Uso de ultrassom para extração de frutooligossacarídeos de raízes de yacon (Smallanthus sonchifolius) e estudo da adsorção de seus açúcares em resinas de troca catiônica

Abstract

A raiz do yacon tornou-se amplamente conhecida por ser fonte de frutanos do tipo inulina, em especial os frutooligossacarídeos (FOS). Os FOS são compostos biofuncionais, classificados como fibras alimentares solúveis que, além de apresentarem características prebióticas, contribuem para redução da glicemia pós-prandial. Diante disso, pesquisas que visam potencializar a extração e purificação dessas substâncias são de grande interesse para indústria farmacêutica e alimentícia. O presente estudo teve como objetivos: (i) encontrar as combinações de amplitude e tempo de exposição do extrato do yacon a ondas ultrassônicas, com frequência de 20 kHz e potência máxima de 500 W, que contribua para maximizar a quantidade de FOS no extrato do yacon; (ii) verificar a influência do tratamento ultrassônico, nas condições otimizadas, na quantidade de FOS presente nas frações solúveis e insolúveis do yacon, após separação; (iii) avaliar a influência da variação do pH, o comportamento cinético e isotérmico de adsorção de soluções monocomponentes de FOS, sacarose, glicose e frutose em duas diferentes resinas catiônicas (UBK 530 e UBK 535L), e sugerir hipóteses sobre os mecanismo que envolve o processo de adsorção. O uso do ultrassom de sonda, trabalhando com 60% de amplitude por 5,5 minutos, aumenta quase 3 vezes o conteúdo de FOS no extrato do yacon, chegando a 8,58 g de FOS por 100g de yacon. Em adição, as quantidades de glicose e frutose não aumentaram significativamente quando comparado ao extrato não sonicado. Esta condição otimizada contribuiu para separação das frações solúveis e insolúveis, de forma que a maior parte dos FOS tenha sido transferido para a fração solúvel. Por último, verificou-se que a quantidade de FOS, frutose e sacarose adsorvida é maior em pH 3,5. O equilíbrio de adsorção destes açúcares e da glicose ocorre rapidamente, em aproximadamente 60 minutos, e o modelo cinético pseudo-segunda ordem foi o que melhor se ajustou aos dados. Tanto a isoterma de Langmuir quanto a de Freundlich se ajustaram bem aos dados de adsorção de FOS, sacarose, glicose e frutose. O mecanismo de adsorção da frutose se deve a complexação com íons cálcio presente na resina. Resinas contendo sódio adsorvem melhor sacarose dispersa em solução contendo potássio. É provável que a exclusão por tamanho também seja essencial para separação de carboidratos de tamanho maior. No entano, ainda há necessidade de estudos futuros que visam encontrar condições de adsorção de multicomponentes que irão permitir a recuperação dessas substâncias com alta pureza e em escala industrial.

The yacon root has become widely known to be a source of inulin-type fructan, especially fructooligosaccharides (FOS). FOS are biofunctional compounds classified as soluble dietary fibers, wich contribute to the reduction of postprandial blood glucose, and also have prebiotic characteristics. Therefore, research aimed at enhancing the extraction and purification of these substances is of great interest for the pharmaceutical and food industry. The present study aimed to: (i) find the best combination of amplitude of ultrasound waves and time for the yacon extraction, using an ultrasound probe with a frequency of 20 kHz and a maximum power of 500 W which contributes to maximize the amount of FOS in the yacon extract; (ii) verify the influence of the ultrasonic treatment, under optimized conditions, on the amount of FOS present in the soluble and insoluble fractions of yacon extract, after separation; (iii) evaluate the influence of pH variation, kinetic and isothermal adsorption behavior of FOS, sucrose, glucose and fructose monocomponent solutions on two different cationic resins (UBK 530 and UBK 535L), and to suggest hypotheses about the mechanism involved in the adsorption process. The use of ultrasound probe, working at 60% amplitude for 5.5 minutes, increases almost 3 times the FOS content in yacon extract, reaching 8.58 g of FOS per 100 g of yacon root. In addition, the amounts of glucose and fructose did not increase significantly when compared to the non-sonicated extract. This optimized condition contributed to the separation of the soluble and insoluble fractions, so that most of the FOS was transferred to the soluble fraction. Finally, it was found that the amount of adsorbed FOS, fructose and sucrose is higher at pH 3.5. The adsorption equilibrium of these sugars and of glucose occurs rapidly, in approximately 60 minutes, and the pseudo-second order kinetic model was the best fit for the data. For the isotherms both the Langmuir and Freundlich models fitted well to the adsorption data of FOS, sucrose, glucose and fructose. The mechanism of adsorption of fructose is due to the complexation with calcium ions present in the resin. Resins containing sodium as counter-ion adsorb better dispersed sucrose in potassium-containing solution. It is likely that size exclusion is also essential for separating larger carbohydrates. However, there is still a need for future studies to find conditions of adsorption of multicomponents that will allow the recovery of these substances with high purity and industrial scale.