EXTRAÇÃO DE INULINA A PARTIR DA RAIZ DE CHICÓRIA (Chicorium intybus L.) USANDO DIÓXIDO DE CARBONO SUPERCRÍTICO

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1 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 1/6 EXTRAÇÃO DE INULINA A PARTIR DA RAIZ DE CHICÓRIA (Chicorium intybus L.) USANDO DIÓXIDO DE CARBONO SUPERCRÍTICO Luana F. Cataldo 1 ; Cristiano A. Silva 2 ; Marisa F. Mendes 2 ; Regina I. Nogueira 3 ; Suely P. Freitas 4* 1 alunos de IC - EQ Universidade Federal do Rio de Janeiro 2 Professor orientador - DEQ Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro 3 colaborador- Embrapa Agroindústria de Alimentos 4 Professor orientador Escola de Química/DEQ -UFRJ Bloco E sala Ilha do Fundão, Rio de Janeiro Brasil - CEP: freitasp@eq.ufrj.br. RESUMO - A inulina é um polissacarídeo encontrado em uma série de produtos vegetais, principalmente na raiz de chicória (Chicorium intybus L.), uma planta nativa da Europa, África e América, que pode ser cultivada em qualquer lugar do mundo. A inulina é utilizada na agroindústria para a produção de alimentos de baixa caloria e como ingrediente funcional nas indústrias farmacêuticas. A tecnologia convencional para a produção de inulina é a extração aquosa, que tem alto custo energético devido às etapas de separação. O objetivo desse trabalho foi extrair a inulina da raiz de chicória pelo processo de extração supercrítica. As extrações foram conduzidas em uma unidade experimental contendo um extrator de aço inoxidável, uma válvula micrométrica, uma bomba de alta pressão e um banho de aquecimento. Foram investigados os efeitos da temperatura e pressão para um tempo operacional de 2 horas. O melhor resultado para a recuperação de soluto foi obtido a 60 C e 150 bar. Como ocorre em muitos processos utilizando fluido supercrítico, os experimentos indicaram que a temperatura constante, a massa de extrato aumenta quando a pressão aumenta, e a pressão constante, a massa de extrato diminui quando a temperatura aumenta. Isto ocorre devido à redução da densidade do solvente. INTRODUÇÃO A raiz de chicória (Chicorium intybus L.) é uma raiz tuberosa que armazena inulina. A inulina é uma frutana, com grau de polimerização 11-60, composta por uma grande cadeia de frutose (que corresponde a 94%) e uma molécula terminal de glicose. Sabe-se que a frutose tem maior poder adoçante que a glicose ou sacarose e que, diferentemente desses açucares, pode ser usada também por diabéticos. Age no 1 organismo de uma forma similar às fibras dietéticas, contribuindo para a melhoria das condições do sistema gastrointestinal. Devido a essas propriedades, as indústrias farmacêuticas e alimentícias têm encontrado aplicações para a inulina na produção de alimentos funcionais, compostos nutricionais e medi- * autor para correspondência

