Selection and application of eutectic solvents for the valorization of jaboticaba processing by-product using high-pressure fluid technologies

Abstract

Compostos bioativos obtidos de plantas têm sido intensivamente estudados devido aos seus benefícios à saúde e potencial de aplicação em formulações alimentícias e farmacêuticas. A casca da jabuticaba (família Myrtaceae), parte do subproduto do processamento do fruto, contém fibras, pectina, vitaminas e compostos fenólicos, especialmente antocianinas. A obtenção desses compostos pode ser efetuada por meio dos solventes eutéticos profundos (do inglês, DES), os quais apresentam baixa toxicidade e alta capacidade de solubilização. Nesse sentido, os objetivos deste estudo foram preparar, selecionar e aplicar DES visando a valorização do subproduto do processamento de jabuticaba por meio de processos ?verdes?. Primeiramente seis diferentes DES foram preparados e caracterizados. Baseado em análises in sílico e em dados experimentais, a solução de DES composta por cloreto de colina e propileno glicol, ChCl:Pro [1:1 (DES:água, m/m)] apresentou-se como o DES mais promissor para extração de antocianina, enquanto o DES formado por ácido cítrico, glucose e água, Ca:Glu:Wa [1:9 (DES:água, m/m)], foi o mais efetivo para extração de pectina. Na sequência, as soluções aquosas de DES foram associadas a tecnologias a alta pressão, buscando o emprego de métodos genuinamente verdes de extração. A fração rica em antocianina foi obtida por extração com líquido pressurizado (do inglês PLE) em condições otimizadas de 47% de DES, 90 °C e vazão de solvente de 5,3 mL/min. O efeito do solvente na termoestabilidade e bioatividade das antocianinas foi avaliado comparando dois DES (ChCl:Pro e ChCl:Ma - cloreto de colina e ácido málico) com solventes convencionais (água e água acidificada). O rendimento em antocianinas foi cerca de 50% maior com DES comparado com os solventes convencionais. Todos os extratos obtidos apresentaram potencial antidiabético e antiobesidade, entretanto, o extrato obtido com ChCl:Ma resultou em maior bioatividade e estabilidade da antocianina (E_a = 77.5 kJ mol-1), indicando potencial de aplicação como corante natural com benefícios à saúde. A fração rica em pectina foi obtida por extração com água subcrítica (do inglês, SWE) modificada por DES (Ca:Glu:Wa) em condições otimizadas (122 °C, 8% de DES e vazão de 2 mL/min). O uso de DES como modificador da SWE foi comparado com ácido cítrico nas mesmas condições de temperatura e vazão de solvente. O método a baixa pressão, a extração com aquecimento e agitação (do inglês, HSE), foi empregado como controle. SWE foi mais eficiente para recuperar pectina, com rendimentos de 1,5 a 1,8 vezes maiores que HSE. Em geral, as pectinas obtidas do subproduto industrial de jaboticaba são de alto grau de metoxilação e apresentam capacidade de absorver óleo e água, podendo ser usadas como estabilizantes e emulsificantes. Comparado aos solventes e métodos controles, as pectinas obtidas por SWE-DES apresentaram maior concentração de GalA e a melhor atividade antioxidante. Portanto, a pectina obtida pelo método proposto apresenta alto potencial de aplicação devido a sua bioatividade e funcionalidades. O uso dos DES selecionados a alta pressão apresentaram alta efetividade na obtenção sequencial de frações ricas em antocianina e pectina. A partir de uma medida semiquantitativa, Certificado Verde, foi concluído que a extração sequencial utilizando soluções aquosas de DES pressurizado é uma abordagem genuinamente verde para a valorização de diferentes matrizes vegetais. Ademais, a seleção de DES combinando resultados in silico e experimentais para fracionar sistemas complexos é uma novidade com grande potencial de aplicação em matrizes vegetais complexas que ainda merece ser explorada.

Abstract: Bioactive compounds obtained by plants have been intensively studied because of their biological properties that provide health benefits with potential applications in food and pharmaceutical formulations. The jaboticaba (family Myrtaceae) peel, a processing by-product, contains fibers, pectin, vitamin, and phenolic compounds, mainly anthocyanins. The recovery of these compounds can be performed by deep eutectic solvents (DES), which present high solubilization ability and low toxicity. In this sense, the main proposals of this thesis are to prepare, select and apply DES to value the jaboticaba peel employing green process. Initially, the DES were prepared and characterized. Besed on in silico and experimental analysis, a route for sequential extraction of an anthocyanin and a pectin-rich fractions was proposed using aqueous solution of DES. DES solution composed of chorine chloride and propylene glycol, ChCl:Pro [1:1 (DES:water, w/w)] was the most promising solvent for anthocyanin extraction, while the DES composed of citric acid, glucose, and water, Ca:Glu:Wa [1:9 (DES:water, w/w)], was the more effective for pectin recovery. Then, DES aqueous solutions were associated with high-pressure technologies, seeking to employ genuinely green extraction methods. The anthocyanin-rich extracts were obtained by pressurized liquid extraction (PLE), at optimized conditions of 47% of DES solution, 90 °C and flow ratio of 5.3 mL/min. The effect of solvent type on thermostability and biological properties of anthocyanin was evaluated comparing two DES (ChCl:Pro e ChCl:Ma ? chorine chloride: malic acid) and conventional solvents (water and acidified water). The anthocyanin yields were about 50% higher with DES than conventional solvents. All anthocyanin fractions presented anti-diabetic and anti-obesity potential, however, the use of ChCl:Ma resulted in the highest bioactivity and anthocyanin stability (E_a = 77.5 kJ mol-1), indicating their potential application as natural colorant with health benefits. The pectin rich fraction was recovered by subcritical water extraction (SWE) modified with DES (Ca:Glu:Wa) at optimized conditions (122 °C, 8% of NADES and 2 mL/min). The use of DES as SWE modifier was compared with the use of citric acid in the same conditions of temperature and flow rate. Besides, a low-pressure extraction method, heat-stirred extraction (HSE), was employed as a control method. SWE was more efficient to pectin recovery, with 1.5 to 1.8-fold higher yields than HSE. In general, the pectins obtained from jaboticaba pomace are high methoxylated and present oil and water holding capacity, presenting application potential as a stabilizer or emulsifier. Compared to the control solvents and methods, the pectin obtained by SWE-DES presenting higher GalA content and the best antioxidant capacity. Therefore, the pectin obtained by the proposal method showed high application potential due to their bioactivity and functionality. The use of selected aqueous solution of DES at high pressure presented high effectivity on sequential recovery of anthocyanin and pectin-rich fractions. Through a semi-quantitative tool, Green Certificate, it was concluded that the pressurized aqueous solution of DES is an effectively green approach for the valorization of different vegetal matrices. Besides, DES selection combining in silico/experimental results, to fractionate complex systems is still a novelty with high application potential in complexes vegetable matrices that must be explored.