Study of strategies to improve the bioavailability of anthocyanins

Abstract

Anthocyanins are phenolic compounds present in many natural products and known for their health benefits. These benefits are directly related to their bioaccessibility, which is, the ability of those substances to reach the intestine after the digestive process, being absorbed and used by the organism. In this context, this thesis aims to investigate strategies to increase the bioaccessibility of anthocyanins for human consumption. The first article consists of a comprehensive review of technological tools and strategies to improve the stability, bioaccessibility and bioavailability of anthocyanins in food systems. Additionally, we highlight methodologies for evaluating their bioaccessibility and bioavailability, which vary between in vitro and in vivo approaches. We observed that in vitro methodologies are the most widely used due to their relative financial accessibility, lower complexity, and ability to provide rapid results. Among the most used strategies to increase the stability of anthocyanins during the digestion process, microencapsulation stands out. This technique proved to be effective in protecting against pH variations and enzymatic action, resulting in a general improvement in the in vitro bioaccessibility. The review also addresses the influence of the food matrix and types of processing over those parameters, indicating that these strategies can have positive or negative impacts on bioaccessibility and bioavailability. Therefore, more studies are needed to delve on how such strategies, as fermentation, for example, effectively assist in the formulation of functional foods. Thus, in the second chapter we detailed the evaluation of three types of fermentation (spontaneous, lactic, and alcoholic) on the bioaccessibility of anthocyanins from açai. Furthermore, we evaluated the cytotoxic effect of fermented açai extracts before and after simulated gastrointestinal digestion (SD) in three cell lines. Dried açai extracts produced from spontaneous fermentation (SF) for 24 h presented greater bioaccessibility of phenolics (52.68%) and cyanidin-3 glycoside (27.01%) compared to unfermented açai. Similarly, lactic acid fermentation (LF) for 72 hours improved the bioavailability of phenolics (64.49%) and cyanidin-3-rutinoside (20.00%). The fermented extracts did not presented cytotoxicity in the cell lines A549 (lung adenocarcinoma epithelial cells), HCT8 (human colon carcinoma) and IMR90 (normal human lung fibroblast), while extracts derived from 24-h alcoholic fermentation presented antioxidant and antimutagenic effects in vitro, reducing around 40% of chromosomal aberrations. This thesis highlights the relevance of processes such as microencapsulation and fermentation to increase the stability and bioaccessibility of anthocyanins, providing relevant information for the development of more effective functional foods. Keywords: Açai. Phenolic compounds. Bioaccessibility. Fermentation.As antocianinas são compostos fenólicos conhecidos pelos seus benefícios à saúde. No entanto, esses benefícios estão diretamente relacionados à bioacessibilidade dessas substâncias, isto é, à capacidade de chegar ao intestino de maneira viável após o processo digestivo e serem absorvidas e utilizadas pelo organismo. Nesse contexto, esta tese tem como objetivo investigar estratégias para aumentar a bioacessibilidade das antocianinas. O primeiro artigo consiste em uma revisão abrangente de ferramentas e estratégias tecnológicas para melhorar a bioacessibilidade e biodisponibilidade das antocianinas em sistemas alimentares. Adicionalmente, destacamos as metodologias para avaliar a bioacessibilidade e biodisponibilidade de compostos, que variam entre abordagens in vitro e in vivo. Observamos que as metodologias in vitro são as mais amplamente utilizadas devido à sua relativa acessibilidade financeira, menor complexidade e capacidade de fornecer resultados rápidos. Dentre as estratégias mais empregadas para aumentar a estabilidade das antocianinas durante o processo de digestão, destaca-se a microencapsulação. Essa técnica mostrou-se eficaz na proteção durante as variações de pH e ação enzimática, resultando em uma melhoria geral na bioacessibilidade in vitro. A revisão também aborda a influência da matriz alimentar e tipos de processamento, indicando que essas estratégias podem ter impactos positivos ou negativos na bioacessibilidade e biodisponibilidade. Portanto, são necessários mais estudos para que tais estratégias possam efetivamente auxiliar na formulação de alimentos funcionais. Adicionalmente, ao observar a carência de dados sobre o efeito da fermentação na bioacessibilidade de antocianinas, conduzimos o segundo trabalho centrado na avaliação de três tipos de fermentação de açaí (espontânea, láctica e alcoólica). Além disso, utilizamos três linhagens celulares para avaliar o efeito citotóxico de extratos fermentados de açaí antes e após a simulação da digestão gastrointestinal (SD). Os resultados indicaram que a fermentação espontânea (FS) por 24 horas, seguida de secagem (SD), resultou em um produto com maior bioacessibilidade de fenólicos (52,68%) e glicosídeo cianidina-3 (27,01%) em comparação com o açaí não fermentado. Da mesma forma, a fermentação láctica (LF) por 72 horas melhorou a biodisponibilidade de fenólicos (64,49%) e cianidina-3-rutinosídeo (20,00%). As amostras não apresentaram citotoxicidade nas linhagens celulares testadas e, além disso, a fermentação alcoólica (24 horas) demonstrou efeitos antioxidantes e antimutagênicos in vitro, reduzindo cerca de 40% das aberrações cromossômicas. Em resumo, esta tese destaca a importância de processos como a microencapsulação e a fermentação para aumentar a bioacessibilidade das antocianinas. Essas descobertas oferecem informações relevantes para o desenvolvimento de alimentos funcionais mais eficazes. Entretanto, ressaltamos a necessidade contínua de pesquisa com diferentes fontes e processos para otimização dos benefícios à saúde. Palavras-chave: Açaí. Compostos fenólicos. Bioacessibilidade. Fermentação.