاده گردیده است.
بر اساس این نتایج، بازده استخراج اسیدآلژینیک به روش کلسیفیکاسیون 8% افزایش نسبت به روش اسیدیفیکاسیون داشته است. علاوه براین غلظت 3% اسید مصرفی با زمان 2 ساعت ، غلظت4% قلیای مصرفی با زمان6 ساعت و نیز دمای Cͦ 40 پارامترهای محیطی مهم بر افزایش بازده استخراج تشخیص داده شد. نتایج بدست آمده از آنالیز اسید آلژینیک با میانگین خلوص 57/93%، خاکستر13/3%، کاهش وزن پس از خشک کردن 2/13%، خاکستر سولفاته 33/7%، فلزات سنگین برپایه سرب کمتر از 004/0%، سرب کمتر از ppm10 و آرسنیک کمتر از ppm3، همگی در محدوده مجاز تعیین شده بوده و لذا می تواند بعنوان اسیدآلژینیک با گرید غذایی معرفی گردد. داده های طیف سنجی نیز مطابقت کامل با نمونه استاندارد را نشان داده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Extraction and purification of alginic acid from brown algae on the east southern coast of Iran

نویسنده [English]

  • Mohammad haji abolhasani

Department of Chemical technology/Iranian Research Organization for Science and Technology/Tehran/Iran

چکیده [English]

Alginic acid is a valuable polysaccharide that is extracted from brown algae and used widely in the food, pharmaceutical, biomedical, cosmetic, textile, dyeing and printing industries as thickeners, emulsifiers, stabilizers and the ability to form gels. Extraction methods and environmental conditions are the factors of the influence on the extraction yield. Evaluation of these agents have particular importance.
In this research, alginic acid was extracted using acidification and calcification methods, and were compared with each other. Temperature, concentration and time were evaluated to determine optimal extraction conditions. FTIR spectroscopy was used to identify and compare the alginic acid sample with the standard. The alginic acid sample was analyzed by using the methods provided in food chemicals codex.
Based on the results, the extraction yield of alginic acid was increasing 8% by calcification method ratio to the acidification method. Effective parameters have been identified to increase the extraction yield of alginic acid, including the concentration of 3% mineral acid at 2 hours, 4% alkaline concentration at 6 hours and temperature of 40 °C. The results of analysis of alginic acid were with an average purity of 93.57%, total ash 3.13%, loss on drying 13.2%, sulfate ash 7.33%, heavy metals as lead less than 0.004%, lead and arsenic less than 10 ppm and 3 ppm respectively. These results were based on the specified range food chemicals codex, and therefore it was introduced as an alginic acid food grade. The FTIR spectrum from alginic acid sample showed in according to its standard sample.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sargassum sp. brown algae
  • Alginic acid
  • Extraction methods
  • Calcification
  • Acidification

استخراج و خالص سازی اسید آلژینیک از جلبکهای قهوه ای سواحل جنوب شرقی ایران

محمد حاجی ابوالحسنی*

ایران، تهران، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، پژوهشکده فناوریهای شیمیایی

تاریخ دریافت: 2/2/1399              تاریخ پذیرش: 11/5/1399

چکیده

اسید آلژینیک پلی ساکاریدی با ارزش است که از جلبکهای قهوه ای استخراج و بعنوان تغلیظ کننده، قوام دهنده، پایدار کننده و توانایی تشکیل ژل بطور وسیعی در صنایع غذایی، دارویی، زیست پزشکی، آرایشی، نساجی، رنگ و چاپ استفاده می گردد. روش استخراج و شرایط محیطی از جمله عوامل تاثیرگذار بر بازده فرآیند استخراج بوده که بررسی آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. در این تحقیق از دو روش اسیدیفیکاسیون و کلسیفیکاسیون بمنظور مقایسه بازده استخراج اسیدآلژینیک استفاده شده و تاثیر عواملی چون دما، غلظت و زمان جهت تعیین شرایط بهینه استخراج، بررسی گردیده است. از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز برای شناسایی و مقایسه اسید آلژینیک تهیه شده با نمونه استاندارد و از روشهای مندرج در رفرانس Food Chemicals Codex  برای آنالیز آن استفاده گردیده است. بر اساس این نتایج، بازده استخراج اسیدآلژینیک بروش کلسیفیکاسیون 8% افزایش نسبت بروش اسیدیفیکاسیون داشته است. علاوه بر این غلظت 3% اسید مصرفی با زمان 2 ساعت، غلظت4% قلیای مصرفی با زمان 6 ساعت و نیز دمای  Cͦ 40 پارامترهای محیطی مهم بر افزایش بازده استخراج تشخیص داده شد. نتایج بدست آمده از آنالیز اسید آلژینیک با میانگین خلوص 57/93% ، خاکستر13/3%، کاهش وزن پس از خشک کردن 2/13% ، خاکستر سولفاته 33/7% ، فلزات سنگین برپایه سرب کمتر از 004/0% ، سرب کمتر از  ppm10 و آرسنیک کمتر از ppm3، همگی در محدوده مجاز تعیین شده بوده و لذا می تواند بعنوان اسیدآلژینیک با گرید غذایی معرفی گردد. داده های طیف سنجی نیز مطابقت کامل با نمونه استاندارد را نشان داده است.

واژه های کلیدی: جلبک قهوه ای سارگاسوم، اسیدآلژینیک، روشهای استخراج، اسیدیفیکاسیون، کلسیفیکاسیون

* نویسنده مسئول، تلفن: 57416270 -021  ، پست الکترونیکی: haji_7368@yahoo.com

مقدمه

 

بطور کلی جلبکها به سه دسته کلی جلبکهای سبز(Chlorophyta)، قرمز (Rhodophyta) و قهوه ای(Phaeophyta) تقسیم بندی می شوند و بعنوان منبع انحصاری تولید فیکوکلوئیدهای تجاری و صنعتی مهم همچون کاراگینان، آگار، اسیدآلژینیک و فوکوئیدان بشمار می روند (31، 2، 24 و 17). همچنین جلبکها بجهت اینکه حاوی بیش از60 نوع عناصر کمیاب، کربوهیدرات، ید، برم، ویتامین و مواد زیست فعال هستند، بعنوان خوراک دام و کودزیستی برای محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار می گیرند (40 و 18). جلبکها دارای بافتهای نسبتا غیر متمایز یافته بوده که هرگز ریشه ، ساقه و برگهای حقیقی را تشکیل نمی دهند . پیکر یک جلبک بعنوان تال شناخته شده است که براین اساس در قلمرو بزرگ گیاهان غیر آوندی بنام تالداران قرار گرفته اند. جلبکهای قهوه ای یک گروه نسبتا بزرگ و متنوعی را از میان سایر جلبکها تشکیل می دهند که اکثرا ساکن سواحل صخره ای بوده و بخصوص در مناطق جزر و مدی شدید می رویند. لذا با نگهدارنده های قوی و منشعب خود به سنگ و صخره سفت شده اند. اسید آلژینیک پلی ساکارید طبیعی با ارزش در غشاء سلولی جلبکهای قهوه ای می باشد که بصورت ترکیب ساختمانی دیواره های سلولی آنها ، بشکل مخلوط نمکهای محلول و غیر محلول سدیم ، پتاسیم ، منیزیم و کلسیم وجود دارد (35 و 20). اسید آلژینیک اولین بار در سال 1881 توسط یک شیمیدان انگلیسی بنام Standford کشف شد. استخراج آلژینات از جلبکهای قهوه ای بکمک محلول رقیق قلیائی روشی است که از زمان استانفورد باقی مانده و بهمین علت به کلیه روشهای وابسته به قلیائی نام استانفورد اطلاق می گردد. دو روش متداول دیگر که بهبود یافته روش استانفورد می باشند، یکی روش Green΄s cold است که تحت دمای نسبتا پایین (C ͦ 10) انجام شده و غالبا برای فیلتر کردن از کمک فیلتر و فیلتراسیون تحت فشار و برای رنگبری از مواد سفیدکننده مناسب نظیر هیپوکلریت سدیم استفاده می گردد، لذا محصول سفیدتری تولید می شود. دیگری روش Le-Gloahec-Heter است که مزایایی نسبت به روش قبلی دارد، منجمله اینکه کدورت زدایی پساب با دمیدن حبابهای گاز درون محلول انجام می شود، لذا فیلتر کردن با کمک فیلتر و استفاده از فیلتر پرس ضرورتی ندارد و رنگبری با ژل جاذب رنگ و یا منعقد کننده پروتئینی انجام می شود. بنابراین رسوبدهی آلژینات کلسیم که برای سفیدگری و تخلیص بیشتر صورت می گیرد، می تواند حذف شود (3). آزمایشات انجام شده با روش 13C-NMR نشان داده که ساختار شیمیایی اسید آلژینیک متشکل از یک پلیمر خطی است که از دو واحد مونومری بنامهای بتا-دی-مانورونیک اسید(M) و آلفا-ال-گلورونیک اسید (G) و با پیوندگلیکوزیدی بین کربن شماره1 یک مونومر با کربن شماره4 مونومر دیگر تشکیل شده است (21 ،19، 11 و 28). توالی مونومرهایM&G می تواند درگونه های مختلف جلبک و یا حتی در بافت های مختلف یک گونه متفاوت باشد بطوریکه بلوکهای هموژن )محتوی (poly-G & poly-M و یا هتروژن با بلوکهای MG  است که این ساختار بر خواص فیزیکوشیمیایی آلژیناتها تاثیرگذار می باشد (36، 32، 8 و 16).

