مقایسه مدلسازی با روش منطق فازی و طرح مخلوط در پیش بینی فرمولاسیون تولید نانوامولسیون اسانس روغنی کاکوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

چکیده

کاکوتی که دارای خواص آنتی‌اکسیدانی و ضدباکتریایی قابل‌توجهی است، می‌تواند با استفاده از نانوامولسیون، قابلیت دسترسی و جذب بهتری را در بدن فراهم کند. با تولید این نوع امولسیون به روش آب مادون بحرانی به دلیل اندازه کوچک ذرات، پایداری بالاتر و توزیع یکنواخت‌تری ارائه می‌دهد که می‌تواند به افزایش اثربخشی مواد فعال آن کمک کند. در پژوهش حاضر اسانس روغنی کاکوتی با استفاده از دستگاه کلونجر استخراج گردید و میزان 2/2 میلی‌لیتر بدست آمد و سپس بر اساس طراحی مخلوط به بهینه‌سازی فرمولاسیون اسانس روغنی کاکوتی (5/0-0)، میلی‌لیتر، امولسیفایر توئین 80 (5/4-0) میلی‌لیتر و آب مقطر (25-20 میلی‌لیتر ) تحت شرایط آب مادون بحرانی با درجه حرارت 120 سانتی‌گراد به مدت 2 ساعت پرداخته شد که نتایج نشان داد که بهترین فرمولاسیون برای مقادیر اسانس، امولسیفایر و آب مقطر به ترتیب 44/0، 56/3 و 21 میلی‌لیتر بوده که در این حالت میانگین اندازه ذرات (150 نانومتر) و بیشترین خاصیت آنتی‌اکسیدانی با روش DPPH مقدار 58% بدست آمد. در این مطالعه از منطق فازی برای پیش‌بینی دو پاسخ میانگین اندازه ذرات و خاصیت آنتی‌اکسیدانی به‌عنوان تابعی از مقادیر مصرفی فرمولاسیون (مقدار اسانس، امولسیفایر و آب) استفاده شد. بررسی مدل منطق فازی نشان داد که روشی قدرتمند برای تخمین مشخصه‌های نانوامولسیون تولید شده در سیستم موردمطالعه است. میانگین خطاهای نسبی روش فازی ارائه شده در مقایسه با داده‌های تجربی برای میانگین اندازه ذرات و خاصیت آنتی‌اکسیدانی به‌ترتیب 84/1% و 82/5 % به دست آمد. مقایسه خطاهای روش منطق فازی با مدل طراحی مخلوط (به‌ترتیب 03/14% و 10/12%) نشان‌دهنده برتری بارز تکنیک مدلسازی منطق فازی بود.

چکیده تصویری

مقایسه مدلسازی با روش منطق فازی و طرح مخلوط در پیش بینی فرمولاسیون تولید نانوامولسیون اسانس روغنی کاکوتی

تازه های تحقیق

  • پژوهش شامل تولید و بهینه‌سازی نانوامولسیون کاکوتی با روش طراحی مخلوط و مقایسه آن با مدل منطق فازی بود.
  • نانوامولسیون تولیدشده دارای اندازه ذرات پایین و خاصیت آنتی‌اکسیدانی بالایی بود که نشان‌دهنده کیفیت بالا است.
  • روش آب مادون بحرانی به عنوان روشی ملایم و کارآمد در تولید نانوامولسیون با پایداری بالا معرفی شد.
  • منطق فازی به‌عنوان ابزاری دقیق برای پیش‌بینی اندازه ذرات و خاصیت آنتی‌اکسیدانی نانوامولسیون‌ها مورد استفاده قرار گرفت.
  • دقت بالا و توانایی پیش‌بینی منطق فازی، توسعه بهینه‌سازی فرمولاسیون‌های نانوامولسیون‌ها را بهبود می‌بخشد و کاربردهای صنعتی گسترده‌ای دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparison of Modeling with Fuzzy Logic Method and Mixture Design in Predicting the Formulation of Ziziphora Essential Oil Nanoemulsion Production

نویسندگان [English]

  • Reza Beigzadeh
  • Omid Ahmadi
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده [English]

