FIORELLA PATRICIA CÁRDENAS TORO
OBTENÇÃO DE EXTRATOS ENRIQUECIDOS EM CAROTENOIDES
E PRODUTOS HIDROLISADOS ATRAVÉS DO FRACIONAMENTO
DA FIBRA DE PALMA PRENSADA COM SOLVENTES LIMPOS E
FLUIDOS PRESSURIZADOS
Campinas - SP
2015
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
FIORELLA PATRICIA CÁRDENAS TORO
OBTENÇÃO DE EXTRATOS ENRIQUECIDOS EM CAROTENOIDES
E PRODUTOS HIDROLISADOS ATRAVÉS DO FRACIONAMENTO
DA FIBRA DE PALMA PRENSADA COM SOLVENTES LIMPOS E
FLUIDOS PRESSURIZADOS
Tese de doutorado apresentada à Faculdade de
Engenharia de Alimentos, da Universidade
Estadual de Campinas, como parte dos
requisitos exigidos para obtenção do Título de
Doutora em Engenharia de Alimentos
Orientadora: Prof
a. Dra. Maria Angela de Almeida Meireles Petenate
Coorientadora: Prof
a. Dra. Tania Forster Carneiro
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE Á VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA FIORELLA PATRICIA CÁRDENAS TORO
E ORIENTADO PELA PROFA. DRA. MARIA ANGELA DE ALMEIDA MEIRELES PETENATE
Assinatura do Orientador
Campinas-SP
Biblioteca da Faculdade de Engenharia de Alimentos Helena Joana Flipsen - CRB 8/5283
Cárdenas Toro, Fiorella Patricia,
C178o C_aObtenção de extratos enriquecidos em carotenoides e produtos hidrolisados através do fracionamento da fibra de palma prensada com solventes limpos e fluidos pressurizados / Fiorella Patricia Cárdenas Toro. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
C_aOrientador: Maria Angela de Almeida Meireles Petenate. C_aCoorientador: Tânia Forster Carneiro.
C_aTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos.
C_a1. Carotenóides. 2. Extração com líquido pressurizado. 3. Hidrólise. 4. Extração supercrítica. 5. Resíduos agrícolas. I. Petenate, Maria Angela de Almeida Meireles,1953-. II. Forster-Carneiro, Tânia. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Obtaining of carotenoid-rich extracts and hydrolysate products by fractionation of pressed palm fiber using clean solvents and pressurized fluids
Palavras-chave em inglês: Carotenoids
Pressurized liquid extraction Hydrolysis
Supercritical extraction Agricultural by-products
Área de concentração: Engenharia de Alimentos Titulação: Doutora em Engenharia de Alimentos Banca examinadora:
Tânia Forster Carneiro [Coorientador] Carmen Sílvia Fávaro Trindade
Carolina Lima Cavalcanti de Albuquerque Cristiano Augusto Ballus
Diego Tressinari dos Santos Data de defesa: 26-02-2015
Programa de Pós-Graduação: Engenharia de Alimentos
_____________________________________________ Profa. Dra. Tania Forster Carneiro
(COORIENTADORA) – DEA/FEA/UNICAMP
_____________________________________________ Profa. Dra. Carmen Sílvia Fávaro Trindade
(MEMBRO TITULAR) – FZEA/USP
_____________________________________________ Profa. Dra. Carolina Lima Cavalcanti de Albuquerque
(MEMBRO TITULAR) – DTA/UFPB
_____________________________________________ Dr. Cristiano Augusto Ballus
(MEMBRO TITULAR) – DCA/FEA/UNICAMP
_____________________________________________ Dr. Diego Tresinari dos Santos
(MEMBRO TITULAR) – DEA/FEA/UNICAMP
_____________________________________________ Profa. Dra. Cintia Bernardo Gonçalves
(MEMBRO SUPLENTE) – FZEA/USP
_____________________________________________ Dra. Klicia Araujo Sampaio
(MEMBRO SUPLENTE) – DEA/FEA/UNICAMP
_____________________________________________ Dr. Luis Alberto Follegatti Romero
Autora: Fiorella Patricia Cárdenas Toro.
Título: Obtenção de extratos enriquecidos em carotenoides e produtos hidrolisados através do fracionamento da fibra de palma prensada com solventes limpos e fluidos pressurizados.
Orientadora: Profa. Dra. Maria Angela de Almeida Meireles Petenate Coorientadora: Profa. Dra. Tânia Forster-Carneiro.
RESUMO
A fibra de palma prensada (Elaes guineensis) é um resíduo procedente da indústria de extração de óleo de palma que possui na sua composição compostos bioativos tais como - e -caroteno, assim como os polissacarídeos (celulose e hemicelulose). Estes compostos podem ser recuperados mediante processos de extração e hidrólise com a finalidade de produzir de forma sustentável, extratos enriquecidos com carotenoides e produtos hidrolisados com aplicação na indústria química, de alimentos e farmacêutica. Entre as tecnologias que utilizam solventes limpos a altas e baixas pressões, temos a extração por Soxhlet (LPSE-SOX), extração por percolação (LPSE-PE), extração por líquido pressurizado (PLE), extração com fluído supercrítico (SFE) e hidrólise subcrítica com água (SubWH). Neste trabalho, um processo integrado utilizando SFE e SubWH foi desenvolvido como modelo de aproveitamento integral da fibra de palma prensada utilizando tecnologia supercrítica. O estudo incluiu a avaliação dos efeitos dos parâmetros operacionais de extração: temperatura e pressão empregando uma razão mássica de solvente por massa de matéria-prima (S/F) de 30 na obtenção de um extrato rico em carotenoides; e dos parâmetros operacionais de hidrólise: temperatura, pressão, S/F e tempo de residência na produção de monossacarídeos e oligossacarídeos nos produtos hidrolisados. Após esse primeiro estudo, um segundo estudo dos processos de extração LPSE-SOX, LPSE-PE e PLE utilizando etanol como solvente limpo foi realizado com o objetivo de explorar as condições de operação: temperatura, pressão e vazão na razão S/F de 20, que favorecessem a produção de um extrato rico em carotenoides ( e -caroteno) incluindo a avaliação econômica de cada processo. Os resultados do primeiro estudo para o SFE utilizando dióxido de carbono como solvente indicaram que o maior
condição de 318 K (45°C) e 15 MPa. Posteriormente, os experimentos de hidrólise subcrítica da fibra de palma desengordurada obtiveram uma mistura de produtos hidrolisados e produtos de degradação de açúcares, sendo a condição de 523 K (250°C), 15 MPa, tempo de residência de 2,5 min e S/F de 120 aquela com maiores rendimentos de açúcares redutores totais (22,9 g glicose/100 g carboidrato). Este estudo mostrou a viabilidade de integração de processos para o melhor aproveitamento da fibra de palma prensada. Na segunda parte do estudo, os processos de extração com etanol à baixa e alta pressão com melhores rendimentos de carotenoides foram: 305 ± 18 g -caroteno/g extrato e 713 ± 46 g -caroteno/g extrato para o processo PLE na condição de 308 K (35°C), 4 MPa, 2,4 g/min e 17 min de tempo dinâmico; 142 ± 13 g -caroteno/g extrato e 317 ± 46 g -caroteno/g extrato para o processo LPSE-SOX num tempo de 6 h; 79 ± 9 g -caroteno/g extrato e 195 ± 20 g -caroteno/g extrato para o processo LPSE-PE na condição de 308 K (35°C), 2,4 g/min e 17 min de tempo dinâmico. Os custos de manufatura (COM) na escala industrial de 0,5 m3 utilizando 2 extratores em modo contínuo foram de US$98,1/g carotenoide para o processo LPSE-SOX; US$48,9/g carotenoide para o processo LPSE-PE e US$39.1/g carotenoide para o processo PLE. Diante dos resultados obtidos no primeiro e segundo estudo, um estudo cinético dos processos de extração a altas pressões PLE e SFE foi realizado nas condições operacionais que obtiveram altos rendimentos de carotenoides no extrato. O rendimento de extração na razão S/F de 7 e 10 resultou em 90% do total do extrato obtido no final da extração para o processo PLE e SFE, respectivamente. Para o processo PLE e SFE os menores valores de COM foram encontrados para as capacidades de extratores industriais de 0,05 m3 e 0,5 m3. Para o processo PLE, na razão S/F de 8 obtiveram-se os menores valores de COM e COM* específico: US$30,4/kg extrato e US$0,02/g carotenoide para 0,5 m3. Uma tendência similar foi observada para o processo SFE com valores de COM de US$30,8/kg extrato e US$0,08/g carotenoide para 0,5 m3. Baseados nestes resultados, o processo PLE apresenta uma melhor vantagem econômica que o processo SFE e pode ser considerado como a primeira etapa do processo integrado de obtenção de extrato rico em carotenoides seguido do processo SubWH para a obtenção de produtos hidrolisados.
