Supercritical extraction of costus spicatus leafs combined with ultrasound pretreatment: experimentation and modeling

Abstract

Plantas medicinais, como o Costus spicatus, são uma fonte promissora para o isolamento do ácido linolênico, precursor do ômega-3. Esta tese aplica técnicas de extração de baixa pressão (LPE: MAC, UAE, SOX) e alta pressão (SFE, UAE+SFE) para avaliar seu impacto em vários aspectos: rendimento, composição química, propriedades biológicas (como citotoxicidade, redução de óxido nítrico, conteúdo de flavonoides, fenólicos totais, atividade antioxidante, antimicrobiana e antiviral contra HSV-1) e características físico-químicas (incluindo micrografia eletrônica de varredura, estrutura microscópica, estabilidade acelerada e termoestabilidade). Também investiga os efeitos da combinação UAE+SFE no processo de SFE, com o objetivo de otimizar o rendimento e o perfil químico utilizando o Delineamento Composto Central. Para complementar, foram desenvolvidos dois modelos no COMSOL Multiphysics®: I - dinâmico (SFE) e II - batelada (UAE), para investigar os efeitos da pressão (8-20 MPa), temperatura (36-64 °C) e concentração de co-solvente no SFE (0-20% EtOH) e analisar os parâmetros que influenciam na extração os compostos ácido linolênico, ácido palmítico e friedelin. O perfil químico foi determinado por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC/MS). Nas extrações foram utilizados como solventes etanol, água e uma mistura de etanol: água (50% v/v). Na UAE, foram avaliadas diferentes condições, como ponteira, amplitude da sonificação, tempo e tipo de solvente, sendo o maior rendimento (8.59%) alcançado com macroponteira, 70% de amplitude e 1 min de extração. A composição química variou conforme o solvente, sendo o EtOH o que revelou mais compostos. A combinação UAE+SFE não apenas aumentou o rendimento (6.97%), mas também a seletividade do ácido linolênico, atingindo 62.52% em 60 °C/11 MPa/5 % EtOH. O extrato UAE+SFE mostrou forte atividade antimicrobiana comparado ao SFE. LPE e UAE+SFE não reduziram a viabilidade celular a 100 µg mL-1. UAE+SFE inibiu o óxido nítrico em mais de 90% nas concentrações de 30 a 300 µg mL-1. O extrato com EtOH mostrou altos níveis de flavonoides (150.38?1328.73 mg GAE g-1), e UAE+SFE melhorou a recuperação desses compostos comparados ao SFE isolado. A atividade antioxidante foi maior com ABTS, e todos os extratos exibiram atividade antibacteriana contra B. cereus. UAE+SFE também foi mais eficaz contra HSV-1. A análise MEV mostrou que a amostra tratada com UAE+SFE apresentava microfissuras densas nas estruturas do tecido, e a microscopia confocal confirmou autofluorescência, evidenciando maior eficiência na extração de gotículas lipídicas. O extrato UAE+SFE mostrou estabilidade térmica em análises TG e DTG. Nas simulações, o modelo I indicou que o rendimento, coeficiente de transferência de massa (hD,i) e coeficiente de difusão na partícula (Dpe,i) aumentam com pressão, temperatura e concentração de etanol, enquanto o coeficiente de transferência de massa no fluido (DF,i) diminui. O modelo II evidenciou que o tratamento ultrassônico melhorou o rendimento e kD,i para todos os compostos. Assim, a modelagem permite melhor discernir os mecanismos intervenientes na obtenção de compostos bioativos, que são promissores para as indústrias cosmética, farmacêutica e alimentícia.

Abstract: Medicinal plants, such as Costus spicatus, are a promising source for the isolation of linolenic acid, a precursor of omega-3. This thesis applies low-pressure extraction (LPE: MAC, UAE, SOX) and high-pressure extraction (SFE, UAE+SFE) techniques to evaluate their impact on several aspects: yield, chemical composition, biological properties (such as cytotoxicity, nitric oxide reduction, flavonoid content, total phenolics, antioxidant, antimicrobial and antiviral activity against HSV-1) and physicochemical characteristics (including scanning electron micrograph, microscopic structure, accelerated stability and thermostability). It also investigates the effects of the UAE+SFE combination on the SFE process, aiming to optimize the yield and chemical profile using the Central Composite Design. To complement, two models were developed in COMSOL Multiphysics®: I - dynamic (SFE) and II - batch (UAE), to investigate the effects of pressure (8-20 MPa), temperature (36-64 °C) and co-solvent concentration on the SFE (0-20% EtOH) and to analyze the parameters that influence the extraction of the compounds linolenic acid, palmitic acid and friedelin. The chemical profile was determined by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS). Ethanol, water, and ethanol: water mixture (50% v/v) were used as solvents in the extractions. In UAE, different conditions were evaluated, such as tip, sonication amplitude, time, and solvent type, with the highest yield (8.59%) being achieved with macrotip, 70% amplitude, and 1 min of extraction. The chemical composition varied according to the solvent, with EtOH revealing more compounds. The UAE+SFE combination increased the yield (6.97%) and the selectivity of linolenic acid, reaching 62.52% at 60 °C/11 MPa/5% EtOH. The UAE+SFE extract showed strong antimicrobial activity compared to SFE. LPE and UAE+SFE did not reduce cell viability at 100 µg mL-1. UAE+SFE inhibited nitric oxide by more than 90% at 30 to 300 µg mL-1 concentrations. The EtOH extract showed high levels of flavonoids (150.38?1328.73 mg GAE g-1), and UAE+SFE improved the recovery of these compounds compared to SFE alone. Antioxidant activity was higher with ABTS, and all extracts exhibited antibacterial activity against B. cereus. UAE+SFE was also more effective against HSV-1. SEM analysis showed that the sample treated with UAE+SFE presented dense microcracks in the tissue structures, and confocal microscopy confirmed autofluorescence, evidencing greater efficiency in the extraction of lipid droplets. The UAE+SFE extract showed thermal stability in TG and DTG analyses. In the simulations, model I indicated that the yield, mass transfer coefficient (hD,i), and particle diffusion coefficient (Dpe,i) increase with pressure, temperature, and ethanol concentration while the fluid mass transfer coefficient (DF,i) decreases. Model II showed that ultrasonic treatment improved the yield and kD,i for all compounds. Thus, the modeling allows better discernment of the mechanisms involved in the production of bioactive compounds, which are promising for the cosmetic, pharmaceutical, and food industries.