Extração, identificação, quantificação e microencapsulamento por atomização e liofilização de compostos bioativos dos cálices de hibisco (hibiscus sabdariffa l.)

Abstract

O interesse pela extração dos compostos bioativos, a partir de fontes naturais, para o emprego na produção de alimentos funcionais tem aumentado, devido, principalmente, à crescente demanda por parte dos consumidores, por produtos mais saudáveis e que possam trazer benefícios à saúde. Dentre as fontes naturais de compostos bioativos, destaca-se o hibisco (Hibiscus sabdariffa L.), que é rico em antocianinas, flavonoides, ácidos fenólicos, carotenoides, dentre outros. Entretanto, quando os compostos bioativos são separados de suas matrizes, estes se tornam altamente instáveis frente a diversos fatores ambientais, necessitando serem protegidos. O recobrimento por microencapsulamento é uma alternativa para retardar a degradação desses compostos. Este estudo teve como objetivo a extração, identificação, quantificação e microencapsulamento por atomização e liofilização dos compostos bioativos dos cálices do hibisco. Primeiramente, foi realizada a extração exaustiva total dos carotenoides e compostos fenólicos por meio de solventes orgânicos, para a identificação e quantificação desses compostos. Também foi estudada a extração de antocianinas e demais compostos fenólicos por meio de solvente aquoso acidificado (ácido cítrico 2 %, p/v). A partir do melhor tratamento de extração, o extrato obtido foi microencapsulado mediante atomização e liofilização, empregando goma arábica (GA), goma guar parcialmente hidrolisada (GGPH) e polidextrose (PD) como agentes encapsulantes, na concentração de 10%. Os carotenoides e compostos fenólicos foram identificados e quantificados por HPLC-DAD-MS/MS (cromatografia líquida de alta eficiência com detecção por arranjo de diodos e espectrometria de massa). Vinte e um carotenoides foram encontrados, dos quais, quinze foram identificados. O total de carotenoides nos cálices de hibisco foi de 641,38 ± 23,61 μg/100 g massa fresca, sendo a all-trans-luteína e o all-trans--caroteno os compostos majoritários, representando 49 e 23%, respectivamente. Para os compostos fenólicos, foram encontrados vinte compostos, dos quais, catorze foram identificados. As antocianinas foram os compostos majoritários nos cálices de hibisco, sendo que a delfinidina 3-sambubiosídeo e cianidina 3-sambubiosídeo representaram 41 e 13% do total de compostos fenólicos, respectivamente. Dentre os ácidos fenólicos, os componentes majoritários foram o ácido 3-cafeoilquínico e ácido 5-cafeoilquínico, representando 15 e 13% do total de compostos fenólicos, respectivamente. Para a extração aquosa acidificada, foi utilizado um planejamento experimental fatorial fracionado (24-1), com quatro fatores: concentração de enzima, temperatura, velocidade de agitação e tempo de extração. A partir da ANOVA, os efeitos principais e de interação foram avaliados, tendo como respostas Chroma, antocianinas monoméricas totais (TMA), capacidade redutora, ABTS e compostos fenólicos. A partir dos resultados, o melhor tratamento foi: 55 °C, 50 μL de enzima/1000 g extrato, 400 rpm e 4 horas de extração, obtendo-se nessa condição de extração 3,82 mg/g extrato em base seca para TMA e 17,59 mg/g de extrato em base seca para compostos fenólicos totais, que resultou em capacidade antioxidante de 7,72 μmol Eq. Trolox/g de extrato em base seca, avaliado por ABTS e de 3,96 mg GAE/g de de extrato em base seca, avaliado pela capacidade redutora. Este extrato foi empregado no estudo de encapsulamento, por atomização (140 ºC) e liofilização (-68 ºC por 24 horas), utilizando GA, GGPH e PD como encapsulantes. Observou-se que o melhor tratamento foi por liofilização empregando GA como encapsulante, resultando em 2,83 mg/g amostra em base seca para TMA, capacidade antioxidante de 2,98 mg GAE/g amostra em base seca e 5.67 μmol Eq. Trolox/g amostra em base seca, avaliados por capacidade redutora e ABTS, respectivamente. Entretanto, quando foram avaliadas as propriedades físicas e morfológicas dos pós, as amostras elaboradas por atomização e usando GA e GGPH apresentaram os melhores desempenhos, onde os valores de solubilidade, higroscopicidade e umidade foram de 95,8 e 95,2%, 31,3 e 28,9%, 1,9 e 2,4%, respectivamente. Para a temperatura de transição vítrea (Tg), os tratamentos que utilizaram GA e GGPH nos dois métodos de encapsulamento, tiveram os maiores valores de Tg, variando de 10,9 a 17,4 ºC. Já para os tratamentos que utilizaram a PD como material de parede, os valores foram de (0,7 °C), tanto na atomização como na liofilização. Na microscopia também foi observado um melhor desempenho nas micropartículas atomizadas usando GA e GGPH, as quais mostraram partículas mais esféricas e sem tendência de atração e aderência entre si. Em relação ao diâmetro médio de partícula (D[4, 3]), os tratamentos liofilizados tiveram partículas maiores que os atomizados, variando de 101,7 a 143,1 μm para os liofilizados, e de 5,4 a 7,3 μm para os atomizados. Quanto ao span, o qual avalia distribuição de tamanho de partícula, variou de 1,90 a 2,00 para as amostras atomizadas e de 3,06 a 3,19 para as amostras liofilizadas, indicando que houve uma boa uniformidade na distribuição de tamanho de partícula. Conclui-se que o hibisco é uma matriz com ampla composição de compostos bioativos e tem potencial para aplicação em alimentos.