Palavras-chave: Carotenoides, extração com líquido pressurizado, extração supercrítica, hidrólise, resíduos agrícolas.
ix
DOCTORAL THESIS
Author: Fiorella Patricia Cárdenas Toro.
Title: Obtaining of carotenoid rich extracts and hydrolyzate products by fractionation of pressed palm fiber using clean solvents and pressurized fluids
Advisor: Profa Dra. Maria Angela de Almeida Meireles Petenate. Co-Advisor: Profa. Dra. Tânia Forster-Carneiro.
ABSTRACT
Pressed palm fiber (Elaes guineensis) is a residue obtained from the palm oil extraction industry that is a source of bioactive compounds such as - and -carotene present in the residual oil and polysaccharides (cellulose and hemicellulose), which can be recovered by extraction and hydrolysis processes in order to produce in a sustainable manner extracts enriched with carotenoid for direct application in food industry as additives and/or formation of hydrolysate products with high yields of monosaccharides and oligosaccharides with application in the chemical food and pharmaceutical industry. Technologies that use clean solvents at high and low pressures include Soxhlet extraction (LPSE-SOX), extraction by percolation (LPSE-PE), pressurized liquid extraction (PLE), supercritical fluid extraction (SFE) and subcritical hydrolysis (SubWH). In this work, an integrated process using SFE and SubWH was developed as the model of completely utilization of pressed palm fiber using supercritical technology. The study included the evaluation of the effects of operating parameters of extraction: temperature and pressure at the ratio of solvent mass to feed mass (S/F) of 30 in the obtaining of extracts rich in carotenoids and the study of operational parameters of hydrolysis: temperature, pressure, S/F and residence time on the production of monosaccharides and oligosaccharides in the hydrolyzed products. After this first study, a second study of the extraction processes LPSE-SOX, LPSE-PE and PLE using ethanol as a clean solvent was conducted in order to explore the operational conditions: temperature, pressure and flow rate at S/F ratio of 20, which promotes the production of an extract rich in carotenoids (- and -carotene) including the economic evaluation of each process. Results of the first study for SFE using carbon dioxide as a solvent indicated that the highest yield of total carotenoids in the
extract was 800 ± 200 g -carotene/g extract at the condition of 318 K (45°C) and 15 MPa. Thereafter, the experiments of subcritical hydrolysis of defatted pressed palm fiber resulted in a mixture of hydrolyzed products and sugar degradation products, where the condition of 523 K (250°C), 15 MPa, residence time of 2.5 min and S/F 120 presented the highest yield of total reducing sugars (glucose 22.9 g/100 g carbohydrate). In the second part of this study, the extraction processes with ethanol at low and high pressure with highest yields of carotenoids in extracts were: 305 ± 18 g -carotene/g extract and 713 ± 46 g -carotene/g extract for the PLE process at the condition of 308 K (35°C), 4 MPa, 2.4 g/min and 17 min of dynamic time; 142 ± 13 g -carotene/g extract and 317 ± 46 g -carotene/g extract for LPSE-SOX process at 6 h; and 79 ± 9 g -carotene/g extract and 195 ± 20 g -carotene/g extract for LPSE-PE process at condition of 308 K (35°C), 2.4 g/min and 17 min of dynamic time. The cost of manufacturing (COM) for the industrial scale of 2 extractors in continuous mode with capacity of 0.5 m3 were US$98.1/g carotenoid for the LPSE-SOX process, US$48.9/g carotenoid for the LPSE-PE process and US$39.1/g carotenoid for the PLE process. From the results obtained in the first and second study, a kinetic study of the PLE and SFE processes at the operating conditions which obtained the highest carotenoid yields from pressed palm fiber was carried out in order to find the adequate processing time and manufacturing cost. The results showed that the extraction at the S/F ratio of 7 and 10 resulted in extract yields higher than 90% for the PLE and SFE process. On the other hand, the carotenoid yield of carotenoids in the extract increased with the S/F ratio. For PLE and SFE processes, the lowest COM values were found for the industrial scale of extractors of 0.05 and 0.5 m3. For PLE process, the S/F ratio of 8 resulted in the lowest COM and specific COM* value: US$30.4/kg extract and US$0.02/g carotenoid for 0.5 m3. A similar trend was observed for the SFE process with values of US$30.8/kg extract and US$0.08/g carotenoid for capacity of 0.5 m3. Based on these results, the PLE process is economically more advantageous than the SFE process and PLE can be considered as the first step of the integrated process for obtaining of extract rich in carotenoids followed by SubWH for obtaining of hydrolysate products.
Keywords: Agricultural by-products. carotenoids, hydrolysis, pressurized liquid extraction, supercritical extraction.
xi
SUMÁRIO
RESUMO vii
ABSTRACT ix
LISTA DE FIGURAS xxi
LISTA DE TABELAS xxv
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS 1
1. INTRODUÇÃO 3
1.1. Fibra de palma prensada 4
1.2. Tecnologia a altas e baixas pressões para a obtenção de compostos bioativos de
matrizes vegetais 9
1.2.1. Extração sólido-líquido 9
1.2.2. Extração a baixas pressões 11
1.2.3. Tecnologia Supercrítica 12
1.2.3.1. Fluídos supercríticos 12
1.2.3.2. Extração com fluído supercrítico 15
1.2.3.3. Extração com líquidos pressurizados 18
1.2.3.4. Cinética de extração 20
1.2.3.5. Hidrólise subcrítica 22
1.2.3.6. Custo de manufatura 27
1.3. Potenciais usos dos compostos bioativos obtidos utilizando tecnologia a altas e
baixas pressões da fibra de palma prensada. 28
2. OBJETIVOS 29
2.1. Objetivo Geral 29
2.2. Objetivos Específicos 29
3. ESTRUTURA DA TESE 30
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÂFICAS 35
CAPITULO 2. OBTAINING OLIGO- AND MONOSACCHARIDES FROM AGROINDUSTRIAL AND AGRICULTURAL RESIDUES USING HYDROTHERMAL
TREATMENTS. 41
1. Introduction 43
2.1. Major Polysaccharide Components of Biomasses 44
2.1.1. Cellulose 44
2.1.2. Hemicellulose 45
2.1.3. Starch 45
2.2. Biomasses in Brazil 47
3. Chemical Conversion of Biomasses 48
4. Hydrothermal Treatment of Cellulose, Hemicellulose and Starch of Biomasses 48 4.1. Physicochemical Properties of Water under Subcritical and Supercritical Conditions 48 4.2. Hydrothermal Treatment of Lignocellulosic Biomasses 49
4.2.1. Hydrothermal Treatment of Cellulose 52