آلژیناتها بواسطه خواص کلوئیدی و غیر سمی بودن، از آنها بعنوان تغلیظ کننده، قوام دهنده و پایدارکننده و توانایی در

تشکیل ژل بطور وسیعی در صنایع غذایی، دارویی، زیست پزشکی، آرایشی، نساجی، کاغذ سازی، رنگ، چاپ و نیز دندانپزشکی برای ساخت قالب دندان مورد استفاده قرار می گیرند (1، 9، 33، 37 و 21). تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر، بجهت سازگاری آلژینات با بافت، از آن در مهندسی بافت، از جمله تولید نسوج بافت پوست، غضروف، استخوان، پانکراس، کبد، عضلات و اعصاب و نیز در انکپسوله کردن داروها برای آزادسازی کنترل شده آنها در سلول ها مورد استفاده قرارگرفته است (12، 26، 13 و 6).

دراین تحقیق استخراج اسید آلژینیک (C6 H8 O6)n از جلبکهای قهوه ای با استفاده از دو روش ارائه شده از سوی سازمان غذا و کشاورزی ملل متحد (Food and Agriculture Organization of the united nations) انجام شده است که در روش اول ابتدا ماده حدواسط کلسیم آلژینات حاصل و سپس تبدیل به اسید آلژینیک گردیده اما در روش دوم مستقیما اسید آلژینیک بدست می آید. تفاوت این دو روش در جداسازی های فیزیکی مورد نیاز (همچون فیلتراسیون محلول ویسکوز و آبگیری از رسوب ژلاتینی) در فرآیند استخراج بوده که بر راندمان محصول نهایی تاثیرگذار می باشد (27).

هدف اصلی در این پژوهش تهیه اسید آلژینیک با خلوص بالا (گریدغذایی) ازجلبک قهوه ای Sargassum sp. بومی ایران

 (واقع در سواحل جنوب شرقی) بود، لذا آنالیزها با استفاده از روشهای ارائه شده دررفرانس FCC 9th (Food chemical codex 9th edition) انجام گردیده و از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR) (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer) برای شناسایی و مقایسه با نمونه استاندارد آن، استفاده شده است. در این تحقیق اسیدآلژینیک بدو روش کلسیفیکاسیون (Calcification) و اسیدیفیکاسیون (Acidification) تهیه، مزایا و معایب هر دو روش نسبت بیکدیگر و بازده محصول مقایسه شده است. همچنین با بررسی عوامل محیطی تاثیرکذار بر استخراج از نظر دما، غلظت و زمان، شرایط بهینه استخراج اسیدآلژینیک تعیین گردیده است.

مواد و روشها

جمع آوری جلبک: جلبک قهوه ای Sargassum sp. از قسمتهای پایین و کم عمق بین جزر و مدی روی سطح بسترهای صخره ای دریای عمان در استان سیستان و بلوچستان، به عرض جغرافیایی حدود ΄17 ͦ 25 و طول جغرافیایی حدود΄39 ͦ 60 جمع آوری شده است. نمونه ها در محل جمع آوری شده با آب دریا شسته و به آزمایشگاه انتقال داده شد.

استخراج و خالص سازی به روش کلسیفیکاسیون: ابتدا جلبکهای جمع آوری شده از مواد زائد جدا گردیده، آنها را پس از شستشو در برابر جریان هوا قرار داده تا خشک گردد. جلبکهای خشک شده در محدوده مش cm1cm<a<8/0 آسیاب گردید. g100 جلبک خشک شده درmL200 اسید معدنی M1/0 بمدت یکساعت در دمای محیط غوطه ور نموده و با فیلتراسیون از محلول جدا شدند. سپس جلبکها در یک مخزن محتویmL200محلول هیدروکسید سدیم N 3% نرمال، در دمای Cͦ50 بمدت 3 ساعت همزده شد. در این مرحله محلول استخراج شده 5-3 برابر هم حجم خود با آب مقطر رقیق شد. سپس مقدار کمی ماده  Floculant (مثل پرلیت) به آن افزوده و حبابهای هوا بداخل این محلول دمیده شد تا ذرات ریزشناور (ناخالصیها) همراه با حبابهای هوا با تشکیل یک کیک برروی سطح محلول آمده و براحتی جمع آوری گردد. محلول نیمه شفاف حاصله بمدت 35دقیقه، با 1200دور در دقیقه و در دمای محیط سانتریفوژ گردید تا باقیمانده ذرات ریز احیانا باقیمانده، از محلول جدا شده و نهایتا محلول شفاف آلژینات سدیم حاصل گردد. به این محلول شفاف همراه با همزدن، mL600 محلول کربنات کلسیم10% اضافه نموده تا فیبر آلژینات کلسیم رسوب کند. پس از افزودن mL100محلول هیپوکلریت سدیم 12% به سوسپانسیون آلژینات کلسیم در آب جهت رنگبری، رسوب فیبری بوسیله یک غربال از محلول جدا و با آب شستشو داده شد. سپس آلژینات کلسیم را بترتیب به سه مخزن محتوی mL200 اسید معدنی M1/0 اضافه کرده و بعد از30دقیقه همزدن، نهایتا ماده جامد را که اسید آلژینیک خالص است، بوسیله یک غربال از محلول جدا کرده و با آب شستشو داده شد. pH در هر سه مخزن بایستی تا کمتر از 2 تنظیم گردد. بالاخره با فشرده شدن اسید آلژینیک فیبری شکل، محصول آبگیری شده بدست آمد (در این مرحله محصول حاوی 25% ماده خشک است). در انتهای این مرحله فیبرهای اسید آلژینیک بدست آمده بعد از خشک کردن در آون، آسیاب نموده و پودر حاصله توزین گردید (39 و 27).

استخراج و خالص سازی به روش اسیدیفیکاسیون: دراین روش تا تهیه محلول شفاف آلزینات سدیم، مشابه روش کلسیفیکاسیون بوده اما بجهت اینکه فاقد مرحله آلزینات کلسیم بوده و مستقیما اسید آلزینیک تهیه می گردد، لذا مراحل بعدی آن بصورت زیر انجام شده است.

در این مرحله محلول آلژینات سدیم استخراج شده با mL300 محلول اسید معدنی M1/0، بمدت 45 دقیقه در دمای اتاق

عمل آوری شده و رسوب ژلاتینی اسید آلژینیک تشکیل شد. ژل بدست آمده ابتدا با نیروی فشار پرس فشرده شدند تا آب بین ژلها خارج گردد. سپس ژل را با mL250 اتانول مخلوط کرده تا بصورت رسوب درآید (این مرحله محصول حاوی15% ماده خشک است). رسوب حاصله را بعد از فیلتراسیون در آون گذاشته، خشک گردید. بعد از آن اسید آلژینیک خشک شده را آسیاب نموده و پودر حاصله توزین گردید. در انتها حلال را نیز بازیافت کرده تا مجددا قابل استفاده شود (39 و 27).

آزمایشات بهینه سازی استخراج: بجهت بالاتر بودن بازده اسیدآلژینیک حاصل از روش کلسیفیکاسیون نسبت به روش اسیدیفیکاسیون، از این روش برای آزمایشات بهینه سازی استفاده شده است. لذا عوامل محیطی تاثیرگذار بر بازده فرآیند استخراج همچون دما، غلظت و زمان جهت بهینه سازی شرایط استخراج اسیدآلژینیک مورد توجه قرار گرفت.در این راستا کل فرآیند استخراج اسید آلژینیک بدو قسمت کلی شامل: مرحله شستشوی اسیدی و مرحله هضم یا استخراج قلیایی تقسیم بندی گردیده است.

