ESTUDO DOS PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DE
ANTOCIANINAS DA POLPA DE JUÇARA (
Mart.) E DA CONCENTRAÇÃO DO EXTRATO POR
STUDY OF EXTRACTION
FROM JUSSARA PULP (
CONCENTRATION BY NANOFILTRATION
i
Glaucia Santos Vieira
ESTUDO DOS PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DE
ANTOCIANINAS DA POLPA DE JUÇARA (Euterpe edulis
Mart.) E DA CONCENTRAÇÃO DO EXTRATO POR
NANOFILTRAÇÃO
STUDY OF EXTRACTION PROCESS OF ANTHOCYANINS
FROM JUSSARA PULP (Euterpe edulis Mart.) AND THEIR
CONCENTRATION BY NANOFILTRATION
CAMPINAS 2015
ESTUDO DOS PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DE
Euterpe edulis
Mart.) E DA CONCENTRAÇÃO DO EXTRATO POR
PROCESS OF ANTHOCYANINS
AND THEIR
CONCENTRATION BY NANOFILTRATION
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ESTUDO DOS PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DE ANTOCIANINAS
DA POLPA DE JUÇARA
CONCENTRAÇÃO DO EXTRATO POR NANOFILTRAÇÃO
STUDY OF EXTRACTION PROCESS OF ANTHOCYANINS FROM
JUSSARA PULP
CONCENTRATION BY NANO
Orientadora: Profa. Dra. Miriam Dupas
Este exemplar corresponde à versão final da tese de doutorado defendida pela aluna
Vieira, orientada pela Profa. Dra. Miriam Dupas Hubinger.
Profa. Dra. Miriam Dupas Hubinger
iii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Glaucia Santos Vieira
ESTUDO DOS PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DE ANTOCIANINAS
DA POLPA DE JUÇARA (Euterpe edulis Mart.)
CONCENTRAÇÃO DO EXTRATO POR NANOFILTRAÇÃO
STUDY OF EXTRACTION PROCESS OF ANTHOCYANINS FROM
JUSSARA PULP (Euterpe edulis Mart.) AND THEIR
CONCENTRATION BY NANOFILTRATION
Orientadora: Profa. Dra. Miriam Dupas Hubinger
CAMPINAS 2015
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora Engenharia de Alimentos.
Este exemplar corresponde à versão final da tese pela aluna Glaucia Santos Vieira, orientada pela Profa. Dra. Miriam Dupas
Profa. Dra. Miriam Dupas Hubinger
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ESTUDO DOS PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DE ANTOCIANINAS
Mart.) E DA
CONCENTRAÇÃO DO EXTRATO POR NANOFILTRAÇÃO
STUDY OF EXTRACTION PROCESS OF ANTHOCYANINS FROM
AND THEIR
FILTRATION
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Engenharia de Alimentos.
iv
Márcia Regina Garbelini Sevillano - CRB 8/3647
Vieira, Glaucia Santos, 1985-
V673e Estudo dos processos de extração de antocianinas da polpa de juçara (Euterpe edulis Mart.) e da concentração do extrato por nanofiltração / Glaucia Santos Vieira. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
Orientador: Miriam Dupas Hubinger.
Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos.
1. Euterpe edulis. 2. Ultrassom. 3. Antocianinas. 4. Etanol. 5. Diafiltração. I. Hubinger, Miriam Dupas. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Study of extraction process of anthocyanins from jussara pulp
(Euterpe edulis Mart.) and their concentration by nanofiltration
Palavras-chave em inglês: Euterpe edulis Ultrasound Anthocyanins Ethanol Diafiltration
Área de concentração: Engenharia de Alimentos Titulação: Doutora em Engenharia de Alimentos Banca examinadora:
Miriam Dupas Hubinger [Orientador] Marco Di Luccio
Lourdes Maria Corrêa Cabral Priscilla Efraim
Chiu Chih Ming
Data de defesa: 23-02-2015
v
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________________ Profa. Dra. Miriam Dupas Hubinger
(Orientadora) Depto. de Engenharia de Alimentos/FEA/UNICAMP
______________________________________________________ Prof. Dr. Marco Di Luccio
(Membro Titular) Depto. de Engenharia de Alimentos/EQA/UFSC _____________________________________________________
Dra. Lourdes Maria Corrêa Cabral
(Membro Titular) Embrapa Agroindústria de Alimentos ______________________________________________________
Profa. Dra. Priscilla Efraim
(Membro Titular) Depto. de Tecnologia de Alimentos/FEA/UNICAMP ______________________________________________________
Dr. Chiu Chih Ming
(Membro Titular) Depto. de Tecnologia de Alimentos/FEA/UNICAMP
______________________________________________________ Profa. Dra. Beatriz Camargo Barros de Silveira Mello (Membro Suplente) Centro de Ciências da Natureza/UFSCar
______________________________________________________ Prof. Dr. Fernando Antonio Cabral
(Membro Suplente) Depto. de Engenharia de Alimentos/FEA/UNICAMP
______________________________________________________ Prof. Dr. Eduardo Augusto Caldas Batista
vii RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo estudar diferentes métodos de extração de antocianinas da polpa de juçara (Euterpe edulis Martius) e avaliar o desempenho do processo de concentração do extrato por nanofiltração em fornecer produtos enriquecidos em antocianinas. Na primeira etapa, foi avaliado o efeito da extração por ultrassom e leito agitado, em relação à composição química e os custos de manufatura dos extratos. Na segunda etapa, as variáveis operacionais tempo de extração, temperatura, concentração de etanol em água acidificada e a relação volume de solvente por massa de alimentação (S/F) foram otimizadas utilizando a extração em leito agitado. As condições ótimas de processo que forneceram os mais altos rendimentos de antocianinas e compostos fenólicos foram: solução de 70 % de etanol em água, S/F de 20 mL/g, temperatura de 30 °C e tempo de extração de 20 min. Métodos de análise por cromatografia líquida de ultra eficiência acoplada a espectrômetro de massas foram desenvolvidos para identificar e quantificar as antocianinas e compostos fenólicos não-antociânicos presentes no extrato de juçara. Foram identificados 13 analitos dos 27 analisados. Na terceira etapa do trabalho, foi estudado o processo de concentração de antocianinas por membranas de nanofiltração. Inicialmente foi avaliado o desempenho de seis membranas poliméricas comerciais. A membrana NP030 foi selecionada por apresentar um dos melhores desempenhos no processo de concentração, revelando elevada seletividade e alto fluxo. Após a etapa de seleção, foi avaliado o efeito da pressão e da temperatura no fluxo de permeado e na seletividade das membranas às antocianinas. As condições operacionais de 35 °C e 35 bar resultaram nos maiores valores de fluxo, retenção de antocianinas e capacidade antioxidante dos extratos. Por fim, foi realizada uma validação industrial do processo, utilizando uma unidade piloto de filtração com escoamento tangencial. O sistema de filtração gerou um produto enriquecido em antocianinas, com 240 mg de antocianinas/L contra 35 mg/L do extrato inicial. Uma etapa de diafiltração, realizada após a concentração do extrato, contribuiu para a redução de 99 % do etanol inicialmente presente no extrato. Assim, o processo de nanofiltração foi eficaz ao gerar extratos etanólicos ou mesmo livres de álcool, enriquecidos em antocianinas.
