SUPERVISOR
Javad Keramat,Nasser Hamdami
جواد کرامت (استاد راهنما) ناصر همدمی (استاد مشاور)
STUDENT
Roya Abka khajouei
رویا ابکاء خواجوئی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Isolation, structural analysis, physicochemical and functional characterization of sodium alginate from an Iranian brown algae (Nizimuddinia zanardini) and investigation High Voltage Electrical Discharges method for alginate extraction
Alginic acid and alginates have important aplication in food, medicine, pharmacy, dentistry and textile. Since the brown algaes of the South Sea of ??Iran (the Chaharbar area) contain this natural polymer, extraction of the sodium alginate from the brown algae (Nizimuddinia zanardini) optimized using Response Surface Methodology (RSM). Extraction of the sodium alginate from the cell wall of the brown algae perform in 3 steps by acidic and alkaline solutions and then gum was precipitated by ethanol. For optimizing conditions, in acidic step the effect of extraction temperature by Hydrochloric acid(0.2 M) in range 45-100 °C and extraction time in range 0.5-3.5 h , on the dependent variables including: yield, protein and polyphenol of extracted alginate were investigated and after optimization of these factors, in second step (alkaline step) the effect of extraction temperature with Na 2 Co 3 (60-90 °C), extraction time (2-4 h) and solution concentration (2-4 % w/v) on the dependent variables including: yield, polyphenol and apparent viscosity of extracted alginate were studied and factors were optimized. The results showed that in acidic step temperature and time are two major effective factors on yield and quality of extracted alginate and in alkaline step, all factors have effect on yield, polyphenol and apparent viscosity of extracted polymer. The optimized conditions of extraction of sodium alginate from brown algae (Nizimuddinia zanardini) were as follows: temperature: 60 o C, time: 3 h (acidic step) and temperature:60°C,time:2.5h and concentration 3% w/v(alkaline step). After optimization of acidic and alkaline steps, a high-voltage electrical discharge device was used as an acidification pre-treatment. At this stage, the number of electrical discharge and applied voltage were considered as variables and its effect on the rate Extraction efficiency was investigated. The optimal conditions in this method are the use of an electric discharge device with a voltage of 10 kV and 50-times electrical discharge. Sodium alginate from Nizimuddinia zanardini (an Iranian brown algae) was extracted with and without HVED, partially and totally hydrolyzed and analyzed for its biochemical composition. 1 H-NMR spectroscopy, SEC-MALLS, HPAEC and FT-IR were performed to determine its structure and its physico-chemical properties. This alginate has a M/G ratio of 1.1, a molecular weight of 103 kDa, a polydispersity index of 1.22, and an intrinsic viscosity of 342 mL/g. Its antioxidant activity was tested by DPPH radical scavenging showing its potential for food preservation. Rheological properties of solutions of this alginate with concentrations between 1 and 5 % (w/v) in water and 0.5 M NaCl were investigated indicating a Newtonian fluid type behaviour in water and a shear thinning fluid type behaviour in NaCl solutions. The influence of pH on 2.0% (w/v) alginate solution flow behaviour was investigated. Solution at pH equal to 7.0 had a Newtonian behaviour, an intermediary behaviour between Newtonian and non-Newtonian shear thinning at pH 6.0 and 5.0 and a clearly shear thinning behaviour at lower pH (4.5 and 3.0). Using pre-treatment of electrical discharge only improves the antioxidant properties and in the remaining cases, led to a loss of quality due to the breakdown of the bonds and the molecular chain in sodium alginate. Key words Sodium alginate, Extraction optimization, Iranian brown algae, Nizimuddinia zanardini , Physico-chemical characteristics, Rheological properties Antioxidant activity