4.2.2. Hydrothermal Treatment of Hemicellulose 53
4.2.3. Hydrothermal Treatment of Starch 55
5. Conclusions 55
ACKNOWLEDGMENTS 55
REFERENCES 55
CAPITULO 3. INTEGRATED SUPERCRITICAL FLUID EXTRACTION AND SUBCRITICAL WATER HYDROLYSIS FOR THE RECOVERY OF BIOACTIVE
BIOCOMPOUNDS FROM PRESSED PALM FIBER 59
1. Introduction 61
2. Materials and Methods 62
2.1. Chemicals and reagents 62
2.2. Raw material preparation and characterization 62
2.3. Extraction equipments 62
2.3.1. Conventional extraction 62
2.3.2. Supercritical fluid extraction (SFE) 62
2.4. Subcritical hydrolysis (SubWH) 63
2.5. Chemical analysis 63
2.5.1. Analysis of SFE extracts 63
2.5.2. Analysis of SubWH hydrolysates 63
2.5.2.1. Determination of total reducing sugar (TRS). 63 2.5.2.2. Determination of arabinose, xylose, galactose, glucose, fructose and mannose by
xiii
2.5.2.3. Determination of 5-(hydroxymethyl)-furfural and furfural by high-performance
liquid chromatography 63
2.6. Statistical analysis 63
3. Results and discussion 64
3.1. Characterization of the PPF simple 64
3.2. Fist process: supercritical fluid extraction (SFE) 64 3.2.1. Influence of temperature and pressure on global yields 64 3.3. Second process: subcritical water hydrolysis (SubWH) 64
4. Conclusion 67
Acknowledgements 67
References 67
CAPITULO 4. PRESSURIZED LIQUID EXTRACTION AND LOW- PRESSURE SOLVENT EXTRACTION OF CAROTENOIDS FROM PRESSED PALM FIBER: experimental and
economical evaluation 69
1. Introduction 72
2. Materials and Methods 73
2.1. Chemicals and Reagents 73
2.2. Raw Material Preparation and Characterization 74
2.2.1. Sample Preparation 74
2.2.2. Characterization of the Raw Material 74
2.3. Extraction Experiments 74
2.3.1. Soxhlet Extraction 74
2.3.2. Percolation 74
2.3.3. Pressurized Liquid Extraction 74
2.4. Extract Characterization 75
2.4.1. Global Yield 75
2.4.2. Analysis of - and -carotene 75
2.4.2.1. Sample Preparation 75
2.4.2.2. Extraction, Isolation and Identification of - and -carotene Standards 75 2.4.2.3. Ultra High-performance Liquid Chromatography – Photodiode Detector Array
(UHPLC-PDA) Analysis 75
2.5. Statistical Analysis 76
3. RESULTS AND DISCUSSION 76
3.1. Characterization of the Raw Material 76
3.2. Carotenoid Analysis by UHPLC-PDA 77
3.3. Influence of Operational Parameters on LPSE-SOX, LPSE-PE and PLE 78 3.3.1. Influence of Solvent on Soxhlet Extraction (LPSE-SOX) 78 3.3.2. Influence of Temperature and Flow Rate on LPSE-PE 78 3.3.3. Influence of Pressure and Temperature on the PLE Process 79 3.3.4. Comparison of the LPSE-SOX, LPSE-PE and PLE Processes 79
3.3. Economic Analysis 80
CONCLUSION 81
ACKNOWLEDGMENT 81
REFERENCES 81
CAPÍTULO 5. KINETIC STUDY OF THE PRESSURIZED LIQUID EXTRACTION AND SUPERCRITICAL FLUID EXTRACTION OF CAROTENOID-RICH EXTRACTS FROM
PRESSED PALM FIBER 83
1. INTRODUCTION 85
2. MATERIAL AND METHODS 86
2.1. Chemical and Reagents 86
2.2. Raw Material Preparation and Characterization 87
2.3. Extraction Experiments 87
2.3.1. Pressurized Liquid Extraction (PLE) 87
2.3.2. Supercritical fluid extraction (SFE) 88
2.4. Extract Characterization 90
2.4.1. Global Yield 90
2.4.2. Analysis of - and -carotene 90
2.4.2.1. Sample Preparation 90
2.4.2.2. Ultra High-performance Liquid Chromatography – Photodiode Detector Array
(UHPLC-PDA) Analysis 90
2.4.3. Modelling of the overall extraction curve 91
2.5. Economical evaluation 91
3. RESULTS AND DISCUSSION 94
3.1. Kinetic Experiments 94
xv
CONCLUSION 99
ACKNOWLEDGMENT 100
REFERENCES 100
CONCLUSÕES GERAIS 103
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 107
MEMÓRIA DO PERÍODO DE DOUTORADO 109
APÊNDICE 113
APÊNDICE 1. Caraterização da matéria-prima 115
APÊNDICE 2. Dados experimentais de extração e hidrólise a altas pressões 130 APÊNDICE 3. Dados experimentais de extração Soxhlet, percolação e extração por fluido
pressurizado 158
APÊNDICE 4. Dados experimentais da curva global de extração por líquido pressurizado e
extração supercrítica 169
APÊNDICE 5. Ajuste dos dados experimentais da curva global de extração por líquido
pressurizado e extração supercrítica 187
APÊNDICE 6. Dados de COM (US$/kg extrato) e COM específico (US$/g carotenoide) da curva global de extração por líquido pressurizado e extração supercrítica 202
xvii
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais, Silvano e Teresa, por tudo o amor, força e incentivo, por sempre me apoiarem para atingir meus objetivos e torcerem por mim, e a minha irmã Gissella, pelos conselhos, carinho e compreensão.
xix
AGRADECIMENTOS
A minha orientadora, Profa. Dra. Maria Angela de Almeida Meireles, pela orientação, conselhos e fundamental apoio que contribuiu ao desenvolvimento deste trabalho e incentivou na produção de artigos científicos. Agradeço também a minha coorientadora Profa. Dra. Tânia Forster Carneiro pelas suas orientações e ensinamentos.
A todos meus professores da UNICAMP, da Universidade de Tohoku e Universidade Nacional de Engenharia, que participaram da minha formação científica, obrigada por compartilhar seus conhecimentos.
À Profa. Dra. Helena Godoy e ao Prof. Dr. Julian Martinez que gentilmente abriram as portas de seu laboratório para a realização de experimentos.
Aos meus colegas do LASEFI pelos momentos de alegrias, angústias e apuros, além de terem me ajudado muito na realização desse trabalho.
Ao Ari, técnico do LASEFI, obrigada pelo apoio técnico prestado e palavras de amizade.
Aos membros da banca, pelas valiosas sugestões na melhoria deste trabalho.
À CAPES pela bolsa de doutorado e apoio financeiro neste projeto.
A todos que de qualquer forma contribuíram para que este trabalho pudesse ser realizado.
xxi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. (a) Dendezeiro (Elaeis Guinea) e (b) Lote 2 de fibra de palma prensada recebeda em 2012 da empresa Agropalma. Fonte: Agropalma, 2013. 5 Figura 1.2. Fluxograma geral do processo de obtenção de óleo de palma. Fonte:
Agropalma, 2010. 6
Figura 1.3. Parede celular da biomassa. Fonte: Modificado de Rubin, 2008. 9 Figura 1.4. Diagrama de extração a baixa pressão: a) Soxhlet e b) Percolação. A: balão de ebulição, B: tubo conductor de vapor, C: sifão, D: condensador, E: câmara de extração, ET: tanque de etanol, RP: bomba, FC: controlador de vazão, TB: aquecedor, EB: célula de extração, TC: controlador de temperatura, V1: válvula, CF: frasco coletor.
Fonte: Handa et al., 2008, Rodrigues et al., 2014. 12
Figura 1.5. Definição do estado de agregação supercrítico para um componente puro.
