استخراج کلروفیل ها (رنگینه) از برگ

مقدمه :
رنگ سبز گیاهان ، رنگ برخی از جلبکها و باکتریها (قهوه‌ای ، قرمز و بنفش) به نوع واکنشهای فتوسنتزی آنها وابسته است. رنگدانه‌های مسئول این رنگها در این موجودات عامل اصلی جذب انرژی نور خورشیدند. مهمترین این رنگدانه‌ها در فتوسنتز سبزینه (کلرفیل) موجود در گیاهان سبز است. کلروفیل در واقع پورفیرینهای منیزیم است که ساختارشان با پورفیرینهای آهن‌دار تفاوت دارد. این ساختار شامل دو بخش است: یک بخش سر که همان پورفیرین منیزیم‌دار است و یک بخش دم که از زنجیره هیدروکربنی آب‌گریز ساخته شده است. این زنجیره فیتول نیز نامیده می‌شود.

در گیاهان ، انواع مختلف کلروفیل وجود دارد که بر حسب ساختارشان به نام کلروفیلهای a ، b ، c و غیره نامگذاری شده‌اند. در گیاهان عالی معمولا دو نوع کلروفیل a و b وجود دارد که ساختار مشابهی دارند و تفاوتشان در گروه R آنهاست. اگر R یک گروه متیل (CH3) باشد، کلروفیل از نوع a و اگر عامل فرمیل (CHO) باشد کلروفیل از نوع b است هر دو کلروفیل a و b نور مرئی را در طول موج مشخصی بین ۷۰۰ – ۴۰۰ نانومتر جذب می‌کنند.

انواع کلروفیل در گیاهان
تمام گیاهان فتوسنتز کننده دارای کلروفیل a هستند ولی وجود کلروفیلهای کمکی (فرعی) مثل b ، c و d بستگی به نوع گیاه دارد. مثلا در گیاهان عالی معمولا کلروفیل b دیده می‌شود. در حالی که در جلبکهای سبز- آبی و قهوه‌ای و سرخ این کلروفیل وجود ندارد. رنگیزه‌های کلروفیل موجود در باکتریهای فتوسنتز کننده را باکتریو کلروفیل می‌نامند و دو نوع a و b از آن یافت می‌شود.
نسبت انواع کلروفیلها در گیاهان
در بیشتر گیاهان نسبت کلروفیل a به کلروفیل b بر حسب شدت نور که بر گیاه می‌تابد تغییر می‌کند. مثلا میانگین این نسبت در گیاهان آلپی (گیاهان گروههای آلپ) که در معرض نور شدید هستند حدود ۵/۵ است در صورتی که در گیاهان سایه پسند و گریزان از نور این نسبت ۳/۲ است.
طیف جذبی کلروفیلها
اگر نور تک رنگی به طول موجهای مختلف حاصل از منشوری را روی برگ سبزی بتابانیم و شدت فتوسنتز را در طول موجهای مختلف اندازه بگیریم، معلوم می‌شود که تاثیر نور آبی (با طول موجی نزدیک به ۴۲۰ نانومتر) و نور سرخ (با طول موجی نزدیک به ۶۸۰ – ۶۷۰ نانومتر) به

حد بیشینه بوده و تاثیر نور سبز با ( طول موجی حدود ۶۰۰ – ۵۰۰ نانومتر) به حد کمینه است. این طیف کنشی در رابطه با طول موج در مورد کلروفیل که رنگیزه عمده کلروپلاست در گیاهان است ظاهرا با خواص جذبی یا ، به عبارت بهتر طیف جذبی نور ارتباط دارد.
زیرا کلروفیل وقتی از برگ استخراج می‌شود دقیقا همان طول موجهایی را که به بیشترین وجه در فتوسنتز موثرند به مقدار زیاد جذب می‌کند. از مقایسه طیف جذبی رنگیزه‌های کلروفیل