آلژینیک اسید و آلژینات ها مصارف مهمی در صنایع غذایی، پزشکی، داروسازی، دندانپزشکی و نساجی دارند. از آنجائیکه جلبک های قهوه ای دریای جنوب ایران دارای این پلیمر طبیعی اند، استخراج آلژینات سدیم از دیواره سلولی جلبک قهوه ای ایرانی (Nizimuddinia zanardini) در سه مرحله و با استفاده از محلول های اسیدی و قلیایی و به دنبال آن رسوب آلژینات سدیم توسط اتانول با استفاده از روش سطح پاسخ RSM) ) بهینه سازی شد. برای بهینه سازی شرایط، در مرحله اسیدی تأثیر فاکتور های درجه حرارت استخراج با اسید کلریدریک 2/0 مولار در دامنة °C 25-60 و زمان استخراج در محدوده 5/0 تا 5/3 ساعت بر متغیر های وابسته شامل درصد بازده استخراج، میزان پلی فنل ها و مقدار پروتئین های آلژینات استخراج شده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت و پس از بهینه سازی این فاکتورها در مرحله قلیایی، درجه حرارت استخراج با کربنات سدیم در بازه ی °C 60 - 90، زمان استخراج در محدوده 2-4 ساعت و غلظت محلول در محدوده % 2 – 4 (وزنی/حجمی) به عنوان فاکتورهای مؤثر بر درصد بازده استخراج، مقدار پلی فنل ها و ویسکوزیته ظاهری آلژینات استخراج شده، مورد مطالعه قرار گرفت و فاکتورها بهینه سازی شدند. نتایج نشان داد در مرحله اسیدی هر دو فاکتور درجه حرارت و زمان بر درصد بازده استخراج و کیفیت صمغ استخراجی تأثیر معنی دار دارند ودر مرحله قلیایی تمامی فاکتور ها بر بازده، کیفیت و ویسکوزیته ظاهری پلیمر استخراجی تأثیر معنی دار دارند. شرایط بهینه استخراج آلژینات سدیم از جلبک قهوه ای (Nizimuddinia zanardini) به صورت زیر معرفی گردید. در مرحله اسیدی درجه حرارت: °C60، زمان: 3 ساعت و در مرحله قلیایی غلظت: % 3 (وزنی/حجمی) ، درجه حرارت: °C 60 و زمان: 5/2 ساعت.پس از بهینه سازی مراحل اسیدی و قلیایی، از دستگاه تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا به عنوان پیش تیمار در مرحله اسیدی استفاده شد که در این مرحله تعداد تخلیه ی الکتریکی و مقدار ولتاژ اعمال شده به عنوان متغیرها درنظر گرفته شد و تاثیر آن بر روی میزان راندمان استخراج بررسی شد.شرایط بهینه در این روش، استفاده از دستگاه تخلیه الکتریکی با ولتاژ 86/9 کیلو ولت به تعداد 53 بار تخلیه الکتریکی می باشد.با استفاده از پیش تیمار درصد راندمان استخراج افزایش یافت. آلژینات سدیم استخراج شده به هر دو روش با و بدون تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا، بطور جزئی و کامل هیدرولیز شد و ترکیبات بیوشیمیایی آن آنالیز شد.اسپکتروسکوپی رزونانس مغناطیسی هسته ، کروماتوگرافی اندازه-طردی، کروماتوگرافی مبدل آنیونی عملکرد بالا، طیفسنجی تبدیل فوریه مادون قرمز به منظور تعیین ساختار و خصوصیات فیزیکوشیمیایی آن ها اجرا شد. این آلژینات ها به ترتیب نسبت مانورونیک به گلورونیک اسید 1/1 و 19/1، وزن مولکولی 103و 119 کیلودالتون، شاخص پلی دیسپرسیتی 22/1و 8/2، ویسکوزیته ذاتی 342 و 170میلی لیتر بر گرم دارند. فعالیت آنتی اکسیدانی آنها تست شد که پتانسیل نگهداری موادغذایی را از خود نشان دادند. خصوصیات رئولوژیکی محلول آلژینات با غلظت بین 1 تا 5 درصد (وزنی/وزنی) در آب و محلول کلرور سدیم بررسی شد و نشان داد نوع رفتار محلول در آب نیوتنی و در محلول کلرور سدیم رقیق شونده با برش است. تأثیر pH بر رفتار جریان محلول آلژینات 2? (w/v) در pH های 3 تا 7 بررسی شد. محلول در pH برابر 7 دارای رفتار نیوتنی، در pH 5 و 6 رفتار میانه بین نیوتنی و غیر نیوتنی رقیق شونده با برش و در pH کمتر (3 و 5/4) رفتار غیر نیوتنی رقیق شونده با برش دارد. استفاده از پیش تیمار تخلیه ی الکتریکی ، فقط خاصیت آنتی اکسیدانی را بهبود و افزایش داد و در بقیه ی موارد آنالیز شده، باعث افت کیفیت به دلیل شکسته شدن پیوندها و زنجیره مولکولی در آلژینات سدیم شد. کلمات کلیدی : آلژینات سدیم، بهینه سازی استخراج، جلبک قهوه ای ایرانی ، Nizimuddinia zanardini ، خصوصیات فیزیکوشیمیایی، خصوصیات رئولوژیکی، فعالیت آنتی اکسیدانی