DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-025-03801-0
تاريخ النشر: 2025-03-20
المؤلف: Ezgi Kalkan وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة لاستخراج زيت بذور القطن باستخدام تقنية المساعدة بالموجات فوق الصوتية والتجانس (UHA) بالاشتراك مع مذيب طبيعي عميق التبريد (NADES). تتماشى هذه الطريقة مع مبادئ الاستخراج الأخضر من خلال استخدام تقنيات ومذيبات مستدامة. استخدمت الدراسة تصميم خلط D-Optimal لتحديد التركيبة المثلى للمذيبات من NADES (كلوريد الكولين: حمض الأكساليك)، والأسيتات الإيثيلية، والماء، مما أسفر عن خليط يتكون من 20% NADES، 20.41% ماء، و59.58% أسيتات إيثيلية. حقق هذا المزيج أقصى استرداد للزيت بنسبة 90.68%، ونشاط كاسر الجذور الحرة (RSA) بنسبة 52.21%، ومحتوى الأحماض الدهنية الحرة (FFA) بنسبة 7.13%، مما يعزز بشكل كبير استرداد الزيت مقارنة بالطرق التقليدية.
تؤكد النتائج على المزايا الاقتصادية والبيئية لطريقة UHA-NADES، بما في ذلك تقليل المخاطر التشغيلية واستهلاك الطاقة، فضلاً عن تحسين السلامة بسبب الطبيعة غير المتطايرة لـ NADES. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات NADES كمذيب استخراج قابل للتطبيق، داعية إلى مزيد من البحث في تقييمات دورة الحياة، واستهلاك الطاقة، وتقييمات السمية لتعزيز استدامة عمليات الاستخراج في صناعة الأغذية. بشكل عام، تظهر تقنية UHA-NADES تحسينات واعدة في جودة الزيت واسترداده مع معالجة المخاوف البيئية المرتبطة بالمذيبات التقليدية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية زيت بذور القطن، المستخرج من Gossypium hirsutum، كمنتج ثانوي قيم له تطبيقات متنوعة في السياقات الصناعية والطهي. مع زراعة حوالي 45 مليون طن متري من القطن على مستوى العالم في 2019-2020، تتراوح إنتاجية زيت بذور القطن من 11.22% إلى 24.82% اعتمادًا على الأنواع. من الجدير بالذكر أن زيت بذور القطن معروف بنقطة الدخان العالية، مما يجعله مناسبًا للقلي ومنتجات الطعام المختلفة، بينما يُعزى استقراره الأكسيدي الفريد إلى مستويات مرتفعة من α- و γ-توكوفيرول. ومع ذلك، فإن وجود الجوسيبول يتطلب التكرير لتلبية معايير السلامة للاستهلاك البشري.
تناقش الورقة المخاوف البيئية والصحية المرتبطة بأساليب الاستخراج التقليدية باستخدام الهكسان، وهو مذيب سام. تدعو إلى اعتماد المذيبات الخضراء، وخاصة المذيبات الطبيعية العميقة (NADES)، التي تكون قابلة للتحلل وغير سامة. تقدم الدراسة طريقة جديدة للاستخراج تجمع بين تقنيات الموجات فوق الصوتية والتجانس مع NADES، والأسيتات الإيثيلية، والماء، بهدف تحسين استرداد الزيت وتعزيز جودة الزيت. تستخدم البحث تصميم خلط D-optimal لتقييم تأثيرات مكونات المذيب على خصائص الزيت المختلفة، بما في ذلك نشاط كاسر الجذور الحرة والسلوك الحراري، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في منهجيات الاستخراج الأخضر لزيت بذور القطن.
