Nutrients and toxic elements in lettuce (Lactuca sativa) : studies of bioaccessibility, bioavailability, biofortification and speciation

Orientador: Solange CadoreTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: A alface pode acumular grande quantidade de elementos metálicos e não metálicos nas folhas quando cultivada em solos contaminados. Porém, não é simples avaliar se o consumo da alface pode trazer benefícios à saúde por conter elementos benéficos ou se, ainda, pode oferecer algum risco por ser susceptível à contaminação por elementos tóxicos. Para isso, além do estudo de quantificação do teor total de cada elemento presente na alface, deve ser feita a avaliação da quantidade que é liberada pelo alimento durante a digestão gastrointestinal (bioacessibilidade), bem como a avaliação da quantidade absorvida pelo organismo para uso das funções fisiológicas do organismo (biodisponibilidade). Assim, em uma primeira parte do trabalho, diferentes tipos de alface foram avaliados no que diz respeito ao teor total e bioacessibilidade de Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mo, Ni, Pb e Zn. As alfaces avaliadas foram a crespa, lisa, americana e mimosa. Além disso, uma vez que alguns outros componentes podem influenciar substancialmente a liberação de certos elementos durante a digestão gastrointestinal, o conteúdo total de polifenóis foi também determinado e, por meio de cálculos teóricos, foi feita a avaliação de uma possível correlação entre o conteúdo de polifenóis e a bioacessibilidade dos elementos. Os resultados mostraram que a concentração total dos elementos nas amostras de alface é em média (em ?g por 100 g de amostra fresca): 623 para Al; 0,3 para Cd; 30 para Cu; 730 para Fe; 3,5 para Mo e 220 para Zn. A concentração total para Co, Ni e Pb ficou abaixo do LOQ, bem como a concentração bioacessível para Mo. Além disso, foi possível observar que houve variação dos valores de bioacessibilidade conforme o tipo de alface estudado, porém uma ordem crescente para a bioacessibilidade dos elementos pode ser observada (considerando a média para todas as amostras de alface): Cd > Cu > Zn > Fe > Al. Os resultados também mostraram que os polifenóis podem interagir com os elementos e levá-los para a fração solúvel durante a digestão. Todavia, a contribuição da celulose para os valores de bioacessibilidade deve ser maior, pois a concentração desta substância é muito maior que a dos polifenóis. Na segunda parte do trabalho, foi feita a biofortificação de Se em um tipo de alface crespa (cv. Veneza roxa), e foi avaliada a influência da aplicação de selenato ou selenito e o efeito nos teores de macro e micronutrientes. Ainda, foram estimadas a bioacessibilidade e a biodisponibilidade de Se e de outros nutrientes, bem como a especiação do Se liberado durante a digestão gastrointestinal, visando a avaliação da melhor espécie de Se a ser utilizada durante a biofortificação. Os resultados apresentados na segunda parte do trabalho mostram que a biofortificação com ambas as espécies de Se não levou a uma redução da massa da planta e que a biofortificação com selenato promoveu um maior acúmulo de Se pela alface Veneza roxa. Enquanto houve um aumento de, no mínimo, 207 mg kg-1 em diferentes concentrações de selenato, para selenito a variação máxima foi de somente 16 mg kg-1. No entanto, a bioacessibilidade de Se foi bastante próxima para todas as plantas obtidas nos diferentes ensaios de biofortificação. Por outro lado, a análise de especiação indicou que a maior parte do Se presente durante a digestão gastrointestinal para as alfaces biofortificadas com selenito é de Se orgânico (SeMet), enquanto que para selenato, a espécie mais abundante ainda é Se (VI). Ou seja, a planta é capaz de biotransformar com mais eficiência selenito em formas orgânicas do que o selenato. Os resultados também mostraram que houve mudanças no balanço nutricional da planta de alface biofortificada, considerando o acúmulo de Cu, Fe, Mn, Mo, Ca, K, Mg, Na, P e S, sendo a absorção de S a mais afetada. Enquanto o selenato promoveu a absorção de Mo e S e reduziu a concentração de K, Mn e P na planta, o selenito aumentou a concentração de Mn e reduziu o acúmulo de Mo. Já a absorção de Cu e Fe pela planta foi afetada negativamente em todos os ensaios de biofortificação, enquanto que a concentração de Ca e Mg apresentou um discreto aumento na presença de selenato ou selenito. Por outro lado, Na e Zn não foram afetados na presença de qualquer espécie de Se. A bioacessibilidade para todos os elementos não foi fortemente