Kakooti, which possesses significant antioxidant and antibacterial properties, can enhance bioavailability and absorption in the body when utilized in nanoemulsions. The production of this type of emulsion through a subcritical water method offers higher stability and a more uniform distribution due to the small particle size, which can contribute to improving the efficacy of its active compounds. In the present study, kakooti essential oil was extracted using a Cloninger device, yielding 2.2 milliliters of oil. Subsequently, the formulation optimization of kakooti essential oil (0-0.25), Tween 80 emulsifier (0-4.5), and distilled water (20-25 milliliters) was conducted under subcritical water conditions at 120°C for 2 hours. The results indicated that the optimal formulation consisted of 0.44 mL of essential oil, 3.56 mL of emulsifier, and 21 mL of distilled water, which resulted in the smallest average particle size (150 nanometers) and the highest antioxidant property (58%). In this study, fuzzy logic was employed to predict the two responses: average particle size and antioxidant property as a function of the formulation quantities. The analysis of the fuzzy logic model demonstrated its effectiveness as a powerful method for estimating the characteristics of the produced nanoemulsion in the studied system. The average relative errors of the proposed fuzzy method compared to the target data for average particle size and antioxidant property were found to be 1.84% and 5.82%, respectively. The comparison of the fuzzy logic method's errors with those of the mixture design model (84.2% and 72.7% errors for estimating average particle size and antioxidant property) clearly highlights the superiority of the fuzzy modeling technique.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ziziphora essential oil
  • nanoemulsion
  • subcritical water
  • fuzzy logic
[1]  Ahmadi, O. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2021). Intensification process in thyme essential oil nanoemulsion preparation based on subcritical water as green solvent and six different emulsifiers. Green Process Synth. 10(1), 430-439. [In persion] https://doi.org/10.1515/gps-2021-0040
[2]  Ahmadi, O. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2021). Intensification and optimization of the process for thyme oil in water nanoemulsions preparation using subcritical water and xanthan gum. Z. Phys. Chem. 235(5), 629-648. [In persion] https://doi.org/10.1515/zpch-2020-0001
[3]  Ahmadi, O. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2020). Green approach in food nanotechnology based on subcritical water: effects of thyme oil and saponin on characteristics of the prepared oil in water nanoemulsions. Food Sci. Biotechnol. 29(6), 783-792. [In persion] https://doi.org/10.1007/s10068-019-00727-0
[4]  Hazrati, S., Govahi, M., Sedaghat, M., and Kashkooli, A.B. (2020). A comparative study of essential oil profile, antibacterial and antioxidant activities of two cultivated Ziziphora species (Z. clinopodioides and Z. tenuior). Ind. Crops Prod. 157, 11294.  [In persion] https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.112942
[5]        Mazarei, Z. (2023). Chemical Composition and Biological Activity of Ziziphora clinopodioides Essential Oil, A Review. Jundishapur J. Nat. Pharm. Prod. 18(4), e137776. [In persion] https://doi.org/10.5812/jjnpp-137776
[6]        Aghababaei, M., Kazemeini, H., and Shahavi, M. (2021). Investigating chemical composition of Zataria multiflora Boiss and Ziziphora clinopodioides essential oils in chitosan nanoemulsion coating on growth of Aeromonas hydrophila inoculated in salmon fillets. Iran. J. Nutr. Sci. Food Technol. [In persion] 16(2), 99-109. https://doi.org/10.52547/nsft.16.2.99
[7]  Ahmadi, O. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2020). Effectiveness of soluble oxygen in preparation of thyme oil nanoemulsion-simulation and characterization. Iran. Chem. Eng. J. 19(110), 42-53. [In persion]. https://doi.org/10.1001/17355400.1399.19.110.4.0
[8]  Ahmadi, O. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2021). Simulation of the Preparation of Thyme Essential Oil Nanoemulsion Process Using Sub-critical Water and Evaluation of Its Properties. Iran. J. Biosyst. Eng. 51(4), 705-714. [In persion]. https://doi.org/10.22059/ijbse.2019.285553.665203
