بهينه‌يابي فرايند توليد ريزكپسول اسانس آويشن شيرازي: مقايسه روش سطح پاسخ و شبكه‌ي عصبي مصنوعي

Optimization of Thyme Essential Oil Microcapsule Production Process: Comparison of Response Surface Method and Artificial Neutral Network

سابقه و هدف: آوﻳﺸﻦ شيرازي، ﻳﻜﻰ از ﺷﻨﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪه‌‌ﺗﺮﻳﻦ ﮔﻴﺎﻫﺎن داروﻳﻰ ﻣﻰ ﺑﺎﺷﺪ. اﺳﺎﻧﺲ آن داراى ﻣواد ﻣﻮﺛﺮه‌ي مختلفي خصوصاً تيمول و كارواكرول ﻣﻰ‌ﺑﺎشد كه ﺧﺎﺻﻴﺖ ضد اكسايشي، ﺿﺪﺑﺎﻛﺘﺮﻳﺎﻳﻰ و ﺿﺪ ﻗﺎرﭼﻰ دارند. اين اسانس در ﺑﺮاﺑﺮ ﻋﻮاﻣﻞ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺑﺴﻴﺎر ﺣﺴﺎس ﺑﻮده و ﺑﻪ ﺳﺮﻋﺖ اﻛﺴﻴﺪه ﺷﺪه و ﺧﻮاص ﺧﻮد را از دﺳﺖ ‌ﻣﻰ‌دهد، بنابراين ريزپوشاني اين اسانس با هدف حفاظت از آن در برابر عوامل محيطي و واكنش‌هاي شيميايي صورت مي‌گيرد. مدل‌سازي فرايند مي‌تواند در ارزيابي و پيش‌بيني تاثير شرايط موثر بر ويژگي‌هاي كيفي محصول مناسب كارآمد باشد. هدف از پژوهش حاضر، بهينه‌يابي شرايط توليد ريزكپسول اسانس آويشن شيرازي و مقايسه عملكرد دو روش سطح پاسخ و شبكه‌ي عصبي مصنوعي مي‌باشد. مواد و روش ها: در اين پژوهش امولسيون روغن در آب، حاوي 5 درصد (وزني/وزني) اسانس آويشن شيرازي در سوسپانسيون آبي حاوي (10، 33/13، 20، 66/26 و 30%) مواد ديواره، با نسبت پروتئين (كازئينات سديم) به پلي ساكاريد (نشاسته اصلاح شده و مالتودكسترين: 0، 66/6، 20، 33/33 و 40 درصد)، با كمك امواج فراصوت در مدت زمان‌هاي مختلف (30، 45، 75، 105 و 120 ثانيه) تهيه شد. از امولسيون‌هاي تهيه شده با استفاده از خشك‌كن‌انجمادي ريزكپسول تهيه شد و تاثير فاكتورهاي فوق بر تغييرات ويژگي‌هاي كيفي از جمله راندمان ريزپوشاني بر حسب ميزان اسانس ريز‌پوشاني شده، ميزان تركيبات فنوليك و ضد اكسايشي حفظ شده، مورد بررسي قرار گرفت. يافته ها: نتايج مدل‌سازي فرايند در هر دو روش مؤيد آن است كه افزايش غلظت مواد ديواره، نسبت پروتئين به پلي‌ساكاريد و مدت زمان اعمال امواج فراصوت موجب افزايش راندمان ريزپوشاني اسانس، محتوي تركيبات فنوليك و فعاليت ضداكسايشي محصول مي‌گردد. اثر متقابل نسبت پروتئين به پلي‌ساكاريد و زمان فراصوت نيز در سطوح متوسط متغيرها موجب بهبود حفظ تركيبات فنوليك كل و ظرفيت ضداكسايشي ريزكپسول اسانس آويشن شيرازي گرديد. تيمار حاوي 28% غلظت مواد ديواره، 16% نسبت پروتئين به پلي-ساكاريد، 111 ثانيه مدت زمان فراصوت و تيمار 29% غلظت مواد ديواره، 18% نسبت پروتئين به پلي‌ساكاريد، 87 ثانيه مدت زمان فراصوت، به‌ترتيب به عنوان نقاط بهينه شبكه عصبي مصنوعي و سطح پاسخ پيشنهاد گرديد. مقايسه نتايج تجربي نمونه‌هاي بهينه، برتري نمونه حاصل از شبكه‌ي عصبي مصنوعي از لحاظ محتواي تركيبات فنوليك كل و راندمان ريزپوشاني را نشان داد (05/0>p). نتيجه گيري: نتايج به دست آمده از اين تحقيق بيانگر اثربخش بودن متغيرهاي مستقل در فرايند ريزپوشاني اسانس بود، كه بيشترين تاثير را نسبت پروتئين به پلي‌ساكاريد دارا بود. هم‌چنين شبكه‌ي عصبي مصنوعي با توپولوژي بهينه (شبكه پيش‌رونده 4 لايه با 2 لايه پنهان و 10 تورون در هر لايه پنهان) در مقايسه با روش سطح پاسخ به دليل توانايي بي‌نظير در پردازش اطلاعات و مدل‌سازي سيستم-هاي پيچيده، در پيش‌بيني ويژگي‌هاي كيفي اسانس آويشن شيرازي ريزپوشاني شده بسيار كارآمد ارزيابي شد.