طرق
في هذه الدراسة، تم تحسين استخراج زيت بذور القطن باستخدام تصميم خلط D-optimal، مستفيدًا من مذيبات خضراء متنوعة. تضمنت المواد بذور القطن المنزوعة القشرة والمقشرة المقدمة من Sayınlar Gıda، بالإضافة إلى مواد كيميائية من الدرجة التحليلية تم الحصول عليها من Merck وTEK-KIM، مثل كلوريد الكولين والإيثيلين جلايكول. ركز التصميم التجريبي على ثلاثة متغيرات مستقلة: المذيبات الطبيعية العميقة (NADES)، والماء، والأسيتات الإيثيلية، مع تقييد نسبها إلى إجمالي 100%. تم تحديد نطاقات هذه المكونات من خلال مراجعة الأدبيات والاختبارات الأولية في المختبر.
سهل تصميم D-optimal جمع البيانات بشكل فعال من خلال تحديد النقاط التجريبية الأكثر إفادة، مما يقلل من عدد التجارب المطلوبة. تم إجراء ما مجموعه 17 تجربة، بما في ذلك تكرارات مزدوجة وثلاثية لضمان القابلية للتكرار. تضمنت المتغيرات الاستجابة التي تم تقييمها نسبة استرداد الزيت، ومحتوى الأحماض الدهنية الحرة (FFA)، وقيمة البيروكسيد (PV)، ونشاط كاسر الجذور الحرة (RSA)، ومحتوى الفينولات الكلي (TPC). تم استخدام التحليل الإحصائي، بما في ذلك ANOVA، لتقييم دلالة النموذج عند مستوى ثقة 95%، مع التركيز على زيادة استرداد الزيت وRSA مع تقليل FFA. تم نمذجة النتائج باستخدام معادلات تربيعية ومكعبة، مع تطبيق دالة الرغبة للتحسين، مما يضمن موثوقية النماذج التنبؤية بناءً على قيم R² القريبة من 1.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحسين استخراج زيت بذور القطن باستخدام نهج جديد يتضمن المذيبات الطبيعية العميقة (NADES) وتقنيات الاستخراج المساعدة بالموجات فوق الصوتية. سلط البحث الضوء على الدور الحاسم لمحتوى الرطوبة في استرداد الزيت، حيث تشير النتائج إلى أن مستويات الرطوبة المنخفضة تعزز كفاءة الاستخراج. تم تحقيق محتوى الرطوبة الأمثل لبذور القطن من خلال التجفيف في الفرن إلى 2.4% قبل المعالجة. وُجد أن استخدام NADES، وخاصة مزيج من كلوريد الكولين وحمض الأكساليك (CHCl-OX)، يحسن بشكل كبير استرداد الزيت، حيث حقق أقصى عائد بنسبة 90.68% تحت الظروف المثلى، والتي تضمنت نسبة محددة من NADES، والماء، والأسيتات الإيثيلية.
كشف التحليل الإحصائي من خلال ANOVA أن تركيبة خليط المذيب كان لها تأثير كبير على استرداد الزيت، حيث كانت الأسيتات الإيثيلية هي العنصر الأكثر تأثيرًا. كما أظهرت الدراسة أن تقنية الموجات فوق الصوتية سهلت تكسير أغشية الخلايا، مما يعزز استخراج الزيت من خلال التجويف الصوتي. تشير النتائج إلى أن دمج NADES والموجات فوق الصوتية لا يتماشى فقط مع مبادئ الكيمياء الخضراء ولكن أيضًا يوفر بديلاً أكثر كفاءة وصديقًا للبيئة لطرق الاستخراج التقليدية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات استخدام NADES في عمليات استخراج الزيت، مما يساهم في تطوير تقنيات استخراج مستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-025-03801-0
Publication Date: 2025-03-20
Author(s): Ezgi Kalkan et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
The research presents a novel extraction method for cottonseed oil using an ultrasound and homogenization-assisted technique (UHA) combined with a natural deep eutectic solvent (NADES). This approach aligns with green extraction principles by employing sustainable technologies and solvents. The study utilized D-Optimal mixture design to identify the optimal solvent combination of NADES (Choline Chloride: Oxalic acid), ethyl acetate, and water, resulting in a mixture of 20% NADES, 20.41% water, and 59.58% ethyl acetate. This combination achieved a maximum oil recovery of 90.68%, a radical-scavenging activity (RSA) of 52.21%, and a free fatty acid (FFA) content of 7.13%, significantly enhancing oil recovery compared to traditional methods.