2 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 2/6 camentos (Figueira et al., 2004). A raiz de chicória desidratada é mostrada na Figura 1. Atualmente, a maior parte da produção industrial de frutose é obtida a partir do amido de milho como um xarope rico em frutose (isoglicose), por um processo de hidrólise enzimática, seguido pela isomerização da glicose e subseqüente separação da frutose. A obtenção direta da frutose de produtos agrícolas, que podem sintetizar e acumular grandes quantidades desse açúcar pode se tornar uma possibilidade industrial competitiva. O xarope de frutose extraído da raiz de chicória é atualmente produzido, em grande escala, por indústrias alimentícias em países do norte e do centro europeu (Bélgica, Países Baixos, França). A tecnologia convencional usada para produzir inulina envolve as seguintes etapas: extração aquosa, filtração, evaporação e secagem por spray-drying. O custo energético desse processo é alto devido às etapas de secagem (Nogueira, 2002). Figura 1: Raiz de Chicória. Devido ao alto custo energético do processo convencional, propõe-se nesse trabalho a aplicação de uma tecnologia nova, a extração com fluido supercrítico. A extração com fluido supercrítico, usando dióxido de carbono como solvente, é uma tecnologia limpa e atualmente recomendada para diferentes aplicações em indústrias de a- limentos. O solvente é barato, está prontamente disponível e é seguro para o manuseio. Ademais, o CO 2 é facilmente separado do extrato através de uma simples despressurização. Devido a esse fato, é aprovado para o processamento de alimentos (Brunner, 2004). Considerando que o Brasil não tem uma produção comercial de inulina e que, por isso, existe uma condição favorável para instalação de uma planta de extração com CO 2 supercrítico, o objetivo deste trabalho foi avaliar os parâmetros operacionais (temperatura, pressão e densidade) no rendimento desta tecnologia para a extração de inulina a partir da raiz de chicória. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais A raiz de chicória foi fornecida pela Embrapa Agroindústria de Alimentos e o CO 2 (99,9% de pureza) por AGA S.A. A extração da inulina foi inicialmente realizada em um processo em modo semi-batelada. A unidade experimental consiste em um extrator de aço inox 316L, com volume interno de 42 ml. Cada extremidade do extrator recebeu uma tela de aço inox, de mesh 260, para prevenir a perda e arraste de material. Uma válvula micrométrica (Whitey, modelo SS-31RS4), localizada na saída do extrator, é usada para o controle da vazão de solvente. O rafinado foi recolhido em um tubo e a vazão do solvente foi medida em um rotâmetro. A pressão de operação do equipamento é obtida através de uma bomba de alta pressão (Thermo Separation Products, Constametric 3200 P/F). A

3 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 3/6 especificação da pressão e da vazão da bomba de alta pressão é 400 atm e 9,99 ml/min. Uma visão esquemática do equipamento é mostrada na Figura 2. A unidade experimental foi previamente testada e validada em Mendes (2002). Figura 2: Unidade experimental usada no estudo da extração de inulina a partir da raiz de chicória, onde: A cilindro de gás, B bomba de alta pressão, C banho de aquecimento, D extrator, E válvula micrométrica, F rafinado, G rotâmetro. Metodologia Experimental O extrator foi alimentado com uma quantidade conhecida de raiz de chicória (14-15g) e então, iniciou-se o procedimento experimental ajustando-se o banho de aquecimento do extrator para a temperatura desejada. Após alcançada a temperatura de operação, o CO 2 foi alimentado no extrator pela ação de uma bomba de alta pressão a 9,83 ml/min. Um banho de gelo e sal (com temperatura de -10 C) foi mantido na entrada da bomba para garantir que o dióxido de carbono permaneça em estado líquido. A extração foi executada a 40, 60 e 80 C e 62, 100, 150 e 170 bar. O tempo operacional foi fixado em 2 horas. Análise Estatística Um planejamento fatorial completo (3 2 ), três níveis e dois parâmetros, foi proposto para analisar o efeito da temperatura e pressão sobre a massa de extrato conforme a Tabela 1. Os cálculos estatísticos foram realizados pela análise de variância usando o programa Statistica. Os valores de probabilidade (p) foram usados para conferir a significância estatística de cada variável independente. Foram considerados significativos os parâmetros com p 0,15 (Barros Neto, et al., 1996). Tabela 1: Variáveis independentes e níveis experimentais. Níveis Variáveis Independentes Temperatura ( o C) Pressão (bar)

4 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 4/6 RESULTADOS E DISCUSSÕES Aproximadamente, 14 a 15 g de raiz de chicória eram alimentadas no extrator e devido a essas diferenças, a massa de extrato pode variar para cada condição operacional. O rendimento da extração foi calculado pela razão entre a massa do extrato e a massa da amostra. Para melhor explicar o comportamento do resultado experimental, a razão S/F (solvente/carga) foi calculada baseada na vazão do solvente (9,83 ml/min), no tempo operacional de 2 horas e na densidade do solvente para cada condição operacional de temperatura e pressão. Como pode ser observado na Figura 3 e na Tabela 2 para uma dada temperatura, o rendimento aumenta quando a pressão aumenta. Porém, o aumento na temperatura promove uma ligeira diminuição no rendimento devido à diminuição da densidade do solvente. Em geral, a razão S/F aumenta quando a massa de extrato aumenta. Porém, isto não é observado para todas as condições operacionais investigadas como mostra a Figura 4 e a Tabela 2. A diferença inicial deste comportamento representa a solubilidade operacional da inulina em SC-CO 2. Tabela 2: Resultados da extração de inulina utilizando SC-CO 2, realizada em diferentes condições operacionais. Pressão (bar) Massa de a- mostra(g) Massa de extrato (g) Rendimento (%) S/F (kg CO 2 /kg amostra). T=40ºC 62* 14,6854 0,0032 0, , ,0007 0,0058 0, , ,4479 0,0069 0, , ,1642 0,0062 0, ,6013 T=60ºC 62* 15,0254 0,0023 0, , ,8906 0,0050 0, , ,3199 0,0088 0, , ,2154 0,0072 0, ,4917 T=80ºC 62* 14,411 0,0065 0,0459 9, ,013 0,0066 0, , ,3242 0,0069 0, , ,2115 0,0062 0, ,7723 * pressão do cilindro

