Extração, clarificação e estabilização de betalaínas provenientes de talos de beterraba vermelha (Beta vulgaris L.)

Abstract

Milhões de toneladas de resíduos são gerados pela agroindústria todos os anos, gerando problemas ambientais e econômicos; muitos destes resíduos, entretanto, são ricos em nutrientes e compostos funcionais, o que poderia tornálos subprodutos com valor agregado. A utilização de subprodutos possibilita enriquecimento dos alimentos processados, redução de descarte no meio ambiente e melhor aproveitamento dos recursos naturais. Os talos de beterraba são um exemplo de resíduo com potencial a ser explorado e, assim como os bulbos, são ricos em betalaína, composto responsável pela sua coloração vermelho-violeta. Esses pigmentos são aplicáveis na indústria alimentícia como corantes naturais, mas a sua estabilidade é um dos maiores desafios frente a sua utilização. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo principal estudar a extração, a clarificação e a estabilização de betalaínas provenientes de talos de beterraba vermelha. Para tanto, foi inicialmente estudado a viabilidade da utilização dos talos de beterraba como fonte de betalaínas e, em sequência, a extração destes compostos via esmagamento. A utilização de diferentes processamentos com vistas à melhora da extração e o seu impacto na estabilidade das betalaínas presente no extrato foram investigados: o processamento por alta pressão (HPP do inglês High Pressure Processing) e o tratamento térmico com alta temperatura por curto tempo (HTST do inglês High Temperature Short Time). Por fim, foi realizado um estudo de clarificação do extrato por meio de processo de separação por membranas (PSM). A clarificação foi aplicada por microfiltração (MF) seguido por ultrafiltração (UF). Além disto, a MF também foi operada no modo diafiltração (DF). A redução da atividade da enzima peroxidase, as características físico-químicas, a cor e a taxa de degradação das betalaínas ao longo do armazenamento foram avaliados nos extratos antes e após a clarificação. Os resultados mostraram que os extratos obtidos via esmagamento possuíam em média 45% da quantidade de pigmentos presentes no extrato dos bulbos de beterraba. O processamento por HPP não foi considerado uma boa alternativa para melhorar a extração e também não contribuiu para o aumento na estabilidade dos pigmentos presentes nos extratos. O tratamento térmico HTST causou uma pequena degradação das betalaínas; porém, quando aplicado por 120 s a 85,7 °C nos extratos com alta concentração inicial, promoveu uma redução na taxa de degradação das betalaínas da amostra tratada de 1,2 para 0,4 mg de betanina/100 ml de extrato por dia após uma semana de armazenamento. No estudo de clarificação por PSM, os experimentos de MF e UF apresentaram reduções no fluxo do permeado ao longo do processo, além de elevada tendência ao fouling, em ambas as membranas. A aplicação da MF batelada seguida por UF ocasionou uma redução de 99,5% da atividade de peroxidase. Quando a MF foi operada em modo DF, a alimentação do processo foi modificada de duas bateladas de 2 L cada para uma batelada de 3 L, aproveitando melhor os pigmentos da alimentação. Além disto, a clarificação contribuiu para a estabilidade das betalaínas, uma vez que a taxa de degradação reduziu de 0,32 e 0,41 mg de betanina/100 ml de extrato por dia para 0,2 mg de betanina/100 ml de extrato por dia no 10° dia de armazenamento. Os processos de MF, em modo batelada e DF, seguidos por UF promoveram redução na turbidez e no teor de sólidos solúveis, além de extratos clarificados com cor mais intensa, luminosa e avermelhada.

Every year a huge amount of waste is generated by agricultural industry, becoming a serious environmental and economic problem; many of these wastes, however, contain nutrients and functional compounds, which could make them by-products with added value. The use of by-products allows the enrichment of processed foods and the reduction of discard in the environment, ensuring a better use of natural resources. The beet stalks are an example of waste with potential to be explored and, as the root, are rich in betalains, whose provide their red-violet color. These pigments are applicable in the food industry as natural dyes. The stability of these pigments, however, is one of the biggest challenges of using it. In this context, this work aims to study the extraction and clarification of betalains from red beet stalks. Initially it was studied the feasibility of using beet stalks like a betalain source and, after that, the extraction of these compounds through crushing was carried out. The utilization of different processing to improve the extraction and the impact on the betalain stability present in the extract were studied: the high pressure processing (HPP) and the thermal treatment high temperature short time (HTST). Lastly, a study of clarification of the extract using the membrane separation processes (PSM) was carried out. Clarification was first applied by microfiltration (MF) followed by ultrafiltration (UF). In addition, MF was also operated in diafiltration mode (DF). The peroxidase activity reduction, physico-chemical characteristics, color and degradation rate of betalains over the storage were evaluated in the extracts before and after the clarification. The results show that the stalks extract by crushing had about 45% of the pigments content in the extract from root of beet. HPP was not considered a suitable alternative to improve the extraction and did not contribute to the increase in the stability of the pigments present in the extracts. The thermal treatment HTST caused a small degradation of betalains. However, when it was applied for 120 s at 85.7 °C, in the extracts with high initial concentration, it promoted a reduction in the betalain degradation rate of the treated sample from 1.2 to 0.4 mg of betanin/100 ml of extract per day after one week of storage. In the PSM clarification study, the MF and UF experiments, showed permeated flux reduction, indicating high fouling tendency on both MF and UF membranes. The application of MF followed by UF caused a reduction of 99.5% in peroxidase activity. When MF was operated in DF mode, the process feed was modified from two batches of 2 L each to a 3 L batch, making better use of feed pigments. In addition, the clarification experiments contributed to the betalain stability, as the betalain degradation rate reduced from 0.32 and 41 mg of betanin/100 ml of extract per day to 0.2 mg of betanin/100 ml of extract per day on the 10th day of storage. The MF processes, batch and DF mode, followed by UF promoted a reduction in the turbidity and soluble solids content and the clarified extracts had color more intense, bright and reddish.