[9]  Sayyar, Z. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2024). Enhancing the efficacy of nano-curcumin on cancer cells through mixture design optimization of three emulsifiers. BMC Chem.. 18(1), 62. [In persion]https://doi.org/10.1186/s13065-024-01160-z
[10] Elkholy, N.S., Hariri, M.L.M., Mohammed, H.S., and Shafaa, M.W. (2023). Lutein and β- carotene characterization in free and nanodispersion forms in terms of antioxidant activity and cytotoxicity. J. Pharm. Innov. 18(4), 1727-1744. [In persion] https://doi.org/10.1007/s12247-023-09745-2
[11] Trach, R., Trach, Y., Kiersnowska, A., Markiewicz, A., Lendo-Siwicka, M., and Rusakov, K. (2022). A study of assessment and prediction of water quality index using fuzzy logic and ANN models. Sustainability. 14(9), 5656. https://doi.org/10.3390/su14095656
[12] Magalhães, B., Gaspar, P.D., Corceiro, A., João, L., and Bumba, C. (2022). Fuzzy Logic Decision Support System to predict peaches marketable period at highest quality. Climate. 10(3), 29. https://doi.org/10.3390/cli10030029
[13] Dhar, R., Bhalerao, P.P., and Chakraborty, S. (2021). Formulation of a mixed fruit beverage using fuzzy logic optimization of sensory data and designing its batch thermal pasteurization process. J. Food Sci.. 86(2), 463-474. https://doi.org/10.1111/1750-3841.15583
[14] Kandavalli, S.R., Sundramurthy, V.P., Krishnasamy, V.D., Prasad, G.N.R., Kasi, U.K., Rajesh, S., Rajesh Kumar, B., Selvaraju, M., Kadaikunnan, S., and Khaled, J.M. (2024). Bioresin based hybrid green composite preparation using Holoptelea integrifolia fibers reinforced by Ziziphus jujuba seed particles, a fuzzy logic assisted optimization of mechanical behaviour. Z. Phys. Chem. 238(3), 1-15. https://doi.org/10.1515/zpch-2024-0837
[15] Aqababai, M., Kazemini, H.R., & Shahoui, M.H. (2020). Studying the effect of chitosan nanoemulsion coating containing scacothiol on the growth of Aeromonas hydrophila bacteria inoculated in salmon fillets stored in a refrigerated environment. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Interdisciplinary Studies in Food Industry and Nutrition Sciences in Iran, Tehran, Iran. [In persion]
[16] Yazdani, H., Amani, A., Besharati, M., Taheri, M., and Marjani, A. (2022). Evaluation of chemical compositions and comparison of antibacterial activity of essential oil and nanoemulsion containing essential oil of Ziziphora clinopodioides. J. North Khorasan Univ. Med. Sci. 14(3), 70-77. [In persion]. https://doi.org/10.32592/nkums.14.3.70
[17] Ahmadi, O. and Jafarizadeh-Malmiri, H. (2020). Mass Transfer Modeling in the Process of Thyme Essential Oil Extraction and Evaluation of Physico-Chemical Properties. Iran. Chem. Eng. J. 19(109), 27-36. [In persion]. https://doi.org/10.1001/17355400.1399.19.109.2.6
[18] Jafarizadeh-Malmiri, H., Anarjan, N., and Berenjian, A. (2022). Developing three-component ginger-cinnamon-cardamom composite essential oil nanoemulsion as natural food preservatives. Environ. Res. 204, 112133. [In persion] https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.112133
[19] Yeddes, W., Djebali, K., Wannes, W.A., Horchani-Naifer, K., Hammami, M., Younes, I., and Tounsi, M.S. (2020). Gelatin-chitosan-pectin films incorporated with rosemary essential oil, Optimized formulation using mixture design and response surface methodology. Int. J. Biol. Macromol. 154, 92-103. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.03.092
[20] Mirzakhani, L., Jafarizadeh-Malmiri, H., and Ahmadi, O. (2024). Three accelerated methods based on microwave, hydrothermal and conventional heating in the green synthesis of selenium nanoparticles using garlic aqueous extract: Screening and characterization. Nano-Struct. Nano-Objects. 38: 101162. [In persion] https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101162
[21] Ali, O.A.M., Ali, A.Y., and Sumait, B.S. (2015). Comparison between the effects of different types of membership functions on fuzzy logic controller performance. Int. J. Emerg. Eng. Res. Technol. 76, 76-83. [In persion]
 [22]     Jang, J.-S.J.I.t.o.s., man, and cybernetics. (1993). ANFIS: adaptive-network-based fuzzy inference system. IEEE Trans. Syst. Man Cybern. 23(3), 665-685. https://doi.org/10.1109/21.256541