Solventes supramoleculares (supras) : caracterização e avaliação da capacidade de extração, concentração e preservação de compostos bioativos

Orientador: Prof. Dr. Marcos R. Mafra

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa : Curitiba, 21/02/2024

Inclui referências

Área de concentração: Engenharia de Alimentos

Resumo: Os solventes supramoleculares (SUPRAS) são líquidos nanoestruturados formados a partir de soluções de moléculas anfifílicas, originados pelos processos sequenciais de automontagem e coacervação. Como resultado dessas etapas, ocorre a formação das fases SUPRAS e de solução de equilíbrio (EqS). A principal vantagem de aplicação dos SUPRAS baseia-se na formação de múltiplos sítios de ligação e solubilização em seu microambiente, permitindo a extração de compostos em uma ampla faixa de polaridade. Além disso, os SUPRAS são considerados solvent designers, pois sua composição pode ser ajustada para diferentes aplicações. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo produzir e caracterizar sistemas SUPRAS-EqS, formados por ácido octanóico, etanol e água acidificada, e empregá-los em processos de extração, separação e preservação de compostos bioativos a partir de soluções sintéticas e de matrizes vegetais. Portanto, foi proposto um processo de etapa única em que os sistemas SUPRAS-EqS foram produzidos simultaneamente ao processo de separação líquido-líquido (SLL) a partir de soluções sintéticas (quercetina, curcumina e ß-caroteno) ou à extração sólido-líquido (ESL) a partir de matrizes vegetais (pitanga e casca do pinhão). Inicialmente, no Capítulo 2, os sistemas SUPRAS-EqS formados por diferentes quantidades de etanol e água acidificada foram avaliados quanto à formação do solvente e à composição das fases SUPRAS e EqS. O teor de ácido octanóico utilizado permaneceu constante em 5% (v/v). Na sequência, os sistemas nos quais a formação dos agregados supramoleculares foi observada, foram aplicados na SLL dos compostos bioativos selecionados. Desse modo, os parâmetros de eficiência de separação (SE), coeficiente de partição (K) e estabilidade térmica foram investigados. Os resultados obtidos demonstraram a formação de agregados esféricos (10 a 20 µm) com interior hidrofóbico e meio contínuo hidrofílico para os sistemas SUPRAS-EqS formados por 20% a 35% (v/v) de etanol e 75% a 60% (v/v) de água acidificada. Com relação ao processo de SLL, foi possível observar que os três compostos avaliados se particionaram preferencialmente para as fases SUPRAS (SE > 83%). A respeito dos ensaios de estabilidade térmica, constatou-se que a quercetina exibiu os maiores tempos de meia-vida em relação à curcumina e ao ß-caroteno. Na sequência, no Capítulo 3, o sistema SUPRAS-EqS formado por ácido octanóico (5%, v/v), etanol (27,5%, v/v) e água acidificada (67,5%, v/v) foi empregado na ESL de carotenoides da pitanga, em que a capacidade da fase SUPRAS de recuperar e de preservar os compostos alvo frente à degradação térmica e à luz UV e LED foi comparada à promovida por soluções formadas por solventes eutéticos profundos (DES) e líquidos iônicos (LIs) e uma mistura formada por acetona e etanol. A recuperação dos carotenoides e a viabilidade de reuso dos solventes também foram verificadas. A partir dos resultados deste estudo, observou-se que a fase SUPRAS promoveu maior rendimento de recuperação (60,5%) destes compostos e conferiu maior estabilidade térmica a 60 °C, em relação aos demais solventes. No entanto, os carotenoides obtidos da pitanga apresentaram maior estabilidade à luz UV e LED na solução de LI. Além disso, a fase SUPRAS e a solução de LI puderam ser reutilizadas na ESL por até quatro e três ciclos, respectivamente. No Capítulo 4, foram utilizados sistemas SUPRAS-EqS compostos por ácido octanóico (5%, v/v) e diferentes proporções de etanol e água acidificada para a extração de bioativos da casca do pinhão. Os extratos obtidos com ambas as fases (SUPRAS e EqS) foram analisados por meio de ensaios colorimétricos, com o objetivo de avaliar o sistema mais adequado para a extração dos compostos alvo. Na sequência, os extratos foram analisados através de ensaios de cromatografia gasosa e de toxicidade, sendo também incorporados na elaboração de um sabonete e de filmes com propriedades antioxidantes. Os resultados obtidos indicaram que o sistema SUPRASEqS formado por 32,5% (v/v) de etanol e 62,5% (v/v) de água acidificada promoveu maior capacidade de extração dos compostos alvos em ambas as fases. Além disso, constatouse a presença predominante de esteróis e fenólicos na fase SUPRAS e ciclitois e fenólicos na fase EqS. A respeito da análise de citotoxicidade, tanto os solventes puros quanto os extratos obtidos não foram tóxicos (= 0,25 mg/mL). Por fim, a incorporação do extrato à base da fase SUPRAS na elaboração de sabonetes preservou as características do produto (pH e solubilidade), enquanto a adição do extrato obtido com a fase EqS não afetou a espessura, a resistência à tração e a permeabilidade ao vapor de água dos filmes. As aplicações propostas dos extratos destacam-se como alternativas promissoras por conferirem propriedades antioxidantes aos produtos. De modo geral, este estudo demonstrou a capacidade dos sistemas SUPRAS-EqS de extrair, concentrar e preservar bioativos com diferentes polaridades de maneira simultânea, eficaz e através do emprego de um solvente formado por compostos seguros para o consumo humano.