Fonte: Adaptado de Brunner, 1994 12
Figura 1.6. Densidade do CO2 (g/L) no diagrama de fases pressão × temperatura.S =
sólido, L = líquido, G = gás. Fonte: Adaptado de Brogle, 1982 14 Figura 1.7. Diagrama de extração com fluído supercrítico. Fonte: Adaptado de Meireles,
2008 17
Figura 1.8. Diagrama de equipamento de extração com líquido pressurizado. ET: tanque de etanol, HP: bomba de alta pressão, M: manómetro, EH: aquecedor elétrico, EB: célula de extração, TC: controlador de temperatura, V1, V2, V3: válvula, CF: frasco coletor
Fonte: Santos et al., 2012 19
Figura 1.9. Curva de extração apresentando 3 partes caraterísticas: Taxa de Extração Constante (CER), Taxa de Extração Decrescente (FER), Período Difusional (DC) Fonte:
Adaptado de Brunner, 1994; Meireles, 2008 21
Figura 1.10. Mecanismo principal de reação de hidrólise . Fonte: Adaptado de Sasaki et
al., 1998 23
Figura 1.11. Propriedades da água à pressão de 25 MPa e a altas temperaturas. Fonte:
Kruse et al., 2010 24
Figura 1.12. Diagrama de equipamento de hidrólise subcrítica. Fonte: Adaptado de
Cardenas-Toro et al., 2013 26
Figura 1.13. Esquema das etapas do desenvolvimento do projeto de doutorado 32 Figura 2.1. Figure 1. Molecular structure of cellulose (adapted from Klemm et al. [5]) 44
Figura 2.2. Figure 2. Schematic representation of the main types of hemicellulose in plants: a) glucuronoarabinoxylan, b) xyloglucan and c) galactoglucomannan (adapted from
Scheller and Ulvskov [13]) 45
Figura 2.3. Figure 3. Schematic representation of the basic unit of a) amylose and b)
amylopectin in starch (adapted from [57]) 47
Figura 2.4. Figure 4. Pressure-temperature phase diagram of water: Tc = 374°C (critical temperature), Pc = 22.1 MPa (critical pressure), Tb = 100°C (boiling point). (data extracted
from [76]) 49
Figura 2.5. Figure 5. Physicochemical properties of water under subcritical and supercritical conditions (data extracted from [76], [79], [80]) 49 Figura 2.6. Figure 6. Main reaction pathways of cellulose hydrolysis (adapted from [73],
[85], [102]) 53
Figura 2.7. Figure 7. Main reaction pathway of hemicellulose hydrolysis (adapted from
[96]) 54
Figura 3.1. Fig. 1. (a) Global yield (X0, S/F=30, % d.b.) and (b) carotene content (mg
-carotene/g extract) of supercritical extracts from pressed palm fiber at CO2 flow rate of (5.6
± 0.2) × 10−5 kg/s 64
Figura 3.2. Fig. 2. Average temperature profile inside reactor for different process temperature (Tp) of 423 K (□), 523 K (△), and 633 K (○), pressure of 25 MPa, S/F of 240
and of 2.5 min 65
Figura 3.3. Fig. 3. Total reducing sugar yield of hydrolysates for subcritical hydrolysis of defatted pressed palm fiber and residence time of 1.25 min, 2.5 min and 5 min (reaction time of 60 min, 30 min and 15 min, respectively). Dashed area represents monosaccharides content and solid area represents oligosaccharides content 66 Figura 3.4. Fig. 4. pH of hydrolysate products for residence time () of 1.25 min, 2.5 min and 5 min (reaction time of 60 min, 30 min and 15 min, respectively) 66 Figura 3.5. Fig. 5. Subcritical hydrolysis selectivity of saccharide production (TRS) with respect to sugar degradation product (SDP) for residence time space-time of 1.25 min, 2.5 min and 5 min (reaction time of 60 min, 30 min and 15 min, respectively) . Solid area represents the selectivity in terms of mol of glucose/mol of furfural equivalent 66 Figura 4.1. Fig. 1 - Chemical structure of main carotenoid components in PPF (Choo et
al., 1996; Barbosa-Filho et al., 2008) 73
Figura 4.2. Fig. 2 - Schematic diagram of (a) LPSE-PE unit (Rodrigues et al., 2014) and (b) PLE unit (Santos et al., 2012). ET: ethanol tank; RP: rotary pump; HP: high-pressure
xxiii
pump; FC: flow controller; TC: temperature controller; M: manometer; TB: thermostatic bath; EH: electric heater; V1, V2 and V3: valves; CF: collection flask; EB: extraction bed (adapted from Vasconcellos (Vasconcellos et al., 2007)). 74 Figura 4.3. Fig. 3 - Flowchart of (a) LPSE-SOX, (b) LPSE-PE and (c) PLE, developed by SuperPro Designer 8.5 ® (adapted from Veggi et al., 2011) 77 Figura 4.4. Fig. 4 - Chromatograms of (a) LPSE-SOX with ethanol, (b) LPSE-PE (35°C, 2.4 g/min), (c) PLE (55°C, 8 MPa, 2.4 g/min), d) - and -carotene standard 78 Figura 4.5. Fig. 5 – (a) Global yield (X0,S/F=20, mg extract/g PPF d.b.), and (b) Carotenoid
yield (g - and g -carotene/g extract) and (c) Carotenoid recovery (g - and g - carotene/g PPF d.b.) obtained by LPSE-PE from PPF 79 Figura 4.6. Fig. 6 – (a) Global yield (X0,S/F=20, mg extract/g PPF d.b.), and (b) Carotenoid
yield (g - and g -carotene/g extract) and (c) Carotenoid recovery (g - and PPF
d.b.) obtained by PLE from PPF 80
Figura 5.1. Figure 1. Schematic diagram of PLE unit ET: ethanol tank; HP: high-pressure pump; FC: flow controller; TC: temperature controller; M: manometer; EH: electric heater; V1, V2 and V3: valves; EB: extraction bed; CF: collection flask (Santos et al.,
2012) 88
Figura 5.2. Figure 2. Schematic diagram of SFE unit: V-1, V-2, V-3: control valves; V-5: micrometer valve; SV: safety valve; C: compressor; F: compressed air filter; CF–CO2 filter;
B1: cooling bath; P: booster pump; B2: heating bath; I-1, I-2 and I-3: pressure indicators; I-4: temperature indicator; IC: temperature indicator and controller of the micrometer valve; R: flow totalizer; FM: flow meter; EV: jacketed extraction vessel 89 Figura 5.3. Figure 3. Flowchart of a) PLE and b) SFE developed by SuperPro Designer
8.5 ® (adapted from Veggi et al. (2011, 2014)) 92
Figura 5.4. Figure 4. Overall extraction curve (OEC) of a) Extract yield, b) Carotenoid recovery and c) Carotenoid content obtained by PLE at 35°C, 4 MPa and ethanol flow rate
of 2.4 g/min 96
Figura 5.5. Figure 5. Overall extraction curve (OEC) of a) Extract yield, b) Carotenoid recovery and c) Carotenoid content obtained by SFE at 45°C, 4 MPa and carbon dioxide
flow rate of 3.4 g/min 97
Figura 5.6. Figure 6. a) COM (US$/kg extract) and b) COM* (US$/g carotenoid) of carotenoid rich extracts for various S/F ratios in PLE units of 0.005, 0.05 and 0.5 m3
Figure 5.7. Figure 7. a) COM (US$/kg extract) and b) COM* (US$/g carotenoid) of carotenoid rich extracts for various S/F ratios in SFE units of 0.005, 0.05 and 0.5 m3
xxv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1. Composição e estrutura química dos carotenoides presentes no óleo de palma bruto e óleo residual da fibra de palma prensada 7 Tabela 1.2. Composição química da fibra de palma prensada doada pela empresa
Agropalma – Lote 1 8
Tabela 1.3. Solventes limpos usados em processos de extração 11 Tabela 1.4. Valores caraterísticos de um composto no estado de agregação gasoso,
líquido e supercrítico 13
Tabela 1.5. Propriedades críticas de solventes utilizados como fluídos supercríticos 15 Tabela 1.6. Potenciais usos dos carotenoides oligo- e monossacarídeos na indústria 28 Tabela 2.1. Table 1. Composition of agricultural and agroindustrial residues (% dry
basis) 46
Tabela 2.2. Table 2. Availability of agricultural and agroindustrial residues in Brazil [60],
[61] 47
Tabela 2.3. Table 3. Subcritical hydrolysis of model polysaccharide compounds in a
biomass 50
Tabela 2.4. Table 4. Subcritical hydrolysis of agricultural and agroindustrial residues 51 Tabela 3.1. Table 1. Chemical composition of PPF sample used 64 Tabela 3.2. Table 2. Yield of saccharides and sugar degradation compounds produced by treatment of defatted pressed palm fiber with subcritical water 65 Tabela 4.1. Table 1 - Economic parameters used for COM estimation 76 Tabela 4.2. Table 2 - Chemical composition of the PPF 76 Tabela 4.3. Table 3 - Optimal experimental conditions for LPSE-SOX, LPSE-PE and
PLE processes at S/F of 20 80
Tabela 4.4. Table 4 - Cost of manufacturing of carotenoid-rich extract obtained by LPSE-SOX, LPSE-PE and PLE for extraction units of 2 x 0.005 m3, 2 x 0.05 m3 and 2 x 0.5
m3 80
CAPITULO 1
1. INTRODUÇÃO
Esta tese apresenta um estudo dos processos de extração e hidrólise para a obtenção de extratos ricos em carotenoides e produtos hidrolisados com altos rendimentos de monossacarídeos e oligossacarídeos, a partir da fibra de palma prensada, um subproduto obtido da extração de óleo de palma. Estudos prévios realizados verificaram uma alta concentração de carotenoides ao redor de 4.000 g/g extrato em 5% de óleo residual da fibra de palma, portanto sua efetiva transformação em produtos de maior valor agregado é de grande interesse (Choo et al., 1996).
No Brasil, a fibra de palma é produzida em grandes quantidades com uma produção de 123.000 ton/ano, principalmente nas regiões do norte e nordeste, e atualmente é utilizada como combustível para produção de energia térmica (Eisentraut, 2010; Ferreira
et al.; 2010; Agropalma, 2010).
