Processo de transferncia de massa durante a extrao de compostos fenlicos a partir de bagaos de frutasResumo

Foi estudada a otimizao da extrao de compostos fenlicos a partir de bagas modas, a difusividade efetiva e o coeficiente de transferncia de massa foram medidos durante a extrao slido-lquido num vaso agitado. Otimizao foi levada a cabo por uma metodologia de superfcie de resposta, utilizando a concentrao de etanol ou gua sulfurada, temperatura, e proporo de solvente por slido, como variveis independentes. As produes mximas de fenlicos totais e antocianinas obtidas foram de 19 L de solvente por kg de bagas congeladas modas com 1000-1200 ppm SO2, ou 60% de concentrao de etanol. O aumento da temperatura de extrao aumentou a taxa de extrao e reduziu o tempo de extrao, aumentando a difusividade. Quanto maior a concentrao de SO2 na mistura de solventes, quanto maior a difusividade, no entanto a concentrao de etanol aumentada difusividade at um mximo e diminuiu-o com aumento da concentrao de etanol. Difusividades de 24,3 10-11 e 12,3 10-11 m2 s-1 e os coeficientes de transferncia de massa de 3,85 10-5 e 2,36 x 10-5 ms-1 foram obtidas na extrao de antocianinas a 40C utilizando 700 ppm de SO2 etanol e 67%, respectivamente.Palavras-chave: Antocianinas; Fenlicos; Groselhas pretas; Extrao; Difusividade; Transferncia de massa; Otimizao; Nutracuticos.

1. IntroduoOs compostos fenlicos so responsveis por efeitos benficos sade, tais como reduo de doena cardaca coronria, preveno de vrios tipos de cncer, tratamento de patologias do trato urinrio, e atividade antioxidante e anti-inflamatria (Mazza, 2000). Frutas contm um nmero diversificado de compostos bioativos com vrias funes importantes. As antocianinas, os principais componentes fenlicos de bagas, tm mostrado ser duas vezes mais eficaz que antioxidantes disponveis comercialmente, tais como BHA e a-tocoferol (Fukumoto & Mazza, 2000). Outros compostos valiosos tambm encontrados em bagas so derivados flavonoides e cido cinmico, e incluem cido cafeico, cido p-cumrico, quercetina, kaempferol e miricetina. A extrao e purificao de compostos bioativos a partir de fontes naturais tornou-se muito importante para a utilizao de fitoqumicos na preparao de suplementos alimentares ou nutracuticos, ingredientes para alimentos funcionais e aditivos para alimentos, produtos farmacuticos e cosmticos. O rendimento da extrao de compostos bioativos a partir de materiais de plantas influenciado principalmente pelo processo de extrao com solvente aquoso e/ou orgnico. A extrao slido-lquido usa um solvente para remover uma frao solvel de uma insolvel, do slido permevel. A concentrao de cada composto no tecido da planta atinge um equilbrio com a concentrao dissolvida no solvente. O equilbrio descrito pela constante de distribuio de equilbrio ou coeficiente de partio m, o que uma funo da concentrao de equilbrio no extrato e no bagao seco (Gertenbach, 2001; e Schwartzberg Chao, 1982). Quanto maior for o valor de m, a mais um determinado composto ir dissolver-se no solvente. O valor de m uma funo caracterstica tanto do solvente como do composto, bem como da temperatura. A extrao de antocianinas de bagao de vinho (Metivier, Francis, e Clydesdale, 1980) e morangos (Garcia-Viguera, Zafrilla, e Tom? Aas-Barber? Aan, 1998) foi estudada utilizando diferentes tipos de solvente e condies acidificantes. Os solventes utilizados para a extrao antocianinas afetam significativamente a extrao slido-liquido de girassol (Gao & Mazza, 1996; Pi ff eri & Vaccari, 1983).O processo de extrao tambm depende de quo rpido o composto vai dissolver-se e atingir a concentrao de equilbrio do lquido. Isso envolve quatro passos de transferncia de massa, mas a difuso do soluto dissolvido no interior do slido pelo solvente o passo limitante da velocidade (Gertenbach, 2001). A taxa de difuso desta etapa pode ser descrita pela segunda lei de Fick:

em que C a concentrao do soluto, t o tempo, s, D o coeficiente de difuso ou difusividade, m/s, e x a distncia da difuso, m. A difusividade uma importante propriedade que afeta o processo de difuso. Listas de difusividades de soluto em slidos de interesse para o processamento de alimentos foram apresentadas (Doulia, Tzia, e Gekas, 2000; Schwartzberg & Chao, 1982). Na maioria dos solutos estudados incluindo umidade, acares e sal, o solvente usado com maior frequncia a gua. A estimativa do valor tpico da difusividade aparente de 2x10-10 m2/s a 25C foi anotado para tecido mole planta no tratada (Doulia et al., 2000). A aproximao tradicional Fickiana usa o gradiente de concentrao dentro das partculas do material como a fora motriz para a extrao em vez da diferena do potencial qumico usado uma abordagem diferente (Doulia et ai, 2000;. Gekas, 2001). A tendncia de um dado composto para alterar a fase medida pelo seu potencial qumico de modo a que uma anlise mais rigorosa deve basear-se na diferena do potencial qumico (Gekas, 2001). No entanto, a abordagem de Fick pode ser utilizada, (assumindo que no h mudana na difusividade efetiva com a concentrao de soluto e resistncia externa desprezvel para a transferncia de massa), usando a distribuio ou coeficiente de partio entre as duas fases e trabalhando com extratos de bagas muito diludas. Assim, a taxa de extrao aumenta com um gradiente de concentrao maior. Ela tambm pode ser melhorada mediante o aumento do coeficiente de difuso ou a reduo do tamanho de partcula. Rendimentos mais elevados na extrao total fenlicos e antocianinas so resultados de um rompimento mximo de partculas de girassol (Gao & Mazza, 1996; Pifferi & Vaccari, 1983) ou de uma diminuio no tamanho de resduos groselha preta (Landbo & Meyer, 2001). Menores tamanhos de partculas reduzem a distncia de difuso do soluto no slido e aumenta o gradiente de concentrao, o que aumenta a taxa de extrao. Uma vez que o caminho de soluto para alcanar a superfcie mais curto, o tempo de extrao reduzida.Um aumento na temperatura aumenta significativamente difusividade como estabelecido pela equao de Einstein D (T / ), onde T a temperatura absoluta e , o coeficiente de viscosidade dinmica (Loncin & Merson, 1979). No entanto, a estabilidade das antocianinas, o componente fenlico principal em frutas vermelhas e roxas, afetado pela temperatura (Mazza & Miniati, 1993). A desnaturao de membranas pode acontecer de 55-75 C (Schwartzberg & Chao, 1982) e afeta o processo de extrao, e consequentemente, a temperatura pode no ser aumentada indefinidamente e uma temperatura de referncia deve ser determinada para otimizar a extraco. O objetivo deste trabalho foi estudar o processo de transferncia de massa para a otimizao da extrao de antocianinas e compostos fenlicos a partir de groselhas pretas processadas. As difusividades efetivas e os coeficientes de transferncia de massa foram calculados durante a extrao slido-lquido de compostos fenlicos, utilizando etanol e gua sulfurada num vaso agitado.

2. Materiais e mtodos

Preparao das amostras: Congelamento rpido das groselhas pretas, cv. Em Ben Lomond as groselhas foram mergulhadas em nitrognio lquido, modas em moinho de facas (modelo ED-5, Arthur H Thomas Co., Filadlfia, PA) com um pr-resfriamento em uma sala fria uma temperatura de 0C e armazenadas a -36 C. A distribuio do tamanho das partculas e o tamanho mdio foi obtido por peneiramento das frutas modas a -25 C e plotagem de mesh vs peso peneirado (Cacace & Mazza, 2003). Extrao: As amostras modas congeladas foram dispersas num agitador com bquer de vidro de 4 L de 15,6 cm de dimetro, com um volume de solvente de 2,5 L. gua sulfurada ou etanol acidificado com cido actico para ajustar o pH de 3,8-4,1 foram utilizados como solventes de extrao em duas experincias diferentes. Um impulsor axial aeroflio (Lightnin Modelo A310, Misturar Equipment Co. Inc., Rochester, NY) com um dimetro de 6,35 centmetros foi utilizado para misturar. O bquer foi colocado em um banho termosttico de gua e os fatores foram ajustados para S1 = Da / Dt = 0,41; S2 = B / Da = 0,61; S3 = L / Da = 0,35; S4 = W / Da = 0,092; S6 = H / Dt = 0,84 (Fig. 1) para se obter a uniformidade de mistura e um efeito mnimo sobre a transferncia de massa.Mistura condies: Para a disperso de partculas em lquidos e para uma rpida mistura inicial dos reagentes lquidos, recomendada uma agitao de 1150 a 1750 rpm e uma hlice a uma distncia de Dt / 4 acima do fundo do reservatrio (Perry, Greene, & Maloney, 1997). A velocidade de rotao foi fixada a um valor constante de 1210 rpm, portanto, os nmeros de Reynold foram maiores do que 104, em regime turbulento, evitando alteraes no consumo de energia para as variaes no nmero de Reynold.Um vaso de 15,6 cm de dimetro com 2,5 L de volume de solvente foi utilizado, e a altura do lquido variou 11,7-23,4 cm de modo que o comprimento-lateral-altura do vaso em relao ao dimetro estava na gama de 0,75-1,5. O rotor foi colocado no centro, a uma distncia a partir do fundo de um quarto do dimetro do vaso (Dt / 4) e a 15 de ngulo de um tanque sem deflectores. Distncias do impulsor do fundo e da parede foram 3,9 e 4,1 centmetros, respectivamente. A fim de eliminar as variaes do sistema de mistura empregues, a geometria do recipiente e do rotor, a relao dimetro, velocidade de rotao e a posio do veio do impulsor e foram corrigidos para todos as extraes no estudo.