با طیف کنشی آن معلوم می‌شود که کلروفیلهای a و b و کارتنوئیدها در جذب نور برای فتوسنتز دخالت دارند. بعضی از این رنگیزه‌ها تنها نقش گیرنده انرژی نوری را ایفا می‌کنند و بطور غیر مستقیم با انتقال انرژی خود به رنگیزه‌های اصلی که مستقیما در تبدیل انرژی نوری به انرژی شیمیایی عمل می‌کنند نقش کمکی دارند.
طیف کنشی
طیف کنشی عبارتست از دامنه عمل رنگیزه مسئول واکنش نور شیمیایی که با اندازه‌گیری سرعت واکنش نور شیمیایی و در طول موجهای متفاوت و رسم منحنی آن بدست می‌آید.
رابطه بین طیف جذبی کلروفیلها با ترکیب شیمیایی آنها
محلول خالص کلروفیل a آبی مایل به سبز و محلول کلروفیل b سبز متمایل به زرد است. طیف جذبی کلروفیل a با b تفاوت دارد و بر حسب نوع پروتئینی که با آنها ترکیب شده است تغییر می‌کند. طیف جذبی باکتریو کلروفیل نیز دارای دو نقطه بیشینه جذب یکی از ناحیه نور آبی و دیگری در فرو سرخ است که اوج جذبی اخیر بر حسب نوع پروتئینی که به آن متصل است بین ۸۰۰ تا ۸۹۰ نانومتر تغییر می‌کند.
ساختار شیمیایی کلروفیل
ساختار شیمیایی کلروفیل به این ترتیب است که در مرکز مولکول کلروفیل یک اتم منیزیم قرار دارد که به چهار شبکه کربنی موسوم به چهار حلقه پیرولی متصل است و قسمت حلق

وی (پورفیرین) مولکول یا سر آن را تشکیل می‌دهد. در محل کربن شماره ۷ این هسته پورفیرینی یک زنجیره بلند کربنی به نام زنجیر فیتولی اتصال دارد که قسمت دم مولکول را می‌سازد هسته چهار پیرولی یا سر مولکول کلروفیل قطب آب دوست و زنجیر فیتولی یا دم کلروفیل قطب آب گریز (یا چربی دوست) آن را تشکیل می‌دهد و به همین جهت کلروفیل و مولکولهای نظیر آن را ترکیبات دوپسند می‌نامند.
تفات ساختاری کلروفیل a با کلروفیل b

تفاوت ساختاری کلروفیل a با کلروفیل b در سومین کربن آنهاست. در کلروفیل a یک گروه متیل (CH3) به کربن شماره ۳ متصل است در حالی که در کلروفیل b یک گروه آلدئیدی (O=HC) به این کربن چسبیده است.
جایگاه کلروفیلها
کلروفیلها و کارتنوئیدها تقریبا همیشه در قسمت تیغه‌ای (لاملی) کلروپلاست وجود دارند. زیرا تیغه‌ها که نیمی از آنها پروتئین و نیمی دیگر لیپید است محل مناسبی جهت اتصال مولکولهای دوپسند کلروفیل است. دم چربی دوست کلروفیل جذب بخش لیپیدی شده و سر آبدوست آن با بخش پروتئینی تیغه‌ها پیوندهای ضعیف تشکیل می‌دهد و همین امر موجب می‌شود که مولکولهای کلروفیل با نظمی خاص در داخل لاملها به ردیف درآیند.
رنگیزه‌های نوری در گیاهان
فتوسنتز پدیده‌ای است که در گیاهان سبز و جلبکهای سبز- آبی رخ می‌دهد. رنگ سبز این گیاهان به نوع واکنشهای فتوسنتزی آنها وابسته است. رنگدانه‌های مسئول این رنگها در این موجودات عامل اصلی جذب انرژی نوری خورشیدند. از مهمترین رنگدانه‌ها در فتوسنتز ، سبزینه موجود در گیاهان سبز است. در گیاهان انواع مختلف کلروفیل وجود دارد که بر حسب ساختارشان به نام کلروفیلهای c , b , a و غیره نامگذاری شده‌اند.
کاروتنوئیدها با رنگهای قرمز ، زرد و بنفش و فیکوبیلینها با رنگهای آبی و قرمز دو دسته مهم دیگر از رنگدانه‌های فتوسنتزی هستند. دو نوع کاروتنوئید در کلروپلاستها وجود دارد. کاروتنها پیش‌ساز ویتامین A در جانوران‌اند و گزانتوفیل. هر دو ساختار هیدروکربنی با پیوندهای مضاعف دارند. در فتوسنتز اکثرا انرژی خورشیدی جذب شده و بوسیله کاروتنوئیدها (در طول موج ۴۷۰ تا ۵۲۰ نانومتر) به کلروفیل انتقال داده می‌شود. همین رنگدانه‌ها اساس ساختار فتوسیستمهای II , I را تشکیل می‌دهند.