Background and objective: Thymus vulgaris is one of the most well-known medicinal plants which its essential oil contains various active ingredients such as thymol and carvacrol with antioxidant, antibacterial, and antifungal activities. This essential oil is very sensitive and loses its properties against different factors. Microencapsulation process is performed for protecting volatile and sensitive compounds to chemical reactions. Modeling of this process can be effective in assessing and predicting conditions affecting on qualitative properties of the product. The purposes of this study are optimization of the production conditions of Thymus vulgaris essential oil microencapsulation and performance comparison of response surface and artificial neural network methods. Materials and methods: In this study, oil in water emulsions, consisting of 5% (weight/weight) of thyme essential oil in an aqueous suspension containing wall materials (10, 33.13, 20, 26.66 and 30%), with different protein (sodium caseinate) to polysaccharide (modified starch and maltodextrin) ratios (0, 66.6, 20, 33.33 and 40%), were prepared by the help of ultrasonic waves (30, 45, 75, 105 and 120 seconds) -. Microcapsules were prepared from prepared emulsions using freeze-drying and the effect of the above factors on the changes in quality characteristics of the capsules, including the microencapsulation efficiency according to the amount of microencapsulated essential oil, the amount of phenolic compounds, and preserved antioxidants were investigated. Results: The results of process modeling showed that in both methods, qualitative properties of microcapsules were increased with increasing wall concentration, protein-to-polysaccharide , ratio, and ultrasonic duration. Interaction between protein to polysaccharide ratio and ultrasonic time also improved the preservation of total phenolic compounds and antioxidant capacity of Thymus vulgaris essential oil in moderate levels of variables. 28% of wall concentration, 16% protein to polysaccharide ratio, 111 seconds of ultrasonic time and 29% of wall concentration, 18% of protein to polysaccharide ratio and 87 seconds of ultrasonic time were proposed as optimum points of neural network and response surface method, respectively. Among the optimized samples, the optimum sample obtained from the artificial neural network model showed higher total phenolic content and higher microencapsulation efficiency (P<0.05). Conclusion: The results of this study showed that the independent variables were effective in the microencapsulation process an‎d the protein to polysaccharide ratio had the greatest effect on it. Also, neural network with optimal topology was very effective than response surface methodology in predicting the qualitative characteristics of microencapsulation of Thymus vulgaris essential oil due to its unique ability in processing information and modeling complex systems.