No presente trabalho, um estudo do processo de extração foi realizado utilizando tecnologia a baixas pressões: extração soxhlet (LPSE-SOX) e percolação (LPSE-PE); e tecnologia a altas pressões: extração supercrítica (SFE), e extração por líquido pressurizado (PLE) utilizando solventes limpos tais como o etanol e dióxido de carbono. A fibra de palma desengordurada obtida após o processo SFE, foi utilizada como matéria-prima para o estudo de hidrólise subcrítica (SubWH) com a finalidade de propor um modelo de aproveitamento integral da fibra de palma. O aproveitamento deste resíduo abre um novo panorama de utilização sustentável, o que pode representar grandes oportunidades de negócios no futuro próximo: obtenção de extrato concentrado em carotenoides para a indústria alimentícia e cosmética, e a produção de monossacarídeos ou oligossacarídeos obtidos da hidrólise subcrítica da parte hemicelulósica da fibra de palma prensada (Garrote et al., 1999; Gupta et al., 2010).
O presente trabalho foi realizado no LASEFI (Laboratório de Tecnologia Supercrítica: Extração, Fracionamento e Identificação de extratos vegetais) tendo como base os trabalhos realizados por França (1997) e Moreschi (2004). França (2000) realizou um estudo da extração com CO2 supercrítico da fibra de palma prensada para a obtenção de
extrato enriquecido com carotenoides. Por outro lado, Moreschi (2004) investigou a hidrólise subcrítica do resíduo da extração supercrítica do Ginseng brasileiro para obter monossacarídeos e oligossacarídeos. Ambos estudos verificaram que o uso da tecnologia supercrítica oferece uma opção interessante para o aproveitamento da biomassa como
uma alternativa aos processos convencionais devido ao uso de solventes inócuos, baratos e amplamente disponíveis como o CO2 e a água.
Os fluidos supercríticos são caraterizados pela dualidade nas propriedades físico-químicas entre o líquido e o gás puro; densidade, polaridade, viscosidade, difusividade, produto iônico, entre outros podem variar de acordo com as condições de operação, permitindo maior seletividade dos compostos de interesse na extração supercrítica e atuando como catalisador na hidrólise subcrítica próximo do ponto crítico da água e na hidrólise supercrítica (Schacht et al., 2008, Kruse et al., 2010). Por outro lado, o uso de solventes limpos tais como o etanol a altas e baixas pressões para a extração de extrato rico em carotenoides a partir da fibra da palma é uma alternativa sustentável para a obtenção de extratos sem resíduos tóxicos, sendo que com o uso de tecnologia a altas pressões podem-se obter menores tempos de processamento (Mustafa et al., 2011). A avaliação destes processos na produção de extratos enriquecidos em carotenoides numa etapa inicial, seguida da obtenção de produtos hidrolisados como produção de açúcares fermentescíveis, oligossacarídeos, polióis que são produtos de interesse para a indústria química, alimentar e farmacêutica, pode melhorar a viabilidade econômica integral do processo e desta forma, desenvolver alternativas sustentáveis de exploração da cadeia agroindustrial.
1.1. Fibra de palma prensada
A fibra de palma prensada é um subproduto da indústria de extração de óleo de palma obtida a partir do dendezeiro (Elaeis guineenses), de climas tropicais úmidos. A fibra consiste em uma mistura do mesocarpo e casca vazia das sementes moídas (Figura 1.1).
No Brasil, o dendezeiro é cultivado principalmente no estado da Bahia e na região amazônica, sendo o estado do Pará responsável por 80% da produção nacional.
Os frutos do dendezeiro produzem 2 tipos de óleo: óleo de palma, obtido da parte externa do fruto, e o óleo de palmiste, obtido da semente com rendimentos de até 22% e 3,5%, respectivamente, do peso total do cacho do fruto. Este óleo ou azeite de dendê é usado como matéria-prima para a indústria alimentícia (Brazilio et al., 2012). O óleo de palma bruto presenta cor laranja devido à presença de carotenoides. A concentração é aproximadamente entre 500 e 700 g/g de carotenoides (80% - e -caroteno) fornecendo ao redor de 80.000 U.I. (unidade internacional) de vitamina A/100 g de óleo
(Choo et al., 1996). No entanto, a indústria de alimentos requer a eliminação destes carotenoides para produção de óleo de palma mais claro e refinado.
.(a) (b)
Figura 1.1. (a) Dendezeiro (Elaeis guineenses) e (b) Lote 2 de fibra de palma prensada recebida em 2012 da empresa Agropalma. Fonte: Agropalma, 2013.
Na Figura 1.2 é apresentado um fluxograma do processamento de óleo de palma fornecido pela empresa Agropalma S.A. (2010). Neste processo, os cachos de frutos frescos são retirados e transportados em caixas de metal e são introduzidos em esterilizadores horizontais, onde são cozidos a vapor direto (2,5 – 3 kg/cm2) por 90 min,
propiciando a inativação de enzimas e a separação das nozes da polpa e coagulação de proteínas. Posteriormente, os frutos são colocados dentro de um debulhador, onde o fruto aderido é solto do cacho, e enviados ao digestor. Nesta etapa, as células oleosas são quebradas por aquecimento com vapor e braços agitadores, na temperatura de 90 a 100°C. Após esta operação, o material é prensado obtendo-se uma fase oleosa, uma fase aquosa e uma torta que contém as fibras dos frutos e nozes. Na sequência, estas fases são separadas por decantação e centrifugação e as fibras são separadas das nozes por meio de um cilindro polidor para sua posterior prensagem e obtenção de óleo de palmiste. A fibra de palma prensada obtida após esta etapa contém aproximadamente 7% de óleo e foi utilizada no desenvolvimento do projeto desta tese (Agropalma, 2010).
Figura 1.2. Fluxograma geral do processo de obtenção de óleo de palma. Fonte: Agropalma, 2010.
Segundo Choo et al. (1996), o óleo residual obtido a partir da fibra de palma contem quantidades significantes de carotenoides (4.000 - 6.000 g/g), vitamina E (2.400 - 3.500 g/g) e esterois (4.500 - 8.500 g/g). A Tabela 1.1 apresenta as porcentagens e a estrutura química dos componentes de carotenoides no óleo de palma bruto e no óleo obtido a partir da fibra de palma, onde - e -caroteno constituem aproximadamente 50% dos carotenoides totais presentes, com pequenas quantidades de fitoeno, licopeno, -caroteno e --caroteno. O óleo residual pode ser recuperado utilizando diferentes técnicas
Plantação
Colheita
Extração
Refino e fracionamento
Fibra de palma prensada
Biodiesel Frutos
Óleo bruto
Ácido graxo Diesel de
palma
Óleos refinados, oleínas, estearinas e gorduras a granel
Margarinas, creme vegetal, gorduras plastificadas em tambores Unidade de acondicionamento de
de extração convencionais tais como extração com solventes orgânicos, extração com fluidos pressurizados, entre outros.
Tabela 1.1. Composição e estrutura química dos carotenoides presentes no óleo de palma bruto e óleo residual da fibra de palma prensada.
Composto Estrutura química Óleo de
palma bruto (%) Óleo de fibra de palma (%) -caroteno 56,02 30,95 -caroteno 35,06 19,45 Licopeno 1,30 14,13 Fitoeno 1,27 11,87 -caroteno 0,69 7,56 -caroteno 0,83 6,94
Fonte: Choo et al., 1996
Além do óleo residual, a fibra de palma possui outros componentes, tais como polissacarídeos (celulose e hemicelulose), lignina, proteína e cinzas, os quais formam uma matriz vegetal muito complexa (Garrote et al., 1999; Wanrosli et al., 2007). A Tabela 1.2 mostra a composição química da fibra de palma prensada doada pela empresa Agropalma em 2012 e utilizada nos experimentos deste projeto de tese – Lote 1 (Cardenas-Toro et al, 2014). A celulose e hemicelulose (carboidratos) constituem 49% da fibra de palma e podem ser convertidos em monossacarídeos e oligossacarídeos por meio de técnicas de hidrólises convencionais (hidrólise ácida ou hidrólise enzimática), e por as tecnologias a altas pressões (hidrólise subcrítica e supercrítica).
Tabela 1.2. Composição química da fibra de palma prensada doada pela empresa Agropalma – Lote 1.
Composição % base seca
Extrativos Extrativos em água 6,4 ± 0,4 Extrativos em etanol 3,7 ± 0,2 Proteína 6,3 ± 0,1 Cinza 3,1 ± 0,1 Lignina Lignina insolúvel 30,8 ± 2,1 Lignina solúvel 1,1 ± 0,1 Carboidratos 48,6
Fonte: Cardenas-Toro et al., 2014
A Figura 1.3 apresenta um esquema dos principais componentes da biomassa vegetal indicando a sua distribuição relativa dentro da parede celular (Rubin, 2008).
