REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ch10202503130955
Ronald Almeida Santos
Natália Thomaz Ribeiro
Orientador: Alana Melo Dos Santos
Resumo: A extração de carotenoides, pigmentos com importantes propriedades nutricionais e funcionais, é frequentemente limitada pela eficiência e pela escolha dos métodos de ruptura e extração. Os métodos tradicionais podem resultar em perdas significativas de compostos bioativos, além de utilizarem solventes que podem ser prejudiciais à saúde e ao meio ambiente. Assim, torna-se necessário investigar quais técnicas de ruptura e extração são mais eficazes e sustentáveis para a obtenção de carotenoides a partir de fontes vegetais. Nesse contexto, este estudo teve como objetivo geral compreender a eficiência de diferentes métodos de ruptura e extração de carotenoides, buscando identificar as técnicas mais adequadas em termos de rendimento, pureza e sustentabilidade. A metodologia selecionada foi a Revisão de literatura, tendo como resultado a percepção de que a extração de carotenoides, com foco na luteína, e as metodologias de ruptura e extração para otimizar o rendimento, pureza e sustentabilidade desses compostos devem ser sempre aprimoradas. Conclui-se que a busca por métodos mais eficazes reflete um compromisso com a saúde humana e o meio ambiente, alinhando-se às diretrizes da Química Verde.
Palavra-chave: Métodos. Carotenoides. Extração. Ruptura.
Abstract: The extraction of carotenoids, pigments with important nutritional and functional properties, is often limited by efficiency and the choice of rupture and extraction methods. Traditional methods can result in significant losses of bioactive compounds, in addition to using solvents that can be harmful to health and the environment. Therefore, it is necessary to investigate which rupture and extraction techniques are most effective and sustainable for obtaining carotenoids from plant sources. In this context, this study had as its general objectives to understand the efficiency of different methods of rupture and extraction of carotenoids, seeking to identify the most appropriate techniques in terms of yield, purity and sustainability. The selected methodology was the Literature Review, resulting in the perception that the extraction of carotenoids, with a focus on lutein and important, and the rupture and extraction methodologies to optimize the yield, purity and sustainability of these compounds must always be improved. Concluding that the search for more effective methods reflects a commitment to human health and the environment, aligning with the guidelines of Green Chemistry.
Keyword: Methods. Carotenoids. Extraction. Rupture.
1. INTRODUÇÃO
A química desempenha um papel essencial na produção de diferentes produtos importantes para a humanidade, e busca incorporar a sustentabilidade ambiental em seus processos. Para Fraga et al. (2023) isso envolve a utilização de métodos que minimizam ou eliminam o uso de solventes e reagentes prejudiciais à saúde e ao meio ambiente. Um exemplo dessa abordagem é a extração de carotenoides, pigmentos fundamentais para a saúde humana, influenciando a resposta imunológica, a comunicação celular e a prevenção de doenças relacionadas ao envelhecimento.
A luteína, segundo Lira. et al. (2021) é um carotenoide encontrado em frutas e vegetais, é utilizada como corante na indústria alimentícia e tem potencial para prevenir câncer, doenças cardíacas e problemas de visão. As flores da calêndula são uma fonte natural desse pigmento, e as microalgas apresentam um grande potencial para sua produção, podendo ser cultivadas em ambientes controlados ou expostas à luz.
Para extrair a luteína dessas microalgas, é necessário quebrar as paredes celulares e purificá-la. O método mais comum para essa extração envolve o uso de solventes, e, devido à solubilidade lipídica dos carotenoides, frequentemente ocorre uma etapa de saponificação para a eliminação de lipídios que possam interferir de forma indesejável (Soler, 2021). Após a extração, os carotenoides são separados utilizando cromatografia líquida de alta eficiência. Nesse contexto, qual eficiência dos métodos de ruptura e extração de carotenoides?
