Extração sustentável de compostos fenólicos de subproduto de araçá-roxo e sementes de maracujá-laranja usando solventes eutéticos naturais profundos e ultrassom

Abstract

Os subprodutos de frutas nativas são fontes valiosas de compostos bioativos, como os fenólicos, reconhecidos por suas propriedades antioxidantes, antimicrobianas e anti-inflamatórias. No entanto, esses subprodutos são frequentemente descartados ou subutilizados, representando uma perda de recursos com potencial aplicação nas indústrias farmacêutica, cosmética e alimentícia. Diante da necessidade de processos mais sustentáveis, os solventes eutéticos profundos naturais (NADES) surgem como alternativa verde para a extração eficiente desses compostos, substituindo solventes convencionais. Este estudo avaliou a aplicação de NADES a base de cloreto de colina, como receptor de ligações de hidrogênio (HBA) na extração de compostos fenólicos de subprodutos do processamento de araçá-roxo (Psidium myrtoides) e sementes de maracujá-laranja (Passiflora caerulea L.). O estudo foi conduzido em três etapas. A primeira consistiu em uma análise bibliométrica (base de dados Web of Science) para mapear a evolução da produção científica da aplicação de NADES na extração de compostos bioativos de frutas e seus resíduos. Este levantamento utilizou a combinação de termos: \"Natural deep eutectic solvent*\" OR nades AND fruit* AND \"phenolic compound*\" OR \"bioactive compound*\" AND Waste AND pomace AND \"by-product*\" AND agrowaste. E a avaliação foi realizada nos softwares VosViewer e Bibliometrix (Pacote R). Foram identificadas 927 publicações, com liderança da China (834 documentos) e forte colaboração internacional (n= 72 colaborações), com 483 registros de colaborações. O Brasil encontra-se entre os vinte países que publicam nesta área. As principais áreas de pesquisa identificadas foram Química (n=226), Ciência e Tecnologia de Alimentos (n=170). A crescente aplicação de NADES destaca sua viabilidade para usos industriais sustentáveis. Na segunda etapa, foi realizada a extração de compostos fenólicos do subproduto de araçá-roxo utilizando NADES assistido por ultrassom. A seleção do NADES envolveu a seleção do melhor doador de ligação de hidrogênio (HBD), seguido pela otimização dos parâmetros de extração por um delineamento Box-Behnken (33). O NADES ChCl:Gly (1:2) com 20% de água demonstrou eficiência 2,6 vezes superior à da solução hidroalcoólica 60%. O NADES O NADES (ChCl:Gly), foi caracterizado (pH, viscosidade, densidade, FT-IR, DSC e RMN H1) e apresentou propriedades físico-químicas favoráveis ao processo extrativo. Na condição otimizada (temperatura 61 ?, relação sólido-líquido 100 mg 5 mL-1 e tempo de extração 60 min., o perfil fenólico por LC-ESI-MS/MS do extrato permitiu a identificação de 26 compostos fenólicos, no extrato obtido com ChCl:Gly, com destaque para catequina (336,48 mg g?¹) e isoquercetina (26,09 mg g?