شستشوی اسیدی: تیمار جلبک با اسید معدنی منجر به حذف کلیه ترکیبات فنلی محلول در اسیدگردیده، لذا استخراج کارآمدتر، محصول کم رنگتر و افت ویسکوزیته در طول استخراج کاهش می یابد. سه فاکتور در طی این آزمایشات همزمان بررسی شدند. ابتدا اسید با سه غلظت1%، 3% و 5% آماده گردیده و سپس عملیات اسیدی در هر غلظت، در سه زمان 2، 4 و 8 ساعت و سه دمای  Cͦ 40،20 و60 و با سه بار تکرار انجام شده است.

هضم یا استخراج قلیایی: پارامترهای مورد بررسی دراین مرحله شامل درصد قلیا مصرفی (2%، 4% و 8%)، زمان عملیات اسخراج (4،2و 8 ساعت) و دمای استخراج ( Cͦ 40،20و60) بوده که بطور همزمان بررسی شده است. در این آزمایشات ابتدا قلیا با سه غلظت متفاوت تهیه گردیده و سپس عملیات استخراج قلیائی در هر غلظت، در سه زمان و سه دمای فوق الذکر و با سه تکرارانجام شده است.

تجزیه و تحلیل آماری: در بررسی تاثیر عواملی محیطی دما، غلظت و زمان (بعنوان متغیر مستقل) بر بازده محصول (بعنوان متغیر وابسته)، از روش one-way ANOVA و نرم افزار minitab 17 استفاده شده است. سطح معناداری (α) برای همه آزمونهای آماری 05/0 بود. در آنالیز واریانس one-way ANOVA از روش تست Tukey΄s HSD بمنظور ارزیابی عوامل محیطی موثر بر بازده محصول، برای اندازه گیری میزان محصول استفاده گردیده است. نتایج آزمایشات نیز با استفاده از Excel 2003 بصورت  Mean±SD از سه تکرار،گزارش شده است.

آزمایشات شناسایی کیفی مطابق با رفرانسFCC (14)

آزمایش با کلرورکلسیم (TS= Test Solution) : g1اسیدآلژینیک رادرmL150هیدروکسی سدیمN1/0حل کرده، بهmL5 از این محلول آماده شده،mL1 کلرور کلسیم TS (5/7%) اضافه شد تا رسوب حجیم ژلاتینی تشکیل گردد.

آزمایش با اسید سولفوریک رقیق TS : g1اسیدآلژینیک رادرmL150هیدروکسی سدیمN1/0حل کرده، بهmL5 از این محلول آماده شده، mL1اسیدسولفوریک رقیقTS (10%) اضافه شد تا رسوب توده ای و متراکم ژلاتینی تشکیل گردد.

آزمایش با رزورسینول (Resorcinol): بحدود mg5 اسیدآلژینیک در لوله آزمایش محتویmL5 آب مقطر، mL1محلول1% نفتول رزورسینول در الکل تازه تهیه شده وmL5 اسیدکلریدریک اضافه کرده و تا بجوش آمدن حرارت داده شد و بآرامی بمدت 3دقیقه جوشاندن ادامه یافت. تاحدود  Cͦ 15 آنرا سرد کرده و محتویات لوله آزمایش با کمکmL5 آب مقطر به یک دکانتور انتقال یافته و با mL15 ایزوپروپیل اتر استخراج گردید. بطور همزمان آزمایش شاهد نیز به همین روش انجام شده است. در حدفاصل فاز آبی و فاز اتری بایستی رنگ بنفش تیره تری در نمونه محتوی اسید آلژینیک نسبت به شاهد، ظاهرگردد.

روش اندازه گیری کاهش وزن پس از خشک کردن(روش وزنی Gravimetric determination): 2-1 گرم نمونه اسیدآلژینیک تهیه شده را دقیقا وزن کرده به ظرفی که قبلا وزنش تثبیت شده، منتقل گردید. مجددا ظرف را همراه با محتویاتش وزن کرده، آنرا به آون که دمای آن در  Cͦ 105 تنظیم شده منتقل نموده تا بمدت 4 ساعت در این دما در آون بماند. سپس ظرف محتوی نمونه را از آون خارج کرده و در دسیکاتور قرار داده و پس از رسیدن به دمای محیط، وزن گردید. اختلاف در توزین نمونه قبل از حرارت دادن و بعد از حرارت دادن میزان کاهش وزن نمونه را نشان می دهد که حد مجاز آن طبق رفرانسFCC، حداکثر 15%می باشد (14) .

روش اندازه گیری خاکسترتام (Total ash): 3 گرم از نمونه اسیدآلژینیک تهیه شده را دقیقا وزن کرده به یک کروزه که قبلا وزنش تثبیت شده، منتقل گردید. کروزه را درکوره با دمای  Cͦ 650 (بمدت 20 تا 35 دقیقه) حرارت داده تا احتراق کامل صورت گرفته و بدون کربن شود. سپس کروزه از کوره خارج و در دسیکاتور قرار داده تا پس از رسیدن به دمای محیط، توزین گردد. اختلاف وزن نمونه قبل از احتراق و بعد از احتراق، میزان خاکستر نمونه را نشان می دهد که حد مجاز درصد خاکستر طبق رفرانسFCC، حداکثر 4% می باشد (14).

روش اندازه گیری خاکسترسولفاته (Sulfated ash): نمونه مشتعل شده و تا زمانیکه فقط خاکستر و کربن باقی بماند، سوزانده می شود. پس ازخنک شدن، باقیمانده با اسید سولفوریک واکنش داده و تا کامل شدن اکسایش کربن، در یک کوره الکتریکی با دمای°C25±775 حرارت داده شد. سپس خاکستر خنک شده، دوباره با اسید سولفوریک واکنش داده و تا رسیدن به وزن ثابت در دمای°C25±775 حرارت داده شد. حد مجاز درصد خاکستر سولفاته طبق رفرانسFCC ، حداکثر 8% میباشد (14).

روش اندازه گیری فلزات سنگین برپایه سرب: ابتدا بایستی محلول استاندارد سرب تهیه شود که هر میلی لیتر آن معادل10 میکروگرم یون سرب باشد.. برای تهیه محلول استاندارد سربmL10 محلول ذخیره نیترات سرب (mg8/159 نیترات سرب که باmL100 آب مقطر حاوی mL1 اسید نیتریک غلیظ به حجم رسانده شده است) با آب مقطر تا mL100رقیق گردید. mL2 از محلول استاندارد سرب (20میکروگرم سرب) را به یک تیوپ مقایسه رنگ mL50، منتقل کرده و به آن تا mL25 آب مقطر اضافه شد. سپس pH آن بین 3 و 4 تنظیم و با آب مقطر تا mL40رقیق گردید. سپس برای تهیه محلولی از نمونه، mg500 اسیدآلژینیک تهیه شده را دقیقا وزن و به یک کروزه منتقل و با اسید سولفوریک بطور کامل مرطوب گردید. بعد محتویات کروزه با هیتر یا شعله سوزانده تا ذغال گردد. پس از کربونیزه شدن نمونه، به آنmL2 اسیدنیتریک و 5 قطره اسید سولفوریک افزوده، در کوره با دمای Cͦ600-500 قرار گرفته تا کاملا ذغال گردد. سپس کروزه را از کوره خارج کرده، تا خنک شود. به آنmL4 اسید کلریدریک رقیق افزوده، کروزه را روی حمام بخار قرار داده تا حل شود. سپس درب کروزه را برداشته تا روی حمام بخار تبخیر و خشک گردد. باقیمانده را با یک قطره اسید کلریدریک مرطوب نموده و به آن mL10 آب مقطر داغ افزوده تا حل شود. با افزودن محلول آمونیاک، محلول را قلیایی و با آب مقطر تا mL25 رقیق کرده و pH آن بین 3 و 4 تنظیم گردید. در صورت نیاز فیلتراسیون نموده و محلول زیر صافی را به یک تیوپ mL50 مقایسه رنگ منتقل و با آب مقطر تا mL40رقیق گردید. در این مرحله به هریک از محلولهای استاندارد و نمونه، mL10 سولفید هیدروژن تازه تهیه شده افزوده بعد از 5 دقیقه، رنگ محلولها از بالا به پایین مقایسه گردید. طبق رفرانسFCC، رنگ محلول نمونه نباید از رنگ محلول استاندارد که محتوی 004/0% فلزات سنگین برپایه سرب است، تیره تر باشد (14).