Esse estudo teve como objetivo geral compreender a eficiência de diferentes métodos de ruptura e extração de carotenoides, buscando identificar as técnicas mais adequadas em termos de rendimento, pureza e sustentabilidade. Os objetivos específicos são conceituar carotenoides e suas propriedades nutricionais e aplicações, pesquisar métodos de ruptura celular (mecânicos, térmicos, químicos e ultrassônicos) quanto à eficiência na liberação de carotenoides de matrizes vegetais, descrever sobre a toxicidade e o impacto ambiental dos solventes utilizados nos métodos de extração tradicionais.
A metodologia selecionada foi a Revisão de literatura, cujo critério de inclusão foi a temporalidade de publicação 2015 a 2025 e documentos disponíveis na íntegra, nos idiomas português e inglês. Os critérios de exclusão utilizados foram: documentos duplicados e não disponíveis nas bases de dados cientificas consultadas e mencionadas neste artigo. A busca foi realizada por bases de dados online, principalmente a Literatura Latino Americana e do Caribe em Ciências da Saúde (LILACS) e a biblioteca eletrônica Scientific Eletronic Library On-line (SciELO).
2. CAROTENÓIDES
Os carotenoides, um grupo de pigmentos amplamente encontrados na natureza, são de grande importância econômica e desempenham um papel pontual na saúde humana, contribuindo para a resposta imunológica e proteção contra doenças relacionadas ao envelhecimento. Eles são benéficos em combinação com outros nutrientes, como as vitaminas C e E (Kumar; Srivastav; Sharanagat, 2021).
A luteína, um carotenoide específico, é reconhecida por suas propriedades antioxidantes e seu potencial na prevenção de diversas doenças, incluindo câncer e doenças cardiovasculares. Embora esteja presente em frutas e vegetais, a ingestão diária recomendada deste composto frequentemente não é atingida na dieta da população, o que justifica o crescente interesse no uso de suplementos alimentares. Adicionalmente, a luteína é um corante natural amplamente utilizado na indústria alimentícia, o que contribui para a sua relevância econômica. Embora a calêndula seja uma fonte natural de luteína, seu baixo teor limita sua exploração comercial, direcionando a busca por fontes alternativas mais abundantes e eficientes (Lima, 2023).
Os carotenoides são uma classe característica e disseminada de moléculas isoprenoides, sintetizadas por organismos fotossintéticos (incluindo plantas), algumas bactérias não fotossintéticas e fungos. Como os animais (exceto algumas espécies de pulgões) são incapazes de sintetizar carotenoides, eles precisam ser obtidos a partir de alimentos (Fraga et al., 2023).
Em animais, os carotenoides desempenham papéis significativos, incluindo: i) ornamentações (por exemplo, em flamingos e salmões); ii) proteção contra câncer de pulmão, cabeça, pescoço e próstata, provavelmente devido às suas potentes propriedades antioxidantes mediadas pela oxidação do ânion radical superóxido; iii) na modulação do sistema imunológico, fatores de crescimento e vias de sinalização intracelular (comunicação de junção comunicante); iv) regulação da diferenciação celular, ciclo celular e apoptose; v) foto proteção contra radiação UV; e vi) como precursores do pigmento visual retinol (vitamina A) (Lira. et al., 2021).
Os carotenoides, segundo Block e Lima (2020) são amplamente utilizados em produtos cosméticos, devido às suas propriedades de foto proteção contra a radiação UV. Curiosamente, a astaxantina dietética é usada comercialmente na coloração natural de peixes ornamentais de alto valor. Nas últimas décadas, houve esforços concentrados para o desenvolvimento de métodos de extração aprimorados para carotenoides.
No entanto, para Fraga et al. (2023) a recuperação de matrizes alimentares complexas permanece baixa, pois várias barreiras físicas e químicas presentes na matriz alimentar impedem a transferência de massa de carotenoides durante a extração. A presença de diferentes conjuntos de carotenoides com níveis variados de polaridade também dificulta sua extração simultânea.