Palavas-chave: Euterpe edulis, extração, antocianinas, etanol, ultrassom, capacidade antioxidante, nanofiltração, diafiltração.
ix ABSTRACT
This work aimed to study different anthocyanin extraction processes from jussara (Euterpe
edulis) pulp and assess the performance of extract concentration by nanofiltration providing
products rich in anthocyanins. In the first stage of this work, the influence of ultrasonic and agitated bed extractions regarding to chemical composition and manufacturing costs of extracts obtained from jussara pulp was evaluated. In the second part, the operating variables such as extraction time, temperature, concentration of ethanol in water, and solvent volume to feed mass ratio (S/F) were optimized using an agitated bed extraction. The optimized conditions that yielded the highest anthocyanin and phenolic contents were: 70 % of ethanol in water, S/F of 20 mL/g, temperature of 30 °C and 20 min of extraction time. Analytical procedures for the identification and quantification of anthocyanins and non-anthocyanin phenolic compounds in jussara extract were developed, using ultra-performance liquid chromatography−mass spectrometry, which allowed 13 out of 27 analytes to be identified. In the third stage of this work, the anthocyanin concentration process was studied by nanofiltration membranes. Initially, six flat-sheet commercial membranes were used to concentrate anthocyanins from ethanolic extracts. The NP030 membrane was selected for showing one of the best process performances combining high permeate flux and selectivity. After the selection step, pressure and temperature effects on permeate flux and anthocyanin membrane selectivity were evaluated. The operating conditions of 35 bar and 35 °C resulted in the highest permeate flux, and retention of anthocyanin and antioxidant capacity. Finally, an industrial validation of the process was performed using a pilot tangential flow filtration system. This system yielded an anthocyanin-enriched product, with an increased of concentration from 35 to 240 mg of anthocyanins/L. A diafiltration step performed after the extract concentration, contributed to reduction of ethanol in the extract by 99 %. Thus, nanofiltration process was effective in producing ethanolic extracts, or even ethanol-free extract, enriched in anthocyanins.
Keywords: Euterpe edulis, extraction, anthocyanins, ethanol, ultrasound, antioxidant activity, nanofiltration, diafiltration.
xi
SUMÁRIO
- CAPÍTULO 1 -Introdução e Objetivos ... 1
1.1 INTRODUÇÃO ... 3
1.2 OBJETIVOS ... 7
1.3 ESTRUTURAÇÃO DA TESE EM CAPÍTULOS ... 8
1.4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 9
- CAPÍTULO 2 -Revisão da literatura ... 13
2.1 JUÇARA (Euterpe edulis) ... 15
2.2 COMPOSTOS FENÓLICOS ... 24
2.3 MÉTODOS DE EXTRAÇÃO ... 28
2.1 Extração convencional ... 28
2.2 Extração assistida por ultrassom ... 29
2.3 Principais variáveis que afetam o processo de extração de antocianinas ... 31
2.4 DETERMINAÇÃO DOS CUSTOS DE MANUFATURA DE NOVOS PRODUTOS .. 33
2.5 SIMULADORES DE PROCESSOS – SUPER PRO ... 35
2.6 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS ... 37
2.6.1 Aspectos gerais ... 37
2.6.1.1 Tipos de membranas, transporte de massa e modos de escoamento ... 43
2.6.1.2 Módulos... 46
2.6.1.3 Fenômenos que ocorrem durante o processo de separação ... 50
xii
2.6.4 Diafiltração ... 59
2.7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 61
- CAPÍTULO 3 - ... 73
Chemical and economic evaluation of natural antioxidant extracts obtained by ultrasound-assisted and agitated bed extraction from jussara pulp (Euterpe edulis) ... 73
ABSTRACT ... 75
3.1INTRODUCTION ... 76
3.2 MATERIALS AND METHODS ... 78
3.2.1 Chemicals ... 78
3.2.2 Jussara pulp ... 78
3.2.3 Equipment ... 79
3.2.4 Experimental protocol and extraction design ... 79
3.2.5 Analytical Methods ... 80
3.2.5.1 Extract yield ... 80
3.2.5.2 Total monomeric anthocyanins ... 80
3.2.5.3 Total phenolic compounds ... 80
3.2.5.4 Antioxidant capacity ... 80
3.2.6 Economical evaluation ... 81
3.2.6.1 Process simulation and scale-up... 81
3.2.6.2 Manufacturing cost estimation ... 84
xiii
3.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 86
3.3.1 Influence of process variables on extraction ... 86
3.3.1.1 Effect of extraction time ... 86
3.3.1.2 Effect of ethanol concentration ... 88
3.3.1.3 Effect of the process temperature ... 92
3.3.1.4 Effect of the solvent to feed ratio ... 92
3.3.2 Manufacturing costs ... 93
3.4 CONCLUSIONS ... 100
3.5 ACKNOWLEDGMENTS ... 100
3.6 REFERENCES ... 100
- CAPÍTULO 4 - ... 105
Extraction of anthocyanins from jussara (Euterpe edulis) pulp and rapid characterisation of phenolic compounds in extracts by UPLC-MS analysis ... 105
ABSTRACT ... 107
4.1INTRODUCTION ... 108
4.2 MATERIALS AND METHODS ... 110
4.2.1 Chemicals ... 110
4.2.2 Raw material ... 110
4.2.3 Experimental protocol and extraction design ... 111
4.2.4 Spectrophotometric analyses ... 111
4.2.4.1 Extraction yield, total monomeric anthocyanins and total phenolic compounds111 4.2.4.2 Antioxidant capacity ... 112
xiv
4.2.5.3 Identification, quantification and evaluation of methods ... 114
4.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 115
4.3.1 Extraction of anthocyanins from jussara pulp ... 115
4.3.1.1 Optimisation of solvent to pulp ratio (S/F) and solvent composition ... 115
4.3.1.2 Optimisation of time and process temperature ... 119
4.3.2 Development of the UPLC methods ... 122
3.3 Statistical parameters of methods ... 124
4.3.4 Phenolic compounds identified in jussara extract ... 128
4.4 CONCLUSIONS ... 131
4.5 ACKNOWLEDGEMENTS ... 132
4.6. REFERENCES ... 132
- CAPÍTULO 5 - ... 137
Concentração do extrato etanólico de juçara (Euterpe edulis) por nanofiltração... 137
RESUMO ... 139 5.1 INTRODUCÃO ... 140 5.2 MATERIAL E MÉTODOS ... 142 5.2.1 Matéria-prima ... 142 5.2.2 Extrato de juçara ... 142 5.2.3 Membranas ... 143
5.2.3.1 Geometria plana – módulos placa e quadro ... 143
xv
5.2.3.3 Pré-condicionamento das membranas ... 145
5.2.4 Sistemas de filtração e ensaios de nanofiltração ... 145
5.2.4.1 Unidade de filtração tipo dead-end com agitação– Seleção da membrana ... 146
5.2.4.2 Unidade de filtração tangencial com módulo placa e quadro - Efeito da pressão e temperatura no processo de separação ... 147
5.2.4.3 Unidade piloto de filtração com escoamento tangencial com módulo de membrana espiral ... 148
Concentração do extrato ... 149
Diafiltração contínua para troca do etanol por água ... 149
5.2.5 Parâmetros de desempenho dos processos ... 150
5.2.6 Determinações analíticas ... 152
5.2.6.1 Quantificação de antocianinas por UPLC-MS ... 152
5.2.6.2 Análise instrumental da cor ... 152
5.2.6.3 Sólidos totais ... 153
5.2.6.4 Massa específica ... 153
5.2.6.5 Capacidade antioxidante - Oxygen Radical Absorbance Capacity (ORAC) .... 153
5.2.6.6 Teor de etanol ... 154
5.2.7 Caracterização das membranas de nanofiltração ... 154
5.2.7.1 Ângulo de contato ... 154
5.2.7.2 Caracterização textural via adsorção de N2 ... 155
5.2.7.3 Microscopia de força atômica ... 155
5.2.8 Análise estatística ... 156
5.3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 157
5.3.1 Seleção da membrana ... 157
5.3.1.1 Ângulo de contato, área superficial específica e volume dos poros das membranas de nanofiltração... 157
xvi
5.3.1.4 Produtos obtidos na concentração do extrato de juçara ... 174
5.3.2. Efeito da pressão e temperatura no desempenho do processo de filtração ... 180
5.3.2.1 Fluxo de permeado ... 181
5.3.2.2 Retenção de antocianinas ... 184
5.3.2.3 Capacidade antioxidante dos extratos ... 186
5.3.3 Experimento piloto de concentração e diafiltração do extrato de juçara ... 188
5.3.3.1 Concentração e diafiltração contínua do extrato de juçara ... 188
5.3.3.2 Caracterização dos produtos obtidos ... 194
5.4. CONCLUSÕES ... 197
5.5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 198
- CAPÍTULO 6 - ... 205
Conclusões Gerais eSugestões para trabalhos futuros ... 205
xvii
O maior inimigo do conhecimento
não é a ignorância, mas a ilusão do conhecimento.
