BR102020009163A2

BR102020009163A2 - Processo de extração etanólica de prolaminas de resíduos dos grãos de cereais em meio etanólico/aquoso ácido ou básico

Info

Publication number: BR102020009163A2
Application number: BR102020009163-8A
Authority: BR
Inventors: Sergio Akinobu Yoshioka
Original assignee: Greenb Solucoes Biodegradaveis Ltda
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-11-16
Also published as: BR102020009163A8

Abstract

É descrito um processo de extração etanólica de prolaminas de cereais particulados ou de resíduos do cereal em meio ácido ou básico, a fim de tornar mais solúvel para a extração em meio etanólico/aquoso, sendo alcançando um rendimento entre 12 a 20% de zeína extraída.

Description

PROCESSO DE EXTRAÇÃO ETANÓLICA DE PROLAMINAS DE RESÍDUOS DOS GRÃOS DE CEREAIS EM MEIO ETANÓLICO/AQUOSO ÁCIDO OU BÁSICO

CAMPO DA INVENÇÃO

[01] A presente patente de invenção descreve um processo de extração etanólica de prolaminas de cereais, em meio ácido ou básico, a fim de tornar mais solúvel para a extração em meio etanólico/aquoso, alcançando um rendimento entre 12 a 20% de zeína extraída.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[01] As proteínas de reserva correspondem a cerca de 5 a 8% do peso seco de grãos de cereais e são denominadas de prolaminas, devido ao seu elevado conteúdo dos aminoácidos prolina e glutamina. Em cereais, as proteínas de reserva recebem denominações adicionais, dependendo da espécie vegetal considerada: zeínas para o milho, secalinas para o centeio, hordeínas para a cevada, avenalinas para a aveia, entre outros.

[02] A zeína, uma das proteínas derivadas do endosperma dos grãos de milho, se caracteriza pelo alto teor de aminoácidos apoiares, conferindo estrutura molecular hidrofóbica, solúvel em álcool para sua extração (SHUKLA, R.; CHERYAN, M. Zein: the industrial protein from corn. Elsevier, Industrial Crops and Products, v.13, p.171-192, 2001.).

[03] As zeínas estão localizadas no exterior dos grânulos de amido, em estruturas circulares, com a região central rica em delta e gama zeína, circundada por alfa zeína (PAES, 2006; ANDERSON, T.J.; LAMSAL, B.P. Development of new method for extraction of a-Zein from corn gluten meal using different solvents. Cereal chemistry, v.88, n.4, p.356-362, 2011).

[04] A alfa-zeína caracteriza-se por ser rica em aminoácidos hidrofóbicos (alanina, leucina e prolina), a gama-zeína constitui-se de resíduos de prolina e a delta-zeína contém em sua estrutura aminoácidos sulfurados, além de prolina e leucina (LARKINS, B.A. et al. Modification of maize-seed-protein quality. American Journal of Clinical Nutrition, v.58, n.2, p.264s-269s, 1993; OLIVEIRA, J.P. et al. Teor de proteína no grão em populações de milho de alta qualidade proteica e seus cruzamentos. Pesquisa Agropecuária Tropical, v.34, n. 1, p.45-51, 2004).

[05] As zeínas apresentam alto grau de polimerização e propriedades isolantes, destacando-se na fabricação de filmes para conservação de alimentos altamente perecíveis e microcápsulas para utilização na indústria farmacêutica, sendo uma importante fonte natural para a produção de filmes biodegradáveis.

[06] A literatura patentária descreve diversos processos de extração da zeína, isolada pela primeira vez por Gorham, em 1821, utilizando uma solução aquosa de etanol.

[07] Em 1891, Osbor'ne registrou uma patente, nos Estados Unidos, referente a um processo de extração de zeína a partir da moagem úmida com formação de glúten do milho, sendo alcançado um rendimento de 30 a 40% de zeína (LAWTON, J.W. Zein: a history of processing and use. Review., Cereal Chemistry v.79, n.1, p.1-18, 2002.).

[08] Desde então, diferentes processos de extração de proteínas de cereais utilizando diferentes solventes são relatados na literatura, nos quais fatores como concentração e tipo de solvente, temperatura e tempo da extração variam com o intuito de aumentar a eficiência do processo.