Abstract: Supramolecular solvents (SUPRAS) are nanostructured liquids formed by amphiphilic molecules and through sequential processes of self-assembly and coacervation, which results in the formation of SUPRAS and equilibrium solution (EqS) phases. The main advantage of applying SUPRAS lies in the formation of multiple binding and solubilizing sites in its microenvironment, allowing for the extraction of compounds over a wide range of polarities. Additionally, SUPRAS are solvent designers since their composition can be modified depending on the applications. Hence, this work aimed to produce and characterize SUPRAS-EqS systems formed by octanoic acid, ethanol, and acidified water, and employ them to extract, concentrate, and preserve bioactive compounds from synthetic solutions and plant matrices. Therefore, it was proposed in this work a singlestep approach in which SUPRAS-EqS systems are produced simultaneously with the liquid-liquid separation (LLS) process from synthetic solutions (quercetin, curcumin, and ß-carotene) or solid-liquid extraction (SLE) from plant matrices (pitanga pulp and pinhão coat). Therefore, in Chapter 2, SUPRAS-EqS systems, formed by different amounts of ethanol and acidified water, were analyzed regarding the solvent formation and composition of the SUPRAS and EqS phases. The content of octanoic acid used remained constant at 5% (v/v). Following that, the SUPRAS-EqS systems in which the supramolecular aggregates were observed, were employed in liquid-liquid separation (LLS) of bioactive compounds. Thus, the investigation encompassed the parameters of separation efficiency (SE), partition coefficient (K), and thermal stability. The results obtained demonstrated the formation of spherical aggregates (10 to 20 µm) with a hydrophobic inner cavity and a hydrophilic continuous media for SUPRAS-EqS systems formed by 20% to 35% (v/v) of ethanol and 75% to 60% (v/v) of acidified water. Concerning the LLS process, it was possible to observe that the evaluated compounds partitioned preferentially to the SUPRAS phases (SE > 83%). Regarding thermal stability assays, quercetin exhibited the highest half-life time values compared to curcumin and ß- carotene. In Chapter 3, a SUPRAS-EqS system formed by octanoic acid (5%, v/v), ethanol (27.5%, v/v), and acidified water (67.5%, v/v) was employed in the SLE of carotenoids from pitanga pulp. Therefore, the ability of the SUPRAS phase to recover and preserve the target compounds against thermal degradation and UV and LED light was compared to that promoted by solutions formed by deep eutectic solvents (DES) and ionic liquids (ILs) and a mixture of acetone and ethanol. The recovery of carotenoids and the feasibility of solvent reuse were also verified. The results demonstrated that the SUPRAS phase promoted a higher recovery yield (60.5%) and thermal stability of these compounds at 60°C compared to the other solvents. However, the carotenoids obtained from pitanga pulp showed the highest light stability (UV and LED) in the IL solution compared to the other solvents. Furthermore, the SUPRAS phase and the IL solution could be reused in the SLE for up to four and three cycles, respectively. In Chapter 4, SUPRAS-EqS systems formed by octanoic acid (5%, v/v) and different amounts of ethanol and acidified water were applied in the SLE of bioactive compounds from the pinhão coat. The extracts obtained with both phases (SUPRAS and EqS) were analyzed through colorimetric assays to evaluate the most suitable system for extracting the target compounds. In sequence, the pinhão coat extracts were analyzed by gas chromatography and cytotoxicity assays and incorporated into soap and film formulations. The results indicated that the SUPRAS-EqS system formed by 32.5% (v/v) ethanol and 62.5% (v/v) acidified water promoted a greater capacity to extract the target compounds in both phases. Furthermore, sterols and phenolics were found predominantly in the SUPRAS phase, and cyclitols and phenolics were present in the EqS phase. Regarding cytotoxicity analysis, the pure solvents and extracts obtained were non-toxic (= 0.25 mg/mL). Finally, the incorporation of the extract based on the SUPRAS phase in the soap formulation maintained the product properties (pH and solubility), and the addition of the EqS phasebased extract in the films’ formulations, did not affect their thickness, tensile strength, and water vapor permeability. The proposed applications of the extracts stand out as promising alternatives, especially for conferring antioxidant properties to these products. Overall, this study demonstrated that SUPRAS-EqS systems can simultaneously and effectively extract, concentrate, and preserve bioactive compounds with different polarities, by employing a solvent formed by safe compounds for human consumption.