(Stephen Hawking)
xix
Aos meus amados pais Jorge e Gisélia, pelo presente e constante amor em
cada momento da minha vida,
Ao meu amado Jonas, por todo o seu amor, carinho, compreensão e por
contribuir para a minha evolução enquanto pessoa,
xxi
AGRADECIMENTOS
À Faculdade de Engenharia de Alimentos da UNICAMP, em especial ao Departamento de Engenharia de Alimentos, por possibilitar a realização deste trabalho.
À Prof. Dra. Miriam Dupas Hubinger pela oportunidade e orientação, e por contribuir para o meu amadurecimento profissional.
Ao CNPq, Capes e a FAPESP pelo apoio financeiro.
À banca examinadora, pelas valiosas sugestões dadas para enriquecer este trabalho. À Carolina Picone e Andréa Bittencourt, por facilitar a aquisição da polpa de juçara. À Diana Carneiro, pela ilustração botânica da palmeira juçara.
Ao Prof. Dr. Luiz Antonio Viotto, por conceder a utilização da célula de filtração laboratorial.
À Profa. Dra. Lireny Aparecida Guaraldo Gonçalves, por conceder a utilização da unidade de filtração tangencial de bancada.
Ao Prof. Dr. Francisco Maugeri Filho, por conceder a utilização do sistema piloto de filtração tangencial.
À Embrapa Instrumentação, em especial à técnica Adriana do Laboratório de Nanotecnologia.
Ao laboratório LAMULT do Instituto de Física “Gleb Wataghin”, pela análise de microscopia de força atômica.
Ao Mariano, por sua ajuda ao longo do trabalho, principalmente no ensaio da unidade piloto de nanofiltração.
À Maísa pelas análises de atividade antioxidante pelo método ORAC. Ao Jonas, pelas análises estatísticas.
xxii
À Maitê, pelo carinho e ajuda ao longo do trabalho, principalmente na fase final da redação. À Mariana e Vanessinha, pela imensurável contribuição.
A todos os colegas de laboratório e do departamento.
A todas as pessoas não mencionadas, que direta ou indiretamente tornaram possível a realização deste trabalho.
xxiii
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 Ilustração botânica da palmeira juçara (cedida por Diana Carneiro, 2014). ... 19
Figura 2.2. Imagens de cachos da palmeira juçara contendo os frutos (a), sementes lavadas e secas após o processo de despolpa (b), polpa de juçara congelada utilizada neste trabalho (c) e a polpa descongelada (d). Fotografias do acervo da autora. ... 21
Figura 2.3 Classes dos compostos fenólicos. Adaptado de Shahidi e Naczk (2006) ... 26
Figura 2.4 Estrutura básica do cátion flavilium (GIUSTI e WROLSTAD, 2001). ... 27
Figura 2.5 Representação esquemática dos sistemas de separação por membranas. ... 38
Figura 2.6 Osmose e osmose inversa (a água e a solução concentrada são separadas por uma membrana semipermeável). Adaptado de CHERYAN (2007)... 40
Figura 2.7 Ilustração da exclusão de alguns compostos através de diferentes processos de membrana. Adaptado de CHERYAN (2007), HABERT et al. (2006) e SRIDHAR e SMITHA, (2008). ... 42
Figura 2.8 Estruturas químicas primárias de alguns dos polímeros comerciais utilizados em membranas: (a) celulose, (b) acetato de celulose, (c) poliamida, (d) polisulfona, (e) polivinilpirrolidona e (f) poliacrilonitrila (VIENKEN, 2007). ... 44
Figura 2.9 Ilustração dos modos de filtração por via convencional (a) ou tangencial (b). . 45
Figura 2.10 Representação esquemática dos módulos de membrana usados em processos industriais de separação: placa e quadro (a), espiral (b), tubular (c) e fibra oca (d). Adaptado de CHARCOSSET (2012). ... 47
xxiv
Figura 2.12 Representação esquemática da polarização da concentração. Adaptado de Chreryan (1998). ... 51
CAPÍTULO 3
Figura 3.1 Flowchart of the ultrasound-assisted extraction (UAE) and agitated bed extraction (ABE) simulated by the SuperPro Designer. ... 83
Figure 3.2 Total extract yield (EY), total phenolic compounds (TPC) and total monomeric anthocyanins (TMA) of the jussara extracts obtained by ultrasound-assisted extraction (UAE) and agitated bed extraction (ABE) at different processing times. Data are presented as the means ± SD (n = 3)... 87
Figure 3.3 Antioxidant capacity of extracts produced by ultrasound-assisted extraction (UAE) and agitated bed extraction (ABE) measured at different processing times. Data are presented as the means ± SD (n = 3). ... 88
CAPÍTULO 4
Figure 4.1 Extraction yield (EY), total monomeric anthocyanins (TMA), total phenolic compound (TPC) and antioxidant capacity determined by FRAP method of jussara extract obtained at S/F range of 5-50 mL/g and different ethanol to water ratios: ( ) 0%, ( ) 30%, ( ) 50%, ( ) 70% e ( ) 100%. ... 117
Figura 4.2 Extraction yield (EY), total monomeric anthocyanins (TMA), total phenolic compound (TPC) and antioxidant capacity determined by FRAP method of jussara extract at process times range of 5 – 180 min and different temperatures: ( ) 20 °C, ( ) 30 °C, (
xxv
Figura 4.3 Overlay total ion UPLC/MS chromatograms of mixture of the standards. Anthocyanins (a): definidin-3-O-glucoside (1), O-glucoside (2), cyaniding-3-O-rutinoside (3), perlagonidin-3-O-glucoside (4), malvinidin -3-O-glucoside (5). Non-anthocyanic phenolic compounds (b): gallic acid (1), protocatechuic acid (2), p-hydroxybenzoic acid (3), catechin (4), chlorogenic acid (5), caffeic acid (6), p-coumaric acid (7), ferrulic acid (8), sinapic acid (9), hydroxycinamic acid (10), ellagic acid (11), rutin (12), kaempferol-3-O-rutinoside (13), kaempferol-3-O-glucoside (14), 4,5 - dicaffeoylquinic acid (15), myricetin (16), resveratrol (17), luteolin (18), quercetin (19), apigenin (20), kaempferol (21), crisin (22). ... 123
CAPÍTULO 5
Figura 5.1 Representação esquemática (a) do sistema de filtração onde: (1) entrada e saída de líquido utilizado na camisa de aquecimento, (2) entrada de nitrogênio para pressurizar a célula, (3) barra magnética, (4) suporte para membrana, (5) saída de permeado, (6) agitador magnético. ... 146
Figura 5.2 Fluxograma do processo de diafiltração do extrato de juçara na unidade piloto de nanofiltração com fluxo tangencial. 1 – tanque de água para diafiltração, 2 – tanque de alimentação, 3 – bomba, 4 e 5 – manômetros, 6 – módulo de membrana, 7 – tanque de permeado, 8 e 9 – rotâmetros, 10 – válvula de bloqueio, Qo – vazão de alimentação, Qp – vazão de permeado, Qo = Qp. ... 150
Figura 5.3 Curvas de fluxo de permeado em função do fator de concentração volumétrico (FCV) obtidos utilizando diferentes membranas de nanofiltração. ... 160
Figura 5.4 Morfologia das membranas correspondentes às áreas escaneadas de 5 µm2: (a) NP030 intacta, (b) NP030 usada, (c) NP010 intacta, (d) NP010 usada, (e) Desal 5-DL intacta, (f) Desal 5-DL usada. ... 167
xxvi
intacta, (f) NF90 usada. ... 169
Figura 5.6 Declínio do fluxo de permeado (Jp/Jpo) em função da rugosidade inicial das diferentes membranas. ... 173
