Extração ultrassónica de antocianinas

As antocianinas são amplamente utilizadas como corante natural e aditivo nutricional em produtos alimentares. A extração ultrassónica é uma técnica altamente eficiente e simples para obter antocianinas de elevada qualidade. A utilização de sonicadores de sonda promove a libertação de antocianinas de elevada qualidade das plantas, proporcionando rendimentos mais elevados e um processo rápido. Simultaneamente, a sonicação é uma técnica suave, ecológica e eficiente para a produção industrial de antocianinas de grau alimentar e farmacêutico.

Antocianinas – Como extrair antocianinas de elevada qualidade utilizando um sonicador

As antocianinas são amplamente utilizadas como corantes naturais na indústria alimentar. Apresentam um vasto espectro de tonalidades, desde o laranja, passando pelo vermelho, até ao roxo e ao azul, dependendo da estrutura molecular e do valor de pH. O interesse pelas antocianinas não se baseia apenas no seu efeito corante, mas também nas suas propriedades benéficas para a saúde. Devido às crescentes preocupações ambientais e de saúde relacionadas com os corantes sintéticos, os corantes naturais constituem uma excelente alternativa como corantes amigos do ambiente para as indústrias alimentar e farmacêutica.

Extração de antocianinas melhorada por ultrassons

Como extrair antocianinas com ultrassons? – Estudos de caso

Extração ultrassónica de antocianinas do arroz roxo Oryza Sativa L.

O arroz roxo da estirpe Oryza Sativa (também conhecido como Violet Nori ou arroz violeta) é extraordinariamente rico em compostos fenólicos, como as antocianinas, pertencentes ao grupo dos flavonoides. Turrini et al. (2018) utilizaram a extração ultrassónica para isolar compostos polifenólicos, como antocianinas e antioxidantes, da cariopse (nas formas inteira, integral e vaporizada) e das folhas do arroz roxo. A extração ultrassónica foi realizada utilizando um Hielscher UP200St (200W, 26kHz, imagem à esquerda) e etanol a 60% como solvente.
Para preservar a integridade das antocianinas, os extratos ultrassónicos foram armazenados a −20°C, o que permitiu conservá-los durante pelo menos até três meses.
O glucósido de cianidina-3 (também conhecido como crisântemina) foi, de longe, a principal antocianina detetada nas cultivares ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ e ‘Nerone’ investigadas no estudo de Turrini et al., enquanto o glucósido de peonidina-3 e o rutinósido de cianidina-3 (também conhecido como antirrinina) foram encontrados em quantidades inferiores.
As folhas violetas de Oryza Sativa são uma excelente fonte de antocianinas e de conteúdo fenólico total (TPC). Com uma quantidade aproximadamente 2–3 vezes superior à presente no arroz e na farinha, as folhas de Oryza constituem uma matéria-prima económica para a extração de antocianinas. Um rendimento estimado de cerca de 4 kg de antocianinas/t de folhas frescas é significativamente superior ao de 1 kg de antocianinas/t de arroz, calculado com base nas quantidades médias de antocianinas detetadas no arroz ‘Violet Nori’ (1300 µg/g de arroz, expressas como glucósido de cianidina-3), para um rendimento de cerca de 68 kg de arroz a partir de 100 kg de arroz em casca.

Extração ultrassónica de antocianinas da couve-roxa

Ravanfar et al. (2015) investigaram a eficiência da extração ultrassónica de antocianinas da couve-roxa. As experiências de extração ultrassónica foram realizadas utilizando o sistema ultrassónico UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). O sonotrodo MS10 (diâmetro da ponta de 10mm) foi inserido no centro de um copo de vidro com camisa e temperatura controlada.

Nesta experiência foram utilizados pedaços de couve-roxa recém-cortados com uma dimensão de 5mm (forma cúbica) e um teor de humidade de 92,11 ± 0,45 %. Um copo de vidro com camisa (volume: 200ml) foi preenchido com 100ml de água destilada e 2g de pedaços de couve-roxa. O copo foi coberto com folha de alumínio para evitar a perda de solvente (água) por evaporação durante o processo. Em todas as experiências, a temperatura no copo foi mantida com um controlador termostático. Por fim, as amostras foram recolhidas, filtradas e centrifugadas a 4000rpm, e os sobrenadantes foram utilizados para determinar o rendimento de antocianinas. A extração em banho de água foi realizada como experiência de controlo.
O rendimento ótimo de antocianinas da couve-roxa foi determinado com uma potência de 100 W, um tempo de 30 min e uma temperatura de 15°C, o que resultou num rendimento de antocianinas de cerca de 21 mg/L.
Devido às suas alterações de cor em função do valor de pH e à sua coloração intensa, o corante da couve-roxa tem sido utilizado como indicador de pH em formulações farmacêuticas ou como antioxidante e corante em sistemas alimentares, respetivamente.