روش اندازه گیری سرب: این تست با استفاده از روش دی تیزون انجام شده است. ابتدا بایستی محلول استاندارد سرب تهیه شود که هر میلی لیتر آن معادل10 میکروگرم یون سرب باشد (در آزمایش قبل توضیح داده شده است). سپس برای تهیه محلولی از نمونه،g 10 از اسیدآلژینیک تهیه شده را در یک ظرف شیشه ای ریخته، به آن حداکثرmL10 اسید سولفوریک افزوده و در دمای Cͦ 120 حرارت داده شد. در ادامه، هیدروژن پر اکسید30% اضافه کرده تا ماده آلی آن کاملا از بین برود. دما را نیز تا  Cͦ300-250 افزایش داده تا بخارات تری اکسید گوگرد خارج گردد و محلول بیرنگ یا زرد کمرنگ بماند. سپس آنرا سرد و mL10 آب مقطر به آن اضافه کرده، دوباره تبخیر نموده و به یک دکانتور منتقل و mL6 آمونیم سیترات و mL2 هیدروکسیل آمین هیدروکلراید و 2 قطره فنل رد اضافه گردید، که با افزودن آمونیاک غلیظ به آن قلیایی می شود. سپس آنرا سرد نموده، mL2 پتاسیم سیاناید به آن اضافه کرده و بلافاصله باmL5 دی تیزون استخراج و قسمتهای استخراج شده به دکانتور دیگر منتقل گردید. سپس در دکانتور mL20 اسید نیتریک 1% ریخته آنرا تکان داده تا دو فاز تشکیل گردید. لایه کلروفرمی را دور ریخته و به لایه اسیدی mL5 محلول استاندارد دی تیزون و mL4 محلول آمونیاکی سیانید اضافه کرده و تکان داده شد. طبق رفرانس FCC، رنگ قرمز ارغوانی تیره ایجاد شده در محلول کلروفرمی نمونه مربوط به دی تیزونات سرب است که نباید از رنگ محلول شاهد که محتوی حجمی از محلول استاندارد سرب رقیق شده معادل ppm10 سرب است، تجاوز کند (14).

روش اندازه گیری آرسنیک: این تست بطریق رنگ سنجی بادی اتیل دی تیوکاربامات نقره تعیین شده است. آرسنیک بوسیله روی (Zn) در محلول اسید هیدروکلریک، احیاء شده و به آرسین تبدیل می شود. گاز آرسین در محلول دی اتیل دی تیوکاربامات نقره در پیریدین جذب می گردد و رنگ قرمز متمایل به ارغوانی حاصل از ذرات کلوئیدی نقره در حداکثر جذب (طول موج nm540) ایجاد می شود. اندازه گیری رنگ سنجی با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر UV–120-1 Shimadzu در طول موجnm540 انجام شده است. صفر دستگاه با محلول شاهد تنظیم و جذب محلول نمونه اسید آلژینیک ثبت گردید.

حجمهایی از محلول استاندارد آرسنیک که بترتیب دارای جرمی معادل 5/2 ، 5، 10، 15، 20 میلی گرم آرسنیک است، تهیه کرده و به هریک از آنها mL10 اسید کلریدریک37% افزوده، حجم محلولها با آب مقطر به mL40رسید. سپس mL2 محلول یدید پتاسیم 15% و mL2 محلول کلرید قلع اسیدکلریدریکی (g40کلرید قلع دوآبه که در مخلوط mL25 آب مقطر و mL75 اسید کلریدریک حل شده است)  به آنها اضافه کرده، همزده شد. سپس منحنی کالیبراسیون محلولهای استاندارد آرسنیک رسم گردیده تا مقدار آرسنیک موجود در نمونه مورد آزمایش مشخص گردد.g 10 از نمونه اسیدآلژینیک تهیه شده را نیز برداشته و محلولی از آن به همین روش تهیه گردید. طبق رفرانس FCC، حد مجاز آرسنیک حداکثر ppm3 می باشد (14).

روش اندازه گیری درجه خلوص: mg250 اسیدآلژینیک تهیه شده را که قبلا در دمای Cͦ 105 بمدت4 ساعت خشک گردیده بود، به بالن واکنش(D) منتقل و mL30 اسید کلریدریکN1/0 به آن اضافه شد، بالن به مبرد (F) متصل و سیستم از نظر نشتی نیز کنترل گردید. ابتدا جریان هوای بدون CO2 بمیزان mL/h3000-6000 و بمدت10دقیقه از دستگاه عبور داده و قطع گردید. حمام روغن (E) در دمای Cͦ 145 تنظیم و نمونه داخل بالن واکنش(D) حرارت داده شد، سپس حرارت را قطع کرده تا نمونه خنک شود. mL23 اسید کلریدریک بداخل گیرنده (G) ریخته شد. ستون جذب (L) بسرعت از سیستم جدا شده، mL25 هیدروکسید سدیم N25/0 و 5 قطره -nبوتانل بداخل آن ریخته، مجددا متصل شد. سپس هوای بدون CO2 بمیزان mL/h2000 وارد دستگاه و اسیدکلریدریک نیز از طریق گیرنده (G) به بالن واکنش (D) اضافه گردید و حرارت داده شد. بعد از گذشت2 ساعت، حرارت دهی و جریان هوا قطع گردید. سپس باقیمانده هیدروکسید سدیم موجود در ستون جذب(L) را سه بار و هر بار با mL15 آب مقطر شسته  و محلول شستشو با استفاده از هوای بدون CO2 بدرون ارلن مایر (K) منتقل گردید. در ادامه ارلن مایر (K) را برداشته، mL10 محلول کلرورباریم10% در آن ریخته و بآرامی تکان داده شد. بعد فنل فتالئین به آن افزوده و با محلول اسید کلریدریک N1/0 تیترگردید. هر میلی لیتر محلولN25/0سود مصرف شده در این بخش معادلmg5/5 دی اکسید کربن است. مقدار20% دی اکسید کربن معادل91% اسید آلژینیک در نمونه است (14). بطور همزمان آزمایش شاهد نیز به همین روش انجام شده است.

روش تجزیه دستگاهی باFTIR: از این روش طیف سنجی برای تعیین گروههای عاملی که در اسید آلژینیک حضوردارند، استفاده شده است. این آزمون با استفاده از دستگاه Pu  9624  FTIR  Spectrometer از شرکت Philips و با تهیه قرص KBr از نمونه ها، طیف گیری شده است. mg1 از نمونه اسید آلژینیک تهیه شده و نمونه استاندارد آن برای تهیه mg100 قرص KBr بدون آب (هر کدام بطور جداگانه) استفاده شد. طیف سنجی در دمای اتاق و در محدوده طول موجcm-14000-400 انجام گردید. در مجموع 50 اسکن برای هر یک از نمونه ها با وضوحcm-1 4 در نظر گرفته شده است.

نتایج

مشخصات فیزیکوشیمیایی اسیدآلژینیک: در جدول شماره1 شاخصهای کمی و کیفی اسید آلژینیک (گرید غدایی) استخراج شده از رفرانس FCC، نشان داده شده که نتایج گرفته شده از نمونه اسید آلژینیک نهیه شده نیز منطبق با مشخصات مندرج در این جدول بدست آمده است.

 

 

جدول 1- مشخصات فیزیکوشیمیایی اسید آلژینیک

ردیف

نوع آزمایشات

ویژگیها

1-

حلالیت

در آب و حلالهای آلی نامحلول، در محلولهای قلیایی بسهولت حل میگردد

2-

pH

4/3-2 (سوسپانسیون 3% آن در آب)

3-

آزمایش با کلرورکلسیمTS

ایجاد رسوب حجیم ژلاتینی

4-

آزمایش با اسیدسولفوریک رقیقTS

ایجاد رسوب توده ای متراکم ژلاتینی

5-

آزمایش با رزورسینول

ایجاد رنگ بنفش

6-

7-

8-

9-

10-

11-

12-

میزان خلوص اسیدآلژینیک

میزان خاکستر

میزان خاکسترسولفاته

میزان کاهش وزن پس ازخشک کردن

میزان فلزات سنگین برحسبPb

میزان سرب

میزان آرسنیک

حداقل91%

حداکثر4%

حداکثر 8%

حداکثر15%

حداکثر004/0%

حداکثرppm10

حداکثرppm3

                                                                              

 

 

نتایج مربوط به آزمایشات بهینه سازی شستشوی اسیدی: همانطورکه در نمودار شماره1 مشاهده می گردد در این مرحله غلظت 3% اسید مصرفی و زمان 2 ساعت بیشترین بازدهی (8/23%) را داشته، درحالیکه افزایش زمان (6 ساعت) و غلظت اسید مصرفی (%5) با کمترین بازدهی (9/%15)، کاهش تقریبا 8% را نشان داده است.