Figura 5.7 Aparência das correntes (A - alimentação, P - permeado e C - concentrado) obtidas quando foram utilizadas diferentes membranas na concentração do extrato de juçara: (a) NF90, (b) NF270, (c) Desal 5-DK, (d) Desal 5-DL, (e) NP030 e (f) NP010. FCV =4. ... 177
Figura 5.8 Efeito dos fatores pressão e temperatura no fluxo de permeado utilizando a membrana NP030. A concentração inicial média do extrato foi de 5 g/L e o FCV de 1,5. 182 Figura 5.9 Retenção da cianidina-3-glicosídeo e cianidina-3-rutinosídeo em função da temperatura e pressão utilizando a membrana NP030. A concentração inicial média do extrato foi de 5 g/L e o FCV de 1,5. ... 184
Figura 5.10 Fluxo de permeado dos processos de concentração e diafiltração contínua do extrato de juçara em função do tempo. Condições operacionais: membrana NP030, área de permeação de 1,8 m2, 35 bar, 35 °C, vazão de recirculação de 300 L/h, permeabilidade hidráulica inicial à solução contendo 70 % de etanol em água de 4,15 L/m2.h.bar. ... 190
Figura 5.11 Curva de concentração de antocianinas totais dada pela soma dos conteúdos de cianidina-3-glicosídeo e cianidina-3-rutinosideo e sólidos totais em função do fator de concentração volumétrico (FCV). Condições operacionais: membrana NP030, área de permeação de 1,8 m2, 35 bar, 35 °C, vazão de recirculação de 300 L/h. ... 191
Figura 5.12 Redução do etanol do extrato (a) e concentração dos sólidos totais e retenção de antocianinas (b) e em função da razão do volume de água adicionada pelo volume do concentrado (VA/VC) na etapa de diafiltração utilizando a membrana NP030. Volume do concentrado = 5 L. ... 193
xxvii
Figura 5.13 Evolução do processo de concentração das antocianinas do extrato etanólico de juçara até alcançar o fator de concentração volumétrico de 10, na membrana NP030. 197
xxix
ÍNDICE DE TABELAS
CAPÍTULO 2
Tabela 2.1 Grupos substituintes R1 e R2 do cátion flavilium que dá origem às principais antocianidinas encontradas na natureza ... 27 Tabela 2.2 Classificação da estimativa dos custos de um projeto (AACE, 2012)... 34 Tabela 2.3 Forças motrizes dos processos de separação com membranas. ... 39 Tabela 2.4 Processos com membranas e suas características (Adaptado de KUMAR, 2006; RIJN, 2005; HABERT et al., 2006). ... 41
CAPÍTULO 3
Table 3.1 Moisture content, centesimal composition and total acidity of jussara pulp. ... 78 Tabela 3.2 Economic parameters used in the process simulation performed by SuperPro Designer 6.0 to estimate the cost of manufacturing the crude extracts produced by ultrasound-assisted extraction (UAE) and agitated bed extraction (ABE). ... 85 Table 3.3 Extraction yield (EY), total monomeric anthocyanins (TMA) and total phenolic compounds (TPC) of the extracts obtained by ultrasound-assisted extraction (UAE) and agitated bed extraction (ABE) from jussara at different ethanol concentrations in water (%, v/v), extraction temperature (°C) and solvent to feed ratio (mL/g) levels. ... 90
Table 3.4 Antioxidant capacity determined by DPPH and FRAP methods at a different ethanol concentration, extraction temperature and solvent to feed ratio level of the jussara extracts obtained by ultrasound-assisted extraction (UAE) and agitated bed extraction (ABE). ... 91
Table 3.5 Cost of manufacturing (COM, USD/kg of crude extract) and COM composition (%) of cost of raw material (CRM), cost of operational labour (COL), fixed capital of
xxx CAPÍTULO 4
Table 4.1 ANOVA for extraction yield, total phenolic compound, total monomeric anthocyanins and antioxidant activity of extracts produced from jussara pulp. ... 119 Table 4.2 Statistical parameters of UPLC-MS methods developed for anthocyanins and non-anthocyanins phenolic compounds... 126 Tabela 4.3 Content of polyphenolic compounds on dry-weight basis in the jussara extract ... 129
CAPÍTULO 5
Tabela 5.1 Composição da polpa de juçara obtida com frutos da safra de 2012. ... 142
Tabela 5.2 Especificações das membranas de nanofiltração utilizadas ... 144 Tabela 5.3 Ângulo de contato (θ) da água, solução de etanol e água (70:30) e etanol puro com diferentes membranas de nanofiltração intactas, e a respectiva área superficial específica (ABET) e volume dos poros. ... 158 Tabela 5.4 Fluxo médio da solução contendo 70 % de etanol em água (JS), fluxo médio de permeado (Jp), queda do fluxo de permeado em função do fluxo do solvente (1 - JP/JS) e em função do fluxo inicial (1-JP/JPo), fator de concentração de sólidos totais (STf/STo) e rejeição das antocianinas individuais cianidina-3-glicosídeo e cianidina-3-rutinosídeo e do total (Robs,i), obtidos com diferentes membranas de nanofiltração. ... 161 Tabela 5.5 Rugosidade média quadrática (Rms) das diferentes membranas antes e após o processo de filtração do extrato de juçara, obtidas a partir da área escaneada de 25 µm2. 171
xxxi
Tabela 5.6 Caracterização do extrato inicial e dos produtos obtidos no processo de concentração do extrato de juçara até o FCV igual a 4 em relação à densidade, sólidos totais, cianidina-3-glicosídeo, cianidina-3-rutinosídeo e respectivos fatores de concentração (FC). ... 176 Tabela 5.7 Parâmetros de cor (luminosidade - L*, ângulo Hue - H* e croma - C*) do extrato inicial e dos permeados e concentrados obtidos no processo de concentração do extrato de juçara por diferentes membranas. ... 179 Tabela 5.8 Análise de variância do fluxo de permeado utilizando a membrana NP030 em função da temperatura e pressão ... 182 Tabela 5.9 Análise de variância não paramétrica para a retenção de antocianinas em função da temperatura e pressão utilizando a membrana NP030. ... 185 Tabela 5.10 Capacidade antioxidante das diferentes correntes da nanofiltração do extrato de juçara na membrana NP030 e em função dos fatores pressão e temperatura. A concentração inicial média do extrato foi de 5 g/L e o FCV de 1,5. ... 187 Tabela 5.11 Caracterização dos produtos obtidos dos processos de concentração e diafiltração utilizando a membrana NP030, em relação à concentração de antocianinas totais e sólidos totais, porcentagem de etanol e parâmetros da cor instrumental. ... 194
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CAPÍTULO 1
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3 1.1 INTRODUÇÃO
A atual tendência de consumo de alimentos mais naturais, aliada a estudos epidemiológicos que relatam possíveis efeitos deletérios de aditivos sintéticos à saúde, têm contribuído para a busca de novas fontes de ingredientes naturais. Neste contexto, os compostos bioativos tais como os compostos fenólicos, especialmente as antocianinas, ganham grande destaque. Os extratos naturais desempenham um papel importante como aditivos ou insumos na indústria cosmética, farmacêutica e alimentícia, proporcionando diversas características ao produto final, de acordo com as suas funções e aplicações.