The findings underscore the economic and environmental advantages of the UHA-NADES method, including reduced operational risks and energy consumption, as well as improved safety due to the non-volatile nature of NADES. The study highlights the potential of NADES as a viable extraction solvent, advocating for further research into life cycle assessments, energy consumption, and toxicity evaluations to enhance the sustainability of extraction processes in the food industry. Overall, the UHA-NADES technique demonstrates promising improvements in oil quality and recovery while addressing environmental concerns associated with conventional solvents.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of cottonseed oil, derived from Gossypium hirsutum, as a valuable by-product with diverse applications in both industrial and culinary contexts. With approximately 45 million metric tons of cotton cultivated globally in 2019-2020, cottonseed oil production ranges from 11.22% to 24.82% depending on the species. Notably, cottonseed oil is recognized for its high smoke point, making it suitable for frying and various food products, while its unique oxidative stability is attributed to elevated levels of α- and γ-tocopherol. However, the presence of gossypol necessitates refining to meet safety standards for human consumption.
The paper addresses the environmental and health concerns associated with traditional extraction methods using hexane, a toxic solvent. It advocates for the adoption of green solvents, particularly Natural Deep Eutectic Solvents (NADES), which are biodegradable and non-toxic. The study introduces a novel extraction method that combines ultrasound and homogenization techniques with NADES, ethyl acetate, and water, aiming to optimize oil recovery and enhance the oil’s quality. The research employs D-optimal mixture design to evaluate the effects of solvent components on various oil properties, including radical-scavenging activity and thermal behavior, marking a significant advancement in green extraction methodologies for cottonseed oil.
Methods
In this study, the extraction of cottonseed oil was optimized using a D-optimal mixture design, leveraging various green solvents. The materials included lintered and dehulled cottonseed provided by Sayınlar Gıda, along with analytical-grade chemicals sourced from Merck and TEK-KIM, such as choline chloride and ethylene glycol. The experimental design focused on three independent variables: Natural Deep Eutectic Solvents (NADES), water, and ethyl acetate, with their proportions constrained to a total of 100%. The ranges for these components were determined through literature review and preliminary laboratory tests.
The D-optimal design facilitated efficient data collection by identifying the most informative experimental points, thus reducing the number of trials needed. A total of 17 trials were conducted, including duplicates and triplicates to ensure repeatability. The response variables assessed included oil recovery percentage, free fatty acid (FFA) content, peroxide value (PV), radical scavenging activity (RSA), and total phenolic content (TPC). Statistical analysis, including ANOVA, was employed to evaluate model significance at a 95% confidence level, with a focus on maximizing oil recovery and RSA while minimizing FFA. The results were modeled using quadratic and cubic equations, with the desirability function applied for optimization, ensuring the reliability of the predictive models based on R² values close to 1.
Discussion
In this study, the extraction of cottonseed oil was optimized using a novel approach involving Natural Deep Eutectic Solvents (NADES) and ultrasound-assisted extraction techniques. The research highlighted the critical role of moisture content in oil recovery, with findings indicating that lower moisture levels enhance extraction efficiency. The optimal moisture content for cottonseeds was achieved by oven-drying to 2.4% before processing. The use of NADES, particularly a combination of choline chloride and oxalic acid (CHCl-OX), was found to significantly improve oil recovery, achieving a maximum yield of 90.68% under optimal conditions, which included a specific ratio of NADES, water, and ethyl acetate.
Statistical analysis through ANOVA revealed that the composition of the solvent mixture had a significant impact on oil recovery, with ethyl acetate being the most influential component. The study also demonstrated that ultrasound technology facilitated the disruption of cell membranes, enhancing oil extraction through acoustic cavitation. The results suggest that the integration of NADES and ultrasound not only aligns with green chemistry principles but also offers a more efficient and environmentally friendly alternative to traditional solvent extraction methods. Overall, the findings underscore the potential of using NADES in oil extraction processes, contributing to the development of sustainable extraction technologies.