Adsorção e dessorção de antocianinas de jambolão (Syzygium cumini) em discos de laponita: modelos cinéticos, caracterização físico-química e propriedades funcionais do biohíbrido

Abstract

Corantes artificiais são muito utilizados na indústria de alimentos devido à sua alta estabilidade frente à temperatura, oxigênio e luz. Entretanto, alguns estudos relacionam seu uso ao desenvolvimento de alergias e doenças, como o transtorno de déficit de atenção e hiperatividade. Uma alternativa ao uso destes corantes é o uso de pigmentos naturais, porém sua estabilidade é o que atualmente impede seu uso extensivo em produtos alimentícios. Com o objetivo de tornar o uso de pigmentos naturais mais viável, este estudo tem como objetivo desenvolver e caracterizar biohíbridos (BH) à base de antocianinas (ACNs) do fruto do jambolão (Syzygium cumini) e uma nanoargila (laponita, Lap) visando aumentar a estabilidade deste pigmento natural. As ACNs do fruto do jambolão foram extraídas utilizando uma solução de água acidificada (100:1 v/v, H2O:HCl) com pH 1 a 35 °C sob agitação de 100 RPM com auxílio de um shaker por 80 min na ausência de luz. As ACNs foram recuperadas do extrato com o auxílio de Lap como adsorvente, com ensaios de adsorção entre 5 e 40 °C. Os resultados mostraram que não houve efeito significativo (p > 0,05) da temperatura no processo de adsorção das ACNs. Sendo assim, a temperatura de 20 °C foi escolhida como ideal para o processo por minimizar gastos energéticos com aquecimento ou resfriamento. Realizou-se testes de cinética de adsorção (0,57 g de Lap por mg de ACNs) e isoterma de adsorção (0,082 e 0,595 g de Lap por mg de ACNs) a 20 °C com 250 RPM de agitação na ausência de luz. Os modelos cinéticos de pseudo-primeira e pseudo-segunda ordem foram ajustados aos dados cinéticos experimentais, sendo o modelo de pseudo-primeira ordem o que se melhor ajustou. Além disso, o processo de adsorção foi completo rapidamente dentro de 5 minutos, recuperando 93,15 ± 2,55 % do pigmento. Ademais, quatro modelos isotermas de adsorção foram ajustados aos dados experimentais das isotermas: Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich e Temkin. Baseado no R², os modelos de Langmuir e Freundlich melhor representaram a adsorção de ACNs de jambolão em Lap, com o último possuindo um R² superior. Portanto, o processo foi classificado como adsorção física em sítios heterogêneos onde as ACNs foram estabilizados por meio de forças de van der Waals, forças π - π e ligações de hidrogênio na superfície da Lap. Após a adsorção, o pó de BH foi separado do extrato de ACNs por decantação e remoção do sobrenadante e seco a 35 °C por 48 h. Após seco, o BH apresentou estrutura amorfa, em contraste a estrutura cristalina de Lap, e cor vermelha, sugerindo a presença de ACNs em sua estrutura. Quando exposto a diferentes pHs na faixa de 1 a 13, o BH apresentou estabilidade colorífica até pH 7, com ACNs permanecendo na forma de cátion flavilium com coloração avermelhada. Entre pH 8 a 12, as ACNs sofreram alteração estrutural para base quinoidal, adquirindo coloração azulada e por fim adquirindo coloração amarelada quando exposto a pH 13 devido à outra alteração estrutural para chalcona. Os testes de dessorção mostraram que não há dessorção em água acidificada, sendo necessário o uso de etanol acidificado (70:30:1 v/v/v, etanol:H2O:HCl) para realizar a dessorção. Foi possível dessorver cerca de 47,88 ± 5,41 % do total de pigmento adsorvido. Além disso, o BH obtido apresentou propriedades antioxidantes, neutralizando 70 % dos radicais DPPH durante teste, e não apresentou mudanças em sua coloração quando exposto à luz visível durante 14 dias. O BH é um composto que poderia ser empregado tanto na indústria alimentícia quanto na indústria de cosméticos devido à sua estabilidade e capacidade antioxidante.

Artificial dyes are widely used in the food industry due to their high stability against temperature, oxygen and light. However, some studies relate its use to the development of allergies and diseases, such as attention deficit hyperactivity disorder. An alternative to the use of these dyes is the use of natural pigments, however their stability is what currently prevents their extensive use in food products. In order to make the use of natural pigments more viable, this study aims to develop and characterize biohybrids (BH) based on anthocyanins (ACNs) from the fruit of the jambolan (Syzygium cumini) and a nano clay (laponite, Lap) aiming to increase the stability of this natural pigment. The ACNs of the jambolan fruit were extracted using a solution of acidified water (100:1, H2O:HCl) with pH 1 at 35 °C under agitation of 100 RPM with the aid of a shaker. For 80 min The ACNs were recovered from the extract with the aid of Lap as an adsorbent, with adsorption tests between 5 and 40 °C. The results showed that there was no significant effect (p> 0.05) of the temperature on the ACN adsorption process. Thus, the temperature of 20 ° C was chosen as ideal for the process as it minimizes energy costs with heating or cooling. Adsorption kinetics tests (0.57 g Lap per mg ACNs) and adsorption isotherm (0.082 and 0.595 g Lap per mg ACNs) were performed at 20 °C with 250 RPM of agitation in the absence of light. The pseudo-first and pseudo-second order kinetic models were adjusted to experimental kinetic data, with the pseudo-first order model being the best fit. In addition, the adsorption process was completed quickly within 5 minutes recovering 93.15 ± 2.55 % of the pigment. Additionally, four isothermal adsorption models were adjusted to the experimental data of the isotherms: Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich and Temkin. Based on the R², the Langmuir and Freundlich models best represented the adsorption of jambolan ACNs in Lap, with the latter having a higher R². Therefore, the process was classified as physical adsorption in heterogeneous sites where ACNs were stabilized by means of van der Waals forces, π - π forces and hydrogen bonds on the Lap's surface. After adsorption, the BH powder was separated from the ACNs extract by decantation and removal of the supernatant and dried at 35 °C for 48 h. Lap adsorbed. After drying, the BH showed an amorphous structure, in contrast to the crystalline structure of Lap, and a red color, suggesting the presence of ACNs in its structure. When exposed to different pHs in the range from 1 to 13, BH showed color stability up to pH 7, with ACNs remaining in the form of a flavilium cation with a reddish color. Between pH 8 to 12, the ACNs underwent a structural change to a quinoid base, acquiring a bluish color and finally acquiring a yellow color when exposed to pH 13 due to another structural change to chalcone. Desorption tests showed that there is no dessorption in acidified water, requiring the use of acidified ethanol (70:30:1, v/v/v ethanol:H2O:HCl) to perform the desorption. It was possible to desorb about 47.88 ± 5.41% of the total pigment adsorbed. In addition, the BH obtained showed antioxidant properties, neutralizing 70 % of DPPH radicals during testing, and did not show changes in color when exposed to visible light for 14 days. The BH could be used in the food and cosmetic industry due to its high stability and antioxidant capacity.