Neste contexto, os compostos fenólicos podem ser utilizados como antioxidantes e corantes naturais. As antocianinas, pertencentes à classe dos flavonóides, representam uma atrativa fonte de pigmentos, responsáveis pela maioria das cores azul, roxa e todas as tonalidades de vermelho encontradas em flores, frutos, algumas folhas, caules e raízes de plantas (CAVALCANTI et al., 2011). Além do potencial uso como corantes, estes pigmentos fornecem vários benefícos à saúde, derivados de sua atividade anticarcinogênica, antiviral, antiinflamatória e antioxidante (BORGES et al., 2011; TSUDA et al., 2003; HAGIWARA et al., 2001; KAPADIA et al., 1997).
O Brasil abriga a maior biodiversidade animal e vegetal do planeta, que se traduz em mais de 20% do número total de espécies da Terra (MMA, 2015a). Cerca de um terço das florestas tropicais remanescentes no mundo estão em seu território, sendo reconhecidas como um dos mais importantes repositórios da diversidade biológica mundial. A Mata Atlântica brasileira é provavelmente o bioma mais devastado e ameaçado do planeta. Uma longa história de exploração dos recursos naturais eliminou a maior parte desse sistema natural. No período de 2012 a 2013 foi levantado que, somados todos os fragmentos de floresta nativa acima de 3 ha, restam 12,5 % dos 1,3 milhões de km2 originais (INPE, 2015). Mesmo reduzida e muito fragmentada, estima-se que na Mata Atlântica existam cerca de 20.000 espécies vegetais (cerca de 35% das espécies existentes no Brasil) (MMA, 2015b). Dentre as espécies distribuídas neste bioma, a palmeira juçara (Euterpe edulis) se destaca por produzir um palmito comestível de elevado valor econômico.
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apresenta estipe único, já que se faz necessário corta-la para remover o palmito do seu interior. Este fato, associado à crescente perda de áreas remanescentes do bioma, fez com que a espécie fosse inserida na listagem da flora brasileira ameaçada de extinção (BIODIVERSITAS, 2013). No entanto, os frutos da palmeira, também conhecidos como juçara, que são semelhantes aos da espécie Euterpe oleracea, conhecida como açaizeiro da Amazônia podem representar uma boa alternativa à exploração do palmito, já que para o aproveitamento dos frutos não é necessário o corte da planta. Os cachos que contêm os frutos podem ser retirados a cada safra sem prejudicar a integridade da palmeira.
Os frutos da juçara apresentam intensa coloração roxa, decorrente da elevada concentração de antocianinas, e têm sido apontados como uma rica fonte destes pigmentos muitas vezes superiores a outras frutas de coloração semelhante (FELZENSZWALB et al., 2013; BORGES et al., 2011; RUFINO et al., 2010; IADEROZA et al., 1992). A descoberta de alternativas para o uso sustentável da juçara representa uma alternativa de exploração da palmeira, que além de agregar valor pode contribuir para a conservação da espécie e para o equilíbrio da cadeia alimentar da Mata Atlântica. O desenvolvimento de extratos funcionais enriquecidos em antocianinas utilizando a polpa da juçara se mostra como uma opção de alto valor agregado para o aproveitamen polpa.
Extratos ricos em antocianinas estão disponíveis como líquidos concentrados ou na forma de pós, formulados a partir de diversas fontes vegetais. São principalmente aplicados em bebidas de baixo pH (bebidas carbonatadas e alcoólicas), alimentos processados (geléias, doces, sorvetes, iogurtes, produtos de confeitaria, etc.), para reforçar a cor de vinhos tintos nos países nos quais esta manipulação não é proibida, em produtos farmacêuticos e cosméticos (ARTEMIS, 2011; PRODANOV et al., 2005). No Brasil, alguns produtos comerciais são produzidos contendo antocianinas como corantes naturais, como é o caso do iogurte de morango Naturis®, iogurte grego com calda de açaí da Batavo®, guaraná Antarctica® de açaí, sabonete de açaí da Granado® e do Boticário®, refrescos em pó de uva das marcas Tang® e LA FRUTTA®, suco Soyos da marca Sufresh®, maionese Hellmann’s® de azeitona preta, dentre outros.
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O passo inicial para a manufatura de extratos vegetais consiste na extração dos compostos bioativos presentes no tecido vegetal, geralmente utilizando solventes. Um método eficiente de extração deve maximizar a recuperação de antocianinas da matriz, evitar sua degradação e resultar em um extrato com alta capacidade antioxidante, com o uso de tecnologias de baixo custo e com reduzido impacto ambiental (POMPEU et al., 2009; SANTOS et al., 2010).
Os processos convencionais de extração como a extração por maceração, Soxhlet e destilação, fundamentam-se na seleção do solvente associado ao uso do calor e/ou agitação. Estes processos apresentam como principais desvantagens elevados tempos de residência, grande demanda de solvente e degradação térmica (WANG e WELLER, 2006). No entanto, alguns trabalhos sugerem que a extração assistida por ultrassom melhora a transferência de massa em relação aos métodos convencionais, proporcionando redução do tempo de processo e do consumo de solventes, com menor consumo de energia (ADJÉ et al., 2010; CHEN et al., 2007; CORRALES et al., 2008; GHASSEMPOUR et al., 2008; SANTOS et al., 2010). Esses benefícios motivaram diversos grupos de pesquisa a utilizar o ultrassom como técnica de extração de pigmentos como as antocianinas (SANTOS et al., 2010; CORRALES et al., 2008; GHASSEMPOUR et al., 2008; CHEN et al., 2007), carotenóides (SUN et al., 2011; YUE et al., 2006) e betalaínas (SIVAKUMAR et al., 2009) de diferentes frutas e vegetais.
