Produção de extratos bioativos a partir de resíduos de Quercus cerris por extração supercrítica com solventes verdes

Abstract

Esta dissertação teve como objetivo estudar a produção e caracterização de extratos ricos em compostos bioativos (nomeadamente fridelina) a partir de cortiça de Quercus cerris. Realizaram-se extrações Soxhlet e extrações sólido-líquido (SLE) em descontínuo com metanol, etanol, diclorometano e éter de petróleo, assim como extração supercrítica (SFE) com dióxido de carbono modificado (por adição de etanol). Os extratos produzidos foram caracterizados por FTIR-ATR e GC-MS e o método de escalonamento multidimensional (MDS) foi aplicado para comparação dos mesmos. Realizou-se uma otimização experimental de SFE, usando um desenho fatorial de experiências do tipo Box-Behnken e a metodologia de superfícies de resposta. O rendimento total de extração (𝜂Total) máximo foi obtido para o ensaio Soxhlet com metanol (𝜂Total = 13.8 wt.%) e o rendimento mínimo foi obtido para extração sólido-líquido em descontínuo com éter de petróleo (𝜂Total = 0.35 wt.%). Registou-se uma variabilidade significativa dos valores de 𝜂Total, marcada pelos rendimentos superiores para extração com solventes polares, nomeadamente metanol e etanol. No caso da extração supercrítica, 𝜂Total variou de 1.2 wt.% no ensaio SFE3 (50 ℃, 2.5 wt.% EtOH, 5 g min−1) até 1.7 wt.% no ensaio SFE4 (60 ℃, 2.5 wt.% EtOH, 8 g min−1). Em termos de concentração em fridelina (𝐶Friedelin), os resultados oscilaram entre 41.3 wt. % (Soxhlet com diclorometano) e 5.4 wt. % (SLE em descontínuo com éter de petróleo). Os melhores resultados em termos de 𝐶Friedelin foram os que envolveram solventes pouco polares/apolares. Os ensaios SFE atingiram resultados de 𝐶Friedelin melhores do que a maioria dos ensaios de extração Soxhlet e sólido-líquido em descontínuo, o que confirma a interessante seletividade do processo para a fridelina. A análise MDS destacou a maior proximidade química entre os extratos alcoólicos e a biomassa, e entre os extratos de solventes apolares ou pouco polares e a fridelina pura. Para a otimização experimental de SFE da cortiça Q. cerris, as condições que maximizam 𝜂Total (2.2 wt.%) e 𝛼F,nF (3.3 para t = 8.0 h) são valores máximos de 𝑇 (60 ℃), teor de etanol (5 wt.%) e de caudal de CO2 (11 g min−1). De registar os valores de seletividade superior a 1.0 no espaço experimental estudado, o que confirma que a fridelina é removida seletivamente por SFE. No caso de 𝐶Friedelin, o valor máximo (38.2 wt.%) foi obtido para a combinação de baixa temperatura (40 ℃), ausência de cossolvente (0 wt.% EtOH) e menor caudal (5 g min−1). Em definitivo, as condições ótimas dependerão de qual o principal objetivo da extração: um extrato rico numa maior diversidade de compostos (maior 𝜂Total) ou em compostos alvo como a fridelina (maior 𝐶Friedelin). No geral, este trabalho fornece argumentos importantes para a produção de extratos ricos em fridelina a partir da cortiça de Quercus cerris, através da tecnologia SFE no âmbito do conceito de biorrefinaria

The present work studied the production and characterization of extracts rich in bioactive compounds (namely friedelin) from Quercus cerris cork. Soxhlet and batch solid-liquid extraction (SLE) with methanol, ethanol, dichloromethane and petroleum ether were carried out, as well as supercritical fluid extraction (SFE) using modified carbon dioxide (by addition of ethanol). The produced extracts were characterized by FTIR-ATR and GC-MS, and multidimensional scaling (MDS) was applied to compare them. The optimization of SFE was performed using Box-Behnken design of experiments and response surface methodology. The maximum total extraction yield (𝜂Total) was attained for the Soxhlet extraction with methanol (𝜂Total = 13.8 wt.%) and the minimum was attained in batch SLE with petroleum ether (𝜂Total = 0.35 wt.%). A significant variability of 𝜂Total values was evident, marked by the higher yields obtained with polar solvents, namely methanol and ethanol. For the supercritical fluid extractions, 𝜂Total ranged from 1.2 wt.% for run SFE3 (50 ℃, 2.5 wt.% EtOH, 5 g min−1) to 1.7 wt.% for run SFE4 (60 ℃, 2.5 wt.% EtOH, 8 g min−1). For friedelin concentration (𝐶Friedelin), the results ranged from 41.3 wt.% (Soxhlet with dichloromethane) to 5.4 wt.% (batch SLE with methanol). The best performing assays on 𝐶Friedelin were those involving weakly polar/non-polar solvents. The SFE assays provided 𝐶Friedelin results better than most Soxhlet and batch SLE experiments, which confirms the interesting selectivity to friedelin (𝛼F,nF). MDS analysis highlighted the chemical proximity between the alcoholic extracts and the biomass, and between the weakly or non-polar solvent extracts and pure friedelin. For the experimental optimization of SFE of Q. cerris cork, the conditions that maximize 𝜂Total (2.2 wt.%) and 𝛼F,nF (3.3 at t = 8.0 h) were the maximum values of 𝑇 (60 ℃), ethanol content (5 wt.%) and CO2 flow rate (11 g min−1). In fact, the selectivity values were higher than 1.0 anywhere within the studied experimental space, which shows that friedelin can be removed selectively over all the other compounds by SFE. For friedelin concentration, the maximum (𝐶Friedelin= 38.2 wt.%) was attained for the combination of a lower temperature (40 ℃), no cosolvent (0 wt.% EtOH) and lower CO2 flow rate (5 g min−1). The optimal conditions depend on what is the main goal of extraction: an extract enriched in a higher diversity of compounds (higher 𝜂Total) or in a target compound like friedelin (higher 𝐶Friedelin). On the whole, this work provides strong arguments towards the production of friedelin enriched extracts from Quercus cerris cork through SFE technology, under the biorefinery concept