¹). Ácidos fenólicos, como ácido p-anísico (5,47 mg g-1) e ácido metoxifenilacético (0,23 mg g-1), foram identificados pela primeira vez no subproduto de araçá-roxo. O extrato ChCl:Gly apresentou alta atividade antioxidante e ação contra enzimas moduladoras de carboidratos (a- amilase e da a-glucosidase), reforçando seu potencial para aplicações funcionais e farmacêuticas. A terceira etapa envolveu a extração e avaliação da bioatividade de compostos fenólicos das sementes de Passiflora caerulea L. A seleção do HBD foi realizada por meio de planejamento de fator único (três ácidos: cítrico, tartárico e lático; dois açúcares: glicose, frutose e dois álcoois: glicerol e sorbitol), seguida da avaliação do NADES (composição HBA:HBD:água) por delineamento de mistura (simplex lattice), planejmento fatorial (24-1) para triagem das variáveis significativas (temperatura, tempo de extração, volume do solvente e amplitude do ultrassom), por último otimização da extração dos polifenóis por planejmento Box-Behnken (33). O NADES ChCl:Fruc:H2O (0,6:0,1:0,3 g) selecionado foi caracterizado (pH, densidade, viscosidade e FT-IR). Para extrações nas condições otimizadas de extração, foi fixado volume de solvente 6,5 mL com 100mg de amostra. Por meio da função desejabilidade obte-se (80 °C, 50% de amplitude no ultrassom e 99 minutos) foram realizadas perfil fenólico (LC-ESI-MS/MS), índice de bioacessibilidade (%IB), atividade antimicrobiana (Espectro de Ação por Difusão em Disco em Ágar e pela determinação da Concentração Inibitória Mínima - CIM) e morfologia da superfície das amostras antes e após a extração com e NADES (ChCl:Fruc:H2O) e EtOH/H2O 60% por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O extrato NADES (ChCl:Fruc:H2O) permitiu a extração de 26 compostos fenólicos, enquanto a solução hidroalcoólica 60% resultou apenas em 13 compostos. A bioacessibilidade dos compostos extraídos foi superior nos extratos obtidos com NADES (ChCl:Fruc:H2O), com destaque para o ácido gálico e o ácido ferúlico, este último identificado exclusivamente no extrato NADES. Além disso, ambos extratos (NADES e EtOH/H2O 60%) demonstraram atividade antimicrobiana contra Salmonella Heidelberg, Staphylococcus aureus e Bacillus cereus, evidenciando seu potencial para aplicações em conservantes naturais. A análise estrutural dos resíduos pós-extração por MEV confirmou a eficiência dos NADES na modificação da matriz vegetal, o que confirma a maior liberação dos compostos fenólicos. Os resultados desta pesquisa demonstram que os NADES são uma alternativa promissora para a extração sustentável de compostos bioativos de frutas e de seus resíduos com aumento crescente nas publicações cientificas e em diferentes áreas. Os NADES estudados a base de ChCl como HBA foram promissores na extração de polifenóis de subproduto do araçá-roxo e semente de maracujá-laranja, resultando em extratos com perfil fenólico diversificado e com potenciais atividades bioativas (antioxidante, potencial antiglicemiante e antimicrobiana). A ação extratatora mais eficiente do NADES (ChCl:Fruc:H2O) sob a matriz (sementes de maracujá-laranja) foi corroborada pelas imagens MEV. Esses achados reforçam a importância da otimização de métodos extrativos e tecnologias verdes como ultrassom para valorização de subprodutos agroindustriais e desenvolvimento de ingredientes naturais para aplicações funcionais e industriais.

