DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-49839-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38216594
تاريخ النشر: 2024-01-12
المؤلف: Selvaraj Kunjiappan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطيفية والتحليلات الكيميائية
نظرة عامة
تدرس الدراسة ظروف الاستخراج المثلى للمركبات البوليفينولية من بذور العنب، باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM)، ونظام الاستدلال العصبي الضبابي التكيفي (ANFIS)، وخوارزميات التعلم الآلي (ML). تم تحليل خمسة متغيرات مستقلة: حجم الجسيمات (0.5-1 مم)، تركيز الميثانول (60-70%)، زمن التعرض للأشعة فوق الصوتية (18-28 دقيقة)، درجة الحرارة (35-45 °م)، وشدة الأشعة فوق الصوتية (65-75 واط سم$^{-2}$). تم تحديد ظروف الاستخراج المثلى لتكون حجم جسيمات 0.155 مم، تركيز ميثانول 65%، 23 دقيقة من التعرض للأشعة فوق الصوتية، درجة حرارة 40 °م، وشدة الأشعة فوق الصوتية 70 واط سم$^{-2}$. تحت هذه الظروف، تم تحقيق أقصى عوائد لمحتوى الفينول الكلي (TPC)، ومحتوى الفلافونويد الكلي (TFC)، وأنشطة مضادات الأكسدة، حيث حققت القيم 670.32 ملغ GAE/g لـ TPC، 451.45 ملغ RE/g لـ TFC، 81.23% لتقليل DPPH، 77.39% لتقليل ABTS، و71.55 ميكروغرام مول (Fe(II))/g لـ FRAP.
تشير النتائج إلى أن المتغيرات المستقلة تؤثر بشكل كبير على عائد الاستخراج، مع نموذج تربيعي مناسب يظهر موثوقية عالية (R$^2$ >> 0.8). كما حددت الدراسة 12 مركبًا متطايرًا وخمسة مركبات حيوية غير متطايرة في المستخلص المحسن من خلال كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS) وكروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS). تشير النتائج إلى أن معلمات الاستخراج المحسنة يمكن أن تسهل تطوير عمليات الاستخراج على نطاق صناعي للمركبات الحيوية من بذور العنب ومواد نباتية مشابهة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تصميم مركب مركزي مكون من خمسة مستويات وخمسة متغيرات مشفرة (CCD) ضمن إطار منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين معلمات الاستخراج المعزز بالأشعة فوق الصوتية لزيادة محتوى الفينول الكلي (TPC)، ومحتوى الفلافونويد الكلي (TFC)، وأنشطة مضادات الأكسدة (DPPH*، ABTS*، وFRAP) من مستخلص بذور العنب. تضمنت المتغيرات المستقلة حجم الجسيمات (X₁: 0.5-1 مم)، تركيز الميثانول (X₂: 60-70% في الماء المقطر)، زمن التعرض للأشعة فوق الصوتية (X₃: 18-28 دقيقة)، درجة الحرارة (X₄: 35-45 °م)، وشدة الأشعة فوق الصوتية (X₅: 65-75 واط سم⁻²)، حيث تم تقييم كل منها عند خمسة مستويات تتراوح من ناقص (-2) إلى مرتفع جدًا (+2). تضمن التصميم التجريبي 50 تجربة، تضم 32 نقطة عاملة، و8 تكرارات لنقاط مركزية، و10 نقاط محورية، مع نمذجة العلاقة بين المتغيرات التابعة والمستقلة باستخدام انحدار متعدد الحدود من الدرجة الثانية.
تم استخدام تحليل التباين (ANOVA) لتقييم دلالة النموذج، حيث تم تضمين فقط المعاملات ذات القيم p أقل من 0.05 في النماذج النهائية. كما حسبت الدراسة دقة معلمات الاستخراج من خلال معادلات محددة لأنشطة تقليل الجذور الحرة DPPH وABTS. أشارت النتائج إلى وجود علاقة قوية بين ظروف الاستخراج وعائد المركبات الحيوية، مما يبرز فعالية RSM في تحسين عمليات الاستخراج لتعزيز خصائص مضادات الأكسدة في مستخلصات بذور العنب.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل المطبق يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في المقاييس المستهدفة، مما يشير إلى فعاليته.
تتناول المناقشة اللاحقة تداعيات هذه النتائج، موضعة إياها ضمن السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم في تعزيز الفهم للموضوع المقصود ويقترحون طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويقترح المؤلفون أن التحقيقات الإضافية يمكن أن تعزز قابلية تعميم النتائج. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يعزز أهمية المتغيرات المدروسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم جمع بذور العنب من نوع “Cumbum Panneer Thratchai” ومعالجتها لاستخراج المركبات الحيوية باستخدام طريقة الاستخراج المعزز بالأشعة فوق الصوتية (UAE). تضمنت عملية الاستخراج تحسين عدة متغيرات، بما في ذلك حجم الجسيمات، تركيز المذيب، زمن التعرض للأشعة فوق الصوتية، درجة الحرارة، وشدة الأشعة فوق الصوتية، لزيادة عائد محتوى الفينول الكلي (TPC)، ومحتوى الفلافونويد الكلي (TFC)، وإمكانات مضادات الأكسدة. تم تحديد الميثانول كمذيب الأكثر فعالية، وتم تحديد ظروف الاستخراج المثلى لتكون حجم جسيمات 0.155 مم، تركيز ميثانول 65%، 23 دقيقة من التعرض للأشعة فوق الصوتية، درجة حرارة 40 °م، وشدة الأشعة فوق الصوتية 70 واط سم⁻². تحت هذه الظروف، تم تعزيز عوائد TPC وTFC وأنشطة مضادات الأكسدة بشكل كبير.