[09] A extração da zeína pode ser feita a partir de todos os co-produtos do milho, mas a zeína comercial é normalmente produzida a partir do glúten de milho.

[010] A maioria das extrações da prolamina do milho tem sido baseada em extração por solução aquosa de etanol, mas muitos outros solventes podem solubilizar a zeína. Sistemas de extração de zeína tem sido otimizados para diferentes produtos e co-produtos do milho devido às diferenças nas concentrações de proteína e as condições de processamento (ANDERSON, T. J., and LAMSAL, B. P. Zein Extraction from Corn, Corn Products, and Coproducts and Modifications for Various Applications: A Review. Cereal Chemistry, 88(2), 159-173, 2011).

[011] O método químico para a extração da zeína a partir do glúten do milho consiste da solubilidade dos aminoácidos apoiares de zeína em soluções aquosas alcoólicas utilizadas como solventes. A extração ocorre geralmente por um determinado período de tempo, o qual é dependente da eficiência da interação do solvente utilizado com a zeína, em temperatura entre 50 a 70°C e pH entre 6 a 11. O extrato resultante da dissolução é filtrado ou centrifugado, sendo adicionado tolueno, hexano ou benzeno para remoção dos lipídeos e pigmentos da zeína. A extração final é o resultado da precipitação por resfriamento em água fria ou em temperaturas de -10°C a -20°C e secagem a vácuo (SHUKLA, R.; CHERYAN, M.Zein: the industrial protein from corn.
Elsevier, Industrial Crops and Products, v.13, p.171-192, 2001; LAWTON, J.W. Zein: a history of processing and use. Review, Cereal Chemistry v.79, n. 1, p.1-18, 2002.).

[012] O documento US5580959 descreve um processo enzimático de extração de zeína que compreende as etapas de hidrólise do amido residual, para a remoção de sabores e a despigmentação, sendo utilizada uma solução tampão alcalina para a remoção de ácidos graxos e etanol para a extração dos pigmentos. A purificação da zeína é realizada por ultrafiltração e nano filtração mediante o emprego de membranas poliméricas. No entanto, existem fatores que causam a degradação dà membrana e rejeição da zeína, de forma que são necessários cuidados referentes a escolha do material da membrana, a pressão aplicada, concentrações e quantidades de solventes.

[013] O documento US8236929 descreve um processo de purificação da zeína e separação de xanmirandatofilas utilizando cromatografia.

[014] CAPOBIANGO et al. (CAPOBIANGO, M. et al. Extração química e enzimática das proteínas do fubá de milho. Ciência e Tecnologia dos Alimentos, Campinas, v.26, n.4, p.884-890, 2006) descrevem um processo enzimático de extração da zeína, utilizando fubá de milho e uma protease bacteriana de Bacillus liccheniformis. No entanto, em comparação com os métodos químicos, os métodos enzimáticos apresentaram rendimentos inferiores, provavelmente devido as interações com outros constituintes, como lipídeos e carboidratos.

[015] Um método de extração de zeína, ainda hoje empregado comercialmente, foi desenvolvido em 1970, por Carter e Reck, utilizando isopropanol à 88% como solvente em solução aquosa (PAPALIA, I. S.; LONDERO, P. M. G. (2015). “Extraction of zein and its application in food preservation”. Ciência Rural, Santa Maria, Vol. 45, n. 2, pp. 552-559.).

[016] FORATO et al. (FORATO, L.A. et al. Propriedades mecânicas e molhabilidade de filmes de zeínas extraídas de glúten de milho Polímeros, v.23, n.1, p.42-48, 2013.) descrevem a metodologia atualmente empregada para extração de zeína no Brasil. Neste método, a zeína, obtida a partir do glúten do milho, é tratada inicialmente com hexano em extrator Soxlhet por 24 horas para a remoção de gorduras; seguida de agitação em solução de cloreto de sódio por 6 horas (para remoção das outras proteínas presentes no grão: albuminas, glutelina e globulinas). Por fim, as zeínas são obtidas com solvente etanol a 70% por 24 horas e precipitadas em evaporação, seguida por liofilização.