 

 

نمودار 1- اثر زمان و غلظت اسید بر بازده اسیدآلژینیک

معناداری باp-value<0.05

 

همانطورکه در نمودار شماره2 مشاهده می گردد، در این مرحله غلظت 3% اسید مصرفی و دمای Cͦ 40 بالاترین بازدهی (7/23%) را نشان داده، درحالیکه افزایش دما ( Cͦ 60) و غلظت اسید مصرفی (%5) با پایین ترین بازدهی (2/%16)، کاهش 5/7% را داشته است.

 

 

نمودار 2- اثر دما و غلظت اسید بر بازده اسیدآلژینیک

معناداری باp-value<0.05

 

نتیجه نهایی اینکه شرایط محیطی بهینه در این مرحله با غلظت 3% اسید مصرفی، زمان 2 ساعت و دمای  Cͦ 40 ساعت مشخص شده است. این در حالی است که هم افزایش همزمان دما و غلظت اسید و هم افزایش همزمان زمان و غلظت اسید، هردو اثر منفی بر بازده اسید آلژینیک نشان داده است.

نتایج مربوط به آزمایشات بهینه سازی هضم یااستخراج قلیایی: همانطور که در نمودار شماره3 مشاهده می گردد، در این مرحله تا غلظت 4% قلیای مصرفی و تا زمان 6 ساعت بالاترین بازدهی (48/%24) را نشان داده، درحالیکه افزایش بیشتر زمان (8 ساعت) و غلظت قلیای مصرفی (%8) تاثیر چندانی بر افزایش بازدهی (67/%24) نداشته است.

 

 

 

نمودار 3- اثر زمان و غلظت قلیا بر بازده اسیدآلژینیک

معناداری باp-value<0.05

 

 

همانطور که در نمودار شماره4 مشاهده می گردد، در این مرحله غلظت 4% قلیای مصرفی و دمای Cͦ 40 بیشترین بازدهی (36/24%) را داشته، درحالیکه افزایش دما ( Cͦ 60) و غلظت قلیای مصرفی (%8) با کمترین بازدهی (2/%15)، کاهش تقریبا 9% را نشان داده است.

 

 

 

نمودار 4- اثر دما و غلظت قلیا بر بازده اسیدآلژینیک

معناداری باp-value<0.05

 

نتیجه نهایی اینکه شرایط محیطی بهینه در این مرحله با غلظت 4% قلیای مصرفی، زمان 6 ساعت و دمای  Cͦ 40 مشخص شده است. این در حالی است که افزایش بیشتر زمان و غلظت قلیا  بطور همزمان تاثیر چندانی بر بازدهی  اسید آلژینیک را نشان نداده، اما افزایش همزمان دما و غلظت قلیا اثر منفی بر بازدهی آن داشته است.

نتایج مربوط به اندازه گیری میزان کاهش وزن پس ازخشک شدن، خاکسترتام و خاکسترسولفاته: نتایج گرفته شده از آزمایشات انجام شده برروی نمونه اسید آلژینیک تهیه شده (جدول شماره2) نشان داده است که درصد کاهش وزن پس از خشک کردن با میانگین 2/13% (با حد مجاز حداکثر 15%)، درصد خاکستر تام با میانگین 13/3% (با حد مجاز حداکثر 4%) و درصد خاکستر سولفاته با میانگین 33/7% (با حد مجاز حداکثر 8%)، همگی کمتر از حد مجاز تعیین شده (جدول شماره1)، می باشند.

 

جدول 2- نتایج اندازه گیری میزان کاهش وزن پس از خشک شدن، خاکستر و خاکسترسولفاته

ردیف

وزن نمونه

درصد کاهش وزن پس از خشک کردن

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (g124/1)

آزمایش دوم (g121/1)

آزمایش سوم (g118/1)

18/0±6/13%

14/0±2/13%

12/0±8/12%

 

2/13%

ردیف

وزن نمونه

درصد خاکستر تام

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (g114/3)

آزمایش دوم (g108/3)

آزمایش سوم (g103/3)

15/0±5/3%

13/0±2/3%

11/0±7/2%

 

13/3%

ردیف

وزن نمونه

درصد خاکستر سولفاته

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (g141/3)

آزمایش دوم (g132/3)

آزمایش سوم (g154/3)

19/0±4/7%

16/0±9/6%

23/0±7/7%

 

33/7%

 

 

نتایج مربوط به اندازه گیری فلزات سنگین برحسب Pb: رنگ محلول نمونه اسید آلژینیک تهیه شده روشن تر از نمونه استاندارد آن (محتوی 004/0% سرب) مشاهده گردید که کمتر از حد مجاز تعیین شده (جدول شماره1)، می باشد.

نتایج مربوط به اندازه گیری سرب: رنگ قرمز ارغوانی محلـول نمونه اسید آلژینیـک تهیه شده روشن تر از نمونـه

 استاندارد آن (محتوی ppm10 سرب) مشاهده شد که کمتر از حد مجاز تعیین شده (جدول شماره1)، می باشد.

نتایج مربوط به اندازه گیری آرسنیک: نتایج جدول شماره 3 نشان می دهد که میزان آرسنیک نمونه اسید آلژینیک تهیه شده با میانگین ppm53/2، کمتر از حد مجاز تعیین شده (جدول شماره1)، می باشد.

نتایج مربوط به اندازه گیری خلوص: نتایج جدول شماره 4 نشان می دهد که درصد خلوص نمونه اسید آلژینیک تهیه شده با میانگین 57/93%، از حداقل خلوص تعیین شده (جدول شماره1)، بیشتر می باشد.

نتایج مربوط به راندمان محصول: همانطور که نتایج در جدول شماره 5 نشان می دهد روش کلسیفیکاسیون حدود 8% از راندمان محصول بالاتری نسبت به روش اسیدیفیکاسیون برخوردار است .

نتایج مربوط به طیف سنجیFTIR: نتایج طیف سنجی برای هر دو نمونه اسید آلژینیک استخراج شده از جلبکSargassum sp. و نمونه استاندارد در شکل شماره 1 نشان داده شده و مشخصات باندها در محدوده cm-13600-1400 در جدول شماره 6 بصورت خلاصه آورده شده است.

 

جدول 3- نتایج اندازه گیری آرسنیک

ردیف

وزن نمونه

میزان آرسنیک

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (g152/10)

آزمایش دوم (g145/10)

آزمایش سوم (g123/10)

ppm 7/2

ppm 5/2

ppm 4/2

 

ppm53/2

جدول 4- نتایج اندازه گیری میزان خلوص

ردیف

وزن نمونه

درصد خلوص

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (mg4/250)

آزمایش دوم (mg6/249)

آزمایش سوم (mg9/249)

21/0±5/92%

24/0±8/93%

18/0±4/94%

 

57/93%

 

جدول 5- نتایج مربوط به راندمان محصول (اسید آلژینیک)

ردیف

وزن نمونه

راندمان (با روش کلسیفیکاسیون)

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (g628/100)

آزمایش دوم (g543/100)

آزمایش سوم (g475/100)

31/0±2/25%

22/0±8/23%

34/0±6/24%

 

5/24%

ردیف

وزن نمونه

راندمان (با روش اسیدیفیکاسیون)

میانگین

1-

2-

3-

آزمایش اول (g528/100)

آزمایش دوم (g754/100)

آزمایش سوم (g643/100)

28/0±2/16%

42/0±6/17%

33/0±8/16%

 

87/16%

جدول شماره6- مشخصات باندهای اسیدآلژینیک گرفته شده ازطیفFT-IR

باندها

وظایف

باندپهن متمرکزشده درcm-13500

ارتعاشات کششی باند هیدروژندارO-H

سیگنال ضعیف درcm-12950

ارتعاشات کششیC-H

باندشدید درcm-11625

ارتعاشات کششی نامتقارن کربوکسیلاتO-C-O

باندشدید درcm-11413

ارتعاشات کششی متقارن گروه کربوکسیلات

شکل 1- طیف FT-IR . (1) نمونه اسیدآلژینیک تهیه شده، (2) نمونه اسیدآلژینیک استاندارد

