مطالعات سينتيكي و ايزوترم استخراج كروسين زعفران با استفاده از نانوكامپوزيت 3بعدي اكسيدگرافن اصلاح شده با كيتوزان

Kinetic and isotherm studies of saffron crocin Extraction using 3D graphene oxide-chitosan nanocomposite

مطالعات سينتيكي و ايزوترم استخراج كروسين زعفران با استفاده از نانوكامپوزيت 3بعدي اكسيدگرافن اصلاح شده با كيتوزان سابقه و هدف: استخراج و خالص‌سازي تركيب مسئول رنگ زعفران، كروسين، يكي از چالش‌هاي اصلي در زمينه فرآوري آن مي‌باشد. تركيبات گرافني به واسطه خصوصيات بي نظيرشان در مركز توجه محققان در رشته‌هاي مختلف قرار گرفته‌اند. اكسيدگرافن (GO) بواسطه ويژگي‌هايي همچون ساختار مسطح، مساحت سطحي بالا، تنوع گروه‌هاي عملكردي اكسيژن‌دار در سطح و سهولت و ارزان بودن توليد آن از گرافيت يك جاذب عالي براي جداسازي تركيبات از محيط مي‌باشد لذا در اين پژوهش، استخراج و خالص‌سازي كروسين زعفران با استفاده از نانوساختار 3بعدي GO اصلاح شده با بيوپليمر كيتوزان مورد ارزيابي قرار گرفت. مواد و روش‌ها: سنتز اكسيدگرافن با روش هامرز بهبوديافته انجام شده و سپس با كيتوزان اصلاح گرديد. نانوساختار 3بعدي با روش خشك كردن انجمادي توليد گرديد. آزمايشات براي تعيين شرايط بهينه فرآيند با كروسين خالص انجام شد. مقدار 15ميلي‌ليتر از محلول كروسين با غلظت‌هاي مختلف (25، 50، 100 و200 ميلي‌گرم بر ليتر) با 15ميلي گرم از نانوساختار مخلوط شده و در شرايط كنترل شده دما (298، 308 و 318 كلوين)، سرعت همزدن (rpm 100، 200 و 300) و pH (5، 7 و 10) قرار داده ‌شد. در بازه‌هاي زماني مشخص، جذب محلول كروسين در طول موج 440 نانومتر اندازه‌گيري ‌شد. مطالعات سينتيكي، ايزوترم و ترموديناميك جذب كروسين انجام شد. به منظور بررسي توانايي نانوساختار در خالص‌سازي كروسين، از عصاره زعفران استفاده شد. براي حذف تركيبات مزاحم، كلاله خشك زعفران طي دو مرحله تيمار شده و سپس عصاره‌گيري با استفاده از آب مقطر انجام شد. عصاره حاصل از واشويش نانوساختار به دستگاه HPLC تزريق شد. يافته ها: بهترين شرايط محيط براي جداسازي كروسين به صورت سرعت همزدن rpm=300، دماي K 318، غلظت mg/l 100 و pH طبيعي محلول كروسين بود. جذب كروسين از مدل شبه مرتبه دوم و ايزوترم فروندليچ پيروي كرده و واكنش ازنوع جذب فيزيكي گرماگير بود. نتايج HPLC نشان داد خلوص كروسين جداسازي شده بالا بوده و بسيار نزديك به نمونه استاندارد مي باشد. نتيجه گيري: آزمون‌هاي دستگاهي شكل‌گيري نانوساختار را تائيد كردند. تاثير متغيرهاي فرآيند شامل pH، دما، سرعت همزدن و غلظت عصاره كروسين بر راندمان فرآيند جداسازي ارزيابي شده و بهترين شرايط فرآيند مشخص گرديد. فرآيند جذب كروسين روي نانوساختار از مدل شبه مرتبه دوم پيروي كرده و جذب از نوع فيزيكي بود. نتايج اين تحقيق نشان داد نانوساختار سنتزشده مي‌تواند به خوبي در فرآيند خالص سازي تركيبات ارزشمند بكار برده شود.

Kinetic and isotherm studies of saffron crocin Extraction using 3D graphene oxide-chitosan nanocomposite Background and objectives: saffron as the most expensive spice in the world contains compounds called crocins that grant it unique properties. Extraction and purification of this glycosidic compound is one of the major challenges in saffron processing. Graphene oxide (GO) is an excellent adsorbent due to its properties such as flat structure, high surface area, variety of oxygenated functional groups on the surface and the ease and cheapness of its production from graphite. Therefore, in this study, the extraction and purification of saffron crocins were evaluated using 3D nanostructure of GO modified with chitosan biopolymer. Materials and methods: Graphene oxide synthesis was conducted through improved Hummers method followed by modification with chitosan. 15 ml of crocin solution with different concentration (25, 50, 100 and 200 mg/ml) was mixed with 15mg of nanostructure and under controlled conditions (temperature, pH and stiring rate). In certain intervals (0-200 min), the amount of crocin in solution was determined through reading its absorption at 440 nm. Kinetics (pseudo first and second order models) and isotherms (Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich isotherms) studies of process was investigated. The efficiency of nanostructure in crocin purification was assessed by HPLC at three wavelength of 250, 310 and 440 nm. In order to assess the ability of nanostructure in separation and purification of crocin, saffron extract was used. In order to remove picrocrocin and safranal, dried stigma of saffron was treated in two stages and then extraction was performed using distilled water. The nanostructure was washed with methanol and the extract injected to HPLC. Results: The best process conditions for crocin isolation were stirring speed = 300 rpm, temperature of 318 K, concentration of 100 mg/l and normal pH of saffron extract. Crocin adsorption was a physiosorption process and followed the pseudo-second-order model and the Freundlich isotherm. HPLC results showed that the purity of the isolated crocin was high and very close to the standard sample. Conclusion: Instrumental analysis confirmed the formation of graphene oxide/chitosan nanostructures. The effect of process variables including pH, temperature, stirring speed and crocin solution concentration on the separation process efficiency was determined. The adsorption process of crocin on the nanostructures followed a pseudo-second-order model and the adsorption was physical. The results of this study showed that synthesized nanostructures can be well used in the purification process of valuable compounds. Keywords: Saffron, crocin, purification, graphene oxide/chitosan nanostructure, isotherm.