[017] O documento US7045607 descreve um processo para extrair óleo e/ou zeína de milho ou de subprodutos de processamento de milho usando etanol e depende da filtração por membrana para obter óleo e/ou concentrado de zeína de alto valor. A extração é feita em um sistema de extração de contra-corrente contínua, co-corrente ou fluxo misto. O único reagente invocado pelo processo é o etanol, que pode ser destilado para extração adicional ou pode ser usado para produzir etanol após destilação. No entanto, devido ao custo de membrana de alta tecnologia, o processo apresenta alto custo.

[018] O documento US4716218 descreve um processo de extração de zeína que utiliza etanol, fazendo uso de membrana de ultrafiltração, o que torna o processo de alto custo.

[019] O documento US5580959 descreve um processo de extração de zeína que utiliza meio aquoso alcalino combinado com hidrólise enzimática do amido, seguido do tratamento com álcool para extração da zeína livre de amido, incolor e sem odor. No entanto, o processo se torna caro por utilizar enzimas.

[020] A zeína comercial é composta de alfa-zeína e tende a ser de alta qualidade e pureza, podendo ser obtida dos produtos industrializados dos grãos de milho ou por moagem úmida, com formação de glúten. No entanto, em que pese os diversos métodos de extração, os rendimentos ainda são considerados baixos, inferiores a 50%, havendo a necessidade de contínua pesquisa para novos tipos de tratamentos e solventes,'diminuição de custos e melhores controles de extração (tal como preparação do milho, tipo de moagem, temperatura e pH).

[021] Dessa forma, é objeto da presente patente de invenção um processo de extração etanólico de prolaminas de cereais, em meio ácido ou básico, a fim de tornar mais solúvel para a extração em meio etanólico/aquoso, alcabçando um rendimento entre 12 a 20% de zeína extraída.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[022] A figura 1 apresenta o fluxograma do processo de extração e purificação de prolamina, objeto da presente invenção.

[023] A figura 2A apresenta a imagem fotográfica de zeína seca, obtida pelo processo de extração objeto da presente patente de invenção, sem a etapa prévia de extração de gorduras e pigmentos em soxlhet; e a figura 2B apresenta a solução etanólica de 70% (etanol/água) com 20% (m/v) de zeína.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[024] Para os fins da presente invenção, o termo “farelo” será utilizado para designar qualquer cereal particulado (moído, triturado, entre outros) que apresenta uma matriz proteica (prolamina) que reveste o amido, dito farelo podendo ser obtido a partir do grão ou de resíduos do cereal.

[025] O processo de extração etanólica de proteínas de reserva de cereais, objeto da presente patente de invenção, compreende a mistura 4 do farelo em uma solução aquosa contendo entre 65,0 a 90,0% de etanol com concentração de base ou ácido entre 10-4 e 10-2 mol.L-1, à temperatura ambiente entre 1 a 3 horas.

[026] A solução etanólica básica compreende entre 10-4 e 10-2 mol.L-1 de hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de magnésio, hidróxido de cálcio ou hidróxido de amônio.

[027] A solução etanólica ácida compreende entre 10-4 e 10-2 mol.L-1 de ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico ou ácido acético.

[028] A fase sólida é separada da fase líquida por filtração ou centrifugação, e a fase líquida é submetida à destilação ou evaporação, com a remoção do álcool à baixa pressão em um evaporador rotativo, sendo os solventes recuperados reutilizados no processo.

[029] A solução resultante é esfriada à temperatura ambiente, apresentando um precipitado amarelado-alaranjado.

[030] Opcionalmente, a solução é neutralizada mediante o acréscimo de cloreto de sódio, cloreto de potássio, cloreto de magnésio, nitrato de potássio ou acetato de sódio.

[031] O precipitado é lavado em água quente à temperatura entre 70°C e 90°C para retirada dos sais e/ou amido ainda presentes e em seguida o precipitado de cor amarelo ouro ou amarelo palha é lavado em água à temperatura ambiente para solidificar, sendo obtido um precipitado amarelado ou de cor de palha.

[032] Na etapa seguinte, o precipitado é seco em estufa com temperatura entre 30 a 65°C, por no máximo 12 horas, e triturado.