A celulose é um polímero de glicose que consta de cadeias lineares de unidades β-(1,4)-D-glucopiranose, com uma massa molecular média de 100.000 g/mol. Cerca de 50 a 90% da celulose, dos materiais lignocelulósicos, estão unidas, em forma lineal, por pontes de hidrogênio que formam uma estrutura cristalina. A porção restante é menos ordenada e chamada de celulose amorfa. A estrutura cristalina faz com que a área superficial acessível para a hidrólise seja menor, além da proteção física da hemicelulose e lignina.
A hemicelulose é um polímero ramificado com 30.000 de massa molecular típica, contendo diversos monômeros de açúcares como pentoses (xiloses e arabinoses) e hexoses (glicose, manose, galactose). No entanto, as pentoses (xiloses) estão presentes em maior quantidade. A hemicelulose está conectada a celulose e lignina por ligações covalentes; portanto, é mais fácil de degradar que a celulose já que apresenta menos pontes de hidrogênio (Jacobsen et al., 2000).
A lignina tem uma estrutura complexa reticulada altamente aromática, composta principalmente de monômeros coumaril e coniferil unidos por ligações éter. Estes polímeros se encontram unidos à hemicelulose e à celulose resultando em maior rigidez estrutural. Portanto, é difícil sua degradação química e enzimática, e devido a estas características químicas, a lignina é frequentemente utilizada como combustível.
Figura 1.3. Parede celular da biomassa. Fonte: Modificado de Rubin, 2008
1.2. Tecnologia a altas e baixas pressões para a obtenção de compostos bioativos de matrizes vegetais
1.2.1. Extração sólido-líquido
A extração sólido-líquido é uma extração com solvente onde ocorre dissolução seletiva de um ou mais solutos a partir da matriz sólida por um solvente líquido. Esta operação unitária também é conhecida como lixiviação ou eluição. A separação do composto de interesse no solvente depende de vários fatores tais como a seletividade deste pelo composto solúvel. Na indústria alimentícia, a extração sólido-líquido, pode ser
utilizada para extrair compostos de interesse tais como carotenoides ou flavonoides, ou em outros casos, a extração de contaminantes. Entre os fatores que influenciam a extração dos compostos de interesse de uma matriz sólida temos (Takeuchi et al., 2008): a. Natureza do sólido: A estrutura celular do sólido é muito importante pois o soluto
pode estar depositado na parte superficial das células ou nos espaços intracelulares. Desta forma, etapas de pretratamento como a moenda e/ou peneirado podem favorecer a extração devido a um aumento da área superficial do sólido em contato com o solvente;
b. Velocidade de difusão: Depende principalmente da localização do soluto dentro da matriz sólida e existência de poros que favoreçam a transferência de massa;
c. Temperatura: A temperatura promove a transferência de massa do soluto ao solvente. O incremento da temperatura favorece o incremento da solubilidade do soluto no solvente melhorando a difusividade do soluto no solvente e aumentando a transferência de massa. Porém, alguns compostos termolábeis como os carotenoides são sensíveis a altas temperaturas e não podem ser extraídos a temperaturas muito altas;
d. Solvente: A escolha do solvente está baseada nas propriedades físico-químicas de cada solvente e custo. Entre as propriedades físico-químicas se encontram a seletividade, que favorece a pureza do extrato e a solubilidade dos compostos de interesse, compatibilidade com o soluto, estabilidade química e térmica, tensão interfacial, baixa viscosidade para aumentar o coeficiente de difusão, facilidade de recuperação, baixa inflamabilidade e toxicidade.
Por exemplo, os solventes de Classe 3 são aqueles que podem estar presentes em porcentagens residuais nos produtos para consumo humano. Entre eles temos: etanol, propanol, acetato de etila, 1-propanol, 2-propanol e propil acetato (FDA, 2012). A Tabela 1.3 apresenta um resumo de solventes limpos que podem ser usados nos processos de extração.
Tabela 1.3. Solventes limpos usados em processos de extração. Solvente Técnica de extração Poder do solvente Saúde e
segurança Custo Impacto ambiental Polar Pouco polar Apolar Agua Extração por água
subcrítica
+ ++ + + + +
CO2 Extração supercrítica - + +++ + + +
Etanol Extração sólido-líquido
+ + - - ++ +
Fonte: Chemat et al., 2012
1.2.2. Extração a baixas pressões
As extrações a baixas pressões são técnicas tradicionais realizadas com solventes líquidos em condições normais de pressão de 0,1 MPa. Entre elas, destacam-se a extração Soxhlet e extração por percolação em leito fixo. Na extração Soxhlet, o sólido é empacotado no cartucho poroso e colocado na câmara de extração E cujo esquema é mostrado na Figura 1.4a, o solvente contido no balão A é aquecido à temperatura de ebulição e condensado na seção D. O condensado é depositado gota a gota na câmara de extração E e a extração é iniciada por contato sólido-líquido. Quando o solvente dentro da câmara atinge o extremo superior do sifão C, o solvente é retornado ao balão A. Este processo é realizado em forma continua por horas ou até que se obtenha a extração exaustiva do composto de interesse. As vantagens deste método é que não requer uma etapa posterior de filtração do extrato e apresenta altos rendimentos, devido ao contínuo contato de solvente limpo com a matriz sólida. Porém, os altos tempos de extração sugerem um elevado gasto energético e uma possível degradação dos compostos termolábeis ao serem extraídos na temperatura de ebulição do solvente.
Na extração por percolação em leito fixo, o solvente entra em contato com a matriz sólida e flui através do leito fixo nas condições operacionais determinadas. A Figura 1.4b apresenta um esquema de operação por percolação em modo semicontínuo. O solvente entra em contato com o sólido na condição de operação de temperatura, tipo de solvente ou, em outros casos, ação mecânica, e o soluto é extraído através da interface sólida. A vantagem deste método, da mesma forma que para a extração Soxhlet, é a eliminação da etapa posterior de filtração (Handa et al., 2008; Takeuchi et al., 2008).
(a) (b)
Figura 1.4. Diagrama de extração a baixa pressão: a) Soxhlet e b) Percolação. A: balão de ebulição, B: tubo conductor de vapor, C: sifão, D: condensador, E: câmara de extração,
ET: tanque de etanol, RP: bomba, FC: controlador de vazão, TB: aquecedor, EB: célula de extração, TC: controlador de temperatura, V1: válvula, CF: frasco coletor. Fonte:
Handa et al., 2008, Rodrigues et al., 2014.
1.2.3. Tecnologia Supercrítica 1.2.3.1. Fluidos supercríticos
Denomina-se fluido supercrítico aquele fluido que se encontra acima do ponto crítico definido por temperatura crítica (Tc), pressão crítica (Pc), e possui propriedades físico – químicas intermediárias entre líquido e gás (Figura 1.5).
Figura 1.5. Definição do estado de agregação supercrítico para um componente puro. Fonte: Adaptado de Brunner, 1994.
RP TB V1 FC EB FC TC ET CF
A Tabela 1.4 apresenta as propriedades de um composto no estado de agregação líquido, gasoso e supercrítico. Desta tabela, observa-se que a densidade de um fluido supercrítico é similar à de um líquido e sua viscosidade é similar à de um gás. Por outro lado, a difusividade de um fluido supercrítico é intermediária entre o líquido e o gás. A combinação dessas propriedades dá a particularidade de compressibilidade similar ao gás e poder de solvatação similar ao líquido. Em processos que utilizam fluidos supercríticos, a força motriz da transferência de massa está determinada pela sua diferença com o estado de equilíbrio, o qual proporciona informação relacionada à capacidade e seletividade do solvente. No caso de extrações, os fluidos supercríticos apresentam melhores propriedades de transporte devido à sua facilidade de difusão na matriz sólida, alto poder de solvatação, baixa tensão superficial, baixa viscosidade, e em consequência, rápidos rendimentos de extração (Brunner, 1994). As propriedades da densidade variam com a pressão e temperatura de operação. Na região próxima à pressão crítica, a densidade é semelhante ao gás e pequenas variações de pressão e temperatura podem causar grande variação da densidade, sendo esta propriedade utilizada nos processos de separação fracionada.
Tabela 1.4. Valores caraterísticos de um composto no estado de agregação gasoso, líquido e supercrítico.