Em geral, os extratos obtidos apresentam-se diluídos, e devem passar por uma etapa de concentração, necessária para viabilizar o uso dos mesmos como ingredientes naturais. Nesse âmbito, o emprego de membranas poliméricas apresenta vantagens consideráveis em relação aos métodos convencionais de concentração, que usualmente envolvem a evaporação. As desvantagens dos processos convencionais como o uso de temperaturas elevadas, que degradam alguns componentes do extrato e a necessidade de elevado requerimento energético, colaboram para o aumento do interesse do estudo da tecnologia de membranas. A nanofiltração vem sendo utilizada para concentrar, purificar e fracionar antocianinas de variadas fontes (KALBASI e CISNEROS-ZEVALLOS, 2007; PATIL et. al, 2009; CISSÉ et al., 2011). Além de manter a qualidade do produto devido às temperaturas amenas que podem ser empregadas nos processos com membranas, outro
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A diversidade dos possíveis usos dos extratos enriquecidos em antocianinas na indústria de alimentos, junto à grande disponibilidade destes pigmentos na polpa dos frutos da palmeira juçara motivou o interesse em utilizá-la como matéria-prima neste trabalho. Assim, o principal propósito foi o de estudar o processo de obtenção de um extrato enriquecido em antocianinas, incluindo as etapas de extração e concentração dos pigmentos a partir da polpa da fruta. A propagação do conhecimento sobre novas formas de uso dos frutos da juçara pode representar uma alternativa à exploração sustentável da palmeira, que além de agregar valor à fruta pode contribuir para a conservação da espécie. Ressalta-se que são escassos os estudos encontrados sobre a produção de extratos concentrados de juçara.
7 1.2 OBJETIVOS
Geral
Este trabalho teve como objetivo propor um método de valorização da polpa dos frutos da palmeira juçara (Euterpe edulis Martius), baseado em diferentes processos de extração combinados à nanofiltração.
Específicos
• Investigar o efeito das variáveis: tempo, temperatura, concentração de etanol em água e relação solvente/alimentação no desempenho dos processos de extração assistida por ultrassom e extração em leito agitado de antocianinas da polpa de juçara.
• Otimizar o processo de extração de antocianinas da polpa de juçara e caracterizar o perfil dos compostos fenólicos do extrato obtido por cromatografia de ultra eficiência acoplada a espectrômetro de massas.
• Caracterizar a superfície ativa de seis membranas comerciais de nanofiltração e selecionar aquela que apresentar o melhor desempenho em termos de fluxo de permeado e seletividade na concentração das antocianinas do extrato alcoólico de juçara.
• Avaliar a influência da pressão e da temperatura no fluxo de permeado, na retenção de antocianinas e na capacidade antioxidante dos extratos utilizando a membrana selecionada e validar o processo de nanofiltração do extrato etanólico da polpa de juçara em um sistema piloto de escoamento tangencial.
• Utilizar o processo de diafiltração do extrato concentrado para remover o etanol presente na solução.
8 Capítulo 1: Introdução e objetivos Capítulo 2: Revisão da literatura
Capítulo 3: Chemical and economic evaluation of natural antioxidant extracts obtained by ultrasound-assisted and agitated bed extraction from jussara pulp (Euterpe
edulis).
Neste capítulo foi investigada a eficiência da extração de antocianinas da polpa de juçara por ultrassom e por leito agitado. Para isso os rendimentos de extrato, antocianinas monoméricas totais, compostos fenólicos totais e a atividade antioxidante do processo utilizando ultrassom, foram comparados aos obtidos utilizando o método convencial de extração em leito agitado. Também foi investigada a influência das variáveis no desempenho dos processos e nos custos de manufatura dos extratos. Os resultados foram publicados no Journal of Food Engineering, 119, 196–204, 2013.
Capítulo 4: Extraction of anthocyanins from jussara (Euterpe edulis) pulp using food grade solvents and rapid profiling of phenolic compounds in extracts by UPLC-MS analyses.
Esta etapa objetivou otimizar a extração de antocianinas da polpa de juçara em leito agitado, utilizando soluções de água e etanol como solventes. Além disso, um método de análise para antocianinas e outro para compostos fenólicos não-antociânicos foram propostos por cromatografia líquida de ultra eficiência acopladada a espectrômetro de massas com ionização por eletrospray (UPLC-ESI-MS). Os resultados desta etapa foram submetidos à revista LWT – Food Science and Technology.
Capítulo 5: Concentração do extrato etanólico de juçara (Euterpe edulis) por nanofiltração.
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O processo de concentração por nanofiltração foi estudado, utilizando o extrato de juçara obtido nas condições otimizadas apresentadas no Capítulo 4. Inicialmente foi realizada uma seleção de membrana, e em seguida a avaliação da influência da pressão e da temperatura no desempenho do processo de concentração. Finalmente, foi realizado um ensaio utilizando um sistema piloto de nanofiltração com o objetivo de validar as melhores condições operacionais de concentração. Junto a este ensaio, foi realizado um processo de diafiltração do extrato concentrado com a finalidade de remover o etanol presente. Os resultados desta etapa serão submetidos à Separation and Purification Technology.
Capítulo 6: Conclusões gerais e sugestões para trabalhos futuros
1.4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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CAPÍTULO 2
15 2.1 JUÇARA (Euterpe edulis)
A palmeira juçara (Euterpe edulis Martius) pertence à família Arecaceae (Palmae), que é constituída por cerca de 200 gêneros e 2.500 espécies. O gênero Euterpe contêm cerca de 10 espécies, dentre as quais são encontradas no Brasil a: Euterpe edulis Martius (palmiteiro), Euterpe catinga Wallace (açaizinho), Euterpe oleracea Martius (açaizeiro), Euterpe longibracteata Barbosa Rodrigues (açaí da terra firme) e Euterpe
precatoria Martius (açaizeiro) (HENDERSON, 2000).
A juçara (Euterpe edulis) está amplamente distribuída na Mata Atlântica, preferencialmente na faixa litorânea, desde o Estado do Rio Grande do Norte até o norte do Rio Grande do Sul (HENDERSON, 2000), além do nordeste da Argentina, sudeste do Paraguai, e em florestas com até 1000 metros de elevação em relação ao nível do mar. Popularmente reconhecida como palmiteiro juçara, palmito-doce, jiçara, içara, ripeira, açaí do sul ou ripa, a Euterpe edulis consta atualmente da lista das espécies ameaçadas de extinção (BIODIVERSITAS, 2013).
O palmito é o principal produto da palmeira juçara, mostrando sabor e qualidade superiores quando comparados às demais espécies do gênero Euterpe, largamente consumido e de grande importância econômica para o Brasil (ORLANDE et al., 1996). Historicamente, os agricultores das regiões de ocorrência da palmeira têm contado com a venda do palmito para complementar a renda familiar. Entretanto, a espécie também tem sido explorada em larga escala por grandes empresas. Hoje em dia, a exploração clandestina do palmito envolve comunidades tradicionais e de baixa renda. A super-exploração do palmiteiro juçara comprometeu sua regeneração natural a ponto de eliminar a espécie de vastas áreas dentro de sua região de distribuição normal, já que não houve uma preocupação em plantar novas palmeiras a fim de repor as cortadas para obtenção do produto (FANTINI et al., 2000). O corte da planta para extração do palmito do interior da bainha de folhas causa a morte da planta (FILHO et al., 2001).