 

بحث

همانطور که نتایج نشان داده تفاوت قابل ملاحظه ای در بازده روشهای استخراج مشاهده شده (جدول شماره5) ، بطوریکه راندمان روش کلسیفیکاسیون (روش اول) با میانگین 5/24%، حدود 8% بالاتر از روش اسیدیفیکاسیون (روش دوم) با میانگین 87/16%  است. بنظر می رسد این افزایش ناشی از تفاوت در جداسازیهای فیزیکی انجام شده در هر دو روش باشد، بطوریکه رسوب آلژینات کلسیم بشکل فیبری براحتی هم قابل جداسازی بوده و هم قابل تبدیل به اسید آلژینیک می باشد، که هنوز در فرم فیبری قرار دارد. مضافا اینکه آبگیری از اسید آلژینیک که بشکل فیبری (محصول روش اول) می باشد در مقایسه با شکل ژلاتینی آن (محصول روش دوم) راحتتر انجام می گردد. این مسئله بخصوص در مقیاس صنعتی، انجام فرآیند تولید و بازده محصول نقش تعیین کننده داشته و از نظر توجیه اقتصادی نیز بسیار حائز اهمیت می باشد. اگر چه روش دوم در انجام یک مرحله که تشکیل آلژینات کلسیم است، صرفه جوئی نموده ولی این روش معایب زیر را دارد: اولا زمانیکه اسید آلژینیک در این فرآیند رسوب می کند بشکل یک رسوب ژلاتینی می باشد که جداسازی آن بسیار مشکل خواهد بود. ثانیا افت نهایی اسید آلژینیک در این روش نسبت به روش اول حدود 8% را نشان داده است و محتوای آب حتی در ژل اسیدی آبگیری شده، بالا می باشد. لذا بناچار برای تبدیل محصول به آلژینات سدیم، بایستی از حلال استفاده گردد که این امر فرآیند تولید را گران و احتمالا غیر اقتصادی نموده و بازیافت حلال نیز اجتناب ناپذیر خواهد بود. در مطالعاتی که توسط Viswanathan  و   Nallamuthuدر سال2014 برروی جلبکهای قهوه ای Chnoosporaimplexa و  Lobophora variegate انجام شده بازده اسخراج  بترتیب 15/29% و 57/27% ، در مطالعه دیگری که توسط Mushollaeni در سال 2011 برروی جلبکهای قهوه ای Sargassum crassifolium, Sargassun polycystum, Sargassum echinocarpum و Padina sp.  انجام شده بازده استخراج 5/30%-9/16%، همچنین در مطالعه ای که توسط Davis و همکارانش در سال 2004 برروی جلبکهای قهوه ای Sargassum fluitans و Sargassum oligocystum انجام شده، بازده استخراج بترتیب 5/24%-21% و 5/20%-3/16% گزارش گردیده (41، 29 و 7) که همه این نتایج، مطابقت با نتایج گرفته شده از روش کلسیفیکاسیون انجام شده در این تحقیق را (میانگین 5/24%) نشان داده است.

دما، غلظت و زمان از جمله پارامترهای تاثیرگذار بر بازده فرآیند استخراج است که دراین تحقیق به آن پرداخته شده، بطوریکه دمای  Cͦ 40 در هر دو مرحله شستشوی اسیدی و هضم قلیائی (نمودار های شماره2و 4)، غلظت3% اسید مصرفی و زمان 2 ساعت در مرحله شستشوی اسیدی (نمودار شماره1)، غلظت4% قلیای مصرفی و زمان 6 ساعت در مرحله هضم قلیائی (نمودار شماره3)، بالاترین تاثیر را بر راندمان استخراج اسیدآلژینیک داشته و بهترین شرایط جهت فرآیند استخراج می باشند. همانطور که نتایج نشان داده افزایش دما تا  Cͦ 40 (نمودار شماره4) موجب افزایش برخورد مولکولها با یکدیگر و نتیجتا افزایش نفوذ حلال شده که منجر به بالارفتن بازده استخراج گردیده است. درحالیکه افزایش بیشتر دما، کاهش بازده استخراج را در پی داشته که می تواند بدلیل تخریب در ساختار فضایی زنجیره های اسید آلژینیک ناشی از گسستن پیوند های هیدروژنی صورت گرفته باشد. ساختار سه بعدی مولکولهای کربوهیدرات بستگی به همان اصول ساختمان پلی پپتیدی دارد، زیرا واحدهای با ساختمان کم و بیش محکم حاصل از پیوندهای کووالان ساختمان های ماکرومولکولی سه بعدی ایجاد می نمایند که توسط واکنشهای متقابل ضعیف پایدار می گردند. بعلت وجود تعداد بسیار زیاد گروههای هیدروکسیل در پلی ساکاریدها، ایجاد اتصالات هیدروژنی دارای اثرات مهمی بر روی ساختمان آنها می باشد (12 و 31). مطابق با نتایج، عملیات مقدماتی اسیدی کردن جلبک در طی 2 ساعت و با یک اسید معدنی با غلظت 3%، منجر به استخراج موثرتر و نتیجتا افزایش راندمان محصول گردیده است که علت آن به حذف ترکیبات فنلیک موجود در جلبک نسبت داده می شود. اما افزایش بیشتر زمان و غلظت اسید در این مرحله بر روی کاهش راندمان استخراج تاثیرگذار بوده که می تواند بدلیل احتمال هیدرولیز زنجیره های اسید آلژینیک باشد. همچنین نتایج نشان داده که افزایش زمان هضم قلیائی تا 6 ساعت و غلظت تا 4% قلیا موجب افزایش راندمان استخراج گردیده، ولی افزایش بیشتر زمان و غلظت قلیا تاثیر چندانی بر افزایش راندمان نداشته است که می تواند ناشی از تعادل در فرآیند واکنشهای تعویض کاتیونها باشد که بصورت تغییر از نمک نامحلول به نمک محلول پلی آنیونی، در محیط واکنش ایجاد می گردد. در این راستا، در مطالعات انجام شده توسط Fertah و همکارانش در سال 2017 که استخراج از جلبک قهوه ای Moroccan laminaria در سه دمای  Cͦ 40،60 و 25  انجام شده، دمای بهینه  Cͦ 40 گزارش شده و همانند نتایج این تحقیق،  بازده استخراج در این دما بالاترین میزان را نشان داده است (12). درگزارشی که توسط Pasanda  و  Azis در سال 2018 برروی استخراج از جلبک قهوه ای Sargassum sp. در دو دمای Cͦ 60 و 50 و سه زمان استخراج 5، 6 و 7 ساعت انجام شده، بازده استخراج با افزایش دما و زمان روندی افزایشی داشته، بطوریکه در دمای Cͦ 50 با افزایش زمان استخراج، بازده از 78/2% به 18/%9 افزایش پیدا کرده و این روند در دمای C ͦ 60 ، افزایش قابل توجهی یافته و از 73/21% به 42/32% رسیده است (31). در یک مطالعه که توسط Vasuki و همکارانش در سال 2015 برروی جلبک قهوه ای Turbinaria decurrens انجام شده، با افزایش زمان استخراج از یک ساعت به 5 ساعت، راندمان از 7/22% به 5/25% افزایش یافته است (38). همچنین در گزارش دیگری که توسط Marcia و همکارانش در سال 2007 برروی جلبک قهوه ای Sargassum vulgare انجام داده اند، با افزایش دما ازC ͦ 25 به  C ͦ 60 و زمان استخراج از یک ساعت به 5 ساعت، راندمان بمیزان %40 افزایش داشته است (25). البته پارامترهای دیگری نیز همچون گونه، سن، مراحل رشد جلبک و زیستگاه آن وجود دارند که بر راندمان استخراج تاثیرگذار بوده و قابل پژوهش هستند.

