Solventes verdes associados a ultrassom na extração de carotenoides de Chlorella: uma alternativa para a obtenção de antioxidantes e corantes naturais

Abstract

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um método utilizando solventes verdes combinados com ultrassom para extração de carotenoides de Chlorella sorokiniana, avaliando-se o potencial antioxidante e cocristalizando o extrato com sacarose para aplicação em alimento como ingrediente com dupla função (corante natural e fonte de açúcar). Primeiramente, foi desenvolvido um método rápido de extração de carotenoides de C. sorokiniana utilizando ultrassom de sonda combinado com líquidos iônicos (LIs) e etanol, bem como recuperação e reuso do LI, além da avaliação da atividade antioxidante (AA) e citotoxicidade dos extratos. Foram testados quatro LIs para extração de carotenoides da biomassa, sendo dois (Cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio - [BMIM][Cl]; Cloreto de 1-hexil-3-metilimidazólio [HMIM][Cl]) selecionados para o planejamento experimental fracionário 25-1. Os parâmetros maximizados foram: solvente ([HMIM][Cl]), razão sólido-líquido 1:10, razão LI/co-solvente 1:4, 2 extrações durante 7,5 minutos, com rendimento de extração de 1,29 mg carotenoides/g biomassa seca. Um total de onze carotenoides foram separados e nove foram identificados, sendo os majoritários a luteína e o ß-caroteno. O uso de Amberlite XAD-7HP permitiu a separação do LI (? 91%) e seu reuso por cinco ciclos de extração, com um aumento (? 40%) na recuperação dos pigmentos. A AA dos extratos obtidos usando [HMIM][Cl] e acetona foi de 1,65 µmol e 2,32 µmol de a-tocoferol, respectivamente. Ambos os extratos (= 4,0 µg/mL) não apresentaram toxicidade para células HT22. O estudo explorou ainda a extração de carotenoides de C. sorokiniana com etanol, associada à ultrassom de sonda e de banho e o encapsulamento dos pigmentos por cocristalização em sacarose, estabilidade dos cocristais e aplicação como ingrediente com dupla função. Foi avaliado o teor de carotenoides da biomassa, a eficiência de encapsulamento (EEC), e os cocristais foram avaliados quanto às características espectroscópicas (FTIR), morfologia (MEV) e estabilidade (umidade, atividade de água (aw), carotenoides totais e cor) durante 90 dias. A estabilidade da gelatina em pó adicionada de cocristais e a cor da gelatina pronta para consumo (90 e 7 dias, respectivamente) também foram avaliadas. O uso da condição maximizada com etanol em ultrassom de banho apresentou rendimento de carotenoides similar (1,10 mg/g) ao obtido em ultrassom de sonda (1,19 mg/g). A EEC dos carotenoides foi de 53%. O FTIR demonstrou grupos funcionais característicos de sacarose e carotenoides e o MEV revelou uma estrutura porosa (2 µm a 20 µm) que favoreceu o encapsulamento. Um aumento de umidade e aw, e diminuição nos carotenoides totais foi observado nos cocristais e na gelatina em pó durante o armazenamento. L*, b* e C* se mantiveram estáveis nos cocristais, e na gelatina foram observados menores valores de L*, a*, b* e C* no final do armazenamento. A cor da gelatina pronta para servir adicionada dos cocristais permaneceu estável nos 7 dias de armazenamento. O uso de solventes verdes e ultrassom é promissor para a extração de carotenoides porque apresenta uma abordagem inovadora, sustentável e com bom rendimento de pigmentos. Os cocristais são um novo ingrediente com dupla função, com potencial para substituir corantes artificiais amarelos e como fonte de açúcar em gelatinas.

Abstract: This study aimed to develop a method combining green solvents and ultrasound for extraction of carotenoids from Chlorella sorokiniana, evaluating the antioxidant potential and co-crystallizing the extract with sucrose for application in food as a dual-function ingredient (natural dye and sugar source). Firstly, a fast extraction method was developed using probe ultrasound combined with ionic liquids (ILs) and ethanol. The potential for reuse and recovery of the ILs, as well as the antioxidant activity and cytotoxicity of the carotenoid extracts, were also examined. Four ILs were tested for carotenoid extraction from Chlorella biomass, and two ([BMIM][Cl] ? 1-butyl-3-methylimidazolium chloride; [HMIM][Cl] ? 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride) were selected for the 25?¹ fractional experimental design. The maximized parameters were the following: IL [HMIM][Cl], a 1:10 solid-liquid ratio, a 1:4 IL/co-solvent ratio, two repetitions of extraction with 7.5 minutes (with an extraction yield of 1.29 mg carotenoids/g dry matter). A total of 11 carotenoids were separated, and nine were identified, the major ones being lutein and ß-carotene. [HMIM][Cl] recyclability using resin Amberlite XAD-7HP was efficient for at least five cycles. On average, 91 % of the IL was recovered, and the pigment yield increased by 40 %. The antioxidant activity of the extracts obtained with [HMIM][Cl] and acetone were 1.65 µmol and 2.32 µmol of a-tocopherol, respectively. Both extracts (= 4.0 µg/mL) exhibited no significant toxicity to HT22 cells. The study also explored carotenoid extraction using ethanol, combined with probe and bath ultrasound, followed by pigment encapsulation via co-crystallization with sucrose. The carotenoid extract was quantified and its encapsulation efficiency was assessed. Co-crystals were characterized for FTIR spectra, scanning electron microscopy (SEM), and stability (moisture content, water activity (aw), carotenoid content, and color) over 90 days. Additionally, the stability of gelatin powder with co-crystals and the ready-to-serve gelatin (90 and 7 days, respectively) were also evaluated. The use of the maximized condition with ethanol in bath ultrasound resulted in a carotenoid yield (1.10 mg/g) similar to that obtained with probe ultrasound (1.19 mg/g). The encapsulation efficiency was 53%. FTIR analysis of the co-crystals demonstrated characteristic functional groups of sucrose and carotenoids, while SEM revealed a porous structure (2?20 µm) that facilitated carotenoid entrapment. Over storage, moisture and aw increased, while carotenoid content decreased in both the co-crystals and gelatin powder. L*, b*, and C* remained stable in the co-crystals, while the gelatin showed reductions in L*, a*, b*, and C* at the end of storage. The color of the ready-to-serve gelatin remained stable for seven days. Overall, the use of green solvents and ultrasound represents a promising, innovative, and sustainable strategy for carotenoid extraction with high pigment yields. The co-crystals developed in this study represent a novel dual-function food ingredient with potential to replace artificial yellow dyes and serve as a sugar source in gelatin.