The interest in the extraction of bioactive compounds from natural sources, for use in the production of functional foods has increased, mainly due to the growing demand by consumers for healthier products and can bring health benefits. Among the natural sources of bioactive compounds, stands out the hibiscus (Hibiscus sabdariffa L.), which is rich in anthocyanins, flavonoids, phenolic acids, carotenoids, among others. However, when the bioactive compounds are separated from their matrix, they become highly unstable against various environmental factors and need to be protected. The coating by microencapsulation is an alternative to slow the degradation of these compounds. This study aimed at the extraction, identification, quantification and microencapsulation by spray drying and freeze drying of bioactive compounds of hibiscus calyces. Firstly, a thorough exhaustive extraction of carotenoids and phenolic compounds by organic solvents was performed for identification and quantification of these compounds. The extraction of anthocyanins was also studied along with other phenolic compounds by an aqueous solvent acidified (2% citric acid, w/v). From the best treatment for extraction, the extract obtained was microencapsulated by spray drying and freeze drying using Arabic gum (GA), partially hydrolyzed guar gum (PHGG) and polydextrose (PD) as encapsulating agents in a concentration of 10%. Carotenoids and phenolic compounds were identified and quantified by HPLC-DAD-MS/MS (high-performance liquid chromatography with diode array detection and mass spectrometry). Twenty-one carotenoids were found, of which fifteen were identified. The total carotenoids in hibiscus calyces was 641.38 ± 23.61 mg/100 g fresh weight, with the all-trans-lutein and all-trans-β-carotene the major compounds, representing 49 and 23%, respectively. Regarding the phenolic compounds it was found twenty of those, of which fourteen have been identified. Anthocyanins were the main components in the hibiscus calyces, and delphinidin and cyanidin 3-sambubioside 3-sambubioside represented 41 and 13% of total phenolic compounds, respectively. Among the phenolic acids, the major components were the 3-caffeoylquinic acid and 5-caffeoylquinic acid, representing 15 and 13% of total phenolic compounds, respectively. For acidified aqueous extraction, we used a fractional factorial design (24-1) with four factors: enzyme concentration, temperature, stirring speed and extraction time. From the ANOVA, the main and interaction effects were assessed as answers: Chroma, total anthocyanins monomeric (TMA), reducing capacity, ABTS and phenolic compounds. From the results, the best treatment was with 55 °C, 50 μL of enzyme/1000 g extract, 400 rpm and 4 hours of extraction, it was obtained in this extraction condition 3.82 mg/g extract on a dry basis for TMA and 17.59 mg/g extract on a dry basis for phenolic compounds, which resulted in antioxidant capacity of 7.72 μmol Eq. Trolox/g extract on a dry basis, evaluated by ABTS and 3.96 mg GAE/g extract on a dry basis, assessed by reducing capacity. This extract was used for the encapsulation study, by spray drying (140 °C) and freeze drying (-68 ° C for 24 hours) using GA, PHGG, and PD as encapsulants. It was observed that the best treatment is by freeze drying using GA as encapsulant, resulting in 2.83 mg/g sample on dry basis for TMA, antioxidant capacity of 2.98 mg GAE/g sample on dry basis and 5.67 μmol Eq. Trolox/g sample on dry basis, evaluated by reducing capacity and ABTS, respectively. However, when we evaluated the physical and morphological properties of powders, samples prepared by spray drying and using GA and PHGG showed the best performance, and the values for solubility, hygroscopicity and moisture were 95.8 and 95.2%, 31.3 and 28.9%, 1.9 and 2.4%, respectively. For the glass transition temperature (Tg), treatments with GA and PHGG on both encapsulation methods had high Tg values ranging from 10.9 to 17.4 °C. As for treatments of PD as wall material, the values were (0.7 °C), both the spray drying as in freeze drying. In microscopy was also observed improved performance in spray-dried microparticles using GA and PHGG, which showed more spherical particles and with no tendency to attract and adhere to each other. Regarding the average particle diameter (D [4, 3]), the freeze-dried treatments had higher spray-dried particles ranging from 101.7 to 143.1 μm for freeze-dried, and 5.4 to 7.3 μm for spray-dried. As the span, which assesses particle size distribution ranged from 1.90 to 2.00 for spray-dried samples and 3.06 to 3.19 for the freeze-dried samples, indicating that there was a good uniformity in the size in the distribution of the size of the particle. It follows that hibiscus is a matrix with broad composition and bioactive compounds have potential for application in foods.