afetada na presença das diferentes formas de Se. Por fim, os resultados para a biodisponibilidade mostram que somente Mo, Se e Zn foram absorvidos em quantidades significativas pelas células Caco-2, e que somente a absorção de Se sofreu forte influência de sua especiação durante a digestão gastrointestinalAbstract: Lettuce can accumulate large amounts of metals and nonmetallic elements in the leaves when grown in contaminated soil. However, it is not easy to assess whether the consumption of lettuce can bring health benefits to contain nutrients or also can offer risks for being susceptible to contamination by toxic elements. Thus, besides the total quantification of the elements present in lettuce, it is also important the evaluation of the amount that is released from the food during the gastrointestinal digestion (bioaccessibility) and the amount that is absorbed by the body for the use of physiological functions (bioavailability). Thus, as a first step of the study, different types of lettuce were evaluated with respect to the total content and the bioaccessibility of Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mo, Ni, Pb and Zn. The samples evaluated were "crespa" (loose-leaved leaves), "lisa" (cup-shaped leaves), "americana" (iceberg), and "mimosa" (oak leaf). Furthermore, since some other components may substantially influence the release of certain elements during the gastrointestinal digestion, the total polyphenol content was also determined and through theoretical calculations the evaluation of a potential correlation between the polyphenols content and the bioaccessibility was made. The results for the total concentration of the elements in lettuce samples showed the average of (in g per 100 g fresh sample): 623 for Al; 0.3 for Cd; 30 for Cu; 730 for Fe; 3.5 for Mo and 220 for Zn. The total concentration for Co, Ni and Pb were below the LOQ, as well as the bioaccessible concentration for Mo. Moreover, it was observed that the values depend on the type of lettuce, but an increasing order for bioaccessibility can be observed (considering the average for all samples): Cd> Cu> Zn> Fe> Al. The results also showed that the polyphenols might interact with the elements and carry them to the soluble fraction during the digestion. However, the cellulose contribution for the bioaccessibility values must be more pronounced, since the concentration of this substance is much higher than polyphenols. In the second part of the work, the Se biofortification was carried out using a red type of letuce (cv. "Veneza roxa"). The evaluation of the selenate or selenite application was done, as well as the biofortification effect on macro and micronutrients. Additionally, the bioaccessibility and bioavailability for Se and other nutrients was estimated, as well as the Se speciation during the gastrointestinal digestion in order to evaluate the best Se specie for being used during the biofortification program. The results showed that both Se species did not lead to a mass reduction of the shoot and the selenate promoted a greater Se accumulation by the plant, while there was an increase of at least 207 mg kg-1 at different concentrations of selenate, for selenite the maximum variation was only of 16 mg kg-1. However, the Se bioaccessibility was quite similar for all plants obtained in the different assays. On the other hand, the speciation analysis indicated that for selenite-enriched plants the main specie found was SeMet or SeMetO, while for selenate-enriched plants, the most abundant specie is still Se(VI). Thus, the lettuce plant is able to biotransform selenite more efficiently in organic forms than transforms selenate. It was also showed that the presence of different Se forms promotes changes in the nutritional balance of the lettuce, considering Cu, Fe, Mn, Mo, Ca, K, Mg, Na, P, and S. While selenate promoted the absorption of Mo and S and the reduction of the K, Mn and P concentration in the shoot, selenite increased Mn and reduced the Mo accumulation. Since the absorption of Cu and Fe was always negatively affected, the concentration of Ca and Mg showed a slight increase, and Na and Zn were not affected on the presence of any Se specie. The bioaccessibility for all elements was not substantially affected on the presence of different Se forms. Finally, the results showed that only Mo, Se and Zn were absorbed in significant quantities by the Caco-2 cells, and only for Se the absorption was strongly influenced by the Se speciationDoutoradoQuimica AnaliticaDoutora em Ciências2012/15020-4FAPES