Estado Densidade (g/cm3) Difusividade (cm3/s) Viscosidade (g/cm.s) Gás P=0,1 MPa, T=288–303 K (0,6 – 2,0) x 10-3 0,1 – 0,4 (0,6 – 2,0) x 10-4 Líquido P = 0,1 MPa, T=288– 303 K 0,6 – 1,6 (0,2 – 2,0) x 10-5 (0,2 – 0,3) x 10-2 Fluido Supercrítico P=Pc, T=Tc P=4*Pc, T=Tc 0,2 – 0,5 0,4 – 0,9 0,7 x 10-3 0,2 x 10-3 (1-3) x 10-4 (3-9) x 10-4 Fonte: Brunner, 2005.
Na Figura 1.6 observa-se que a densidade do solvente dióxido de carbono aumenta com o aumento da pressão a temperatura constante, portanto a solubilidade do soluto no fluido supercrítico aumenta. Perto do ponto crítico do solvente, o aumento da temperatura, à pressão constante, origina uma diminuição da densidade e em consequência uma diminuição da solubilidade, apesar do aumento da pressão do vapor. No entanto em pressões mais altas que a pressão crítica, a solubilidade é mais influenciada pela pressão de vapor com o aumento da temperatura. Assim, a solubilidade aumenta com a temperatura a altas pressões (Brunner, 1994, Brogle, 1982).
Figura 1.6. Densidade do CO2 (g/L) no diagrama de fases pressão × temperatura.
S = sólido, L = líquido, G = gás. Fonte: Adaptado de Brogle, 1982.
Na Tabela 1.5 é apresentada uma lista de solventes que podem ser empregados como solventes supercríticos (Herrero et al., 2006; Pereda et al., 2007). O dióxido de carbono é um dos solventes mais utilizados para extração supercrítica na área de
alimentos por ser considerado um solvente GRAS (Generally Recognized as Safe), fácil de manipular, e por se encontrar em pequenas quantidades em alimentos pela sua facilidade de ser removido por simples expansão em condições normais (Brunner et al., 2005).
Tabela 1.5. Propriedades críticas de solventes utilizados como fluidos supercríticos
Solvente Tc (K)1 Pc (MPa)1 Vc (cm3/mol)1 Dióxido de carbono 304,12 7,37 94,07 Água 647,1 22,06 55,95 Etano 305,3 4,87 145,5 Metanol 512,6 8,09 118,0
Fonte: Pereda et al., 2007
Os fluidos supercríticos têm sido investigados extensivamente como meios eficientes de extrações de compostos ativos sensíveis à temperatura e reação para transformações químicas devido à dualidade das propriedades entre gás e líquido. A manipulação da pressão pode modificar as propriedades do fluido sem uma mudança da composição, o que constitui uma vantagem nas extrações supercríticas. Reações em meio supercrítico asseguram a existência de uma única fase e a eliminação das limitações de transferência de massa na interface. Adicionalmente, os produtos podem ser separados facilmente com a mudança de condições próximas do ponto crítico, sendo mais fácil do que processos tradicionais como destilação ou extração líquido – líquido (Savage et al., 2009).
1.2.3.2. Extração com fluido supercrítico
Nesta última década, a preferência dos consumidores pelo consumo de produtos naturais que sejam obtidos através de processos limpos e sustentáveis tem impulsado às atividades de pesquisa e desenvolvimento em novas tecnologias, tais como a tecnologia supercrítica. A tecnologia de fluido supercrítico é uma das primeiras alternativas à extração com solvente tradicional, especialmente nos setores de alimentos, fármacos e cosméticos (Martinez et al., 2007).
A extração por fluido supercrítico é uma operação unitária que consiste na separação de um soluto presente numa matriz sólida por meio do contato com um solvente supercrítico, em muitos casos solventes reconhecidos como GRAS (General
Recognized as Safe). Devido a sua baixa viscosidade e alta difusividade, os fluidos
supercríticos possuem melhores propriedades de transporte do que os líquidos, pois podem se difundir rapidamente através do material sólido e promover altos rendimentos de extração. A seletividade do solvente e separação rápida dos compostos de interesse durante a extração pode ser controlada com variações de pressão e temperatura, dentro da região supercrítica, pela sua influência no poder de solvatação (Brunner, 2005; Meireles, 2008).
O solvente mais empregado na indústria alimentícia na extração supercrítica é o dióxido de carbono (CO2) devido as suas moderadas temperatura e pressão crítica,
ausência de toxicidade, disponibilidade em alto grau de pureza e aprovação em processamento de alimentos sem necessidade de autorização. Este solvente dissolve componentes apolares e ligeiramente polares; o poder de solvatação diminui com o aumento da massa molar dos compostos, apresenta baixa solubilidade para pigmentos e água, e não dissolve proteínas, polissacarídeos, açúcares e minerais (Brunner, 2005). Devido à baixa polaridade do dióxido de carbono, modificadores (compostos de alta polaridade) ou cossolventes são adicionados ao processo em pequenas quantidades, com os quais se pode aumentar a quantidade de compostos a serem extraídos (Pasquel
et al., 2000; Herrero et al., 2006).
A Figura 1.7 apresenta um diagrama da unidade de extração com fluido supercrítico. O fluido supercrítico flui através de um leito fixo (matéria-prima contida dentro de um extrator), onde os compostos de interesse são solubilizados por meio da manipulação das condições de processo e conduzidos à saída do extrator. O esgotamento do sólido ocorre na direção do escoamento, aumentando a concentração de extrato na fase solvente à saída do extrator. Após a saída, a mistura solvente-extrato é separada diminuindo a pressão no separador (válvula de expansão) abaixo do ponto crítico do solvente (fase gás) e o extrato é precipitado. O extrato é coletado numa célula de separação e o gás é reciclado. O gás reciclado é condensado e pressurizado e posteriormente aquecido até a pressão e temperatura de operação requerida. Os parâmetros que influenciam a extração são a pressão, temperatura, relação solvente/alimentação, vazão do solvente e tamanho de partícula. Um estudo cinético do
processo de extração é necessário para a escolha do tempo ótimo de operação para obtenção dos compostos de interesse do processo (Meireles, 2008).
Figura 1.7. Diagrama de extração com fluido supercrítico. Fonte: Adaptado de Meireles, 2008.
Como reportado anteriormente, a fibra de palma prensada é um resíduo proveniente da linha de produção de óleo de palma. O uso atual da fibra de palma é para produção de combustível. Um estudo realizado na análise do óleo residual da fibra de palma prensada constatou a presença de compostos minoritários de alto valor tais como carotenoides: α-, β-caroteno e licopeno (3.800 – 6.000 g/g), vitamina E: α-tocoferol, α-,δ-, γ-tocotrienóis (1.600 – 3.000 g/g) e esteróis:β-sitosterol, estigmasterol, campesterol (4.500 – 8.500 g/g), sendo estas quantidades presentes consideradas maiores do que as analisadas no óleo de palma comercial (Choo et al., 1996).
Alguns estudos de extração supercrítica da fibra de palma prensada com dióxido de carbono têm sido realizados, principalmente na Malásia, por ser o principal país produtor de óleo de palma a nível mundial. No Brasil, a utilização deste processo de extração e refinamento de óleos está relacionada com a extração com fluido supercrítico de óleo da semente de algodão, extração de tocoferóis do óleo de soja, extração de
esqualeno do óleo de oliva, extração de fosfolipídeos de soja, entre outros (De França et
al., 2000; Lau et al., 2006).
França e Meireles (1997) estudaram a extração com fluido supercrítico da fibra de palma prensada sem moer em duas temperaturas (318, 328 K) e 3 pressões (20, 25 e 30 MPa) obtendo os melhores resultados na pressão de 25 MPa e temperatura de 328 K em termos de rendimento global e conteúdo de carotenoides totais (8 mg de caroteno/ g de extrato), sugerindo que estes parâmetros são convenientes para a extração de carotenoides. Posteriormente, foi realizado um estudo da modelagem da extração de carotenoides e lipídeos da fibra de palma prensada (De França et al., 2000). Estes estudos sugerem o potencial uso do CO2 para produzir produtos de maior valor agregado
da fibra de palma prensada, a qual pode ser considerada como uma fonte natural de componentes nutracêuticos, tais como vitamina E, caroteno, esqualeno e esteróis.