Os frutos da palmeira, também conhecidos como juçara são esféricos, recobertos por uma fina e seca polpa de coloração violeta escura quando maduros (Figura 2.1). Contêm uma única semente, que representa 90% do diâmetro do fruto (1 a 2 cm) e até
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(HENDERSON, 2000). No Estado de São Paulo a colheita da fruta ocorre entre os meses de março a junho. Uma planta em condições favoráveis, pode produzir de 6 a 8 kg de frutos por ano, sendo colhidos 6,5 t /ha /ano num sistema de cultivo em agrofloresta (CORBELLINI, 2011). Uma infrutescência, popularmente conhecida apenas como cacho, produz cerca de 3,5 kg de frutos maduros (REIS, 1995). Na Figura 2.2 são ilustrados cachos da palmeira juçara contendo os frutos, as sementes lavadas e secas após a despolpa, a polpa congelada utilizada neste trabalho, e a polpa descongelada dos frutos da juçara.
Dos frutos das palmeiras do gênero Euterpe é obtido o açaí. No Norte do Brasil esse produto é extraído da Euterpe oleracea e da Euterpe precatoria, ambos nativos da Amazônia. Nas regiões Sul e Sudeste, o açaí pode ser obtido a partir dos frutos da Euterpe
edulis. O açaí é obtido logo após a colheita, devido a sua elevada perecibilidade,
apresentando curta vida de prateleira mesmo sob refrigeração. Usualmente, os frutos sofrem um tratamento térmico brando para amolecimento da polpa, em seguida são despolpados com água e filtrados para separação das sementes, sendo obtida uma polpa espessa de cor roxa intensa. No estuário amazônico o açaí obtido da Euterpe oleracea constitui uma importante fonte de alimento para povos indígenas e populações tradicionais de baixa renda há pelo menos dois séculos, como também fonte de renda para dezenas de milhares de famílias (ROGEZ, 2000). Por essa razão, a extração do açaí do Norte fez com que a exploração da espécie para obtenção do palmito diminuísse (ROGEZ, 2000). Assim, a descoberta de novas formas de uso dos frutos da palmeira juçara representa uma alternativa frente à exploração do palmito, pois a agregação de valor à fruta poderá aumentar a renda das populações das regiões ribeirinhas que manejam a palmeira.
A grande aceitação do açaí está relacionada ao alto valor nutritivo e ao agradável sabor que conquistaram consumidores dentro e fora do Brasil. O açaí amazônico é rico em compostos funcionais, a exemplo dos compostos fenólicos. Essas características o tornam um alimento com elevada capacidade antioxidante (DEL POZO-INSFRAN et al.; 2004; TONON et al.; 2010; GORDON et al., 2012). De maneira semelhante, alguns estudos
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apontam a juçara como uma fruta tão ou mais rica em compostos antioxidantes que o açaí amazônico (IADEROZA et al., 1992; RUFINO et al., 2010a; RUFINO et al., 2010b).
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21
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2.2. Imagens de cachos da palmeira juçara contendo os frutos (a), sementes lavadas e secas após o processo de despolpa (b), polpa de juçara congelada utilizada neste trabalho (c) e a polpa descongelada (d). Fotografias do acervo da autora.
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A polpa da juçara contém elevado valor nutricional, apresentando altos teores de lipídeos, proteínas, potássio, ferro, zinco, cálcio, fósforo e cobre (SILVA et al., 2011). A fruta é rica em ácidos graxos insaturados, que representam cerca de 70% do total do conteúdo lipídico, constituido majoritariamente, pelos ácidos oleico (44,63% a 55,61%) e linoleico (18.19% a 25.36%). Dentre os ácidos graxos saturados o palmítico representa o principal constituinte (20 a 25%) (BORGES et al., 2011b). De acordo com Saavedra (2008), a juçara é uma fonte excepcionalmente rica de compostos fenólicos, dentre os quais as antocianinas correspondem a 3,54% da polpa integral fresca da fruta. Estudos indicam que as antocianinas apresentam vários efeitos benéficos à saúde humana, decorrentes de suas atividades anticarcinogênica, antiviral, antiinflamatória e principalmente da antioxidante, (HAGIWARA et al., 2001; KAPADIA et al., 1997).
Iaderoza et al. (1992) relataram que os frutos da juçara apresentam cerca de quatro vezes mais antocianinas (1347 mg/100 g) do que os do açaí amazônico (336 mg/100 g), o que destaca a juçara como potencial fonte deste pigmento. Posteriormente, Brito et al. (2007), confirmaram os resultados obtidos por Iaderoza et al. (1992) para a fração antociânica da juçara e identificaram como compostos majoritários: cianidina-3-glicosídeo e a cianidina-3-rutenosídeo; e como minoritários: cianidina-3-sambubiosídeo, pelargonidina-3-glucosídeo, cianidina-3-raminosídeo e pelargonidina-3-rutinosídeo.
Rufino et al. (2010a) avaliaram a capacidade antioxidante de 18 frutas não-tradicionais brasileiras (dentre elas o açaí e a juçara), a partir da quantificação dos principais componentes bioativos das frutas. Os autores observaram que a juçara foi a mais rica fonte de antocianinas (192 mg/100g) e flavonóides (375 mg/100g) das frutas estudadas, apresentando também alta capacidade antioxidante. Em um estudo posterior, Rufino et al. (2010b) investigaram a capacidade antioxidante de 10 frutas não-tradicionais brasileiras e compararam a sua capacidade antiradicalar às dos antioxidantes Butil Hidroxitolueno - BHT (sintético) e α-tocoferol (natural). Todas as frutas estudadas apresentam alta capacidade antioxidante, das quais a juçara apresentou essa propriedade 106% mais alta do que a do BHT.
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vegetais, gerados durante o desenvolvimento normal dos tecidos atuando em condições de estresse como antibióticos e pesticidas naturais, agentes protetores contra a radiação ultravioleta (UV), entre outros. Os tecidos vegetais contêm uma larga variedade de derivados fenólicos, incluindo os fenóis simples, ácidos fenólicos, flavonóides, estilbenos, taninos, ligninas e lignanas, entre outros (SHAHIDI e NACZK, 2006). A Figura 2.3 ilustra a classificação dos compostos fenólicos e apresenta alguns exemplos de cada classe.
Nos últimos anos, a classe dos flavonóides tem despertado o interesse científico, devido ao potencial benefício conferido à saúde, principalmente relacionado à diminuição do risco de doenças crônicas degenerativas, fornecido pelas principais subclasses deste grupo, como os flavonóis, flavononas, flavonas, catequinas e antocianinas (KYLE e DUTHIE, 2006).
As antocianinas constituem o maior grupo dos flavonóides, responsáveis pela maioria das cores azul, roxa e todas as tonalidades de vermelho encontradas em flores, frutos, algumas folhas, caules e raízes de plantas (CAVALCANTI et al., 2011). Apresentam em sua estrutura o esqueleto fundamental do 2-fenilbenzopirílium ou cátion flavilium. A molécula da antocianina é formada por uma aglicona (antocianidina), complementada por uma ou mais unidades de açúcar e em muitos casos por grupos ácidos (Figura 2.4) (KYLE e DUTHIE, 2006). As ligações duplas conjugadas presentes nas antocianinas são responsáveis pela absorção de luz ao redor de 500 nm, causando a coloração característica destes pigmentos (REIN, 2005).
Dentre as 31 antocianidinas (agliconas) identificadas, mais de 90% das antocianinas encontradas na natureza são formadas a partir de apenas seis: pelargonidina, cianidina, delfinidina, peonidina, petunidina e malvidina (Tabela 2.1) (REIN, 2005).