Os ultrassons intensificam significativamente a extração de antocianinas de material vegetal.
fonte: Ravanfar et al. 2015

 
Outros estudos demonstram o sucesso da extração ultrassónica de antocianinas de mirtilos, amoras, uvas, cerejas, morangos e batata-doce roxa, entre outros.

Extratores ultrassónicos de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é especializada no fabrico de processadores ultrassónicos de elevado desempenho para a produção de extratos de elevada qualidade a partir de matérias-primas vegetais.
A vasta gama de sonicadores da Hielscher abrange desde sonicadores de laboratório pequenos e potentes até sistemas de bancada robustos e sistemas totalmente industriais, que fornecem ultrassons de elevada intensidade para a extração e o isolamento eficientes de substâncias bioativas (por exemplo, antocianinas, gingerol, piperina, curcumina etc.).
Todos os sonicadores de 200W a 16 000W dispõem de um ecrã tátil a cores para controlo digital, um cartão SD integrado para registo automático de dados, controlo remoto através do navegador e muitas outras funcionalidades fáceis de utilizar. Os sonotrodos e as células de fluxo (as peças que estão em contacto com o meio) podem ser esterilizados em autoclave e são fáceis de limpar.
Os sonicadores da Hielscher são muito robustos e concebidos para funcionar 24/7 sob carga máxima, exigindo pouca manutenção e sendo fáceis e seguros de operar. Um ecrã digital a cores permite controlar o sonicador de forma simples.
Os nossos sistemas são capazes de fornecer amplitudes desde baixas até muito elevadas. Para a extração de canabinoides e terpenos, disponibilizamos sonotrodos ultrassónicos especiais (também conhecidos como sondas ou cornetas ultrassónicas), otimizados para o isolamento suave de substâncias ativas de elevada qualidade. Todos os nossos sistemas podem ser utilizados para a extração e a posterior emulsificação de canabinoides. A robustez dos sonicadores da Hielscher permite o funcionamento contínuo (24/7) em regime intensivo e em ambientes exigentes.

O controlo preciso dos parâmetros do processo ultrassónico garante a reprodutibilidade e a normalização do processo.
 

A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Bibliografia / Referências

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Informações úteis

Como funciona a extração assistida por ultrassons?

A aplicação de ondas ultrassónicas intensas a um meio líquido provoca cavitação. O fenómeno de cavitação origina localmente temperaturas, pressões, taxas de aquecimento/arrefecimento e diferenças de pressão extremas, bem como forças de cisalhamento elevadas no meio. Quando as bolhas de cavitação implodem à superfície de sólidos (como partículas, células vegetais, tecidos, etc.), os microjatos e as colisões entre partículas geram efeitos como descamação superficial, erosão e fragmentação de partículas. Além disso, a implosão das bolhas de cavitação em meios líquidos cria macroturbulência e micromistura.
A irradiação ultrassónica do material vegetal fragmenta a matriz das células vegetais e melhora a sua hidratação. Chemat et al (2015) concluem que a extração ultrassónica de compostos bioativos de matérias-primas vegetais resulta de diferentes mecanismos independentes ou combinados, incluindo fragmentação, erosão, capilaridade, desestruturação e sonoporação. Estes efeitos provocam a rutura da parede celular, melhoram a transferência de massa ao impelir o solvente para o interior da célula e ao aspirar para o exterior o solvente carregado de compostos vegetais, e asseguram o movimento do líquido através da micromistura.