استخدمت الدراسة منهجية سطح الاستجابة (RSM) ونمذجة نظام الاستدلال العصبي الضبابي التكيفي (ANFIS) لتحليل التفاعلات بين متغيرات الاستخراج وتأثيراتها على عوائد المركبات الحيوية. أشارت النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين القيم التجريبية والمتوقعة، حيث تجاوزت قيم R² 0.9، مما يؤكد موثوقية النموذج. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت طريقة الاستخراج مزايا مثل تقليل استخدام المذيبات وكفاءة الطاقة. تشير النتائج إلى أن UAE هي تقنية واعدة لاستخراج مكونات حيوية قيمة من بذور العنب، مما قد يكون له تداعيات على استخدامها في المكملات الغذائية والأطعمة الوظيفية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-49839-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38216594
Publication Date: 2024-01-12
Author(s): Selvaraj Kunjiappan et al.
Primary Topic: Spectroscopy and Chemometric Analyses
Overview
The study investigates the optimal extraction conditions for polyphenolic compounds from grape seeds, utilizing response surface methodology (RSM), adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), and machine learning (ML) algorithms. Five independent variables were analyzed: particle size (0.5-1 mm), methanol concentration (60-70%), ultrasound exposure time (18-28 min), temperature (35-45 °C), and ultrasound intensity (65-75 W cm$^{-2}$). The optimal extraction conditions were determined to be a particle size of 0.155 mm, 65% methanol concentration, 23 minutes of ultrasound exposure, a temperature of 40 °C, and an ultrasound intensity of 70 W cm$^{-2}$. Under these conditions, the yields of total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and antioxidant activities were maximized, achieving values of 670.32 mg GAE/g for TPC, 451.45 mg RE/g for TFC, 81.23% for DPPH scavenging, 77.39% for ABTS scavenging, and 71.55 μg mol (Fe(II))/g for FRAP.
The results indicate that the independent variables significantly influence the extraction yield, with a well-fitted quadratic model demonstrating high reliability (R$^2$ >> 0.8). The study also identified 12 volatile and five non-volatile bioactive compounds in the optimized extract through gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS) and liquid chromatography-mass spectroscopy (LC-MS). The findings suggest that the optimized extraction parameters can facilitate the development of industrial-scale extraction processes for bioactive compounds from grape seeds and similar plant materials.
Methods
In this study, a five-level, five-coded variable central composite design (CCD) was employed within the framework of Response Surface Methodology (RSM) to optimize the ultrasound-aided extraction parameters for maximizing total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and antioxidant activities (DPPH*, ABTS*, and FRAP) from grape seed extract. The independent variables included particle size (X₁: 0.5-1 mm), methanol concentration (X₂: 60-70% in distilled water), ultrasound exposure time (X₃: 18-28 min), temperature (X₄: 35-45 °C), and ultrasound intensity (X₅: 65-75 W cm⁻²), each assessed at five levels ranging from deficient (-2) to very high (+2). The experimental design consisted of 50 runs, incorporating 32 factorial points, 8 central point replicates, and 10 axial points, with the correlation between dependent and independent variables modeled using a second-order polynomial regression.
The analysis of variance (ANOVA) was utilized to evaluate model significance, with only coefficients with p-values less than 0.05 being included in the final models. The study also calculated the extraction parameters’ accuracy through specific equations for DPPH and ABTS radical scavenging activities. The results indicated a robust relationship between the extraction conditions and the yield of bioactive compounds, highlighting the effectiveness of RSM in optimizing extraction processes for enhanced antioxidant properties in grape seed extracts.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention applied leads to a measurable improvement in the targeted metrics, suggesting its efficacy.
Further discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of existing literature. The authors emphasize the relevance of their results in advancing understanding of the subject matter and propose potential avenues for future research. Limitations of the study are acknowledged, and the authors suggest that further investigations could enhance the generalizability of the results. Overall, the findings contribute valuable insights to the field, reinforcing the importance of the studied variables.
Discussion
In this study, grape seeds from the “Cumbum Panneer Thratchai” variety were collected and processed to extract bioactive compounds using an ultrasound-aided extraction (UAE) method. The extraction process involved optimizing several variables, including particle size, solvent concentration, ultrasound exposure time, temperature, and ultrasound intensity, to maximize the yield of total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and antioxidant potentials. Methanol was identified as the most effective solvent, and the optimal extraction conditions were determined to be a particle size of 0.155 mm, 65% methanol concentration, 23 minutes of ultrasound exposure, a temperature of 40 °C, and an ultrasound intensity of 70 W cm⁻². Under these conditions, the yields of TPC, TFC, and antioxidant activities were significantly enhanced.
The study employed Response Surface Methodology (RSM) and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) modeling to analyze the interactions between extraction variables and their effects on bioactive compound yields. The results indicated a strong correlation between experimental and predicted values, with R² values exceeding 0.9, confirming the model’s reliability. Additionally, the extraction method demonstrated advantages such as reduced solvent usage and energy efficiency. The findings suggest that UAE is a promising technique for extracting valuable bioactive components from grape seeds, which could have implications for their use in nutraceuticals and functional foods.