3. MÉTODOS DE EXTRAÇÃO DE CAROTENOIDES
Os métodos para extrair carotenoides de fontes naturais são variados e podem ser classificados em quatro categorias principais. O primeiro grupo envolve a extração líquida atmosférica, que pode ser realizada por meio de técnicas como Soxhlet, maceração, ou extração assistida por micro-ondas (MAE) e ultrassom (UAE). Essas abordagens utilizam solventes para dissolver os carotenoides presentes nas plantas ou outros materiais, facilitando sua separação. A segunda categoria é a extração acelerada por solvente (ASE), também conhecida como extração líquida pressurizada (PLE). Esse método utiliza pressão e temperatura elevadas para extrair compostos de interesse de forma mais eficiente e rápida, reduzindo o tempo de processamento em comparação com métodos tradicionais (Lira. et al., 2021).
A terceira abordagem é a extração por fluido supercrítico (SFE), que normalmente utiliza dióxido de carbono supercrítico (SC-CO2) como solvente. Esse método é vantajoso porque permite a extração com o uso mínimo de cossolventes orgânicos, como etanol, tornando o processo mais sustentável e menos poluente. Por fim, a extração enzimática é um método que se baseia na utilização de enzimas para quebrar as células vegetais e liberar os carotenoides. Esse processo pode ser mais seletivo e eficaz em comparação com métodos químicos, pois as enzimas podem atuar especificamente sobre as estruturas celulares que contêm os carotenoides. Várias revisões têm sido publicadas abordando diferentes aspectos e avanços na extração de carotenoides, destacando a importância dessas técnicas para a recuperação de compostos bioativos (Lira. et al., 2021).
Os métodos de extração de carotenoides de algas incluem a modelagem da cinética de extração, a disponibilidade de carotenoides em microalgas, métodos de pré-tratamento de amostras, saponificação, propriedades antioxidantes e antimicrobianas, além do processamento posterior do extrato de carotenoides. Também se destacam os métodos de extração assistida por enzimas de carotenoides presentes em produtos como alfafa, pimenta, cártamo, calêndula, morango e tomate, utilizando enzimas como celulase, hemicelulase, pectinase e glicosidase. Nos últimos anos, os métodos de extração de carotenoides têm evoluído rapidamente, incorporando solventes e técnicas aprimoradas para garantir uma extração mais rápida, econômica e eficiente (Fraga et al., 2023).
Existem diferentes protocolos para a extração de carotenoides, mas devido à complexidade e diversidade dessas estruturas, nem todos os métodos se aplicam. A extração mais comum envolve o uso de solventes, onde a amostra é particionada entre um líquido orgânico e um aquoso. Carotenoides, sendo lipossolúveis, são frequentemente extraídos por um solvente orgânico após uma etapa de saponificação, que visa remover lipídios que poderiam interferir na extração. Essa saponificação utiliza uma base, como o hidróxido de potássio, em um solvente polar como o etanol (Soler, 2021).
A propriedade oxidativa dos carotenoides limita a exposição ao excesso de calor, luz, ácidos e longos tempos de extração. Devido à sua natureza hidrofóbica, os carotenoides são convencionalmente extraídos usando solventes orgânicos. Normalmente, solventes não polares, como hexano, éter de petróleo ou tetrahidrofurano (THF), são uma excelente escolha para extração de 4 carotenos não polares ou xantofilas esterificadas, enquanto solventes polares como metanol, etanol, acetona e diclorometano são mais apropriados para extração de carotenoides polares (Kumar; Srivastav; Sharanagat, 2021).
A eficiência da extração depende da capacidade do solvente de dissolver os pigmentos sem alterar sua estrutura. Por isso, a escolha do solvente é crucial, devendo ser altamente eficiente e seletivo para os compostos desejados. Embora estudos realizem uma única extração com solvente, pesquisadores adotam sistemas de extração binários, como o uso de diclorometano e metanol em algumas extrações (Lima, 2023).