Anlise: Extratos e bagaos midos foram analisadas para compostos fenlicos, steres tartricos, flavonoides e antocianinas utilizando um mtodo espectrofotomtrico para medir as absorbncias a 280, 320, 360 e 520 nm (Mazza, Fukumoto, Delaquis, Girard, & Ewert, 1999). Amostras de polpa mida e modas de groselha preta congelada foram extradas e analisados como descrito em Cacace e Mazza (2003).As extraes foram cessadas quando os extratos e os bagaos atigiram o equilbrio indicado por nenhuma mudana adicional de leituras de absorbncia a 280 e 520 nm. Tempo necessrio para atingir o equilbrio foi obtido a partir de grficos de concentrao vs tempo de extrao.Os coeficientes de partio m para um solvente e para cada uma das extraes foram calculados a partir da equaom = yc/xdm

onde yc a fraco em peso de um determinado composto no extrato em equilbrio e xdm a frao em peso de um determinado composto no bagao seco no estado de equilbrio. Este ltimo (xdm) foi calculado a partir do equilbrio de massa Eq. (4) (Gertenbach, 2001),xdm = [xm -(1- DMP) ye ]/ DMPonde xm e ye so as fraces do peso do marcador no bagao mido, e extrato lquido, respectivamente. O fator DMP a fraco de peso de matria seca no bagao mido.A concentrao de extrato sem dimenso Y foi calculado a partir da Eq. (5) (Schwartzberg, 1987; e Schwartzberg Chao, 1982),Y = (y - ye)/ (y0 - ye) onde Ye a frao em peso medido de um determinado composto no extracto em equilbrio e y0 foi calculada por extrapolao para o tempo zero, um grfico da concentrao medida vs y, uma vez que y varia linearmente com pelo tempo muito pequeno, t (Schwartzberg & Chao, 1982; Schwartzberg, Torres, & Zaman, 1982).Valores proporo do volume foram determinados por um balano de material soluto = (m x0 ye )/ ye - yo

em que x0 a fraco de peso inicial de um dado composto em slidos (os frutos modos congelados).Design experimental: As otimizaes da extrao utilizando etanol aquoso ou gua sulfurada, em duas diferentes de experincias de extrao, foram realizados utilizando a metodologia de superfcie de resposta (Haaland, 1989). O foi selecionado um planejamento experimental de trs fatores e cinco nveis que se refere a um planejamento com composto central. Ele consiste em 18 experimentos, incluindo quatro repeties no ponto central. As variveis independentes selecionadas foram a concentrao do solvente, temperatura, e proporo de solvente por slido. As concentraes de etanol foram de 39%, 50%, 67%, 84%, e 95% e as concetraes de SO2 foram de 28, 300, 700, 1100 e 1372 ppm. Os valores mnimos e mximos de proporo de solvente por slido (mL/ g) e temperatura ( C) foram de 6 e 74 (Tabela 1). Alm das extraes com as temperaturas indicadas no modelo, extraes em 17 e 30 C, tambm foram realizados para avaliar o efeito da temperatura no rendimento e difusividade, usando concentrao de solvente e valores da proporo solvente por slido do ponto central.

