Ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds from plant sources: optimization, kinetic, and modeling study

Abstract

In recent years, emerging technologies, such as ultrasound, have been implemented in the area of bioactive compound extraction because they present a series of advantages when compared to conventional technologies. Such advantages can range from a decrease in process time, energy consumption, and use of solvents, as well as an increase in the recovery of target compounds, efficiency, and productivity of the process. In this context, the objective of this study was to optimize the ultrasound- assisted extraction of bioactive compounds (anthocyanins and total phenolics) from three raw materials from plant sources: raspberries (raw material rich in simple carbohydrates such as sucrose and fructose), purple tomato ( vegetable that contains fibers and other bioactive compounds like lycopene), and purple sweet potato (vegetable rich in carbohydrates like starch). For the optimization of the extraction process of bioactive compounds using ultrasound, three process variables were studied: time (min), temperature (°C) and solid:liquid ratio (m/v), using the Box- Behnken Design. From the data generated by the experimental design, it was possible to generate second-order regression equations, Pareto charts, and desirability profiles. The desirability profile was the tool that enabled the optimization of the processes, through the simultaneous combination of the studied variables, in order to achieve the highest recovery of the bioactive target compounds. The data predicted by the desirability profile were experimentally validated in the laboratory with satisfactory precision, for the three raw materials under study. In sequence, the optimized ultrasound-assisted extraction process was compared to the conventional extraction process, by maceration extraction with solvents. In all cases, the use of ultrasound significantly increased the recovery of the bioactive target compounds. The kinetic and modeling studies were only developed for raspberry and purple sweet potato. For raspberry, only a mathematical model was validated. While for the purple sweet potato, three mathematical models were validated. Furthermore, the three raw materials studied were analyzed under the lens of scanning electron microscopy, in order to observe the structural changes attributed to the action of ultrasound on the raw materials. In summary, the studies indicated that the ultrasound-assisted extraction process is an efficient technology for extracting bioactive compounds from plant sources. Keywords: Ultrasound. Extraction. Bioactive compounds. Optimization. Kinetics. Modeling.

Nos últimos anos, tecnologias emergentes, como o ultrassom, têm sido implementadas na área de extração de compostos bioativos por apresentarem uma série de vantagens, quando comparadas as tecnologias convencionais. Tais vantagens podem incluir desde a diminuição do tempo do processo, do consumo de energia e do uso de solventes, bem como o aumento da recuperação dos compostos de interesse, da eficiência e da produtividade do processo. Neste contexto, o objetivo deste estudo foi otimizar a extração assistida por ultrassom de compostos bioativos (antocianinas e fenólicos totais) de três matérias-primas de origem vegetal: framboesas (matéria-prima rica em carboidratos simples como sacarose e frutose), tomate roxo (vegetal que contém fibras e outros compostos bioativos como licopeno), e batata-doce roxa (vegetal rico em carboidratos como amido). Para a otimização do processo de extração de compostos bioativos utilizando ultrassom foram estudadas três variáveis de processo: tempo (min), temperatura (°C) e razão sólido:líquido (m/v), utilizando o Delineamento Box-Behnken. A partir dos dados gerados pelo desenho experimental foi possível gerar equações de regressão de segunda ordem, gráficos de Pareto, e perfil desejabilidade. O perfil desejabilidade foi a ferramenta que possibilitou a otimização dos processos, por meio da combinação simultânea das variáveis estudadas, para se atingir a maior recuperação dos compostos bioativos de interesse. Os dados previstos pelo perfil desejabilidade foram validados experimentalmente em laboratório com uma precisão satisfatória, para as três matérias-primas estudadas. Na sequência, o processo de extração assistido por ultrassom otimizado, foi comparado ao processo de extração convencional, por extração por maceração com solventes. Em todos os casos, o uso do ultrassom aumentou significativamente a recuperação dos compostos bioativos de interesse. Já o estudo cinético e de modelagem só foram desenvolvidos apenas para a framboesa e para a batata-doce roxa. Para a framboesa, somente um modelo matemático foi validado. Enquanto que para a batata-doce roxa, três modelos matemáticos foram validados. Ademais, as três matérias-primas estudadas foram analisadas sob as lentes da microscopia eletrônica de varredura, a fim de observar as mudanças estruturais atribuídas a ação do ultrassom nas matérias-primas. Resumidamente, os estudos indicam que o processo de extração assistida por ultrassom é uma tecnologia eficiente para extração de compostos bioativos de fontes vegetais. Palavras-chave: Ultrassom. Extração. Compostos bioativos. Otimização. Cinética. Modelagem.