5 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 5/6 0,060 0,050 Pressão (Q) 1,83566 Rendimento 0,040 0,030 0,020 40ºC Prassão (L) 1, ,010 60ºC Temperatura (Q) 0, ºC 0, Temperatura (L) 0, Pressão (bar) Figura 3: Rendimento (p/p) total em função das diferentes condições de pressão aplicada, a 40, 60 e 80 C. 0,060 Estimativa dos efeitos (valor absoluto) p=.15 Figura 5: Gráfico Pareto de Efeitos Padronizados. Variável dependente: massa de extrato de chicória (g) 0,050 Rendimento 0,040 0,030 0,020 40ºC 0,010 60ºC 80ºC 0, S/F (kg CO2/kg de amostra) Figura 4: Rendimento (p/p) em função da razão S/F, a 40, 60 e 80 C. Como pode ser observado no gráfico de Pareto (Figura 5), o rendimento do processo varia com a pressão de operação, com 85% de confiança (p=0,14). Porém, a massa de extrato não é estatisticamente influenciada quando a temperatura aumenta de 40 para 60 C. Como mostra a Figura 6, o gráfico de superfície de resposta gerado indica que a melhor extração (0,0088 g de extrato) é obtida na pressão de 150 bar. Quando a pressão aumenta para 170 bar, a massa de extrato máxima diminui para 0,0072g. Figura 6: Efeito da pressão e temperatura na recuperação do extrato de chicória. CONCLUSÕES E SUGESTÕES O melhor resultado para a extração foi alcançado a 60 C e 150 bar. Este comportamento foi também confirmado na análise estatística. Foi observado que, na temperatura de 80 C, o resultado não foi influenciado pelo aumento de pressão. A eficiência da extração da inulina pelo SC-CO 2 é inferior a 10%, provavelmente devido a grande massa molecular da inulina, um polissacarídeo constituído por uma molécula de sacarose ligada a uma grande cadeia de

6 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 6/6 moléculas de frutose, o que sugere a aplicação de um co-solvente (etanol, por exemplo) para que a eficiência aumente. REFERÊNCIAS BARROS NETO, B.; SCARMINIO, I.S.; BRUNS, R. E. (1996). Planejamento e otimização de experimentos. 2ed. Campinas: Editora da UNI- CAMP, 299p. BRUNNER, G. (2004). Supercritical fluids: technology and application to food processing. Journal of Food Engineering, 67, 21. DEL VALLE, J.M., DE LA FUENTE, J.C., CARDARELLI, D.A. (2005). Contributions to supercritical extraction of vegetable substrates in Latin America, Journal of Food Engineering, 67, 35. FIGUEIRA, G.M., PARK, K.J., BROD, F.P.R., HONÓRIO, S.L. (2004). Evaluation of desorption isotherms, drying rates and inulin concentration of chicory roots (Cichorium intybus L.) with and without enzymatic inactivation, Journal of Food Engineering, 63, 273. MENDES, M.F. (2002). Estudo do Processo de Concentração da Vitamina E presente no Destilado da Desodorização do Óleo de Soja u- sando CO 2 como Fluido Supercrítico, Tese de D.Sc., PEQ/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil. NOGUEIRA, R.I. (2002). Processo de obtenção de inulina de chicória (Cichorium intybus) em pó. Tese de D.Sc., Universidade Estadual de Campinas, Brasil. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e FAPERJ, pelo apoio.