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Ultrafiltração Para Produção De Antioxidantes Naturais

Produção de extratos naturais de subprodutos da vinificação utilizando processos de membrana - uma oportunidade de negócio


Subprodutos da vinificação são de baixo custo e rica fonte de valiosos compostos fenólicos com benefícios para a saúde, amplamente reconhecida. Processos de separação por membranas são perfeitamente adequados para a recuperação destes compostos, garantindo uma alta qualidade dos extratos produzidos. Considerando-se a suavidade do processamento da membrana, o produto final justifica o rótulo de "natural", que é essencial para a maioria dos alimentos e os mercados de cosméticos.

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Durante o processo de vinificação, vastas quantidades de resíduos de produtos são produzidos dentro de um curto período de tempo. A mais significativa transformação de resíduos de uva (Figura 1), em que a discussão será focada, são:
• Bagaço: um material sólido que consiste principalmente de peles e sementes de uva, que é separada do suco na etapa de prensagem (fermentação de vinho branco), ou do vinho (em fermentação de vinho tinto); 
• Sementes de uva: geralmente obtidas a partir de bagaço e;
• Lees: um material sólido que consiste de depósitos, tais como o fermento, as partículas que precipitam, sementes, agentes clarificantes etc, no fundo de recipientes de vinho.
A produção mundial anual de bagaço de uva, resultante da vinificação, foi relatada a faixa de
5-7 milhões de toneladas para 14,5 milhões de toneladas na Europa [2].
Tradicionalmente, os subprodutos da vinificação são utilizados na alimentação animal ou como fertilizantes nos estaleiros de uva. Apesar de seu alto teor de compostos biologicamente ativos valiosos, estes produtos têm um baixo valor de mercado quando utilizados como adubos ou rações para animais. Além disso, sua utilização como adubo de plantas pode levar a problemas de germinação, devido ao seu alto teor de compostos fenólicos [2]. Curiosamente, esses compostos fenólicos têm um valor de mercado extremamente elevado como aditivos alimentares, nutracêuticos e cosmecêuticos, devido à sua atividade biológica.


A recuperação de valiosos compostos biologicamente ativos a partir de subprodutos da vinificação tem sido relatada. As abordagens mais comuns são direcionadas para a produção de uva "extratos naturais", onde vários compostos ativos estão presentes. Exemplos de tais compostos com interesse comercial são listados na Tabela 1. As sementes da uva têm uma das maiores concentrações de proantocianidinas monoméricas, em uma fruta. Por outro lado, o resveratrol é um composto fenólico, com a maior atividade antioxidante nas uvas, embora menos concentrado do que os anteriores.

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A Organização Mundial da Saúde afirma que o consumo moderado de vinho, "especialmente o vinho tinto, pode reduzir o risco de doenças coronárias em 40%". O "Paradoxo Francês" estudo [5] foi um dos primeiros trabalhos relevantes incidindo sobre a atividade benéfica biológica dos compostos da uva. Particularmente, concluiu-se uma clara relação entre o consumo moderado de vinho e uma baixa taxa de doenças cardiovasculares na França, apesar de sua dieta rica em gorduras altamente saturadas.
As propriedades reconhecidas antioxidantes dos compostos fenólicos são baseadas em sua capacidade de seqüestrar radicais livres, inibindo a oxidação de baixa densidade (LDL) relacionadas com a aterosclerose, tendências trombóticas e doenças do coração [6]. Os flavonóides, também presentes em subprodutos da vinificação, foram relatados para reduzir reações inflamatórias no organismo. Além disso, os polifenóis são conhecidos pelos seus efeitos anti-úlcera, anti-cancerígenos, anti-mutagênicos [7] e as atividades antibacterianas.


