Avaliação de processo de concentração de extrato de erva-mate utilizando técnicas de adsorção-dessorção

Abstract

Resumo: A extração e recuperação de compostos bioativos da erva-mate (Ilex paraguariensis) têm atraído crescente interesse devido às suas propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e cardioprotetoras. Este trabalho avaliou um processo de concentração de extrato por meio das etapas de extração, adsorção e dessorção. Nos ensaios de extração aquosa em batelada (60 °C), com 1 g de erva-mate, cinco ciclos de 1 L permitiram recuperar cerca de 10481 mgEAG/100 gEM, com o primeiro ciclo responsável por extrair 94,95% dos compostos fenólicos. Em leito fixo, para a mesma temperatura e massa de erva-mate, a passagem de 1,5 L de extrato ao longo de 5 h resultou em 8987,46 mgEAG/100 gEM, rendimento de extração de 89,87% comparado com processo em batelada. A adsorção em carvão ativado dos compostos bioativos foi avaliada em batelada e leito fixo, considerando equilíbrio e cinética. Isotermas de equilíbrio foram avaliadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 °C, obtendo valores de capacidades máximas de 211,10; 223,21 e 357,68 mgEAG/g, respectivamente, tendo o modelo de isoterma de Sips como o de melhor ajuste matemático. A adsorção em batelada foi avaliada a partir de um delineamento Box– Behnken 33 – concentração inicial C0 (50, 75 e 100 mgEAG/L), razão volume de extrato/massa de carvão VM (0,5; 1,0 e 1,5 mL/mgADS) e temperatura (25, 35 e 45 °C), confirmou a alta capacidade de adsorção de compostos bioativos no carvão ativado comercial, influenciada pela concentração inicial C0 e VM. A análise cinética indicou que VM=0,5 e C0=50 mgEAG/L resultaram nas maiores recuperações observadas, de 89–92%. Dos modelos cinéticos desenvolvidos neste trabalho, a partir das equações cinéticas de pseudo-primeira ordem (PFO) e pseudo-segunda ordem (PSO), o modelo derivado da equação PSO demonstrou maior confiabilidade, com erro médio de 6,7% e coeficientes de correlação superiores a 98%, validando aplicabilidade para prever a adsorção em batelada. Estudos de adsorção em leito fixo foram desenvolvidos a partir de um delineamento fatorial 2² + PC, tendo como fatores: massa de adsorvente (mADS: 0,5 – 1,5 g) e vazão de alimentação (Q: 2 – 8 mL/min) Durante os ensaios de adsorção em leito fixo observou-se a necessidade da clarificação prévia do extrato. As curvas de ruptura obtidas sugerem a influência relevante dos parâmetros operacionais avaliados: o aumento da massa de adsorvente reduziu a concentração de compostos bioativos efluentes em até 40%, enquanto maiores vazões elevaram-na em cerca de 50% nos primeiros 30 minutos de operação. Entre os modelos de adsorção em leito fixo avaliados (Yoon-Nelson, Bohart-Adams, Yan, Klinkenberg), Yoon-Nelson apresentou os melhores ajustes (ER 11,2–17,2%), reforçando a relevância de focar na região inicial da curva (C/C0 5–10%) para dimensionamento confiável. Os estudos de dessorção dos compostos bioativos retidos no adsorvente consistiram na avaliação de diferentes fatores (pH, temperatura, tipo e volume de solvente). O pH e temperatura apresentaram liberação limitada empregando água como solvente de dessorção. O tipo e volume de solvente foram determinantes: pentanol (97,06 ± 1,50%) apresentou eficiência superior, seguido por lactato de etila e etanol, enquanto álcool isopropílico teve baixa recuperação (17,48%). A variação do volume de solvente (10–50 mL de etanol por 100 mgADS) permitiu recuperações expressivas de fenólicos, atingindo 92,7%. Avaliando o processo integrado de extração, adsorção e dessorção, foi possível concentrar o extrato aquoso inicial (21,7 mgEAG/L) em 150% empregando razão do volume de solvente de dessorção por volume de extrato inicial (VD/VEM) de 10/100 mL/mL com recuperação de 40,7%; enquanto que para uma razão VD/VEM de 50/100 mLEtOH/mLEXTRATO a porcentagem de concentração foi de 30% com recuperação de 92,5%. Em conjunto, este estudo fornece uma base experimental para processos de concentração de compostos bioativos da erva-mate ao integrar extração, adsorção e dessorção, e abre caminho para otimizações em adsorventes, solventes e condições operacionais, além de aplicações na indústria alimentícia, cosmética e farmacêutica

