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Authors
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Abstract(s)
Different kinds of vegetable residues abundant in Trás-os-Montes region, namely walnut leaf, walnut shell, almond shell, grape marc, olive leaf and onion shell (a worldwide available biomass) were considered as possible sources of polyphenols. Extraction with supercritical carbon dioxide (at T=40 °C, P=160 bar and ethanol as co-solvent), ultrasound extraction and Soxhlet extraction were alternatively used to obtain mixtures containing these bioactive compounds. Aiming at the subsequent separation and concentration of the polyphenols from the complex extracts obtained, molecularly imprinted polymers (MIPs) were used as a kind of engineered adsorbents. MIP particles synthesized by precipitation polymerization with 4-vinylpyridine (4-VP) as functional monomer and quercetin as template were applied in the retention and recovery of the polyphenols. Comparative studies with commercial polymeric adsorbents (namely with the resin DAX8) were also performed. Batch adsorption, solid phase extraction (SPE) and operation in HPLC columns packed with the adsorbents were considered in these uptake/release studies. The identification and quantification of polyphenols was performed using Liquid Chromatography with Mass Spectroscopy and Diode Array Detector (LC-MS-DAD) and also with the more straightforward HPLC-DAD technique.
With the supercritical CO2 (SCCO2) extraction conditions used, the richest phenolic profiles were obtained with onion shell and almond shell. Indeed, quercetin and many quercetin analogues (e.g. quercetin-O-glucoside, quercetin-O-diglycoside, quercetin dimer-O-hexoside, etc) were identified in these onion shell extracts, while quercetin, isorhamnetin-3-O-rutinoside or catechin (e.g.) were identified in the almond shell extracts. However, in spite of a similar composition, a higher phenolic content was measured for extracts obtained with the ultrasounds (US) or Soxhlet (SHOX) extraction, comparatively to supercritical CO2 extraction (e.g. around 10 mg/g of total phenolic compounds with US and SHOX extraction and 1 mg/g with SCCO2 for onion shell extracts, in a dry basis of plant residue).
Benefits of molecular imprinting in the designing of tailored adsorbents to be used with downstream processing of polyphenols were evidenced in this research. Indeed, a very high polyphenol retention was here shown to be possible with MIPs, even when solvents with low water content are used (e.g. ethanol/water 80/20). Thus, the hydrophobic interactions, that usually is the main driving force for adsorption with common synthetic resins, is not the unique mechanism allowing the retention of these bioactive compounds in the synthesized molecularly imprinted polymer networks. The functionalization of the materials (here with pyridyl functional groups) and the creation of imprinted tailor-made cavities (promoting analogue mechanisms to antigen/antibody or substrate/enzyme binding) were congenial for the improved performance of the MIPs. Additionally, the manipulation of the particles morphology (through precipitation polymerization), allowing a facile binding accessibility (e.g. due to surface imprinting) should also contribute for the observed superior performance of the MIPs in polyphenols retention.
The distinctive features of the MIP adsorbents were here demonstrated through the direct processing of plant extracts without water addition (e.g. using an ethanol/water 80/20 onion shell extract). A polyphenol-enriched fraction, containing quercetin and analogue molecules, was recovered at the end with the minimization of thermal treatments (only alcohol evaporation is needed if a dry residue is wanted). Thus, the simplification of the adsorption/desorption process was achieved and energetic costs can also be cut down (besides the minimization of the possible thermal degradation of the bioactive compounds). Summing up, this research demonstrate that MIP adsorbents can be helpful in the design of new and more flexible adsorption processes (e.g. working with a wider range of water content), aiming at the valorization of polyphenols present in plant extracts. Food industry, pharmaceutics and cosmetics are examples of applications fields for the principles here outlined.