A produção de extratos, em diferentes compostos biologicamente ativos recuperados de subprodutos da uva, tem sido apontada como uma abordagem mais atraente. Na verdade, vários estudos têm demonstrado que os extratos podem apresentar maior atividade biológica que compostos purificados, devido a positiva interação sinérgica entre os diferentes compostos presentes. O desafio continua sendo a produção de extratos com um balanço desejável dos componentes alvo, livre de compostos com atividade prejudicial (pesticidas, metais pesados), utilizando um processo de recuperação que permite a utilização do rótulo "natural". Este selo só pode ser aplicado se solventes biocompatíveis são utilizados e as condições de funcionamento (ou seja, temperatura) não levam a uma perda da atividade biológica dos compostos-alvo.
Devido a seus benefícios potenciais para a saúde funcional, a produção de extratos de uva representa uma oportunidade de negócio fascinante que permite às empresas-alvo diferentes mercados.
Um destaque especial deve ser dado para os mercados emergentes rentáveis de ingredientes naturais para alimentos funcionais e cosméticos naturais e para o mercado de suplementos dietéticos.
A tendência do consumidor de saúde e bem-estar está cada vez mais importante, que é parcialmente explicada por uma população em países desenvolvidos, que estão ficando velhos e com problemas crescentes de peso (dois terços dos consumidores dos EUA estão acima do peso). Além disso, a crescente consciência da relação entre dieta e saúde converteu extratos naturais em um determinado mercado atraente. Como exemplo, o mercado de compostos fenólicos foi estimado em mais de
100 milhões de euros pela Danisco.
Nos últimos anos, o mercado global de alimentos funcionais foi estimado em 175 bilhões de euros em 2012 pela Euromonitor, um aumento de 45% em relação ao valor de 2007. Os alimentos funcionais e bebidas têm entrado no mercado de alimentos em uma base regular. Os extratos naturais aditivos foram introduzidos com diferentes funções, tais como antioxidantes naturais, pigmentos (antocianinas) e conservantes de alimentos. Quanto ao mercado de cosméticos naturais, as vendas na França aumentaram 40% em 2005, segundo um relatório da Frost & Sullivan.


A fim de definir o processo de produção adequado de um extrato natural de uva, é necessário inicialmente projeto visando a composição do extrato natural, definindo os compostos-alvo, e seu relativo equilíbrio. Além disso, o controle de contaminantes perigosos (tais como metais pesados e pesticidas) no produto final é uma questão fundamental.
Há vários processos descritos para a obtenção de extratos de uva, potencialmente rica em compostos fenólicos, mas todas incluem os passos apresentados na Figura 2.

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Em primeiro lugar - a matéria-prima pré-tratamento, o vinho e subprodutos - são moídos para a obtenção de pequenas partículas homogêneas com elevada área interfacial, a fim de aumentar a eficiência da extração dos compostos-alvo.
O objetivo da extração é a recuperação dos compostos fenólicos do complexo natural da matriz em que são delimitadas. A etapa de extração deve ser conduzida sob condições controladas e leve, que representam o compromisso ideal entre o grau de extração dos compostos-alvo e a salvaguarda da sua atividade biológica.
Por esta razão, a etapa de extração normalmente leva-se sob uma temperatura amena e, freqüentemente em atmosfera controlada (manta de nitrogênio), na ausência de luz ou até mesmo com a adição de compostos antioxidantes como o dióxido de enxofre e butil-hidroxitolueno (BHT, conhecida como E321), a fim de evitar a tendência dos compostos fenólicos oxidarem.
A extração de água e solventes de etanol tem a vantagem de ser considerada biocompatível, em linha com o novo regulamento REACH, o que é muito rigoroso no sentido de solventes tóxicos. Esses solventes, ou uma combinação dos dois, não comprometem o uso do rótulo "natural" no produto final e menores custos de eliminação.
A fim de aumentar a eficiência da extração aquosa, um pré-tratamento enzimático pode ser realizado. Celulases, que hidrolisam vegetais polissacarídeos e/ou pectinases, que quebram a pectina das paredes celulares das plantas são os mais amplamente utilizados. Além de melhorar a resolução e a capacidade de filtragem do suco ou vinho, este tratamento enzimático também afeta positivamente o rendimento
de extração da maioria dos ácidos fenólicos, flavan-3-ols e antocianinas.
O uso de condições ácidas também é comum em extração de solvente, particularmente com ácidos minerais, como ácido clorídrico [8]. Condições ácidas quebram ligações glicosídeo, que ajuda a diminuir a turbidez do extrato, e liberam compostos fenólicos de interesse, tais como as antocianinas.
Após a extração, um processo de purificação deve ser realizado a fim de eliminar os valores típicos de grandes compostos indesejáveis presentes, tais como gorduras, proteínas e açúcares, que reagem com os compostos fenólicos alvo potencialmente reduzindo sua atividade antioxidante. Além disso, a remoção de microorganismos e substâncias tóxicas, é altamente desejável. Por exemplo, o mofo Aspergillus carbonarius, que pode estar presentes nas uvas, produz a micotoxina Ocratoxina A.
O processo de purificação tradicional é realizado por cromatografia de adsorção (veja a Figura 2, no tradicional). Neste processo, os compostos fenólicos presentes na fase de solvente são preferencialmente adsorvidos a um copolímero de trimetacrilato trimetilolpropano (TMPTMA), disponível comercialmente como XAD-7HP (R). Em seguida, um fluxo de água é distribuído através da coluna, a fim de remover as impurezas solúveis em água. Finalmente, na etapa de eluição, uma solução hidro-alcoólica é usado para recuperar os compostos fenólicos delimitados a partir da coluna. [8].
O fluxo de hidro-alcoólica, enriquecido com os compostos fenólicos alvo, é então seco por técnicas de evaporação, a fim de obter um produto final com as características especificadas (ou um pó sólido ou uma fase líquida concentrada).


