Aqueous extraction as an innovative approach to recover macauba pulp oil and the characterization of its by-products in a circular economy concept

Abstract

A demanda global por biocombustíveis tem aumentado nos últimos anos, criando desafios ambientais e econômicos. Nesse contexto, a macaúba surge como uma alternativa sustentável ao óleo de palma, oferecendo altos rendimentos de óleo e subprodutos valiosos. Métodos convencionais de extração, como prensagem e solventes, são ineficientes e prejudiciais ao meio ambiente, destacando a necessidade de alternativas mais sustentáveis. A extração aquosa, com (AEE) ou sem auxílio de enzimas (AEP), representa uma abordagem mais sustentável para obtenção de óleos e compostos bioativos, e ao mesmo tempo reduzindo os impactos ambientais. Este estudo visa desenvolver um processo sustentável de extração aquosa para o óleo de polpa de macaúba, compará-lo com métodos convencionais, otimizar os parâmetros do processo e escaloná-lo. Inicialmente foram testados cinco pools enzimáticos em escala laboratorial, com as pectinases (Olimax 101) e a celulase (Cellic® CTec3 HS) demonstrando eficiências de 88,6% e 72,2%, respectivamente. Os óleos extraídos apresentaram baixa acidez, altos níveis de ácidos graxos insaturados, como ácido oleico e linoleico, e compostos bioativos, como carotenoides, indicando alta qualidade. Os parâmetros do processo AEP/AEE foram otimizados, incluindo concentração enzimática (0,5% m/m), agitação (350 rpm), temperatura (50 °C) e tempo de extração (2 horas). Esses parâmetros foram aplicados na extração em escala piloto, alcançando uma eficiência de extração do óleo da polpa de 73%, consistente com os resultados de escala laboratorial. Posteriormente, foram realizados testes em escala industrial como uma nova abordagem para recuperar o óleo de polpa de macaúba. Os testes industriais mostraram eficiências de processo excepcionais de 72,1% (AEP) e 91,3% (AEE), superando as eficiências dos métodos convencionais. Finalmente, os subprodutos das extrações em escala piloto e industrial foram caracterizados e comparados. A fração sólida apresentou alto teor de fibra com excelentes propriedades funcionais e capacidades significativas de retenção de água e óleo. A fração líquida revelou-se uma rica fonte de compostos fenólicos com atividade antioxidante e oligossacarídeos. Em conclusão, a extração aquosa do óleo de polpa de macaúba demonstrou ser eficaz e sustentável, com os testes industriais confirmando sua viabilidade em larga escala. A valorização dos subprodutos da AEP/AEE destaca a versatilidade da macaúba, promovendo uma economia circular e práticas de biorrefinaria ao transformar resíduos em recursos valiosos e incentivar o uso sustentável dos recursos naturais. Este estudo contribui para a sustentabilidade na extração de óleo de macaúba e na utilização de seus subprodutos.

Abstract: Global demand for biofuels has increased, causing environmental and economic challenges. In this context, macauba emerges as a sustainable palm oil alternative, offering high oil yields and valuable by-products. Conventional extraction methods like pressing and solvents are inefficient and environmentally harmful, highlighting the need for sustainable alternatives. Aqueous extraction, with (AEE) or without enzyme assistance (AEP), offers a more sustainable approach for extracting oils and bioactive compounds, reducing environmental impacts. In this scenario, the main proposals of this study are to develop a sustainable aqueous extraction process for macauba pulp oil, compare it to conventional methods, optimize process parameters, and scale-up AEP/AEE. Five enzyme pools were tested on a lab scale, with pectinases (Olimax 101) and cellulase (Cellic® CTec3) showing efficiencies of 88.6% and 72.2%, respectively. The extracted oils presented low acidity, high levels of unsaturated fatty acids like oleic and linoleic, and bioactive compounds like carotenoids, indicating good quality. Then, AEP/AEE process parameters, including enzyme concentration (0.5% w/w), agitation (350 rpm), temperature (50 °C), and extraction time (2 hours), were optimized. The most promising enzymes and process parameters were applied in pilot-scale extraction, achieving an oil efficiency of 73% and oil quality consistent with results from lab-scale trials. Subsequently, the initial industrial-scale experiments were conducted as a novel industrial approach to recovering macauba pulp oil. The industrial trials showed outstanding process efficiencies of 72.10% (AEP) and 91.33% (AEE), surpassing the process efficiencies of conventional methods. Finally, the byproducts from both pilot and industrial-scale extractions were characterized and compared. The solid fraction exhibited high fiber content with excellent functional properties and significant water and oil retention capacities. The liquid fraction proved to be a rich source of phenolic compounds with antioxidant activity and oligosaccharides. In conclusion, aqueous extraction of macauba pulp oil proved effective and sustainable, with industrial tests confirming its large-scale viability. The valorization of by-products underscores macauba versatility, promoting a circular economy and biorefinery practices by converting waste into valuable resources and encouraging sustainable use of natural resources. This study enhances sustainability in macauba oil extraction and the utilization of its by-products.