مقدار آب موجود در اسیدآلژینیک تاثیرپذیر از حضور اتانول در فرآیند استخراج می باشد. چون اتانول توانایی پیوند با آب موجود در محلول آلژینات را داشته و لذا می تواند باعث کاهش مقدار آب آلژینات گردد (15). در این تحقیق میانگین مقدار آب موجود در اسید آلژینیک استخراج شده از جلبک قهوه ای Sargassum sp. برابر با 4/13% بدست آمده و در محدوده تعیین شده طبق رفرانس FCC است. این نتایج در مقایسه با نتایج گرفته شده توسط Parthiban و همکارانش که در سال2013 از جلبکهای قهوه ای  Padina boergeseni  ,Sargassum tenerrium وDictyota dichotoma  بترتیب برابر 94/20%، 68/19%، 41/16% و توسطViswanathan  و  Nallamuthu در سال 2014 از جلبکهای قهوه ای Chnoospora implexa و Lobophora variegate بترتیب برابر 35/28% و10/24% و نیز توسط Pasanda & Azis درسال 2018 از جلبک قهوه ای Sargassum sp. برابر 30/23%-37/20% گزارش شده، بمراتب از میزان کمتری برخوردار بوده و نشاندهنده افزایش خلوص نمونه اسید آلژینیک (بعنوان گریدغذایی) تهیه شده در این تحقیق می باشد (30، 39 و 31). همچنین در مطالعات انجام شده توسط Mushollaeni در سال 2011 برروی میانگین مقدار آب موجود در اسید آلژینیک استخراج شده از جلبکهای قهوه ای Sargassum crassifolium, Sargassun polycystum, Sargassum echinocarpum, و Padina sp.، 7/12% و مطالعاتی که توسط Vasuki و همکارانش در سال 2015 برروی جلبک قهوه ای Turbinaria decurrens، 06/12% گزارش شده (29 و 38) که به نتایج ما نزدیک می باشد.

نوع و سن جلبک و نیز شرایط هیدرولوژی و هیدروشیمیایی زیستگاه جلبکها بر مقدار نمک معدنی موجود در آنها و به طبع آن بر میزان خاکستر تام (که نشاندهنده مقدار نمک معدنی در آنها می باشد) تاثیرگذار بوده که در مرحله خالص سازی فرآیند استخراج اسید آلژینیک، قابل پالایش است. در این تحقیق میانگین خاکستر تام اسید آلژینیک استخراج شده از Sargassum sp. برابر با 13/3% بدست آمده و در محدوده تعیین شده طبق رفرانس FCC است. نتایج این تحقیق که در مقایسه با نتایج گرفته شده توسط Viswanathan  و  Nallamuthu در سال2014 از جلبکهای قهوه ای Padina ,gymnospora Chnoospora implexa  و Lobophora variegate بترتیب برابر 01/23%، 53/21% و 78/12% و توسط  Pasanda & Azis در سال 2018 از جلبک قهوه ای Sargassum sp. برابر 87/43%- 28/22% گزارش شده (41 و 31)، یک سوم تا یک هشتم کمتر بوده و نشاندهنده افزایش خلوص نمونه اسیدآلژینیک (بعنوان گریدغذایی) تهیه شده می باشد. در مطالعاتی که توسط Vasuki و همکارانش در سال 2015 بر روی جلبک قهوه ای Turbinaria decurrens میزان خاکستر خام 3/4% گزارش شده (38) که به نتایج ما نزدیک می باشد.

همچنین نتایج گرفته شده از اندازه گیری میزان فلزات سنگین برپایه سرب، سرب و آرسنیک که همگی در محدوده تعیین شده طبق رفرانس FCC بوده است، تایید کننده گرید غذایی نمونه اسید آلزینیک تهیه شده می باشند. علاوه براین سطح کم فلزات سنگین در اسید آلژینیک می تواند نشاندهنده عدم آلودگی آب دریا به عنوان زیستگاه جلبک باشد. در مطالعه ای که توسط Mushollaeni جهت اندازه گیری فلزات سنگین سرب و جیوه برروی آلژینات استخراج شده از جلبکهای قهوه ای Sargassum crassifolium, Sargassun polycystum, Sargassum echinocarpum, و Padina sp. انجام شده نیز در محدوده تعیین شده طبق رفرانس FCC گزارش شده است(29).

مقایسه نتایج گرفته شده از طیف FT-IR نمونه اسید آلژینیک تهیه شده با طیف FT-IR نمونه استاندارد آن مطابقت قابل ملاحظه ای را نشان داده است (شکل 1). مضافا اینکه این نتایج با نتایجی که توسط Fertah و همکارانش در سال 2017 برروی آلژینات استخراج شده از جلبک قهوه ای Laminaria digitate، Vasuki و همکارانش در سال 2015 از جلبک های قهوه ای Turbinaria decurrens و Eva Gómez-Ordóñez و Pilar Rupérez در سال 2011 از جلبکهای قهوه ای Himanthalia bifurcata, Bifurcaria elongate و Saccharina latissima، و Leal و همکارانش در سال 2008 از جلبک قهوه ای Desmarestia ligulata گزارش شده (38، 12 و 22)، نیز مطابقت دارد. در این طیف سنجی، یک باند پهن درcm-1 3500 و دو باند دیگر نیز درcm-12950 و 1625 وجود دارد که بترتیب به ارتعاشات کششی O-H باند هیدروژن دار، ارتعاشات کششی C-H و ارتعاشات کششی نامتقارن O-C-O کربوکسیلات نسبت داده می شود. یک باند نیز درcm-11725 وجود دارد که نشاندهنده حضورگروه کربونیل (C=O) می باشد. همچنین با توجه به گزارشات Vijayaraghavan و Shanthakumar، Vasuki و همکارانش در سال 2015، Singh و همکارانش در سال 2014، اFenordosoa و همکارانش در سال2010، Mathlouti و  Koening در سال 1987، جذب در باند cm-11413 به تغییر شکل ارتعاش C-OH بکمک ارتعاش کششی متقارن O-C-O گروه کربوکسیلات نسبت داده می شود (40، 38، 34، 11 و 26). باند های اندازه گیری شده درcm-11280، 1145 و 1082 نیز ممکن است بترتیب به تغییر شکل C-C-H (و O-C-H)، ارتعاشات کششی C-O و ارتعاشات کششیC-O (و C-C) حلقه های پیرانوز  نسبت داده شود. همچنین باند اندازه گیری شده درcm-11025 ممکن است مربوط به ارتعاشات کششی C-O باشد. ناحیه آنومریک (cm-1950-750) در ارتباط با کربوهیدراتها و پلی ساکاریدهای آلژینات مورد بحث قرار می گیرد. باند درcm-1925 مربوط به ارتعاش کششی C-O بوده که ناشی از حضور اسیداورونیک می باشد (5 و 4). سیگنالها در cm-1875 و 813 بترتیب به ارتعاش حلقه نامتقارن α-L-gulopyranuronic و بقایای اسید مانورونیک مربوط می شود (5، 38 و 26).

نتیجه گیری

هدف از این تحقیق استخراج، شناسایی و خالص سازی اسیدآلژینیک با گرید غذایی بوده است. از آنجا که عوامل محیطی اثری تعیین کننده هم بر نوع ترکیبات بیوشیمیایی و هم بر خواص فیزیکوشیمیایی اسید آلژینیک بعنوان پلی ساکاریدی طبیعی با کاربردهای متنوع غذایی، دارویی و پزشکی دارند، لذا در این راستا روش استخراج و شرایط محیطی مرتبط با بهینه سازی شرایط استخراج که تاثیرگذار بر بازده آن بودند، شناسایی گردید. زمان و دمای بهینه استخراج و غلظت اسید و قلیا مصرفی در فرآیند استخراج، ازجمله پارامترهای موثر بر بالارفتن بازده استخراج اسید آلزینیک بعنوان محصول نهایی تشخیص داده شدند. نتایج حاصل از این پژوهش که در افزایش بازده محصول نقش تعیین کننده ای دارد، می تواند در مقیاس صنعتی فرآیند تولید، مفید واقع شود.

