Purificação parcial de inulina obtida a partir de yacon e recuperação de compostos antioxidantes por processos de sorção

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaNovos insumos têm sido investigados para que possam atender às exigências do mercado consumidor atual, mais consciente da relação entre alimentação e saúde, que deseja produtos com benefícios múltiplos, associados ao sabor e à aparência. Em contrapartida, as indústrias tentam aproveitar, cada vez mais, os "resíduos" materiais provenientes das linhas de diversos produtos por meio do isolamento de compostos, muitas vezes com valor agregado muito maior do que o produto principal. Inulina do tipo frutanas, ou mais especificamente, frutooligossacarídeos (FOS) são abundantemente encontrados nas raízes de yacon. Devido a seus efeitos benéficos sobre a saúde, além do baixo valor calórico, os FOS estão se tornando cada vez mais importantes para a indústria, especialmente na alimentação de diabéticos. No entanto, durante o processamento o extrato de yacon rico em FOS sofre reações de escurecimento devido à presença de compostos fenólicos, prejudicando suas características sensoriais e visuais. Estes compostos, em contrapartida, apresentam grandes perspectivas de aplicações nas indústrias cosmética, farmacêutica e alimentícia, devido a possíveis efeitos antioxidantes. O presente trabalho avaliou a remoção dos principais compostos responsáveis pelo desenvolvimento da cor em extrato de yacon, usando o processo de adsorção em carvão ativado comercial. Foram testados cinco adsorventes com características diferentes. Foi selecionado aquele com melhor resposta para a descoloração do extrato e menor adsorção de açúcares totais e redutores. São mostrados os resultados da caracterização físico-química do adsorvente selecionado como ponto de carga zero, grupos funcionais de superfície, porosidade, área superficial e composição química. Isotermas e cinéticas de adsorção foram determinadas para o extrato de yacon e para dois compostos puros encontrados em quantidade significativa no yacon: ácidos gálico e cafeico. Os dados de equilíbrio foram ajustados aos modelos de Langmuir e Freundlich, enquanto os dados cinéticos foram ajustados aos modelos de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem. Parâmetros termodinâmicos de entalpia, entropia e energia livre de Gibbs, a 20, 30, 40, 50 e 60 ?C foram também determinados. Os resultados indicaram um processo de adsorção físico, melhor descrito pela isoterma de Langmuir. As características dos adsorbatos influenciaram o grau de afinidade com o adsorvente, e ácido cafeico foi adsorvido em maior quantidade do que ácido gálico. Considerações a respeito do processo de purificação e os fatores responsáveis pela clarificação foram levantados. Visando agregar valor ao vegetal estudado, procedeu-se à recuperação dos compostos adsorvidos no carvão por processo de dessorção e uma avaliação de seu potencial como antioxidantes. Diferentes solventes, temperaturas e condições de pH foram testados, e o melhor rendimento para a recuperação de compostos fenólicos totais (58,5 ± 1,0%) foi obtido com a solução de etanol 60%, a uma temperatura de 30 ?C. Os testes de capacidade antioxidante realizados no extrato dessorvido indicaram um sequestro de radicais DPPH de 78,6%, equivalente a uma concentração de fenólicos totais de 203,5 ± 3,5 mg.L-1 EAG. Após a purificação parcial, o extrato de yacon foi concentrado e submetido a um processo de precipitação com solvente, para sua obtenção na forma de pó. Foram comparadas as diferenças entre os produtos nas formas pó e extrato, antes e após a clarificação com carvão ativado comercial. Depois da adsorção não foi detectada a presença de proteínas, observou-se melhora na cor e redução nos conteúdos de compostos fenólicos totais (85,2%), açúcares redutores (2,0%), carboidratos totais (8,1%) e FOS (10,8%) no produto na forma de extrato. No produto em pó, a purificação mostrou variações na temperatura de transição vítrea (Tg) e decomposição térmica, além de deslocamento e inversão de algumas bandas no espectro de FTIR, assim como variações na solubilidade. As análises de MEV e DSC contribuíram na explicação da instabilidade das amostras na forma de pó na temperatura ambiente, evidenciando o fenômeno de plastificação pela água. Os resultados de CLAE confirmam um grau de polimerização máximo de 10, evidenciando a presença de FOS no yacon.New inputs have been investigated in order to satisfy the market demands of current consumers, who are more aware of the relationship between food and health. Consumers want products with multiple benefits combined with agreeable flavor and attractive appearance. In order to satisfy such demands, industries increasingly utilize waste materials from different processes, which often have greater value than the main product. Inulin-type fructans or, more specifically, fructooligosaccharides (FOS) are found abundantly in yacon roots. Due to their beneficial effects on health, as well as low calorific value, FOS have become increasingly important to the food industry, especially companies producing dietetic products. However, during the yacon processing, more specifically, during the obtainment of the FOS-rich extract, sensorial and visual aspects are adversely affected due to the browning reactions. Fortunately, compounds resulting from the browning reactions have a wide variety of uses in the pharmaceutical and food industries as antioxidants. Due to this property it is of interest to investigate their recovery. In this context, this study evaluated the removal of the main compounds responsible for the color development in yacon extracts through adsorption onto commercial activated carbon. Five adsorbents with different characteristics were tested and that with the best response to the extract discoloration and lowest adsorption of total and reducing sugars was selected. The physicochemical characterization of the adsorbent was carried out, including point of zero charge, surface functional groups, porosity, surface area and chemical composition. The adsorption isotherms and kinetics were determined for the yacon extract and two pure compounds found in significant quantities in yacon: caffeic and gallic acids. The equilibrium data were fitted using Langmuir and Freundlich models and the kinetic data were fitted with pseudo-first and pseudo-second order models. The thermodynamic parameters of enthalpy, entropy and Gibbs free energy, at 20, 30, 40, 50 and 60 ¢ªC, were also determined. The results indicated that a physical adsorption process occurs which can be described by the Langmuir isotherm. The characteristics of the adsorbate influenced the adsorption and it was observed that caffeic acid was more efficiently adsorbed than gallic acid. As a consequence, the purification process was studied, along with the desorption process and the antioxidant potential. Also, different solvents, temperatures and pH conditions were tested. The highest yield in the recovery of total phenolic compounds (58.5 ¡¾ 1.0%) was obtained with a 60% ethanol solution at a temperature of 30 ¢ªC. The antioxidant capacity indicated a DPPH radical scavenging of 78.6%, equivalent to a total phenolics concentration of 203.5 ¡¾ 3.5 mg.L-1 GAE. After partial purification, the yacon extract was concentrated and submitted to a precipitation process with solvent in order to obtain a solid phase as a powder. Differences between the products in the extract form and powder form were determined, before and after clarification with commercial activated carbon. After adsorption, the presence of protein was not detected; an improvement in the color was observed along with a reduction in the content of total phenolic compounds (85.2%), reducing sugars (2.0%), total carbohydrates (8.1%) and FOS (10.8%) in the extracted product. For the FOS powder, purification led to variations in the glass transition temperature (Tg) and thermal decomposition, and also the displacement and inversion of some bands in the FTIR spectrum, as well as variations in the solubility. The SEM and DSC analyses contributed to explaining the observed instability of the powder samples stored at room temperature, showing the phenomenon of plasticization by water. A maximum polymerization degree of 10, determined by HPLC analysis, confirmed the presence of FOS in the yacon extract