کلروفیل ها
کلروفیلها رنگیزه‌های سبز و فعال فتوسنتزی موجود در کلروپلاست‌اند که به انواع متنوع c , b , a , e , d شناخته شده‌اند. تمام گیاهان فتوسنتز کننده دارای کلروفیل a هستند ولی وجود کلروفیل کمکی مثل d , c ,b بستگی به نوع گیاه دارد. در بعضی جلبکها کلروفیل b وجود ندارد و به عوض آن کلروفیل c یا d دیده می‌شود. کلروفیل a به رنگ آبی مایل به سبز و محلول خالص کلروفیل b به رنگ سبز متمایل به زرد است. طیف جذبی کلروفیل a با b تفاوت دارد و بر حسب نوع پروتئینی که با آنها ترکیب شده فرق می‌کند.
ساختار شیمیایی کلروفیل
ساختمان کلروفیل با بخش آهن‌دار هموگلوبین خون جانوران شباهت دارد. ساختار شیمیایی کلروفیل به این ترتیب است که در مرکز مولکول کلروفیل یک اتم منیزیم قرار دارد که به چهار شبکه کربنی موسوم به چهار حلقه پیرولی متصل است و قسمت حلقوی (پورفیرین) سر مولکول آن را تشکیل می‌دهد. در محل کربن شماره ۷ این هسته پورفیرینی یک زنجیره بلند کربنی بنام زنجیر فیتولی اتصال دارد که قسمت دوم مولکول را می‌سازد. هسته چهار پیرولی یا سر مولکول کلروفیل قطب آب‌دوست و زنجیر فیتولی یا دم کلروفیل قطب آب گریز (یا چربی دوست) آن را ت

شکیل می‌دهد و به همین جهت کلروفیل و مولکولهای نظیر آن را ترکیبات دوپسند می‌نامند.
کاروتنوئیدها
کاروتنوئیدها ترکیباتی لیپیدی هستند که به مقدار زیاد در جانوران و گیاهان به رنگ نارنجی تا ارغوانی یافت می‌شوند.
کاروتن
نخستین ترکیبات کاروتنوئیدی که توسط واکنرود (در سال ۱۸۳۱) شناخته شد و از ریشه هویچ استخراج گردید، بتا β کاروتن است. β کاروتن وقتی به دو نیمه مساوی تقسیم شود دو مولکول ویتامین A می‌سازد که ویتامین A پس از اکسایش به رتینال یا رنگیزه گیرنده نور در چشم انسان تبدیل می‌گردد. الکترونهای رتینال موجود در یاخته‌های گیرنده شبکیه چشم با جذب فوتونهای نور برانگیخته شده تغییراتی را در غشای یاخته‌ها بوجود می‌آورد و منجر به تحریک گیرنده‌های عصبی می‌شود. رتینال فوتونهایی را که انرژی متوسطی دارند و طول موج آنها بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر یعنی همان طیف نور مرئی است جذب می‌کنند.