O principal objetivo é maximizar a recuperação dos carotenoides, considerando também o pH se o composto for ionizável, onde fatores como o tempo de contato entre a amostra e o solvente e a técnica utilizada para quebrar a parede celular influenciam o rendimento da extração. A saponificação pode facilitar a separação dos pigmentos, mas também corre o risco de causar degradação e perda de informações sobre o composto original, enquanto os extratos não saponificados tendem a ser mais complexos. Após a extração, os carotenoides são separados por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) com o uso de diferentes detectores, como UV e espectrometria de massas (Kumar; Srivastav; Sharanagat, 2021).
Segundo Saini e Keum (2018) a extração e análise de carotenoides de fontes naturais envolve várias etapas que devem ser cuidadosamente consideradas para garantir a eficiência do processo. O alto teor de água em frutas e algas pode dificultar a extração, especialmente com o método de extração por fluido supercrítico (SFE), devido à natureza hidrofóbica dos carotenoides. Métodos térmicos de desidratação, como secagem em forno ou micro-ondas, podem causar degradação e isomerização dos carotenoides. Portanto, a liofilização é frequentemente utilizada para desidratar amostras, embora isso aumente o tempo e o custo da extração. A desidratação é considerada opcional quando as amostras contêm pouca água.
Ainda conforme Saini e Keum (2018) para minimizar a degradação dos carotenoides durante a extração, armazenamento e análise, cinco pontos principais devem ser observados: primeiro, é recomendado adicionar um neutralizador, como carbonato de cálcio ou bicarbonato de sódio, durante a extração para neutralizar ácidos que podem causar isomerização dos carotenoides. Em segundo lugar, a adição de antioxidantes, como terc-butilhidroquinona (TBHQ) ou butil-hidroxitolueno (BHT), em concentrações de aproximadamente 0,1%, ajuda a prevenir a oxidação. Terceiro, o tempo entre a maceração e a extração deve ser minimizado para evitar a oxidação enzimática, e um curto tempo de extração em temperatura adequada é recomendado. Quarto, as amostras devem ser protegidas da exposição à luz UV, que pode causar fotoisomerização e fotodestruição. Por último, durante a extração, os tubos de amostra devem ser lavados com nitrogênio (N2) para remover o oxigênio e criar um ambiente inerte, contribuindo para a preservação dos carotenoides.
4. RESULTADOS
Heffernan et al. (2016) estudaram a extração sólido-líquido (SLE) e a extração supercrítica (SCO2) para a recuperação de fucoxantina e xantofila de duas espécies de algas marrons. A eficiência de extração de cada método foi avaliada por meio da medida da pureza e do rendimento dos compostos alvo. Os autores observaram que a SLE com uma mistura de hexano e acetona resultou em maior rendimento total de extrato de carotenoides, atingindo valores de 27,32 mg/g de peso seco de extrato, porém com uma menor pureza. A SCO2, por sua vez, produziu extratos com maior pureza. Os autores concluíram que a escolha do método de extração depende da pureza ou quantidade desejada dos compostos de interesse: a SLE é mais vantajosa para rendimento total maior, enquanto SCO₂ é ideal para extratos mais puros, especialmente de fucoxantina.
Mekinic et al. (2023) investigaram a extração de carotenoides de algas vermelhas, destacando a predominância de zeaxantina, luteína e β-caroteno, com ênfase na alta concentração de β-caroteno em comparação com plantas superiores. A revisão apresentou que a extração convencional com solventes, como álcoois e acetona, foi amplamente utilizada, enquanto técnicas como ultrassom foram raramente aplicadas. O maior teor de carotenoides foi registrado em extratos de acetona de Gelidium pusillum, com 52,7 mg/g de peso seco.