[033] Opcionalmente, anterior à etapa de secagem do precipitado, é prevista uma etapa prévia de extração de óleo e do betacaroteno e licopeno em Soxhlet contendo hexano como solvente, entre 10 minutos a 12 horas, seguido de secagem.

[034] O farelo de cereais é selecionado dentre farelo de glúten de milho, grãos secos de destilados (DDG), grão de milho triturado e grãos de cereais triturados que apresentam prolaminas.

[035] Tabela 1: rendimento de zeína utilizando o processo descrito na presente patente de invenção

[036] EXPERIMENTO 1:

[037] O farelo de glúten de milho, de nome comercial glutenose ou protenose, com granulometria entre 200μm e 2,0mm, é submetido ao Soxhlet, contendo hexano como solvente, sub refluxo durante 1 hora, para a extração de óleo e do betacaroteno e licopeno. A seguir o farelo de glúten de milho descolorido (cor de palha ou champagne) e/ou desengordurado é misturado em uma solução etanólica a 70% (EtOH/água) contendo 10-4mol.L-1 de NaOH, entre 1h a 3h, com agitação em misturador por 1min. à temperatura ambiente. O precipitado é filtrado e destilado, sendo o resíduo lavado com água quente, à temperatura entre 70 e 90°C, por duas vezes, e a seguir colocado em um Becker e adicionado água gelada para endurecer a massa grudenta. Após a precipitação, o resíduo é colocado numa placa de petri ou bandeja e seco em estufa a 60°C por 12hs. A zeína obtida (prolamina), com rendimento entre 12 e 20%, é seca e guardada a temperatura ambiente em frasco âmbar, sendo potencialmente útil para produção de biocompósitos com outros materiais.

Claims

PROCESSO DE EXTRAÇÃO ETANÓLICA DE PROLAMINAS DE RESÍDUOS DOS GRÃOS DE CEREAIS EM MEIO ETANÓLICO/AQUOSO ÁCIDO OU BÁSICO caracterizado por compreender as etapas:
- a) mistura do farelo de cereal em uma solução aquosa contendo entre 65,0 a 90,0% de etanol com concentração de base ou ácido entre 10-4 e 10-2 mol.L-1, à temperatura ambiente entre 1 a 3 horas;
- b) separação da fase sólida por filtração ou centrifugação;
- c) separação da fase líquida por destilação ou evaporação, com a remoção do álcool à baixa pressão em um evaporador 4 rotativo;
- d) esfriamento da solução resultante à temperatura ambiente;
- e) lavagem do precipitado em água à temperatura entre 70°C e 90°C e em seguida lavagem em água à temperatura ambiente;
- f) secagem do precipitado em estufa à temperatura entre 30 a 65°C, por no máximo 12 horas;
- g) trituração do precipitado.
PROCESSO DE EXTRAÇÃO ETANÓLICA DE PROLAMINAS DE RESÍDUOS DOS GRÃOS DE CEREAIS EM MEIO ETANÓLICO/AQUOSO ÁCIDO OU BÁSICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da solução resultante da etapa (d) ser neutralizada mediante o acréscimo de cloreto de sódio, cloreto de potássio, cloreto de magnésio, nitrato de potássio ou acetato de sódio.
PROCESSO DE EXTRAÇÃO ETANÓLICA DE PROLAMINAS DE RESÍDUOS DOS GRÃOS DE CEREAIS EM MEIO ETANÓLIÇO/AQUOSO ÁCIDO OU BÁSICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de anteriormente à secagem do precipitado, ser realizada a extração de óleo e do betacaroteno e licopeno em Soxhlet contendo hexano como solvente, entre 10 minutos a 12 horas.
PROCESSO DE EXTRAÇÃO ETANÓLICA DE PROLAMINAS DE RESÍDUOS DOS GRÃOS DE CEREAIS EM MEIO ETANÓLICO/AQUOSO ÁCIDO OU BÁSICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da solução básica compreender hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de magnésio, hidróxido de cálcio ou hidróxido de amônio.
PROCESSO DE EXTRAÇÃO ETANÓLICA DE PROLAMINAS DE RESÍDUOS DOS GRÃOS DE CEREAIS EM MEIO ETANÓLICO/AQUOSO ÁCIDO OU BÁSICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da solução ácida compreender ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico ou ácido acético.