گزانتوفیلها
کاروتنوئیدها از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند. کاروتنوئیدها علاوه بر کربن و هیدروژن ، اکسیژن نیز دارند (فرم اکسید شده کاروتنوئیها) گزانتوفیل خوانده می‌شوند که خیلی بیش از کاروتنها و به میزان ۲ برابر آنها در گیاهان یافت می‌شوند.
ساختار شیمیایی کاروتنوئیدها
هر مولکول کاروتنوئید یک زنجیره بلند هیدروکربنی اشباع نشده شامل دو نیمه یا دو قسمت است که توسط یک پیوند مضاعف بهم متصلند. هر نیمه مولکول از چهار واحد ایزوپرین تشکیل شده است. β (بتا) کاروتن دو حلقه آنیونی β یکسان در دوانتهای زنجیره هیدروکربنی دارد. در حالی که α کاروتن یک حلقه آنیونی α و یک حلقه آنیونی β (بتا) دارد.
اهمیت کاروتنوئیدها
علاوه بر نقش فیزیولوژی کاروتنوئیدها در ارتباط با ویتامین A وتاثیر آن در قوه بینایی جانوران ، امروزه اهمیت آنها در گیاهان روشن شده است. این رنگیزه‌ها در خارج از ماده زنده دارای فلوئورسانس نیستند ولی باعث ایجاد این پدیده در کلروفیل a می‌شوند. از این رو طول موجهایی از نور را که کلروفیل a قادر به جذب آنها نیست جذب نموده و به آن منتقل می‌سازند. از طرف دیگر بعضی از پژوهشگران معتقدند که کاروتنوئیدها طول موجهایی از نور را که باعث اکسایش نوری کلروفیل می‌شوند جذب می‌کنند و بدین ترتیب کلروفیل را محافظت می‌نمایند.
فیکواریترینها و فیکوسیانینها
فیکواریترینها و فیکوسیانینها از دیگر رنگیزه‌های کمکی هستند که به دسته‌ای از پروتئینهای مرکب به نام بیلی‌پروتئینها تعلق دارند.گروه پروستتیک این بیلی پروتئینها ، فیکوبیلین خوانده می‌شود که قویا به قسمت پروتئینی متصل است. این بخش در حلالهای آلی ، نظیر کلروفرم حل می‌شود. از این رو مطالعه آن بطور مجزا و خالص دشوار است. فیکواریترینها به رنگ سرخ در جلبکهای سرخ و

فیکوسیانینها به رنگ آبی در جلبکهای آبی همراه با رنگیزه‌های کلروفیل و کاروتنوئید به انتقال انرژی به کلروفیل α کمک می‌کنند.

ساختار شیمیایی
این رنگیزه‌ها نیز مثل کلروفیل‌ها از چهار حلقه پیرولی تشکیل شده‌اند. اما چهار حلقه پیرول بطور زنجیره‌ای بهم متصل‌اند. از این گذشته فیتول و منیزیم ندارند. این رنگیزه‌ها در یاخته‌ها به پروتئین متصل‌اند. هر دو نوع فیکوبیلین فوق در جذب نور و فتوسنتز موثرند. فیکواریترین بویژه نور سبز را در جهت انجام فتوسنتز جذب می‌کند و بهمین علت نیز جلبکهای سرخ می‌توانند در ژرفای آبها زندگی کنند. زیرا نور سبز کمتر جذب مولکولهای آب می‌شوند و در نتیجه بیشتر نفوذ می‌کند.
استخراج رنگهاي طبيعي از اندامهاي گياهي
قبل از تهيه رنگها به طريق مصنوعي ( Synthetic )، براي مصارف خوراکي ، داروئي و صنعتي ، از رنگهاي طبيعي استفاده مي شد ، ليکن با تهيه رنگهاي مصنوعي ، استفاده از رنگهاي طبيعي رو به کاهش رفت. از طرفی به مرور زمان مشخص گرديد که رنگهاي مصنوعي براي تغذيه انسان خالي از خطر نيست. لذا توجه به رنگهاي طبيعي مورد توجه مجدد قرار گرفته است.

