Yield of bioactive compounds in yerba mate clones in a semi-hydroponic system

Abstract

Resumo: O conhecimento dos fatores que interferem na composição química da erva-mate (Ilex paraguariensis) permite a obtenção de matéria-prima de qualidade, com perfis fitoquímicos específicos para mercados distintos. Para tanto, o trabalho foi dividido em dois capítulos, sendo um deles uma revisão sistemática e o segundo um estudo sobre o rendimento de compostos bioativos em erva-mate em sistema semi-hidropônico. No primeiro capítulo, fornecemos uma visão geral de como os fatores agronômicos e de processamento podem influenciar no teor dos compostos bioativos presentes nas folhas de erva-mate. Para tanto, utilizamos a metodologia PRISMA para selecionar artigos publicados em periódicos indexados que inter-relacionem fatores relativos ao manejo do cultivo e fatores de processamento às características fitoquímicas de I. paraguariensis. Identificamos que poucos estudos se concentram nessa inter-relação. Apesar disso, há uma tendência no desenvolvimento de novas pesquisas sobre o tema, tendo em vista a elevada versatilidade da espécie e seu espaço em mercados consumidores diversos. Os resultados desse estudo podem auxiliar no direcionamento de novos caminhos para pesquisas, contribuindo também com o setor produtivo da erva-mate. Já no segundo capítulo, analisamos o teor e o rendimento de compostos bioativos em dois clones de erva-mate submetidos a doses crescentes de nitrogênio durante dois anos em sistema de cultivo semihidropônico. As folhas foram classificadas como jovens ou maduras e moídas após secagem em micro-ondas. Os extratos aquosos foram analisados em Cromatógrafo Líquido Ultra-Rápido (UFLC). O rendimento foi calculado multiplicando-se o conteúdo do composto pela massa seca das folhas. As folhas jovens apresentaram níveis mais elevados de praticamente todos os compostos do que as folhas maduras. O clone EC40 apresentou maiores teores de cafeína, 4- CQA (ácido 4-cafeoilquínico) e 5-CQA (ácido 5-cafeoilquínico), bem como, maior rendimento de todos os compostos, exceto teobromina, quando comparado ao EC22. O aumento das doses de nitrogênio aumentou os níveis de metilxantinas; entretanto, o rendimento dos compostos diminuiu com níveis mais elevados de N devido à redução da massa foliar. Com a dose de máxima de produtividade, 206 mg L-1 de N, a produtividade do composto atingiu até 21 g m-2 ano-1 de cafeína e 126 g m-2 ano-1 de CQAs no clone EC40, e 14 g m-2 ano-1 de teobromina em EC22. Estes resultados demonstram que o sistema de cultivo proposto é viável para produção de erva-mate para extração industrial de compostos bioativos. Matérias-primas com características fitoquímicas específicas podem ser obtidas através da seleção de clones e tipos de folhas.

Abstract: Understanding the factors that affect the chemical composition of yerba mate (Ilex paraguariensis) enables the acquisition of high-quality raw material with specific phytochemical profiles for different markets. So, the work was divided into two chapters, one being a systematic review and the second a study on the yield of bioactive compounds in a semi-hydroponic system. In the first chapter, we provide an overview of how agronomic and processing factors can influence on the content of bioactive compounds present in yerba mate leaves. To achieve this, we employed the PRISMA methodology to select articles published in indexed journals that interrelated cultivation management and processing factors to the phytochemical characteristics of I. paraguariensis. We identified that few studies focus on this interrelation. Nevertheless, there is an increasing trend in the development of new research on the subject, considering the high versatility of the species and its presence in various consumer markets. The results of this study can assist in directing new paths for research, also contributing to the yerba mate production sector. In the second chapter, we analyzed the content and yield of bioactive compounds in two clones of yerba mate submitted to increasing doses of nitrogen for two years in a semi-hydroponic cultivation system. The leaves were classified as young or mature and ground after drying in a microwave. The aqueous extracts were analyzed using an Ultra-Fast Liquid Chromatograph (UFLC). The yield was calculated by multiplying compound contents by the leaf dry mass. Young leaves presented higher levels of virtually all compounds than mature leaves. Clone EC40 showed higher levels of caffeine, 4-CQA (4-caffeoylquinic acid), and 5-CQA (5-caffeoylquinic acid), and this genotype showed a higher yield of all compounds, except for theobromine, when compared to EC22. Increasing nitrogen doses increased methylxanthine levels; however, the yield of compounds decreased with higher N levels due to reduced leaf mass. With the maximum productivity dose, 206 mg L-1 of N, the compound productivity reached up to 21 g m-2 year-1 of caffeine and 126 g m-2 year-1 of CQAs in clone EC40, and 14 g m-2 year-1 of theobromine on EC22. These results demonstrate that the proposed cultivation system is viable for producing yerba mate for the industrial extraction of bioactive compounds. Raw material with specific phytochemical characteristics can be obtained by clones and leaf types selecting.