A extração ultrassónica baseia-se na cavitação acústica e nas suas forças de cisalhamento hidrodinâmicas

A irradiação ultrassónica do material vegetal fragmenta a matriz das células vegetais e melhora a sua hidratação. Chemat et al. (2015) concluem que a extração ultrassónica de compostos bioativos de matérias-primas vegetais resulta de diferentes mecanismos independentes ou combinados, incluindo fragmentação, erosão, capilaridade, desestruturação e sonoporação. Estes efeitos provocam a rutura da parede celular, melhoram a transferência de massa ao impelir o solvente para o interior da célula e ao aspirar para o exterior o solvente carregado de compostos vegetais, e asseguram o movimento do líquido através da micromistura.
A extração ultrassónica permite um isolamento muito rápido dos compostos – superando os métodos de extração convencionais com um tempo de processamento mais curto, um rendimento mais elevado e temperaturas mais baixas. Sendo um tratamento mecânico suave, a extração assistida por ultrassons evita a degradação térmica dos componentes bioativos e destaca-se em comparação com outras técnicas, como a extração convencional com solventes, a hidrodestilação ou a extração Soxhlet, conhecidas por destruírem moléculas sensíveis ao calor. Devido a estas vantagens, a extração ultrassónica é a técnica preferida para a libertação de compostos bioativos sensíveis à temperatura de matérias-primas vegetais.

Extração ultrassónica de células vegetais: o corte transversal microscópico (TS) mostra o mecanismo de ação durante a extração ultrassónica de células (ampliação de 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]

Antocianina – Um pigmento vegetal valioso

As antocianinas são pigmentos vegetais vacuolares que podem apresentar cor vermelha, roxa, azul ou preta. A expressão da cor dos pigmentos antociânicos hidrossolúveis depende do seu valor de pH. As antocianinas encontram-se no vacúolo celular, sobretudo nas flores e nos frutos, mas também nas folhas, nos caules e nas raízes, onde estão presentes principalmente nas camadas celulares exteriores, como a epiderme e as células periféricas do mesófilo.
Os glicósidos de cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina e petunidina são os que ocorrem com maior frequência na natureza.
Entre os exemplos relevantes de plantas ricas em antocianinas contam-se as espécies de Vaccinium, como os mirtilos, os arandos-vermelhos e os mirtilos-silvestres; os frutos de Rubus, incluindo framboesas pretas, framboesas vermelhas e amoras; a groselha-preta, a cereja, a beringela, o arroz preto, o ube, a batata-doce de Okinawa, a uva Concord, a uva muscadina, a couve-roxa e as pétalas de violeta. Os pêssegos e as maçãs de polpa vermelha contêm antocianinas. As antocianinas são menos abundantes na banana, nos espargos, na ervilha, no funcho, na pera e na batata, e podem estar totalmente ausentes em certas cultivares de groselhas verdes.

Estrutura das principais antocianinas

As antocianinas são uma excelente alternativa para substituir os agentes corantes sintéticos nos produtos alimentares. As antocianinas estão aprovadas para utilização como corantes alimentares na União Europeia, na Austrália e na Nova Zelândia, com o código de corante E163. As antocianinas encontram-se em frutos e produtos hortícolas e podem ser descritas como um tipo de pigmentos vegetais hidrossolúveis. Quimicamente, as antocianinas são glicósidos de antocianidinas baseados na estrutura 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Existem mais de 200 compostos fitoquímicos distintos que pertencem à categoria das antocianinas. Sendo um dos principais pigmentos de cor nos frutos silvestres e nas bagas, existem muitas fontes das quais se podem extrair antocianinas. Uma fonte importante de antocianinas é a película das uvas. Os pigmentos antociânicos da película das uvas consistem principalmente em diglucósidos, monoglucósidos, monoglucósidos acilados e diglucósidos acilados de peonidina, malvidina, cianidina, petunidina e delfinidina. O teor de antocianinas nas uvas varia entre 30–750mg/100g.
As antocianinas mais relevantes são a cianidina, a delfinidina, a pelargonidina, a peonidina, a malvidina e a petunidina.
Por exemplo, as antocianinas peonidina-3-cafeoil-p-hidroxibenzoil soforósido-5-glucósido, peonidina-3-(6″-cafeoil-6‴-feruloil soforósido)-5-glucósido e cianidina-3-cafeoil-p-hidroxibenzoil soforósido-5-glucósido encontram-se nas batatas-doces roxas.

Antocianinas – Benefícios para a saúde

Além da sua grande capacidade de atuar como corante alimentar natural, as antocianinas são muito valorizadas pelos seus efeitos antioxidantes. Por conseguinte, as antocianinas apresentam muitos efeitos positivos para a saúde. A investigação demonstrou que as antocianinas podem inibir os danos no ADN em células cancerígenas, inibir enzimas digestivas, induzir a produção de insulina em células pancreáticas isoladas, reduzir respostas inflamatórias, proteger contra o declínio da função cerebral relacionado com a idade, melhorar a estanquidade dos vasos sanguíneos capilares e prevenir a agregação de trombócitos.