Há uma multiplicidade de extratos de uva baseada no mercado, produzidos de acordo com o processo descrito acima (ver Figura 2, na membrana) ou suas variantes. No entanto, este processo apresenta limitações significativas e desvantagens:
1- Não permitir a concepção de um sistema flexível de extratos ricos em compostos-alvo específico, o extrato de sua composição é essencialmente determinado pela matéria-prima por produto utilizado e do procedimento de extração escolhido;
2- Envolve o uso de solventes em grandes proporções no produto final de massa, os impactos sobre a economia de processos e sua benignidade ambiental;
3- Produz um grande volume de soluções de salmoura, usada para a regeneração do material adsorvente entre ciclos consecutivos.
Processos de membrana constituem uma alternativa muito poderosa para a produção dos extratos de uva natural, devido à sua flexibilidade e as condições de funcionamento suave. Processos com membranas têm sido amplamente aceitos na indústria de alimentos, particularmente na indústria vinícola para a filtração estéril antes do engarrafamento, a correção do mosto ou do vinho, ajustando os níveis de açúcar, e para a estabilização tartárica do vinho.
Membrana de tais processos  como nanofiltração, ultrafiltração e de osmose reserva são processos que permitem a pressão dirigida para reter compostos dentro de uma faixa específica de massas moleculares. (veja a Figura 3). Rejeição de soluto / transporte através dessas membranas são explicados pelos mecanismos de exclusão molecular, bem como por Coulombic adicionais e interações hidrofóbicas entre os compostos presentes e da camada de membrana seletiva. Portanto, ao lado de uma seleção adequada do aperto de membrana (tamanho dos poros, no caso de membranas de ultrafiltração), a seleção dos materiais de membrana é extremamente importante para garantir uma boa estabilidade da membrana, na presença do solvente principal e de uma baixa adsorção de solutos.

