Obtenção de compostos bioativos em extratos de erva-mate (Ilex paraguariensis ST. HILL) a partir de processos de extração sólido-líquido em leito fixo e ultrafiltração tangencial

Abstract

Resumo: A erva-mate apresenta uma grande importância cultural e econômica, sendo rica em compostos fenólicos e outros compostos bioativos, incluindo metilxantinas e saponinas. As bebidas de erva-mate têm sido associadas a resultados positivos para a saúde, incluindo uma diminuição do risco de doenças degenerativas e crônicas bem como atividades antimicrobiana e antioxidante. Com uma procura cada vez mais crescente por novos conceitos e novos produtos que propiciem bem-estar e qualidade de vida, é importante que se busque por novas tecnologias que proporcionem redução de custos e otimização de processos. Dessa forma, há um grande interesse industrial na aplicação e uso de compostos bioativos na produção e elaboração de bebidas e alimentos, produtos fitoterápicos e cosméticos; assim como no desenvolvimento de processos e metodologias. Portanto este trabalho visa à aplicação de métodos de extração sólido-líquido em leito fixo e em batelada, empregando água como solvente, associado a processos de separação por membrana para extração e concentração de compostos bioativos. Para isso, amostras de erva-mate verde repousada (48 mesh) foram submetidas a extração em leito fixo empregando um delineamento composto central 2²+PC para avaliar os seguintes fatores: vazão (10, 15 e 20 mL/min) e temperatura (50, 60 e 70 °C). Também foi realizada a extração em batelada com agitação de 200 rpm e volume fixo de 1 L de água em diferentes temperaturas (50, 60 e 70 °C). O extrato aquoso obtido do processo de extração em batelada foi então submetido à ultrafiltração (modo tangencial quadro-placa, membrana de PES de 100 kDa), com o objetivo de remover sólidos suspensos e obter um extrato clarificado. Os resultados alcançados mostraram que a extração em leito fixo possibilitou uma recuperação de cerca de 86% de fenólicos totais a temperatura de 70 °C e vazão de 10 cm³/min. Em relação à extração em batelada, o maior rendimento foi de 87% sob temperatura de 60 °C. Um modelo matemático derivado da equação diferencial de conservação de massa em fases sólidas e líquidas foi usado para descrever a concentração de fenólicos totais ao longo do tempo, considerando um algoritmo baseado em volume finito para resolver esse modelo multiescala ao longo do comprimento da coluna e do raio da partícula. Os resultados demonstraram que as temperaturas mais elevadas melhoraram os rendimentos de extração dos compostos fenólicos, embora a taxa de fluxo de alimentação tenha desempenhado um papel importante em baixas temperaturas pois aprimorou a transferência de massa externa. O ácido cafeico, a cafeína e o ácido clorogênico foram os principais compostos bioativos estudados, com as maiores concentrações extraídas sendo 156,3 × 10-2 , 273,5 × 10-2 e 351,6 × 10-2 mg E AG/gEM (mg de composto bioativo por g de erva mate), respectivamente, obtidas após 60 minutos de processo de extração a 70 °C e uma taxa de fluxo de 10 cm³/min. A quantidade desses compostos bioativos predominantes extraídos excedeu 90% do conteúdo total que poderia ser obtido usando água como solvente. O modelo matemático avaliado apresentou erros médios relativos inferiores a 3% e R² superior a 98%, sugerindo um bom ajuste aos dados experimentais, com os coeficientes de transferência de massa externa e de difusão intrapartícula efetiva variando entre 8,75 × 10-8 e 1,77 × 10-6 m/s e 9,34 × 10-11 e 3,06 × 10-9 m²/s, respectivamente. O processo de clarificação do extrato aquoso de ervamate na membrana de ultrafiltração foi eficiente, apresentando um extrato clarificado translúcido e ausente de sólidos suspensos. A modelagem dos bloqueios de poros apresentou melhor ajuste ao perfil do fluxo de permeado do extrato de erva-mate com os modelos de torta filtrante, bloqueio superficial e bloqueio parcial com R² de 93,6; 93,4 e 89,1%; respectivamente. A obtenção do extrato aquoso de erva-mate apresentou resultados promissores, com viabilidade de ser empregado para elaboração de produtos na área farmacêutica ou na área de alimentos

Abstract: Yerba mate has great cultural and economic importance, being rich in phenolic compounds and other bioactive compounds, including methylxanthines and saponins. Yerba mate beverages have been associated with positive health outcomes, including decreased risk of degenerative and chronic diseases, in addition to antimicrobial and antioxidant activities. With an increasing demand for new concepts and products that provide well-being and quality of life, it is important to seek new technologies that provide cost reduction and process optimization. Thus, there is great industrial interest in the application and use of bioactive compounds in the production and preparation of beverages and foods, herbal products and cosmetics; as well as in the development of processes and methodologies. Therefore, this work aims to apply solid-liquid extraction methods in fixed bed and batch, using water as a solvent, associated with membrane separation processes for the extraction and concentration of bioactive compounds. For this purpose, samples of rested green yerba mate (48 mesh) were subjected to fixed bed extraction using a central composite design 2²+PC to evaluate the following factors: flow rate (10, 15, and 20 mL/min) and temperature (50, 60, and 70 °C). Batch extraction was also performed with agitation at 200 rpm and a fixed volume of 1 L of water at different temperatures (50, 60, and 70 °C). The aqueous extract obtained in the batch extraction process was then subjected to ultrafiltration (tangential frame-plate mode, 100 kDa PES membrane) to remove suspended solids and obtain a clarified extract. The results obtained showed that fixed bed extraction allowed a recovery of approximately 86% of total phenolics at a temperature of 70 °C and a flow rate of 10 cm³/min. Regarding batch extraction, the highest yield was 87% at 60 °C. A mathematical model derived from the differential equation of mass conservation in solid and liquid phases was used to describe the concentration of total phenolics over time, considering a finite volume-based algorithm to solve this multiscale model along the column length and particle radius. The results demonstrated that higher temperatures improved phenolic extraction yields, although the feed flow rate played an important role at low temperatures, as it increased external mass transfer. Caffeic acid, caffeine, and chlorogenic acid were the main bioactive compounds studied, with the highest extracted concentrations being 156.3 × 10-2 , 273.5 × 10-2 , and 351.6 × 10-2 mg E AG/gEM (mg of bioactive compound per g of yerba mate), respectively, obtained after 60 min of extraction process at 70 °C and flow rate of 10 cm³/min. The amount of these predominant bioactive compounds extracted exceeded 90% of the total content that could be obtained using water as solvent. The evaluated mathematical model presented average relative errors lower than 3% and R² higher than 98%, suggesting a good fit to the experimental data, with the external mass transfer and effective intraparticle diffusion coefficients ranging from 8.75 × 10-8 to 1.77 × 10-6 m/s and 9.34 × 10-11 to 3.06 × 10-9 m²/s, respectively. The clarification process of the yerba mate aqueous extract in the ultrafiltration membrane was efficient, presenting a translucent clarified extract free of suspended solids. The pore blockage modeling presented a better fit to the permeate flux profile of the yerba mate extract with the filter cake, surface blockage and partial blockage models with R² of 93.6; 93.4 and 89.1%, respectively. Obtaining the aqueous extract of yerba mate showed promising results, with the possibility of being used in the development of products in the pharmaceutical or food sectors