  • Aseer M., Sugathan S., George S.K., Joseph S., Chippu S., Gandhimathi R., Nataraja, P. M.V. 2009. Biopotentials of seaweeds collected from southwest coast of India, Journal of Marine Science and Technology, 17 (1), 67-73.
  • Castro, P., Huber, M. 2009. Maryne Biology. New York Mc-Graw-Hill Companies Inc.
  • Champman, V. J., Champman, D. J. 1980. Seaweeds and their uses. 3edition, London-Newyork, 194-225.
  • Chandía, N. P., Matsuhiro, B., Mejías, E., Moenne, A. 2004. Alginic acids in Lessonia vadosa: partial hydrolysis and elicitor properties of the polymannuronic acid fraction. J. Appl. Phycol., 16, 127–133.
  • Chandía, N. P., Matsuhiro, B., Vásquez, A. E. 2001. Alginic acids in Lessonia trabeculata: Characterization By formic acid hydrolysis and FT-IR spectroscopy. Carbohydr Polym 46:81–87.
  • Chen, H., Ouyang, W., Jones, M., Hague, T., Lawuyi, B., Prakash, S. 2005.In-vitroanalysis of APA microcapsules for oral delivery of live bacterial cells. J. Microencapsulation, 22 (5), 539–547.
  • Davis, T. A., Ramirez, M., Mucci, A., Bjørn Larsen, B. 2004. Extraction, isolation and cadmium binding of alginate from Sargassum Journal of Applied Phycology, 16, 275–284.
  • Donati, I., Vetere, A., Gamini, A., Skajak-Bræk, G., Coslovi, A., Campa, C., Paoletti, S. 2003. Galactose-Substituted Alginate: Preliminary Characterization and Study of Gelling Properties. Biomacromolecules 4 (3), 624–631.
  • Draget, K.I., Moe, S.T., Skja B., G., Smidsrød, O. 2006. Alginats. In: Food Polysaccharides and their CRC Press Boca Raton, Florida. 2ed. 14, 159–1178.
  • Eva Gómez-Ordóñez, Pilar Rupérez FTIR-ATR spectroscopy as a tool for polysaccharide identification in edible brown and red seaweeds. Food Hydrocolloids. 25, 1514–1520.
  • Fenoradosoa, T. A., Ghina, A., Delattre, C., Laroche, C., Petit, E., Wadouachi, A., Michaud, P. 2010. Extraction and characterization of an alginate from the brown seaweed Sargassum turbinarioides Grunow. J. Appl. Phycol., 22, 131–137.
  • Fertah, M. Belfkira, A., Dahmane, El-m., Taourirte, M., s Brouillette, F. 2017. Extraction and characterization of sodium alginate from Moroccan Laminaria digitata brown seaweed. ArabianJournal of Chemistry, 10, s3707-14.
  • Finotelli, P.V., Da Silva, D., Sola-Penna, M., Rossi, A.M., Farina, M., Andrade, L.R., Takeuchi, A.Y., Rocha-Lea˜o, M.H., 2010. Microcapsules of alginate/chitosan containing magnetic nanoparticles for controlled release of insulin. Colloids Surf. B 81 (1), 206–211.
  • Food Chemical Codex (FCC), 2014-2015. National Academy Press Washington. 9th edition.
  • Haryanti, A. M., Darmanti, S., Izzati, M. 2008. Absorption Capacity and Water Storage in Various Sizes of Seagrass Gracilaria verrucosa as the Base Material of Organic Fertilizer. Bioma, 10, 1-6.
  • Haug, A., et al., 1967. Correlation between chemical structure and physical properties. Acta. Scand, 21, 768-78.
  • Kaladharan P. and Kaliaperumal N. 1999. Seaweed industry in India, ICLARM Quarterly, 22(1), 11-14.
  • Kaliaperumal N., Kalimuthu S. 1997. Seaweed potential and its exploitation in India, Seaweed Research Utilisation, 19(1&2), 33-40.
  • Kharkwal H., Joshi D.D., Panthari P., Pant M.K., Kharkwal A.C. 2012. Algae as future drugs, Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research, 5, 1-4.
  • Kloareg, B., Quatrano, R.S., 1988. Structure of the cell walls of marine algae and eco-physiological functions of the matrix polysaccharides. Oceanogr. Mar. Biol. Annu. Rev. 26, 259–315.
  • Laserna, E. C., Veroy, R. L., Luistro, A. H., Montaño, N. E., Cajipe, G. J. B. 1982. Alginic acid from brown seaweeds. Kalikasan, Philipp. J. Biol., 11, 51–56.
  • Leal, D., Matsuhiro, B., Rossi, M., Caruso, F. 2008. FT-IR spectra of alginic acid block fractions in three species of brown seaweeds. Carbohydr. Res. 343 (2), 308–316.
  • Lee, K.Y., Mooney, D.J. Alginate: Properties and biomedical applications. Progressin Polymer Science, 37, 106–126.
  • Maharani, M.A., Widyayanti, R. 2009. Pembuatan alginat dari rumput laut untuk menghasilkan produk dengan rendamen dan viskositas yang tinggi. In: Seminar Tugas Akhir S1 Teknik Kimia UNDIP.
  • 25 Marcia, R. T., Alessandra, P. A. S., Eduardo, A. T. S. F., Dirce, F. M., Judith, P. A. F., Regina, C. M. de P., Maria, G. S. L. 2007. Extraction and physicochemical characterization of Sargassum vulgare alginate from Brazil. Carbohydrate Research, 342, 2067–2074.
  • Mathlouthi, M., Koenig, J. L. 1987. Vibrational spectra of carbohydrates. Adv. Carbohydr. Chem. Biochem., 44, 7–89.
  • Mc Hugh, D.J. 2003. A guide to the seaweed industry. FAO Fisheries Technical Paper, No. 441. FAO, Rome, 105p.
  • Moe, S.T., Draget, K.I., Skja k-Bræk, G., Smidsrød, O., 1995. Alginates. In: Stephen, A.M. (Ed.), Food \polysaccharides and their applications. Marcel Dekker, New York, pp. 245–286.
  • Mushollaeni W. 2011.The physicochemical characteristics of sodium alginate from Indonesian brown seaweeds. African J Food Sci., 5(6), 349-352.
  • Parthiban, C., Saranya, C., Girija, K., Hemalatha, A., Suresh, M., Anantharaman P. 2013. Biochemical composition of some selected seaweeds from Tuticorin coast. Advances in Applied Science Research, 4 (3), 362-366.
  • Pasanda, O. S. R., Azis, A. 2018. The Extraction of Brown Algae (Sargassum sp) Through Calcium Path to Produce Sodium Alginate. J.B.A.T., 7 (1), 64-69.
  • Rinaudo, M. 2007. Seaweed polysaccharides. In: Kalmerling JP (ed.) Comprehensive glycoscience from chemistry to systems biology, Elsevier, London, 2, 691–735.
  • Sabra, W., Deckwer, W.D. 2005. Alginate - a polysaccharide of industrial interest and diverse biological functions. In: Dumitriu S (ed.) Polysaccharides—structural diversity and functional versatility, 2nd edn. Marcel Dekker, New York, pp 515–533.
  • Singha, P., Singhb, S. K., Bajpaia, J., Bajpaia, A. K., Shrivastavac, R. B. 2014. Iron crosslinked alginate as novel nanosorbents forremoval of arsenic ions and bacteriologicalcontamination from water. J. Mater. Res. Technol., 3(3), 195–202.
  • Stephen, M. 1995. Food Polysaccharide and Their Applications. Departement of Chemistry. University of Cape Town Rondebosch. South Africa.
  • Subaryono, 2010. Modifikasi Alginat Dan Pemanfaatan Produknya. Squalen, 5 (1), 1-7.
  • Sumera, F., Pepito, M., Corpuz, E. 1992. Sodium alginate fromPhilippine Sargassum: dependence of its Viscosity and yieldon seasonality and pretreatment. Proc. 2nd RP-USA Phycology Symp. Workshop. Philippine Council for Aquatic and Marine Research andDevelopment, Los Baños, Laguna, 93–101.
  • Vasuki, S., Kokilam, G., Babitha, D. 2015. FT-IR, 1H- & 13C- NMR spectroscopy of alginate extracted from Turbinaria decurrens (phaeophyta). World Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 4(12), 761-771.
  • Vauchel P., Kaas R., Arhaliass A., Baron R., Legrand J. 2008. A new process for extracting alginates from Laminaria digitata reactive extrusion, Food and Bioprocess Technology, 1, 297-300.
  • Vijayaraghavan, G., Shanthakumar, S. 2015. Efficacy of alginate extracted from marine brown algae (Sargassum ) as a coagulant for removal of direct blue2 dye from aqueous solution. Global NEST Journal, 17(4), 716-726.
  • Viswanathan, S.,Nallamuthu, T. 2014. Extraction of Sodium Alginate from Selected Seaweeds and Their Physiochemical and Biochemical Properties. I.J.I.R.S.E.T., 3 (4), 10998-11003.
دوره 34، شماره 3
مهر 1400
صفحه 543-559
  • تاریخ دریافت: 02 اردیبهشت 1399
  • تاریخ پذیرش: 11 مرداد 1399