Diferentes tipos de resíduos vegetais abundantes na região de Trás-os-montes, como a folha de nogueira, a casca de noz, a casca de amêndoa, o bagaço da uva, a folha de oliveira e a casca da cebola (uma biomassa disponível de forma mais abrangente no planeta) foram considerados como possíveis fontes de polifenóis. A extração com dióxido de carbono supercrítico (usando T = 40 °C, P = 160 bar e etanol como co-solvente), a extração por ultrassom e a extração por Soxhlet foram alternativamente utilizadas para obter misturas contendo esses compostos bioativos. Visando a subsequente separação e concentração dos polifenóis dos extratos complexos obtidos, polímeros molecularmente impressos (MIPs) foram utilizados como uma espécie de adsorventes. Partículas de MIPs sintetizadas através de polimerização por precipitação com 4-vinilpiridina (4-VP) como monômero funcional e quercetina como molécula modelo foram aplicadas na retenção e recuperação dos polifenóis. Também foram realizados estudos comparativos com adsorventes poliméricos comerciais (como a resina DAX-8). A adsorção em batch, a extração em fase sólida (SPE) e a operação em colunas de HPLC empacotadas com os adsorventes foram consideradas neste estudo para a retenção e libertação dos compostos fenólicos. A identificação e quantificação de polifenóis foi realizada utilizando cromatografia líquida com espectroscopia de massa e detector de diodo array (LC-MS-DAD) e também com a técnica mais direta de HPLC-DAD. Com as condições de extração com CO2 supercrítico (SCCO2) utilizadas, os perfis fenólicos mais ricos foram obtidos com a casca da cebola e a casca de amêndoa. Foram identificadas quercetina e muitos análogos de quercetina (por exemplo, quercetina-o-glucosídeo, quercetina-o-diglicosídeo, quercetina dimer-o-hexoside, etc.) nos extratos da casca da cebola, enquanto quercetina, isorhamnetin-3-O-rutinoside ou catequina, por exemplo, foram identificados nos extratos da casca de amêndoa. No entanto, apesar de uma composição semelhante, um maior teor de compostos fenólicos foi medido para extratos obtidos com a extração por ultrassom (US) e Soxhlet (SHOX), comparativamente a extração com CO2 supercrítico (por exemplo, cerca de 10 mg/g de compostos fenólicos totais com as extrações US e SHOX e 1 mg/g com SCCO2 para extratos de casca de cebola, numa base seca de resíduo vegetal). Os benefícios da impressão molecular na concepção de adsorventes adaptados a serem utilizados com o processamento a jusante de polifenóis foram evidenciados nesta
pesquisa. De fato, foi possível mostrar uma elevada retenção de polifenóis com MIPs, mesmo quando solventes com baixo teor de água são utilizados (por exemplo, etanol/água 80/20). Assim, as interações hidrofóbicas, que geralmente são a principal força motriz para a adsorção com resinas sintéticas comuns, não é o único mecanismo que permite a retenção desses compostos bioativos nas redes de polímeros sintetizados com a técnica de impressão molecular. A funcionalização dos materiais (com grupos funcionais piridil) e a criação de cavidades impressas por medida (promovendo mecanismos análogos à interação antígeno/anticorpo ou substrato/enzima) foram benéficas para o melhor desempenho dos MIPs. Adicionalmente, a manipulação da morfologia das partículas (através da polimerização por precipitação), permitiu uma fácil acessibilidade aos sítios de adsorção (por exemplo, devido à impressão à superfície) que deve igualmente contribuir para o desempenho superior observado com os MIPs na retenção de polifenóis. As características distintivas dos MIPs como adsorventes foram aqui demonstradas através do processamento direto de extratos de plantas sem adição de água (por exemplo, usando um extrato da casca da cebola em etanol/água 80/20). Uma fração enriquecida com polifenóis, contendo quercetina e moléculas análogas, foi recuperada no final com a minimização dos tratamentos térmicos (somente a evaporação do álcool é necessária se um resíduo seco for pretendido). Assim, a simplificação do processo de adsorção/dessorção foi alcançada, e os custos energéticos também poderão ser potencialmente reduzidos (para além da minimização de uma possível degradação térmica dos compostos bioativos). Resumindo, esta pesquisa demonstra que os MIPs como adsorventes podem ser úteis na concepção de novos processos de adsorção e mais flexíveis (por exemplo, permitindo trabalhar com uma quantidade de água mais ampla relativamente aos adsorventes comuns), visando a valorização dos polifenóis presentes nos extratos vegetais. A indústria alimentícia, farmacêutica e cosmética são exemplos de campos de aplicações para os princípios aqui delineados.