Abstract: Native fruit by-products are valuable sources of bioactive compounds, particularly phenolics, known for their antioxidant, antimicrobial, and anti-inflammatory properties. However, these by-products are often discarded or underutilized, resulting in the loss of valuable resources with potential applications in the pharmaceutical, cosmetic, and food industries. In light of the need for more sustainable processes, natural deep eutectic solvents (NADES) have emerged as a green alternative for the efficient extraction of these compounds, replacing conventional organic solvents. This study evaluated the use of choline chloride-based NADES, acting as a hydrogen bond acceptor (HBA), for the extraction of phenolic compounds from by-products of araçá-roxo (Psidium myrtoides) and passionfruit-orange (Passiflora caerulea L.) seeds. The study comprised three stages. The first involved a bibliometric analysis (Web of Science database) to map the evolution of scientific publications regarding NADES application in the extraction of bioactive compounds from fruits and their residues. The search strategy included the following terms: ?Natural deep eutectic solvent*? OR ?NADES? AND ?fruit*? AND ?phenolic compound*? OR ?bioactive compound*? AND ?waste? AND ?pomace? AND ?by-product*? AND ?agrowaste.? The analyses were conducted using VOSviewer and Bibliometrix (R package). A total of 927 publications were retrieved, with China leading (834 documents) and showing strong international collaboration (n = 72), resulting in 483 co-authorship records. Brazil ranked among the top 20 publishing countries. The most prominent research areas were Chemistry (n = 226) and Food Science and Technology (n = 170). The growing use of NADES underscores its viability for sustainable industrial applications. In the second stage, phenolic compounds were extracted from araçá-roxo by-products using ultrasound-assisted extraction with NADES. The selection of NADES involved identifying the best hydrogen bond donor (HBD), followed by optimization of extraction parameters using a Box-Behnken design (3³). The ChCl: Gly (1:2) NADES with 20% water demonstrated 2.6 times greater extraction efficiency compared to a 60% hydroalcoholic solution. The selected NADES were characterized (pH, viscosity, density, FT-IR, DSC, and ¹H NMR), revealing physicochemical properties favorable for the extraction process. Under optimized conditions (temperature 61?°C, solid?liquid ratio 100?mg/5?mL, extraction time 60?min), LC-ESI-MS/MS analysis identified 26 phenolic compounds in the extract obtained with ChCl: Gly. Catechin (336.48?mg?g¹) and isoquercetin (26.09?mg?g¹) were the predominant compounds. Phenolic acids such as p-anisic acid (5.47?mg?g¹) and methoxyphenylacetic acid (0.23?mg?g¹) were identified for the first time in araçá-roxo by-products. The ChCl: Gly extract exhibited high antioxidant capacity and inhibitory activity against carbohydrate-hydrolyzing enzymes (a-amylase and a-glucosidase), reinforcing its potential for functional and pharmaceutical applications. The third stage focused on extracting and evaluating the bioactivity of phenolic compounds from Passiflora caerulea L. seeds. The HBDs were screened using a single-factor design (three acids: citric, tartaric, and lactic; two sugars: glucose and fructose; two alcohols: glycerol and sorbitol), followed by NADES optimization through a simplex lattice mixture design, a fractional factorial design (24?¹) to identify significant variables (temperature, extraction time, solvent volume, and ultrasound amplitude), and final optimization via Box-Behnken design (3³). The selected NADES?ChCl:Fruc: H2O (0.6:0.1:0.3, g/g/g) was characterized (pH, density, viscosity, and FT-IR). Under optimized conditions (6.5?mL solvent for 100?mg of sample), phenolic profiling (LC-ESI-MS/MS), bioaccessibility index (%BI), antimicrobial activity (spectrum by agar disk diffusion and minimum inhibitory concentration?MIC), and surface morphology (SEM) were evaluated for extracts obtained with NADES and 60% ethanol-water. The ChCl:Fruc: H2O extract enabled the identification of 26 phenolic compounds, compared to 13 in the hydroalcoholic extract. Bioaccessibility was higher in NADES extracts, particularly for gallic acid and ferulic acid, the latter of which was detected exclusively in the NADES extract. Both extracts exhibited antimicrobial activity against Salmonella Heidelberg, Staphylococcus aureus, and Bacillus cereus, suggesting potential use as natural preservatives. SEM analysis of residues confirmed the superior matrix-disrupting capacity of NADES, promoting higher phenolic release. These findings highlight NADES as a promising and sustainable alternative for extracting bioactive compounds from fruit by-products. ChCl-based NADES proved effective in obtaining polyphenol-rich extracts from araçá-roxo and passionfruit seeds, offering diverse phenolic profiles and bioactivities (antioxidant, antiglycemic, and antimicrobial). The superior matrix disruption achieved by ChCl:Fruc: H2O NADES was corroborated by SEM imaging. Overall, this research emphasizes the relevance of optimizing green extraction methods, such as ultrasound-assisted NADES extraction, to valorize agro-industrial residues and support the development of natural functional ingredients for food and pharmaceutical applications.