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A fim de evitar a adsorção de solutos (e sujar), a membrana deve apresentar uma baixa afinidade para o soluto. Por outro lado, visando garantir grandes fluxos de solvente, que deve apresentar uma alta afinidade para a membrana. Em particular, membranas hidrófilas devem ser usadas durante o processamento aquoso e fluxos hidroalcoólicos contendo compostos fenólicos com um comportamento hidrofóbico.
Vários materiais são adequados para esse fim e uma grande variedade de membranas comerciais e módulos estão disponíveis no mercado, ou seja, utilizando membranas de poliamida em espiral.
Produção dos extratos de uva natural, com processos de membrana oferecem vantagens significativas sobre os processos tradicionais:
• Devido à grande variedade de materiais de membrana (polímeros e compósitos) e estruturas (de ultrafiltração, nanofiltração) membranas oferecem a possibilidade de obtenção de diferentes frações enriquecidas em compostos-alvo diversificados, para aplicações específicas e mercados. Na prática, isso se traduz na possibilidade de obtenção de fração enriquecida em compostos fenólicos alvo com diferentes graus de polimerização. (Ver Figura 2). Por exemplo, a recuperação de compostos monoméricos e oligoméricos pode dirigir-se ou, alternativamente, a recuperação de compostos poliméricos. O uso de membranas de nanofiltração, permite a obtenção de fração enriquecida em compostos fenólicos de massa molecular baixa (no permeado), enquanto uma seleção diferente da membrana pode permitir a produção de uma fração diferente. Cascatas de membranas com diferentes cortes moleculares,  de forma a obter as frações de interesse (como acontece hoje em dia para o fracionamento do soro do leite).
• Controle de produtos indesejáveis é alcançado em uma escala muito maior: como exemplo, ao recuperar um extrato alvo como um fluxo de permeado em um processo de nanofiltração, a exclusão de metais pesados é garantida devido à capacidade destas membranas para rejeitar íons multi-valentes.
• A pegada ecológica destes processos é geralmente inferior, porque são mais baixos de solvente às relações da massa do produto final. Adicionalmente, processos de membrana operam sob temperaturas mais amenas a condições de pressão.
• Finalmente, vale mencionar que os processos de membrana também podem ser usados na concentração final / etapa de secagem, ou seja, utilizando a osmose inversa (RO). Esta técnica é economicamente favorável para a remoção do solvente até uma diferença de pressão osmostic de ~ 40 bar, acima do qual evaporação é mais competitivo (ver Figura 2).
De acordo com a especificação do produto final, diferentes processos de secagem podem ser utilizados, nomeadamente técnicas de evaporação sob pressão reduzida e temperatura amena.

Este artigo foi publicado na edição de Março/Abril 2010 da Filtration+Separation (Volume 47, Número 2). Artigo reproduzido com permissão da Elsevier.

 


REQUIMTE / CQFB, Department of Chemistry, FCT, Universidade Nova de Lisboa, P-2829-516 Caparica, Portugal.
email: jgc@dq.fct.unl.pt

 

[1] R.E. Kunkee, Introduction to Winemaking – Viticulture and Enology 3, Summer 2005, Department of Viticulture and Enology, University of California, Davis.

[2] D. Kammerer, A. Claus, R. Carle and A. Schieber, Polyphenol Screening of Pomace from Red and White Grape Varieties (Vitis vinifera L.) by HPLC-DAD-MS/MS, J. Agric. Food Chem., 52 (2004) 4360.

[3] T. Fuleki and J.M. Ricardo da Silva, Catechin and Procyanidin Composition of Seeds from Grapes Cultivars Grown in Ontario, J. Agric. Food Chem., 45 (1997) 1156.

 [4] B. Sun, A.M. Ribes, M.C. Leandro, A.P. Belchior and M.I. Spranger, Stilbenes: Quantitative extraction from grape skins, contribution of grape solids to wine and variation during wine maturation, Analytica Chimica Acta 563 (2006) 382.

[5] Renaud, S. And M. De Lorgeril, Wine, alcohols, platelets and the French paradox for coronary heart disease, Lancet, 339 (1992) 1523.

[6] E.N. Frankel and A.S. Meyer,Antioxidants in Grapes and Grape Juices and Their Potential Health Effects.Pharm. Biol., 36 (1998) 14.

[7] H. Nawaz, J. Shi, G.S. Mittal and Y. Kakuda, Extraction of polyphenols from grape seeds and concentration by ultrafiltration, Separ. and Purific. Technol., 48 (2006) 176.

[8] Process for extraction, purification and enrichment of polyphenolic substances from whole grapes, grape seeds and grape pomace, US6544581.






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