Desenvolvimento de processos químicos sustentáveis para extração de carotenoides de Bactris gasipaes: aplicações tecnológicas e nutricionais
Data
2021
Autores
Mesquita, Leonardo Mendes de Souza 
Orientadores
De Rosso, Veridiana Vera
Tipo
Tese de doutorado
Título da Revista
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Resumo
Carotenoids are natural pigments present in vegetables, animals and algae. Due to their hydrophobicity, carotenoids are usually extracted and synthesized by volatile organic solvents (COSs), restricting their potential applications, since they have low extraction selectivity, and an inherent toxicological potential (even in a low residual level in the final extract). In the food industry, these pigments have a big important sensory role, attributing an orange-redish color to the products, and important health benefits, since they act in important anti-inflammatory and antioxidant biochemical pathways. Commercially, synthetic carotenoids are more used than natural ones. However, the current market trend predicts that synthetic dyes will be sooner replaced by natural ones. Thus, alternative strategies, mainly based on the sustainability and green chemistry principles are excellent ways to mitigating the toxicity of the extracts and to create new integrated benign extraction platforms. Therefore, non-volatile solvents, such as ionic liquids (ILs), can be considered a promising alternative for replacing (or decreasing) the use of non-benign solvents. ILs are molten salts formed by large cations and organic or inorganic anions that vary in their dimensions. ILs have high thermal and chemical stability, negligible volatility in most cases and are known to be high performance solvents, capable of improving the extraction yield of natural compounds when compared to VOS-mediated processes. As a model, Bactris gasipaes fruits (peach palm) were used. This biomass are from Amazonian region, rich in carotenoids, namely all-isomers of carotene and lycopene, little explored commercially, being wasted in many cultivation systems, since the main commercial target of the species is the palm heart, a food delicacy of high economic value, which represents a predatory farming system. In this work, based on the principles of green chemistry and the concepts of biorefinery and circular economy, the valorization of the peach palm fruit was carried out. In particular, two IL-mediated carotenoid extraction platforms were developed, with low environmental impact (assessed by low carbon footprint and E-factor metrics), with solvent and raw material recycling, with optimized extraction operational conditions, which provided carotenoid extracts with high antioxidant activity, high thermal stability, and high yield compared to VOSmediated processes. In addition, the extracts were evaluated for their bioaccessibility and cellular uptake, using in vitro digestion assays of Caco-2 cells. Bioproducts enriched with carotenoids were developed, namely a vegan mayonnaise sauce, and a biodegradable packaging film. Finally, the extracts (obtained by ILs and VOS) were compared in terms of their biological activity, by an in vivo experimental assay, using Wistar rats, submitted to a high-fat diet for 7 days. Pro- and antiinflammatory cytokines, as well as oxidative stress markers were analyzed, with extracts obtained by ILs capable of raising the levels of anti-inflammatory and antioxidant markers, contrasting with the results found for extracts mediated by VOS.
Os carotenoides são pigmentos naturais presentes em vegetais, animais e algas. Devido sua hidrofobicidade, são usualmente extraídos e sintetizados por solventes orgânicos convencionais voláteis (VOS), restringindo potenciais aplicações, visto que possuem baixa seletividade de extração, além de toxicidade inerente mesmo com baixo nível residual no extrato. No ramo alimentar, estes pigmentos desempenham um importante papel sensorial, atribuindo coloração alaranjado-avermelhado aos produtos, além de benefícios à saúde, por atuarem em importantes vias anti-inflamatórias e antioxidantes. Comercialmente, os carotenoides sintéticos são os mais demandados. Entretanto, a atual tendência de mercado prevê que corantes sintéticos sejam substituídos pelos naturais. Por isso, estratégias alternativas, embasadas nos princípios de sustentabilidade e de química verde são uma excelente estratégia para minimizar a toxicidade dos extratos e para construção de novas plataformas integradas de extração, que sejam mais benignas ao ambiente e ao consumidor. Sendo assim, solventes não voláteis, como líquidos iônicos (IL), podem ser considerados uma alternativa promissora para a substituição (ou diminuição) do uso de VOS. Os IL são sais fundidos formados por cátions de grandes dimensões e ânions orgânicos ou inorgânicos que variam em suas dimensões. Estes apresentam elevada estabilidade térmica e química, volatilidade desprezável na maioria dos casos, e são conhecidos por serem solventes de alta performance, capazes de melhorar o rendimento de extração de metabólitos naturais quando comparado aos processos mediados por VOS. Como modelo de estudo, frutos da palmeira Bactris gasipaes (pupunha) foram utilizados. Esta biomassa possui origem amazônica, rica em carotenoides, nomeadamente isômeros de caroteno e licopeno, pouco explorada comercialmente, sendo rejeitada em muitos sistemas de cultivo, pois o principal alvo comercial desta espécie é o palmito, iguaria alimentar de alto valor econômico agregado, mas que representa um cultivo predatório ao ecossistema. Neste trabalho, pautado nos princípios da química verde e nos conceitos de biorrefinaria e economia circular, a valorização do fruto da pupunha foi realizada. Nomeadamente, foram desenvolvidas duas plataformas de extração de carotenoides mediadas por IL, de baixo impacto ambiental (avaliadas por métricas de pegada de carbono e fator-E), com reciclagem de solventes e matérias-primas, além da otimização das condições operacionais de extração, que proporcionaram extratos de carotenoides com elevada atividade antioxidante, estabilidade térmica, e alto rendimento comparado aos processos mediados por VOS. Além disso, os extratos foram avaliados quanto a sua bioacessibilidade e uptake celular, utilizando ensaios de digestão in vitro e células Caco-2. Bioprodutos enriquecidos de carotenoides foram desenvolvidos, nomeadamente um molho do tipo maionese vegano, e uma embalagem biodegradável. E, por fim, os extratos (obtidos por IL e VOS) foram comparados quanto a sua atividade biológica, por meio de ensaio experimental in vivo, utilizando ratos da linhagem Wistar, submetidos à dieta hiperlipídica por 7 dias. Citocinas pró- e anti-inflamatórias, bem como marcadores de estresse oxidativo foram analisados, sendo os extratos obtidos por IL capazes de elevar os níveis dos marcadores anti-inflamatórios e antioxidantes, contrapondo aos resultados encontrados para os extratos mediados por VOS.