Ainda conforme Mekinic et al. (2023), a luteína foi identificada em diversas espécies de algas, e carotenoides como astaxantina, neoxantina e fucoxantina foram detectados em várias amostras, reforçando a importância das algas vermelhas como fonte rica em carotenoides naturais. Os carotenoides derivados de algas mostraram potencial em aplicações nutricionais e farmacêuticas, especialmente devido às suas propriedades antioxidantes e de proteção contra estresse oxidativo, sugerindo seu uso em suplementos alimentares e formulações de alimentos funcionais.
Kultys e Kurek (2022) otimizaram a extração de carotenoides do bagaço de cenoura utilizando óleo de linhaça, empregando um método que integrou um pré-tratamento enzimático com celulase e pectinase para aumentar a disponibilidade dos carotenoides. O uso de um dispersor de alto cisalhamento a 20.000 rpm durante 12 minutos, com uma proporção de solvente de 1:1, resultou em uma recuperação de 82,66 g/g de carotenoides.
Baria et al. (2019) apud Kultys e Kurek (2022) também investigaram a extração de carotenoides da polpa de manga, utilizando um tratamento enzimático semelhante e três tipos de óleos vegetais, sendo o óleo de linhaça o mais eficaz, obtendo 21,77 g/mL de carotenoides com a proporção ideal de 2:1 entre óleo e polpa. A extração líquida pressurizada (PLE) foi destacada como um método eficiente, permitindo a extração de carotenoides sob altas temperaturas e pressões, o que aumenta a permeabilidade celular e reduz o tempo de extração.
O estudo de Cardenas-Toro et al. (2015) apud Kultys e Kurek (2022) também ressaltou que a temperatura tem um impacto significativo na recuperação de carotenoides, com temperaturas de 35 °C e 55 °C apresentando os melhores resultados. Šaponjac et al. (2021) apud Kultys e Kurek (2022) relataram que a extração assistida por alta pressão de cenouras resultou em 27 mg de carotenoides totais por 100 g de matéria-prima, comprovando a eficácia dos métodos de extração otimizados.
O presente trabalho revelou a importância de aprimorar as metodologias de ruptura e extração de carotenoides para otimizar o rendimento, pureza e sustentabilidade desses compostos. Os objetivos propostos foram alcançados, pois a investigação das diferentes técnicas de extração demonstrou que métodos tradicionais, embora amplamente utilizados, muitas vezes resultam em perdas significativas de compostos bioativos e podem empregar solventes prejudiciais ao meio ambiente e à saúde.
Os resultados indicam que, apesar das barreiras físicas e químicas presentes nas matrizes vegetais, é possível melhorar a eficiência da extração por meio da combinação de técnicas e a escolha criteriosa de solventes. Destacou-se a relevância da luteína em diversas aplicações, especialmente como corante alimentar e em suplementos, e a necessidade de explorar fontes alternativas, como microalgas, que oferecem um potencial significativo para a produção desse carotenoide.
5. CONCLUSÃO
A revisão de literatura permitiu identificar que a escolha adequada de solventes e a utilização de etapas como a saponificação são cruciais para maximizar a recuperação dos carotenoides. Os métodos modernos, como a extração assistida por micro-ondas e a extração enzimática, mostraram-se promissores, oferecendo alternativas mais sustentáveis e eficientes. A pesquisa das propriedades dos carotenoides e suas funções nutricionais, bem como os impactos ambientais dos solventes, contribuiu para uma compreensão mais abrangente do tema.
Assim, ao considerar a sustentabilidade e a eficiência dos processos de extração, o estudo não apenas atingiu seus objetivos, mas também contribuiu para o avanço das práticas de extração de carotenoides, enfatizando a importância de uma abordagem mais verde e responsável na produção desses compostos essenciais. A busca por métodos mais eficazes reflete um compromisso com a saúde humana e o meio ambiente, alinhando-se às diretrizes da Química Verde.
REFERÊNCIAS
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