3 Resultados e discussoO tamanho das partculas de groselha preta moda foi de 1,6 mm. O teor de antocianinas de groselhas extradas com etanol 80% foi de 13,6 0,5 mg equivalentes de cianidina 3-glicosdeo /g de frutas congeladas, o teor de fenlicos totais foi de 37,9 1,5 mg equivalentes de cido clorognico/g de frutas congeladas e teor de matria seca foi 22,5 % 0,4%.Modelos desenvolvidos por meio de anlise de superfcie de resposta para a previso de rendimentos de fenlicos totais e antocianinas, constante de equilbrio e tempo de equilbrio para a extrao com etanol, deu correlao significativa com baixa variabilidade (Tabela 2). Rendimento de fenlicos totais, constante de equilbrio e tempo de equilbrio para ambos os compostos fenlicos totais e antocianinas tambm foram significativos para a extrao com gua sulfurada.A superfcie de resposta dos fenlicos totais mostraram uma forma de sela e o rendimento total de compostos fenlicos aumentou com a concentrao do solvente para um mximo com cerca de 60% de etanol e, em seguida, diminuiu com o aumento da concentrao de etanol, independentemente da proporo de solvente por slido. O compostos fenlicos totais aumentou com a concentrao de SO2 em toda a proporo de solvente por slido, mas a relao de aumento foi superior em propores mais elevadas. Extrao de antocianina tambm aumentou com o aumento da concentrao de SO2 mas o efeito no foi estatisticamente significativo. Assim, para maximizar o rendimento de fenlicos totais houve um timo para a extrao com etanol, enquanto que o rendimento mais elevado com gua sulfurada foi obtido na concentrao mais elevada avaliada. As produes mximas de fenlicos totais e antocianinas foram obtidos em 19 L de solvente por kg de frutas congeladas modas com 1000-1200 ppm SO2, ou 60% de concentrao de etanol.

3.1. Efeito da razo de solvente por slidoO rendimento de fenlicos totais foi afetado principalmente pela concentrao de solvente e proporo de solvente por frutas congeladas. O maior efeito sobre o rendimento de antocianinas foi devido relao solvente por slidos. Houve um aumento quase linear em antocianinas com o aumento da proporo na gama estudada. Aumentando a relao solvente por slido aumentou os rendimentos de fenlicos e antocianinas totais na extrao com etanol e gua sulfurada.

Cintica para a extrao de antocianinas utilizando etanol aquoso em trs propores de solvente por slido so apresentados na Fig. 2. As curvas de extrao obedeceram modelos exponenciais, assintoticamente crescente com o tempo para um valor mximo de etanol e gua sulfurada. Os tempos de equilbrio foram tomadas a partir de grficos como a Fig. 2 e obtido utilizando o software Sigma Plot (SPSS Inc., Chicago, IL). Os tempos para atingir a concentrao mxima foram tomadas como tempos de equilbrio.O aumento do rendimento de fenlicos totais e antocianinas com o aumento da razo de solvente por slido condizente com os princpios de transferncia de massa. A fora motriz durante a transferncia de massa no interior do slido considerada como sendo o gradiente de concentrao, o qual foi maior quando uma maior proporo de solvente por slido foi utilizada, o que resulta num aumento da taxa de difuso. No entanto, a proporo de solvente por slidos no afetou significativamente a difusividade e, desde que as extraes foram cessadas quando o equilbrio foi alcanado, os rendimentos de compostos fenlicos que tambm foram afetadas pelas condies de extrao, por meio de modificaes na solubilidade e interaes soluto-solvente. Assim, a constante de equilbrio tambm foi afetada significativamente pela relao solvente-slido, com ambos os solventes. A solubilidade do slido afectada por alteraes no coeficiente de atividade, que varia com a temperatura e a composio da soluo (Frank, Downey, & Gupta, 1999). As interaes dos compostos com o solvente poderia ter modificado as coeficientes de atividade e, consequentemente, a solubilidade dos compostos. Em resumo, o efeito principal da razo de solvente por slido era modificar a solubilidade e as constantes de equilbrio e, assim, aumentar os rendimentos de fenlicos totais e antocianinas para o mximo na proporo mais elevada de solvente por slido.

3.2. Efeito da temperaturaA uma concentrao constante de etanol ou gua sulfurada, houve um efeito quadrtico de temperatura independente da razo de solvente por slido, com extrao mxima de antocianina em cerca de 30-35 C. No entanto, deve notar-se que o aumento da temperatura para alm de certos valores conduziram a uma reduo no rendimento de antocianina, devido alta sensibilidade de antocianinas a alta temperatura. A temperatura crtica foi de cerca de 35 C e houve uma diminuio acentuada das antocianinas a temperaturas superiores a 45 C. Por exemplo, antocianinas diminuiu em cerca de 70% a 54% do total de compostos fenlicos com um aumento de temperatura de 6-74 C durante a extrao etanol (Cacace & Mazza, 2003).O aumento da temperatura favorece a extrao pelo aumento da solubilidade de antocianinas e aumento do coeficiente de difuso, o que aumenta a taxa de extrao e reduz o tempo de extrao. A solubilidade de um slido puro no inico modelado (Frank et al., 1999) pela expresso