در حال حاضر، در خراسان ، به منظور رنگ آميزي پشم و ابريشم در صنعت قالي بافي از رنگهاي مختلفي که در ريشه ، ساقه ، برگ ، گل و ميوه گياهان مختلف به شرح زير وجود دارد ، استفاده مي کنند :
از ريشه روناس ( Madder ) با نام علمي ( Rubia tinctorium ( رنگ قرمز مخملي استخراج مي گردد.
از غده ريشه زرد چوبه ( Turmeric ) با نام علمي ( Curcuma longa ) در صنعت ، رنگ قرمز ، نارنجي يا قهوه اي مايل به قرمز و در طبخ غذا ، رنگ زرد بدست مي آيد.
از برگ نيل ( Indigo ) با نام علمي ( Indigofera tinctorial ) رنگ آبي سير استخراج مي گردد. برگها داراي يک گليکوزيد بي رنگ قابل حل در آب مي باشند که در آب اکسيد شده و رنگ آبي غير قابل حل در آب را توليد مي کند.
از برگ انگور ( Grape ) با نام علمي (Vitis Vinifera ) رنگ سبز پسته اي و زرد استخراج مي گردد.
از برگهاي ساير درختان نيز مي توان کلروفيل استخراج نمود و از آن براي رنگ آميزي غذاها ، سوپ ، داروها و موادصنعتي استفاده نمود. ارزش کلروفيل به بي ضرري کامل آن است. کلروفيل در نقش بو زدا نيز مي تواند مورد استفاده قرار گيرد.
از برگ و ساقه هاي جوان حنا ( Henna ) با نام علمي ( Lawsonia inermis ) رنگ نارنجي بدست مي آيد که در رنگ کردن مو ، انگشتان و پارچه از آن استفاده مي شود.
از پوست سبز ميوه گردو ( ( Walnutبا نام علمي ( Juglans regia ) که از درختان بومي اي

ران است ، رنگ قهوه اي سير استخراج مي گردد.
از پوست قرمز انار ( Pomegranate ) با نام علمي (Punica granatum ) که از درختان بومي ايران است ، همراه با اجزاء گياهان ديگر ، رنگهاي مختلفي بدست مي آيد.
از گل گياه گلرنگ ( Safflower ) با نام علمي ( Carthamus tinctorius ) که از گياهان بومي هندوستان است ، دو رنگ مختلف قرمز و زرد براي صنايع غذائي و نساجي استخراج مي گردد.
از کلاله زعفران ( Saffron ) با نام علمي ( Crocus sativus ) تحت شرايط خاصي در رنگ آميزي ابريشم استفاده مي شود.
از ميوه زرشک ( Barberry ) با نام علمي ( Berberis vulgaris ) رنگ قرمز روشن استخراج مي شود. چوب اين درختچه نيز زرد رنگ است و از آن رنگ زرد بدست مي آيد.
حسن رنگهاي طبيعي در آن است که در صنايع غذائي ، داروئي و نوشابه سازي بي خطر مي باشند و محدوديت مصرف ندارند.
استخراج کلروفیل
برای تهیه کلروفیل برگ پایه های وحشی یا پرورش یافته گزنه دو پایه را در سایه در گرمای معتدل خشک می نمایند تا بر اثر تابش خورشید‏، رنگ سبز برگ، کاهش پیدا نکند برگهای خشک شده را بعداَ بسته بندی و به مراکز تولید کلروفیل می فرستند برگ تازه گرنه دارای ۵/۱ درصد کلروفیل خالص است ولی برگهای خشک شده آن تا ۵/۷ درصد از این ماده تولید می کند در صنعت از کلروفیل برای رنگ کردن صابون ‏ روغن ها و همچنین مواد عطری مختلف نیز استفاده بعمل می آید. تذکر : از برگ اسفناج هم استخراج کلروفیل صورت می گیرد.

 

استخراج رنگهاي طبيعي از اندامهاي گياهي
قبل از تهيه رنگها به طريق مصنوعي ( Synthetic )، براي مصارف خوراکي ، داروئي و صنعتي ، از رنگهاي طبيعي استفاده مي شد ، ليکن با تهيه رنگهاي مصنوعي ، استفاده از رنگهاي طبيعي رو به کاهش رفت. از طرفی به مرور زمان مشخص گرديد که رنگهاي مصنوعي براي تغذيه انسان خالي از خطر نيست. لذا توجه به رنگهاي طبيعي مورد توجه مجدد قرار گرفته است.