Os pesquisadores Lau et al. (2008) estudaram a separação dos componentes β-caroteno e vitamina E da fibra de palma prensada utilizando dióxido de carbono supercrítico. Este processo isotérmico foi realizado a 313 K no modo contínuo de 3 estágios, obtendo uma primeira fração de óleo enriquecido com vitamina E e esqualeno a 10 MPa; depois, uma segunda fração enriquecida com triacilglicerois a 20 MPa; e por último, uma terceira fração enriquecida com β-caroteno a 30 MPa, com recuperação total de 90% no final da extração.
1.2.3.3. Extração com líquidos pressurizados
A extração por líquido pressurizado (PLE – pressurized liquid extraction) é uma técnica que utiliza solvente a temperaturas e pressões elevadas, com a finalidade de melhorar a solubilidade e propriedades de transporte do solvente na matriz sólida durante o processo de extração, a fim de extrair compostos de interesse em tempos curtos e com menor gasto de solvente quando comparado com extrações tradicionais (Luthria, 2004). Esta técnica foi introduzida pela Dionex Corporation em 1995 com o nome de ASETM (Accelerated Solvent Extraction Technology). A extração com líquido pressurizado pode ser efetuada com o uso de solventes tradicionais numa faixa de temperatura ambiente até temperaturas acima do ponto de ebulição do solvente baixo pressão, de tal forma que os solventes sejam mantidos no estado de agregação líquido. Estas condições de operação favorecem a diminuição da viscosidade e o aumento do coeficiente de difusão e
transferência de massa, o que ajuda na penetração dentro da matriz sólida e facilita, desta forma, a solubilização dos componentes de interesse (Mustafa et al., 2011).
Um esquema típico da unidade de PLE se encontra na Figura 1.8. Neste sistema, a célula é empacotada e o solvente líquido é bombeado até a temperatura e pressão desejada, sendo a extração estática realizada entre 5 e 10 min e, após este período, a bomba é acionada, dando início a extração dinâmica. O extrato é recolhido em frascos coletores (Santos et al., 2012).
Figura 1.8. Diagrama de equipamento de extração com líquido pressurizado. ET: tanque de etanol, HP: bomba de alta pressão, M: manómetro, EH: aquecedor elétrico, EB: célula
de extração, TC: controlador de temperatura, V1, V2, V3: válvula, CF: frasco coletor Fonte: Santos et al., 2012.
A extração por líquido pressurizado é adequada para uma ampla faixa de componentes polares e apolares. Os fatores que afetam esta extração são: temperatura, tempo de extração, tipo de solvente, tamanho de partícula e umidade na amostra (Camel, 2001). Diversos estudos têm sido realizados na extração de compostos bioativos, tais como compostos fenólicos, flavonoides, carotenoides, saponinas, óleos essenciais, entre outros (Mustafa et al., 2011). Estudos realizados na extração de catequinas com PLE apresentaram alto rendimento em termos de recuperação (1,6 g/g) a partir de sementes de uvas utilizando metanol como solvente na temperatura de 443 K e 10 min de extração (Piñeiro et al., 2004).
Estudos de extração da fibra de palma com propano pressurizado em diferentes condições de temperatura (293 a 333 K), pressão (10 a 20 MPa) e vazão de solvente (1 –
V1 V2 HP EH V3 FC EB M TC ET CF
5 cm3/min) mostraram alto rendimento em carotenoides no extrato (600 g/g de extrato, similar ao obtidos utilizando hexano). Por outro lado, extratos obtidos com etanol tiveram menor conteúdo de carotenoides (200 g/g de extrato), sugerindo a afinidade dos carotenoides por solventes apolares (Jesus et al., 2013). Mustafa (2012) realizou um estudo de extração de carotenoides a partir de resíduos de cenoura com etanol pressurizado numa faixa de temperatura de 60 a 180°C, 5 MPa, tempo estático de 5 min e com tempos de extração de 2 a 10 min. Os resultados mostraram que altos rendimento de carotenoides nos extratos foram encontrados a 60°C, 5 MPa e 10 min de extração. Este comportamento pode ser devido principalmente à susceptibilidade de - e -caroteno à oxidação pela temperatura.
Um estudo de otimização da temperatura, pressão e tempo estático na obtenção de antocianinas e compostos fenólicos da jabuticaba com etanol pressurizado mostrou que a condição ótima encontrada a 5 MPa de pressão, 353 K de temperatura para antocianinas (2,5 mg Cy-3-glucosídeo/g matéria-prima) e 5 MPa de pressão, 393 K de temperatura para compostos fenólicos (13 mg o GAE/g matéria-prima) (Santos et al., 2012). Por outro lado, a extração com etanol pressurizado das sementes desengorduradas do urucum a 333 K de temperatura e 2 MPa de pressão com etanol resultou em maior rendimento de bixina de 18% b.s. comparado com o processo de extração a baixas pressões de 10% b.s. (Rodrigues et al., 2014).
1.2.3.4. Cinética de extração
Os processos de extração podem ser caraterizados por meio de curvas cinéticas de extração (Overall Extraction Curve – OEC). Estas curvas de extração são expressas em termos da massa de extrato obtido num determinado tempo ou quantidade de solvente consumido (razão S/F). De acordo com Sovova (1994), as curvas de extração global podem ser dividas em 3 etapas (Figura 1.9). O período de taxa de extração constante (CER - Constant Extraction Rate) é a etapa dominada pela transferência de massa por convecção onde o soluto acessível é extraído numa taxa constante da parte superficial das células ou das células quebradas durante o pre-processamento. Cerca de 50 a 90% do material solúvel pode ser extraído neste período. O segundo período de taxa de extração decrescente (FER - Falling Extraction Rate) é uma etapa de transição onde o soluto remanescente da primeira etapa e o soluto localizado no interior da célula são extraídos, por tanto a difusão e convecção são dominantes. A terceira etapa é o período
difusional (DC - Diffusion Controlled) onde a extração é controlada pela difusão do soluto localizado no interior das células, seguido da difusão da mistura sólido-solvente à superfície da célula (Sovova et al., 1994, Meireles, 2008).
Figura 1.9. Curva de extração apresentando 3 partes caraterísticas: Taxa de Extração Constante (CER), Taxa de Extração Decrescente (FER), Período Difusional (DC). Fonte:
Adaptado de Brunner, 1994; Meireles, 2008.
Os períodos CER, FER e DC podem ser descritos como um conjunto de linhas retas. A Equação 1.1 apresenta as equações para N linhas, onde para = 0,1,2,... são os coeficientes lineares das linhas ajustadas e para = 0,1,2,... são os interceptos destas linhas, é a massa de extrato (o rendimento) e t é o tempo (Meireles, 2008).
( ∑ ) ∑ Equação. 1.1
No caso que o ajuste seja de 3 retas, a massa do extrato pode ser calculado por meio da Equação 1.2, onde é o intercepto da primeira e segunda reta (tempo constante
de extração, tCER) e é o intercepto da segunda e terceira reta (tempo decrescente de
extração, tFER). A partir do tFER começa o período de difusão controlada.
( ) ( ) Equação. 1.2
O tempo constante de extração tCER pode ser considerado como o tempo de
processo no cálculo do custo de manufatura COM quando duas retas são ajustadas às OECs, uma vez que seja recuperado mais de 50% do extrato contido na matriz vegetal. Por outro lado, quando um spline de 3 retas é obtido do ajuste de curva a OEC, o tempo tCER2, obtido da interseção das retas das etapas CER e DC, corresponde a um tempo mais
adequado de processo (Leal et al., 2008). 1.2.3.5. Hidrólise subcrítica
A hidrólise de polissacarídeos permite a quebra das ligações éter e éster entre as unidades de monossacarídeos pela adição de uma molécula de água a uma ligação quebrada. O mecanismo molecular da hidrólise catalisada envolve 3 etapas: (1) O ácido conjugado é formado pela adição de um próton à uma molécula de oxigênio a dois unidades de açúcares. (2) A ligação C-O é divida e um íon carbônio é formado (esta é a etapa limitante) (3) Ocorre transferência rápida de água a molécula de glicose no último passo do mecanismo de reação. A Figura 1.10 mostra o principal mecanismo de reação da celulose (JACOBSEN et al., 2000; SASAKI et al., 1998).
A hidrólise de polissacarídeos tipo ácida promove a degradação da hemicelulose e das cadeias alifáticas de celulose-lignina; além da formação de produtos inibidores, pois a hidrólise de polissacarídeos ocorre simultaneamente com a hidrólise dos produtos monoméricos. Para aumentar a eficiência do processo é necessário escolher as melhores condições de reação para a formação dos produtos de interesse.