A manutenção da cor e da estabilidade das antocianinas aplicadas em alimentos requerem o uso de baixo pH. Além da sensibilidade ao pH as antocianinas são susceptíveis a degradação pela luz, calor, presença de oxigênio, peróxido de hidrogênio, íons metálicos,
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enzimas e outras substâncias presentes nos alimentos como o ácido ascórbico (DELGADO-VARGAS e PAREDES-LÓPEZ, 2003).
Frutas do tipo berry como a groselha, framboesa, morango, mirtilo, açaí e juçara apresentam em comum o elevado conteúdo de compostos fenólicos, principalmente em antocianinas.
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Figura 2.3Classes dos compostos fenólicos. Adaptado de Shahidi e Naczk (2006)
Ácidos fenólicos Ácidos hidroxibenzóicos Ácidos hidroxicinâmicos Gálico Vanílico Siríngico Protocatecuico p-Coumárico Cafeico Sinápico Ferrúlico Flavonóides Estilbenos Cumarinas Taninos Flavonóis Quercetina Kaempferol Miricetina Flavonas Apigenina Luteolina Crisina Flavanol Catequina Epicatequina Epigalocatequina Flavononas Naringerina Hesperidina Taxifolina Antocianinas Isoflavonas Cianidina Perlagonidina Petunidina Malvinidina Delfinidina Peonidina Genisteína Daidzeína Daidzina
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Figura 2.4 Estrutura básica do cátion flavilium (GIUSTI e WROLSTAD, 2001).
Tabela 2.1 Grupos substituintes R1 e R2 do cátion flavilium que dá origem às principais antocianidinas encontradas na natureza
Antocianidina R1 R2 Cor
Pelargonidina H H Laranja ou salmão
Cianidina OH H Magenta ou vermelho
Delfinidina OH OH Magenta
Peonidina OCH3 H Roxo ou azul
Petunidina OCH3 OH Roxo
Malvinidina OCH3 OCH3 Roxo
Embora as antocianinas sejam susceptíveis a diversos fatores, elas representam uma atrativa fonte de pigmentos em substituição aos corantes sintéticos. A enocianina, por exemplo, é um corante alimentício extraído da casca da uva, regulamentado pelo Food
Drug Administration – FDA com uso permitido em bebidas (FDA, 2012). As antocianinas,
com código de referência E163, são permitidas para uso em alimentos pela União Européia com dosagem máxima de 200 mg/L (MELO et al., 2009). Contudo, a utilização destes pigmentos nas indústrias de alimentos e de cosméticos ainda é restrita devido à sua baixa estabilidade em meios aquosos e em pH acima de 2,0 (FALCÃO et al., 2003). Além disso, há ainda uma grande escassez desses compostos no mercado, devido principalmente à falta de fontes e técnicas de produção economicamente viáveis (MELO et al., 2009).
Existem poucas companhias que fornecem corantes naturais. O uso do bagaço da uva proveniente da produção de vinho ainda representa o melhor exemplo de fonte de
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da produção mundial de bagaço de uva (120.000 toneladas) para produzir antocianinas que são comercializadas como o corante natural E163. Por esta companhia são comercializados anualmente cerca de 1000 toneladas do corante E163 (MELO et al., 2009; GROUPE GRAP’SUD, 2012). Embora o uso dos sub-produtos de destilaria apresente como uma das vantagens a matéria-prima de baixo custo, também possuem a desvantagem de que a uva é uma fruta sazonal e irregular tanto em termos de quantidade quanto de qualidade (MELO et al., 2009). Existe, portanto um interesse crescente das indústrias agroalimentares no sentido de buscar novas fontes de antocianinas que sejam estáveis e economicamente viáveis.
2.3 MÉTODOS DE EXTRAÇÃO 2.1 Extração convencional
Os processos de extração são operações unitárias que envolvem transferência de massa e têm por objetivo separar determinados compostos de uma dada matriz, sólida ou líquida, através de processos químicos, físicos ou mecânicos. Existem três tipos básicos de processos de extração: extração sólido-líquido, extração líquido-líquido e extração gás-líquido (TZIA e LIADAKIS, 2003). O processo de extração sólido-gás-líquido pode ser definido como uma operação unitária de transferência de massa multicomponente, de várias fases e sob regime transiente. Neste, ocorre a retirada de um ou mais componentes contidos em uma fase sólida ou semi-sólida (soluto) usando um líquido como solvente, produzindo uma solução enriquecida no soluto (extrato) e uma fase sólida empobrecida (resíduo) (IBARZ e BARBOSA-CÁNOVAS, 2003; TZIA e LIADAKIS, 2003). A extração sólido-líquido (ou simplesmente extração) representa um importante processo de separação envolvido em diversos tipos de separações industriais.
Os processos convencionais de extração como a extração por maceração, Soxhlet e destilação, fundamentam-se na seleção do solvente associado ao uso do calor e/ou agitação. Estes processos apresentam como principais desvantagens altos tempos de residência, grandes quantidades de solventes requeridas e degradação térmica (WANG e WELLER, 2006). A polaridade do solvente empregado desempenha um importante papel
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no processo. Como as antocianinas são moléculas polares, os solventes mais utilizados durante a extração são: água, etanol, metanol, acetona e soluções aquosas dos respectivos solventes (CACACE e MAZZA, 2003; POMPEU et al., 2009). Em geral o processo é realizado em meio ácido, para prevenir a oxidação e aumentar a estabilidade dos pigmentos nos extratos.
2.2 Extração assistida por ultrassom
Várias tecnologias têm sido desenvolvidas para extração de fitoquímicos incluindo a extração assistida por ultrassom, extração assistida por microondas e a extração com fluido supercrítico (WANG e WELLER, 2006). Dentre estas, a extração assistida por ultrassom é uma técnica bastante atraente, devido a sua simplicidade e baixo requerimento instrumental (CORRALES et al., 2008).
O ultrassom é baseado em ondas mecânicas emitidas numa frequência acima do limiar da audição humana (> 16 kHz) (SORIA e VILLAMIEL, 2010). As ondas de ultrassom com frequências acima de 20 kHz são geradas por transdutores que convertem energia elétrica em mecânica. Essas ondas propagam-se no meio líquido, originando variações de pressão, que são responsáveis pelo fenômeno da cavitação, ou seja, a criação e subsequente colapso de microbolhas de gás ao longo do líquido. A alta frequência produz um efeito vibratório nas células vegetais, capaz de levá-las à ruptura e, com isso ocorre a liberação do seu conteúdo (VILKHU et al., 2008).
A extração assistida por ultrassom (EAU) é uma técnica que tem sido empregada com sucesso em processos de extração de compostos fenólicos, especialmente de antocianinas de cascas de uva (CARRERA et al., 2012), cascas de romã (PAN et al., 2011), framboesas (CHEN et al., 2007), cascas de jabuticaba (SANTOS et al., 2010), xarope de beterraba (CHEN et al., 2015), entre outras. Alguns autores relatam que o emprego desta tecnologia aplicada a extração de compostos fenólicos se destaca por ser uma alternativa frente aos processos convencionais (ADJÉ et al., 2010; CHEN et al., 2007; CORRALES et al., 2008; GHASSEMPOUR et al., 2008; SANTOS et al., 2010).
Os métodos convencionais de extração em sua maioria envolvem aquecimento, causando a perda de componetes bioativos devido à ionização, hidrólise e oxidação durante