Diferentes tipos de resíduos vegetais abundantes na região de Trás-os-montes, como a folha de nogueira, a casca de noz, a casca de amêndoa, o bagaço da uva, a folha de oliveira e a casca da cebola (uma biomassa disponível de forma mais abrangente no planeta) foram considerados como possíveis fontes de polifenóis. A extração com dióxido de carbono supercrítico (usando T = 40 °C, P = 160 bar e etanol como co-solvente), a extração por ultrassom e a extração por Soxhlet foram alternativamente utilizadas para obter misturas contendo esses compostos bioativos. Visando a subsequente separação e concentração dos polifenóis dos extratos complexos obtidos, polímeros molecularmente impressos (MIPs) foram utilizados como uma espécie de adsorventes. Partículas de MIPs sintetizadas através de polimerização por precipitação com 4-vinilpiridina (4-VP) como monômero funcional e quercetina como molécula modelo foram aplicadas na retenção e recuperação dos polifenóis. Também foram realizados estudos comparativos com adsorventes poliméricos comerciais (como a resina DAX-8). A adsorção em batch, a extração em fase sólida (SPE) e a operação em colunas de HPLC empacotadas com os adsorventes foram consideradas neste estudo para a retenção e libertação dos compostos fenólicos. A identificação e quantificação de polifenóis foi realizada utilizando cromatografia líquida com espectroscopia de massa e detector de diodo array (LC-MS-DAD) e também com a técnica mais direta de HPLC-DAD. Com as condições de extração com CO2 supercrítico (SCCO2) utilizadas, os perfis fenólicos mais ricos foram obtidos com a casca da cebola e a casca de amêndoa. Foram identificadas quercetina e muitos análogos de quercetina (por exemplo, quercetina-o-glucosídeo, quercetina-o-diglicosídeo, quercetina dimer-o-hexoside, etc.) nos extratos da casca da cebola, enquanto quercetina, isorhamnetin-3-O-rutinoside ou catequina, por exemplo, foram identificados nos extratos da casca de amêndoa. No entanto, apesar de uma composição semelhante, um maior teor de compostos fenólicos foi medido para extratos obtidos com a extração por ultrassom (US) e Soxhlet (SHOX), comparativamente a extração com CO2 supercrítico (por exemplo, cerca de 10 mg/g de compostos fenólicos totais com as extrações US e SHOX e 1 mg/g com SCCO2 para extratos de casca de cebola, numa base seca de resíduo vegetal). Os benefícios da impressão molecular na concepção de adsorventes adaptados a serem utilizados com o processamento a jusante de polifenóis foram evidenciados nesta
pesquisa. De fato, foi possível mostrar uma elevada retenção de polifenóis com MIPs, mesmo quando solventes com baixo teor de água são utilizados (por exemplo, etanol/água 80/20). Assim, as interações hidrofóbicas, que geralmente são a principal força motriz para a adsorção com resinas sintéticas comuns, não é o único mecanismo que permite a retenção desses compostos bioativos nas redes de polímeros sintetizados com a técnica de impressão molecular. A funcionalização dos materiais (com grupos funcionais piridil) e a criação de cavidades impressas por medida (promovendo mecanismos análogos à interação antígeno/anticorpo ou substrato/enzima) foram benéficas para o melhor desempenho dos MIPs. Adicionalmente, a manipulação da morfologia das partículas (através da polimerização por precipitação), permitiu uma fácil acessibilidade aos sítios de adsorção (por exemplo, devido à impressão à superfície) que deve igualmente contribuir para o desempenho superior observado com os MIPs na retenção de polifenóis. As características distintivas dos MIPs como adsorventes foram aqui demonstradas através do processamento direto de extratos de plantas sem adição de água (por exemplo, usando um extrato da casca da cebola em etanol/água 80/20). Uma fração enriquecida com polifenóis, contendo quercetina e moléculas análogas, foi recuperada no final com a minimização dos tratamentos térmicos (somente a evaporação do álcool é necessária se um resíduo seco for pretendido). Assim, a simplificação do processo de adsorção/dessorção foi alcançada, e os custos energéticos também poderão ser potencialmente reduzidos (para além da minimização de uma possível degradação térmica dos compostos bioativos). Resumindo, esta pesquisa demonstra que os MIPs como adsorventes podem ser úteis na concepção de novos processos de adsorção e mais flexíveis (por exemplo, permitindo trabalhar com uma quantidade de água mais ampla relativamente aos adsorventes comuns), visando a valorização dos polifenóis presentes nos extratos vegetais. A indústria alimentícia, farmacêutica e cosmética são exemplos de campos de aplicações para os princípios aqui delineados.
Description
Dupla diplomação com a UNIFACS - Universidade Salvador
Keywords
Plant residues Polyphenols Extraction with supercritical CO2 Molecularly imprinted polymers (MIPs) Tailored adsorbents Downstream processing