Extração de compostos bioativos de sementes de Artocarpus heterophyllus: experimentação e modelagem matemática

Abstract

Artocarpus heterophyllus é uma planta originária da Índia, que se encontra distribuída em países tropicais como o Brasil. A jaca é a fruta desta planta, sua massa pode variar de 3,5 a 10 kg e suas sementes representam de 8 a 15 % de sua massa total. A maior parte desta fruta (80 a 85 %) não é aproveitada como alimento, tornando-se resíduo. Este estudo teve como objetivo determinar se sementes de jaca podem ser fonte de compostos com atividade biológica. Foram obtidos extratos aplicando técnicas de alta pressão (extração com CO2 supercrítico) e de baixa pressão (Soxhlet e maceração). A fim de determinar a composição dos extratos, inicialmente fez-se um planejamento experimental Plackett-Burmann, avaliando as condições operacionais (temperatura, pressão, vazão de CO2, tempo estático e relação mássica de cossolvente-etanol) para determinar as variáveis de maior influência na extração e o perfil químico relativo mediante análises de cromatografia gasosa acoplada a espectro de massa. A partir destes resultados, fez-se um planejamento experimental de delineamento de composto central com as variáveis de maior influência na extração (temperatura, pressão e vazão de CO2) para determinar as melhores condições de extração para o rendimento total, rendimento de triterpenos e esteróis. A atividade biológica foi analisada através de testes in vitro para quantificação de compostos fenólicos, atividade antioxidante (ABTS e DPPH), antimicrobiana, fotoprotetora, anti-inflamatória e citotoxicidade. Foram obtidas curvas dinâmicas de extração afim de realizar a modelagem matemática e simulação numérica do processo. A extração Soxhlet com etanol apresentou os melhores resultados para capacidade antioxidante (DPPH, ABTS e compostos fenólicos) e atividade fotoprotetora. Os melhores resultados para atividade antifúngica foram obtidos a partir da extração com CO2 supercrítico. Não foi identificada atividade antibacteriana nos extratos até 1000 µg mL-1. Não foi detectada citotoxicidade com o aumento da concentração de 50 para 100 µg mL-1 de extrato para extrações Soxhlet e maceração com etanol. O ensaio de atividade anti-inflamatória evidenciou que a maioria dos extratos foram capazes de inibir a ação inflamatória induzida nas células RAW 264.7 na concentração de 30 µg mL-1. O perfil químico relativo indicou que os compostos com maior proporção no extrato foram 13,27-cicloursan-3-one, 9,19cicloergost-24(28)-en-3-ol,4,14-dimetil-,acetato,(3ß, 4a, 5a) e lanosterol. As melhores condições de extração com CO2 supercrítico para esteróis e triterpenos foram 38 °C/22 MPa e 52 °C/10 MPa, respectivamente. A modelagem matemática permitiu determinar os coeficientes de difusão, resistências interna e externa, identificar os fenômenos dominantes durante a extração e a influência do diâmetro de partícula no processo. O modelo matemático fenomenológico apresentou um bom ajuste aos dados experimentais. Os resultados obtidos justificam a pesquisa das propriedades da semente de jaca para obtenção de produtos naturais para as indústrias farmacêutica, alimentícia e cosmética.

Abstract: Artocarpus heterophyllus is a plant originally from India, which is distributed in tropical countries such as Brazil. The jackfruit is the fruit of this plant, its weight can vary from 3.5 to 10 kg and its seeds represent 8 to 15% of total mass. Most of this fruit (80 to 85%) is not used as food, becoming waste. This study aimed to determine whether jackfruit seeds can be a source of compounds with biological activity. Extracts were obtained using high pressure (extraction with supercritical CO2) and low pressure techniques (Soxhlet and maceration). In order to determine the composition of the extracts, a Plackett-Burmann experimental planning was initially carried out, evaluating the operational conditions (temperature, pressure, CO2 flow rate, static time and mass ratio of cossolvent-ethanol) determining the variables with the greatest influence in extraction process; then the relative chemical profile was determined by means of gas chromatography analysis coupled to mass spectrum (GC-MS). From these results, a central composite design (CCD) was applied using the variables with the greatest influence on extraction (temperature, pressure and CO2 flow rate) in order to determine the best extraction conditions for total yield, triterpenes and sterols yield. The biological activity was analyzed using in vitro tests to quantify: phenolic compounds, antioxidant activity (ABTS and DPPH), antimicrobial, photoprotective, anti-inflammatory and cytotoxicity. Dynamic extraction curves were obtained for the mathematical modeling and numerical simulation of the process was performed. The Soxhlet extraction with ethanol showed the best results for antioxidant capacity (DPPH, ABTS and phenolic compounds) and photoprotective activity. The best results for antifungal activity were obtained for extracts from supercritical CO2. No antibacterial activity was identified for extracts up to 1000 µg mL-1. Cytotoxicity was not detected, even when increasing the extract concentration from 50 to 100 µg mL-1, for Soxhlet and maceration extracts using ethanol. The anti-inflammatory activity test showed that most extracts were able to inhibit the inflammatory action induced in RAW 264.7 cells at a concentration of 30 µg mL-1. The relative chemical profile indicated that the compounds with the highest proportion in the extract were 13,27-cycloursan-3-one, 9,19cycloergost-24(28)-en-3-ol,4,14-dimethyl-, acetate, (3ß , 4a, 5a) and lanosterol. The best extraction conditions with supercritical CO2 for sterols and triterpenes were 38 °C/22 MPa and 52 °C/10 MPa, respectively. The mathematical modeling allowed determining the diffusion coefficients, internal and external resistances, identifying the dominant phenomena during the extraction and the influence of the particle diameter in the process. The phenomenological mathematical model presented a good fit to the experimental data. The results obtained justify further research of the jackfruit seed properties as a source of natural compounds for the pharmaceutical, food and cosmetic industries.