Abstract: The extraction and recovery of bioactive compounds from yerba mate (Ilex paraguariensis) have attracted increasing interest due to their antioxidant, anti-inflammatory, and cardioprotective properties. This work evaluated an extract concentration process through sequential extraction, adsorption, and desorption steps. In batch aqueous extraction assays (60 °C) with 1 g of yerba mate, five 1 L cycles allowed the recovery of approximately 10,481 mgGAE/100 gYM, with the first cycle accounting for 94.95% of the total phenolic compounds extracted. In a fixed-bed system, under the same temperature and solid mass, the passage of 1.5 L of extract over 5 h resulted in 8,987.46 mgGAE/100 gYM, corresponding to 89.87% of the batch extraction yield. The adsorption of bioactive compounds onto activated carbon was evaluated in batch and fixed-bed modes, considering equilibrium and kinetic aspects. Equilibrium isotherms were determined at 25, 35, and 45 °C, with maximum adsorption capacities of 211.10, 223.21, and 357.68 mgGAE /g, respectively, with the Sips model providing the best mathematical fit. Batch adsorption was assessed using a Box–Behnken 3³ design -initial concentration C0 (50, 75, and 100 mgGAE /L), extract volume-to-carbon mass ratio VM (0.5, 1.0, and 1.5 mL/ mgADS), and temperature (25, 35, and 45 °C)—confirming the high adsorption capacity of the commercial activated carbon, mainly influenced by C0 and VM. Kinetic analysis showed that VM = 0.5 mL/mgADS and C0 = 50 mgGAE/L resulted in the highest recoveries (89–92%). Among the kinetic models developed from the pseudo-first-order (PFO) and pseudo-second-order (PSO) equations, the PSO model demonstrated higher reliability, with a mean error of 6.7% and correlation coefficients above 98%, validating its applicability for predicting batch adsorption. Fixed-bed adsorption studies were carried out using a 2² factorial design + center point, with adsorbent mass (0.5–1.5 g) and feed flow rate (2–8 mL/min) as factors. During fixed-bed experiments, clarification of the extract was required prior to processing. Breakthrough curves revealed a significant influence of operating parameters: increasing the adsorbent mass reduced the effluent concentration of bioactive compounds by up to 40%, while higher flow rates increased it by about 50% during the first 30 minutes of operation. Among the fixed-bed models evaluated (Yoon–Nelson, Bohart–Adams, Yan, and Klinkenberg), the Yoon–Nelson model presented the best fits (ER = 11.2–17.2%), highlighting the importance of focusing on the initial region of the curve (C/C0 = 5–10%) for reliable column design. Desorption studies of bioactive compounds retained in the adsorbent evaluated the effects of pH, temperature, and solvent type and volume. Both pH and temperature showed limited desorption efficiency when using water as solvent. Solvent type and volume were determinant: pentanol achieved the highest recovery (97.06 ± 1.50%), followed by ethyl lactate and ethanol, whereas isopropanol showed poor performance (17.48%). Varying the solvent volume (10–50 mL ethanol per 100 mgADS) yielded expressive recoveries of phenolics, reaching 92.7%. Evaluating the integrated process of extraction, adsorption, and desorption, it was possible to concentrate the initial aqueous yerba mate extract (21.7 mgGAE/L) by up to 150% using a desorption solvent-to-extract volume ratio (VD/VEM) of 10/100 mL/mL, with 40.7% recovery; whereas at a ratio (VD/VEM) of 50/100 mLEtOH/mLEXTRACT, the concentration reached 30% with 92.5% recovery. Overall, this study provides an experimental basis for the development of yerba mate bioactive compound concentration processes integrating extraction, adsorption, and desorption, and opens opportunities for optimization of adsorbents, solvents, and operating conditions, with potential applications in the food, cosmetic, and pharmaceutical industries