Enhanced extraction of phenolic compounds using biobased solvents as hydrotropes

Abstract

Enhancement of solubilization of poorly soluble substances in aqueous media plays a significant role in the extraction and purification of bioactive compounds, such as phenolic compounds, as well as in their formulation and bioavailability studies. Hydrotropic extraction is emerging as a promising alternative for the bioactive compounds recovery from organic matrices and the design of novel sustainable extraction processes since it is based on aqueous solutions. In this scenario, the principal objective is to study the mechanism of action of novel hydrotropes based on glycerol ethers and alkanediols, to enhance the solubility of phenolic compounds. For that purpose, solubilities, proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (¹H-NMR), polarity index I₁/I₃ involving fluorescence, and Kamlet-Taft empirical parameters measurements provided the information rationalized using the cooperative-hydrotrope and Setschenow models to clarify the molecular mechanisms and lead to the enhanced design of novel hydrotropes. In a final step, the best hydrotropes identified will be applied to the extraction of phenolic compounds from juçara’s fruit. Solubility measurements using glycerol ethers and alkanediols as hydrotropes have demonstrated the exceptional ability of these solvents to increase the solubility of hydrophobic compounds. ¹H-NMR measurements rationalized by a computational model demonstrate that the apolarity of both solute and hydrotrope is the driving force of hydrotropy. The cooperative model of hydrotrope satisfactorily described the experimental data, and the calculated parameters corroborate with the proposed apolarity model, as well as the Setschenow constants. Finally, extraction experiments using alkanediols and glycerol ethers as solvents for anthocyanins recovery from juçara’s fruit demonstrated to be these solvents as efficient as ethanol, one of the preferred solvents in extraction processes from biomass, generating extracts with a high concentration of phenolic compounds and antioxidant activity, and readily available for cosmetic applications.

O aumento da solubilidade de substâncias pouco solúveis em água desempenha um papel importante na extração e purificação de compostos bioativos, como os compostos fenólicos, bem como em sua formulação e estudos de biodisponibilidade. A extração hidrotrópica está emergindo como uma alternativa promissora para a recuperação de compostos bioativos de matrizes orgânicas e para o desenho de novos processos de extração mais sustentáveis, uma vez que é baseada em soluções aquosas. Nesse cenário, o objetivo deste trabalho é estudar o mecanismo de ação de novos hidrotropos baseados em éteres de glicerol e alcanodióis, para aumentar a solubilidade de compostos fenólicos. Para esse efeito, medições de solubilidades, espectroscopia de ressonância magnética nuclear de prótons (¹H-RMN), índice de polaridade I₁/I₃ envolvendo fluorescência e parâmetros empíricos Kamlet-Taft forneceram as informações que foram racionalizadas usando os modelos cooperativo-hidrótropo e Setschenow para esclarecer os mecanismos moleculares, e levar ao design aprimorado de novos hidrotropos. Em uma etapa final, os melhores hidrotropos identificados foram aplicados na extração de compostos fenólicos da fruta juçara. As medições de solubilidade usando éteres de glicerol e alcanodióis como hidrótropos demonstraram a capacidade excepcional desses solventes para aumentar a solubilidade de compostos hidrofóbicos. As medições de ¹H-RMN racionalizadas por um modelo computacional demonstram que a apolaridade do soluto e do hidrótropo é a força motriz da hidrotropia. O modelo cooperativo- hidrótropo descreveu satisfatoriamente os dados experimentais e os parâmetros calculados corroboram o modelo de apolaridade proposto, assim como as constantes de Setschenow. Por fim, as extrações utilizando sistemas aquosos de alcanodiois e éteres de glicol como solventes para recuperação de antocianinas da fruta de juçara demonstraram que esses solventes são tão eficientes quanto o etanol, um dos solventes mais utilizados nos processos de extração de biomassa, gerando extratos com alta concentração de compostos fenólicos, alta atividade antioxidante e prontamente disponíveis para aplicações cosméticas.