equao (7)

equao (8)

onde xisat a fraco molecular do soluto dissolvido no solvente fase de saturao, Hfus o calor molar de fuso, J mol-1, isat o coeficiente de actividade para o soluto na soluo, o smbolo R representa a constante universal dos gases, J mol-1K-1, Tm o ponto de fuso e T a temperatura absoluta, K. Assim, a solubilidade depende das propriedades do soluto (entropia de fuso e ponto de fuso) e uma propriedade da mistura, tais como o coeficiente de atividade. Baixo ponto de fuso e temperatura elevada favorecem o aumento da solubilidade. Quando isat igual a 1, a solubilidade denominado ideal. A dependncia de temperatura de solubilidade slido no determinado apenas pela solubilidade ideal, mas tambm por alterao do coeficiente de atividade com a temperatura (Frank et al., 1999).Um aumento na temperatura de 6 a 30 C aumentou o rendimento e reduzir o tempo de extrao (Fig. 3) de antocianinas a partir de groselha preta com etanol aquoso e gua sulfurada. No entanto, novos aumentos de temperatura a 40 e 74C resultou em menor rendimento de antocianinas devido degradao. Alm disso, o equilbrio assinttico mximo das curvas isotrmicas eram ainda mais baixo rendimentos a 6 C. No entanto, a taxa de extrao aumentada em todo o intervalo de temperaturas, como pode ser visto a partir das formas das curvas e como confirmado pelos tempos de equilbrio medidos. Este aumento da taxa de extrao est relacionada a um aumento da difusividade. Assim, um dos principais efeitos do aumento da temperatura de extrao foi de aumentar a taxa de extrao e, consequentemente, reduzir o tempo de extrao.

O tempo de equilbrio foi afetado pela concentrao de solvente e pela temperatura. O tempo de equilbrio no foi afetado pela relao solvente-slido, e foi independente da concentrao do extrato final. A superfcie de resposta para o tempo de equilbrio para a extrao de antocianinas (Fig. 4) e de compostos fenlicos (dados no mostrados) exibido um mnimo de ambos os solventes. O tempo de extrao aumentou medida que a temperatura diminui e o aumento era mais visvel em maior concentrao de etanol ou em concentraes de SO2 mais baixas. A concentraes mais elevadas de SO2, o efeito favorvel sobre a difuso por SO2 pode ter compensado pela reduo da taxa de extrao provocada pela temperatura mais baixa, evitando um maior aumento no tempo de extrao. A difusividade mnima deve ocorrer no prazo mximo de extrao. Ilustrando, as difusividades de antocianinas medidos com etanol a 95% e com 6 C, que foram mais baixos e, assim, os tempos necessrios para estas extraes eram mais longos.Utilizando etanol aquoso, um tempo mnimo de 10 minutos de extrao, para as antocianinas foi obtida a 55 C em etanol diludo, bem como a 70 C para a concentrao de etanol superior a 75%. Com gua sulfurada, os tempos mnimos de extrao para antocianinas foram obtidos a uma concentrao de SO2 de 900 ppm e cerca de temperatura de 65 C. No entanto, por causa da degradao da antocianina a alta temperatura, as condies para alcanar o mnimo de tempo de extrao no seria acessvel. Assim, o tempo mnimo para a extrao de antocianinas sem resultando em degradao foi 50-160 min para o etanol (etanol 20-85%) e 40-100 min para gua sulfurada (1300-200 ppm SO2).

3.3. Difusividade efetivaVrias solues de segunda lei de Fick tem sido apresentadas (Carman & Haul, de 1954; Crank, 1975; Schwartzberg & Chao, 1982) para a difuso de um composto durante a extrao lquido-slido. A difuso dentro do slido geralmente taxa controladora. A extenso do controle indicada pelo nmero de massa Biot,

equao (9)

onde KL o coeficiente de transferncia de massa no extrato, o ms-1; a a dimenso caracterstica do slido, m; DS a difusividade no slido, m2 s-1, e m a constante de coeficiente de partio ou distribuio de equilbrio entre a concentrao do soluto no extracto e a concentrao do soluto no slido. Se Bi suficientemente grande o erro no DS devido resistncia externa desprezada ser desprezvel (Schwartzberg & Chao, 1982). Solues de segunda lei de Fick so utilizados para determinar DS assumindo que o DS constante com a concentrao; C = Cb para 0