Microwave-Ultrasound Binary Extraction Process (MUBEP): A green method for extraction of polyphenols from pomegranate peel biomass

تنتج صناعة الأغذية العالمية كل عام كميات هائلة من النفايات. فمن قشور الفواكه إلى بقايا الخضروات، غالبًا ما يتم التخلص من هذه المنتجات العضوية الثانوية، مما يساهم في الضغط البيئي وفقدان القيمة الاقتصادية. ومع ذلك، يكمن داخل هذه النفايات كنز دفين من المواد الكيميائية الطبيعية. فالعديد من قشور الفواكه غنية بالبوليفينول، وهي فئة واسعة من المركبات النباتية المعروفة بقدرتها على محاربة الإجهاد التأكسدي في الجسم. وهذه المواد، التي تشمل مضادات الأكسدة مثل الفلافونويد والأنثوسيانين، مطلوبة بشدة من قبل صناعات الأغذية والأدوية ومستحضرات التجمية نظراً لفوائدها الصحية المحتملة. وتكمن المعضلة في كيفية استخراجها؛ إذ إن الطرق التقليدية لاستخراج هذه المركبات غالباً ما تكون بطيئة، وتتطلب كميات كبيرة من المذيبات الكيميائية، وتستهلك طاقة كبيرة، مما يجعل العملية مكلفة وأقل رفقاً بالبيئة. وقد بحث العلماء عن بديل "أخضر" — طريقة لحصاد هذه الجزيئات القيمة بسرعة ونظافة، وتحويل ما كان يُعتبر ذات يوم نفايات إلى مورد.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون طريقة تجمع بين قوتين فيزيائيتين قويتين: الموجات الدقيقة (الميكروويف) والموجات الصوتية. ويهدف هذا النهج، الذي يسمونه "عملية الاستخراج الثنائي بالموجات الدقيقة والموجات فوق الصوتية"، إلى كسر الجدران الخلوية الصلبة للمواد النباتية لإطلاق محتوياتها دون الحاجة إلى مواد كيميائية قاسية أو حرارة مفرطة. وقد ركز الفريق تحديداً على قشور الرمان، وهي منتج نفايات متوفر بكثرة في الهند وغني بالمركبات النشطة بيولوجياً. وبينما يحظى عصير الرمان بشعبية كبيرة، فإن قشرته الخارجية السميكة تُلقى عادةً، رغم احتوائها على تركيزات عالية من البوليفينولات ذاتها التي تجعل هذه الفاكهة مشهورة. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحسين عملية تستخدم طاقة الميكروويف لتسخين الخليط واهتزازات الموجات فوق الصوتية لتحريكه، مما يخلق تأثيراً تآزرياً يستخرج المزيد من المواد في وقت أقل.

ولإيجاد الوصفة المثالية لهذا الاستخراج، لم يكتفِ العلماء بالتخمين، بل استخدموا أداة إحصائية متطورة لاختبار عشرات التوليفات المختلفة من المتغيرات. فقد قاموا بتغيير قوة الميكروويف، وطول مدة تعرض القشور للميكروويف، ومدة معالجة الموجات فوق الصوتية اللاحقة. ومن خلال إجراء تجاربهم وفق نمط محدد، تمكنوا من رسم خريطة لكيفية تأثير كل عامل على النتيجة النهائية. وكان الهدف هو تحديد الإعدادات الدقيقة التي ستؤدي إلى أعلى كمية من المستخلص مع الحفاظ على الهياكل الكيميائية الدقيقة للبوليفينولات. وقد وجدوا أن العملية كانت حساسة للغاية لهذه الظروف؛ فزيادة الطاقة أو الوقت قد تؤدي إلى تدهور المركبات التي يحاولون إنقاذها، بينما الفشل في توفير القدر الكافي سيؤدي إلى عدم كسر الخلايا بفعالية.

كانت نتائج تحسينهم مذهلة. فمن خلال الاستقرار على مجموعة محددة من الظروف — استخدام 400 واط من طاقة الميكروويف لمدة 10 دقائق، تليها 9 دقائق من معالجة الموجات فوق الصوتية — حقق الباحثون استخلاصاً فعالاً بشكل ملحوظ. وتحت هذه الإعدادات المثلى، استعادوا 73.6% من المواد المتاحة من مسحوق القشور المجففة. والأهم من ذلك، أن جودة المستخلص كانت استثنائية؛ حيث احتوى السائل على أكثر من 3,460 ملليغرام من الفينولات الكلية لكل لتر، وهو مقياس لمحتوى مضادات الأكسدة. كما احتوى أيضاً على ما يقرب من 291 ملليغرام من الأنثوسيانين لكل غرام، وهي الصبغات المسؤولة عن اللون الأحمر الداكن للفاكهة، وأكثر من 30 ملليغرام من الفلافونويد لكل غرام. وتمثل هذه الأرقام تركيزاً كبيراً للمركبات النشطة بيولوجياً، مما يشير إلى أن هذه الطريقة أكثر فعالية بكثير من العديد من النهج التقليدية أحادية التقنية.

وللتأكد من أن المستخلص غني بالفعل بالمركبات المطلوبة، نظر الفريق بدقة في التركيبة الكيميائية للمنتج النهائي. وباستخدام التصوير المتقدم ومطياف الكتلة، حددوا جزيئات معينة معروفة بوجودها في الرمان، مثل البونيكالاجينين، وحمض الغاليك، وأنواع مختلفة من السيانيدين. وأكد التحليل أن العملية لم تكتفِ باستخراج مواد نباتية عشوائية، بل نجحت في عزل البوليفينولات المحددة المسؤولة عن الخصائص المعززة للصحة في الرمان. علاوة على ذلك، عندما فحصوا البنية الفيزيائية للقشرة قبل وبعد العملية، كان الفرق واضحاً؛ فقد كانت القشور غير المعالجة ذات سطح ناعم وسليم، ولكن بعد معالجة الميكروويف والموجات فوق الصوتية، أصبح السطح خشناً ومليئاً بالشقوق والمسام. أكد هذا الضرر الفيزيائي أن الطاقة قد نجحت في تمزيق الجدران الخلوية، مما سمح للمذيب بالتغلغل بعمق في الداخل وحمل المركبات القيمة إلى الخارج.

تثبت هذه الدراسة أن الجمع بين تقنيات الميكروويف والموجات فوق الصوتية يوفر طريقة قوية وصديقة للبيئة لتثمين النفايات الزراعية. ومن خلال ضبط مدخلات الطاقة، أظهر الباحثون أنه من الممكن استخراج عوائد عالية من مضادات الأكسدة القوية من قشور الرمان بأقل قدر من النفايات واستهلاك الطاقة. وقد أثبتت الطريقة أنها قوية، حيث طابقت النتائج التجريبية تنبؤات نماذجهم الإحصائية بشكل مثالي تقريباً. وبينما ركز البحث على الرمان، فإن المبادئ الكامنة وراء عملية الاستخراج الثنائي هذه تشير إلى إمكانات أوسع لاستعادة المكونات القيمة من أنواع أخرى من نفايات الفواكه والخضروات. إنها تقدم مساراً عملياً للصناعات التي تتطلع إلى تقليل بصمتها البيئية مع ابتكار منتجات جديدة عالية القيمة من مواد كانت ستُهمل لولا ذلك.