SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Narges Khazaeli najafabadi
نرگس خزائلی نجف آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Experimental investigation and optimization of supercritical extraction of scopoletin from Althaea officinalis leaves using supercritical carbon dioxide and ethanol as auxiliary fluid
The common technique for extracting valuable substances in plants is the use of organic solvents such as Soxhlet which is very time-consuming and consumes a large amount of solvent and damages thermo-sensitive compounds due to high temperature. But for medicinal applictions, a suitable method for extraction without utilization of toxic organic solvents is needed. Today, supercritical extraction technology is a suitable alternative to traditional extraction methods that extract biologically active compounds from plants. Supercritical extraction, in particular extraction with carbon dioxide, has been considered in recent decades due to its advantages such as non-flammability, non-toxicity, high purity, low prices, lack of solvent residue, higher selectivity, higher speed, and higher yields. Scopoletin is a phenolic coumarin compound that is one of the main components of leaves of Althaea Officinalis and has properties such as anti-tumor, anti-thyroid, anti-diabetic, anti-inflammatory and pain, anti-fungal, Anti-convulsant, and strong antioxidant properties. Therefore, the necessity of extracting scopoletin is determined. In this study, extraction of Scopoletin from leaves of Althaea Officinalis using supercritical carbon dioxide and ethanol as co-solvent was performed on a laboratory scale and subsequently the results were compared with Soxhlet method as the base case of 100% recovery. The extracted samples were analysed by High-performance liquid chromatography (HPLC) and The response surface method was used to analyze the results of extraction. For this purpose, the effect of parameters such as pressure (14-30 MPa), temperature (30-70 °C), flow rate (0.9-2.1 ml/min), and dynamic time (50-130 min) on the rate Recovery of Scopoletin was investigated. The response surface analysis showed that the laboratory data was well fitted with a second-order polynomial model, with a determination coefficient of 95.92% and a correction coefficient of 92.35%. In addition, it was found that in the proposed model the linear term of flow rate, linear and second order terms of pressure, temperature and dynamic time and the interaction between temperature and pressure, have a very important effect on the recovery rate of Scopoletin and second order of flow rate has relatively high importance. The other interactions between the parameters are not significant. Also, the investigations showed that the optimal values of extraction parameters in the experimental range were, temperature 45.75 °C, pressure 22.88 MPa, flow rate 1.72 ml/min and dynamic time 100.9 min, that under these conditions, recovery 46.57% was achieved. Experimental results, with three replications under these optimal operating conditions, showed an efficiency of 44.63%, which is close to the modeling results. Finally, the process was experimentally modeled using an artificial neural network method. In the artificial network model, the optimal number of hidden layer neurons was determined to be 6 and the BR training algorithm was introduced as the best-performing algorithm so that its determination coefficient (R 2 ) was equal 99/44% achieved. Comparing the results of determination coefficient of response surface and artificial neural network, it is concluded that artificial neural network method performs better.
از روش های متداول جهت استخراج مواد باارزش موجود در گیاهان استفاده از حلال های آلی مانند سوکسله می باشد که بسیار زمان بر بوده و مقدار زیادی حلال مصرف می کند و به علت استفاده از دمای بالا به ترکیبات حساس به حرارت آسیب می رساند، اما کاربردهای دارویی نیازمند یک روش مناسب برای استخراج ، بدون استفاده از حلال های آلی سمی است. امروزه تکنولوژی استخراج فوق بحرانی جایگزین مناسبی برای روش های قدیمی استخراج به شمار می رود که ترکیبات فعال بیولوژیکی را از گیاهان استخراج می کند. استخراج فوقبحرانی به ویژه استخراج با کربن دیاکسید فوقبحرانی بهدلیل دارا بودن مزیتهایی مانند آتشگیر نبودن، غیرسمی بودن، خلوص بالا، قیمت پایین، عدم وجود باقیماند? حلال، انتخابپذیری بالاتر، سرعت بالاتر، و بازدهی بالاتر در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفته است.اسکوپولتین یک ترکیب کومارین فنلی است که یکی از اجزای اصلی برگ ختمی است و دارای خواصی همچون ضد تومور، ضدتیروئید، ضد دیابت، ضد التهاب و درد، ضد قارچ، ضد انعقاد و خواص آنتی اکسیدانی قوی می باشد. بنابراین لزوم استخراج اسکوپولتین از آن مشخص میشود.در این تحقیق، استخراج اسکوپولتین از برگ ختمی با استفاده از کربن دیاکسید فوقبحرانی و به همراه سیال کمکی اتانول در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است و در نهایت نتایج به دست آمده با روش سوکسله به عنوان استخراج 100 % مقایسه گردید. نمونه های استخراجی به وسیله کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا(HPLC) آنالیز شد و روش سطح پاسخ برای تحلیل نتایج حاصل از استخراج استفاده شده است. به همین منظور، تأثیر پارامترهایی مانند فشار(Mpa 30-14)، دما(?C70-30) ، نرخ جریان (ml/min1/2-9/0) و زمان دینامیک (130-50 دقیقه) روی میزان بازیابی اسکوپولتین مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز سطح پاسخ نشان داد که دادههای آزمایشگاهی به خوبی توسط یک مدل چندجملهای مرتب? دوم برازش شدهاند بهطوری که ضریب تشخیص(R 2 ) برابر92/95% و ضریب تشخیص اصلاح شده(R 2 adj ) برابر 35/%92 است. علاوه بر این، مشخص شد که در مدل پیشنهادی ترم خطی دبی و ترم های خطی و مربع فشار، دما و زمان و ترم متقابل دما- فشار از اهمیت بسیار بالایی برخوردار هستند و ترم مربع دبی دی اکسید کربن از اهمیت نسبتاً بالایی برخوردار است. سایر ترم های متقابل بین متغیر ها اهمیتی ندارند. همچنین بررسی ها نشان داد که مقادیر بهینه ی پارامترهای استخراج در محدوده ی آزمایش، فشار MPa 88/22، دمای °C 75/45، نرخ جریان ml/min72/1 و زمان دینامیک min 9/100 که تحت این شرایط میزان بازیابی 57/46 % بدست آمده است . نتایج آزمایشگاهی با سه بار تکرار در این شرایط عملیاتی بهینه میزان بازدهی برابر63/44% را نشان داد که تقریب خوبی با نتایج حاصل از مدل سازی دارد. در انتها نیز فرآیند به کمک روش شبکه عصبی مصنوعی، مدلسازی تجربی شد. در مدل شبکه مصنوعی، تعداد بهین? نورونهای لای? مخفی برابر6 تعیین شد و همچنین الگوریتم آموزش BR بهعنوان الگوریتمی با بهترین عملکرد معرفی شد بهطوری که ضریب تشخیص آن (R 2 ) برابر 44/99%بدست آمد. از مقایس? نتایج ضریب تشخیص حاصل از روشهای سطح پاسخ و شبکه عصبی مصنوعی ، نتیجه می شود که شبکه عصبی مصنوعی عملکرد بهتری داشت. کلمات کلیدی: استخراج فوقبحرانی، اسکوپولتین، برگ ختمی، کربن دیاکسید، اتانول، روش سطح پاسخ، شبک? عصبی مصنوعی