Os carotenoides são pigmentos naturais presentes em vegetais, animais e algas. Devido sua hidrofobicidade, são usualmente extraídos e sintetizados por solventes orgânicos convencionais voláteis (VOS), restringindo potenciais aplicações, visto que possuem baixa seletividade de extração, além de toxicidade inerente mesmo com baixo nível residual no extrato. No ramo alimentar, estes pigmentos desempenham um importante papel sensorial, atribuindo coloração alaranjado-avermelhado aos produtos, além de benefícios à saúde, por atuarem em importantes vias anti-inflamatórias e antioxidantes. Comercialmente, os carotenoides sintéticos são os mais demandados. Entretanto, a atual tendência de mercado prevê que corantes sintéticos sejam substituídos pelos naturais. Por isso, estratégias alternativas, embasadas nos princípios de sustentabilidade e de química verde são uma excelente estratégia para minimizar a toxicidade dos extratos e para construção de novas plataformas integradas de extração, que sejam mais benignas ao ambiente e ao consumidor. Sendo assim, solventes não voláteis, como líquidos iônicos (IL), podem ser considerados uma alternativa promissora para a substituição (ou diminuição) do uso de VOS. Os IL são sais fundidos formados por cátions de grandes dimensões e ânions orgânicos ou inorgânicos que variam em suas dimensões. Estes apresentam elevada estabilidade térmica e química, volatilidade desprezável na maioria dos casos, e são conhecidos por serem solventes de alta performance, capazes de melhorar o rendimento de extração de metabólitos naturais quando comparado aos processos mediados por VOS. Como modelo de estudo, frutos da palmeira Bactris gasipaes (pupunha) foram utilizados. Esta biomassa possui origem amazônica, rica em carotenoides, nomeadamente isômeros de caroteno e licopeno, pouco explorada comercialmente, sendo rejeitada em muitos sistemas de cultivo, pois o principal alvo comercial desta espécie é o palmito, iguaria alimentar de alto valor econômico agregado, mas que representa um cultivo predatório ao ecossistema. Neste trabalho, pautado nos princípios da química verde e nos conceitos de biorrefinaria e economia circular, a valorização do fruto da pupunha foi realizada. Nomeadamente, foram desenvolvidas duas plataformas de extração de carotenoides mediadas por IL, de baixo impacto ambiental (avaliadas por métricas de pegada de carbono e fator-E), com reciclagem de solventes e matérias-primas, além da otimização das condições operacionais de extração, que proporcionaram extratos de carotenoides com elevada atividade antioxidante, estabilidade térmica, e alto rendimento comparado aos processos mediados por VOS. Além disso, os extratos foram avaliados quanto a sua bioacessibilidade e uptake celular, utilizando ensaios de digestão in vitro e células Caco-2. Bioprodutos enriquecidos de carotenoides foram desenvolvidos, nomeadamente um molho do tipo maionese vegano, e uma embalagem biodegradável. E, por fim, os extratos (obtidos por IL e VOS) foram comparados quanto a sua atividade biológica, por meio de ensaio experimental in vivo, utilizando ratos da linhagem Wistar, submetidos à dieta hiperlipídica por 7 dias. Citocinas pró- e anti-inflamatórias, bem como marcadores de estresse oxidativo foram analisados, sendo os extratos obtidos por IL capazes de elevar os níveis dos marcadores anti-inflamatórios e antioxidantes, contrapondo aos resultados encontrados para os extratos mediados por VOS.