Estratégias para valorizar as propriedades nutricionais do grão de amaranto (Amaranthus cruentus): comportamento sob digestão gastrointestinal in vitro e em células Caco-2

Tese de doutoramento em Food Science and Technology and NutritionAmaranth is a pseudocereal of great nutritional value that has a higher amount of fiber and protein than the cereals usually consumed, which is why it has stood out as an excellent alternative or complementary source of proteins, together with the fact that it does not contain gluten. In this context, the main objective of this study was to explore the amaranth grain by using innovative technologies, developing and characterizing materials that can be used in food, valuing this grain. In order to achieve this objective, two approaches were developed in this thesis: 1) development and characterization of amaranth protein- and starch-based encapsulation structures and 2) development and characterization of biopolymeric film matrices incorporating amaranth phenolic compounds. In the first approach, β-carotene was the bioactive compound chosen to be encapsulated in amaranth starch and protein microcapsules formed by spray-drying, aiming at improving its water solubility, stability and bioavailability. Moisture content, morphology, solubility, particle size, encapsulation efficiency and β-carotene stability were analyzed. All microcapsules showed a wide particle size distribution and also low solubility and moisture content. Also, the results showed that encapsulation strongly increased β-carotene stability. Its stability in various in vitro food simulants was demonstrated in acidic and neutral media, but not in alcoholic media. Subsequently, a static digestion model was used to assess β-carotene bioaccessibility and its citotoxicity and cellular antioxidant capacity was determined when in contact with Caco-2 cells. The results showed that encapsulated β-carotene presented higher bioaccessibility than free β-carotene. Moreover, β carotene incorporated in amaranth starch and protein microcapsules was not cytotoxic at 160x dilution. Encapsulated β-carotene presented higher cellular antioxidant capacity than free β carotene indicating that microcapsules exhibited the ability to protect β-carotene and its antioxidant function. In the second approach, alginate and glycerol-based films with the incorporation of phenolic compounds extracted from the amaranth grain were developed. The films were produced using different alginate, glycerol and phenolic compounds concentrations and characterized (e.g. mechanical properties, opacity and water vapor permeability). Chemical interactions were studied by FTIR and film surface was analyzed by scanning electron microscopy. Alginate films incorporating amaranth phenolic compounds have been successfully manufactured. The light transmittance of the films was reduced due to phenolic compounds incorporation. Phenolic compounds addition to alginate films also resulted in intermolecular interactions, which was confirmed by FTIR spectra. If mechanical stability is a priority, films presenting higher alginate/glycerol ratio should be produced. On the other hand, if film flexibility is prioritized, the alginate/glycerol ratio must be equal to one. In general, the two products developed and explored in this thesis can be potential vehicles for functional compounds incorporation. Bioactive compounds entrapment in amaranth polymeric matrices and the use of its functional components provide a new and promising alternative for amaranth grain use and valorization.O amaranto é um pseudocereal de grande valor nutricional que apresenta uma quantidade de fibras e proteína superior aos cereais normalmente consumidos, razão pela qual se tem destacado como uma excelente fonte alternativa ou complementar de proteínas e por não conter glúten na sua composição amilácea. Neste contexto, o objetivo principal deste estudo foi explorar o grão de amaranto pela utilização de tecnologias inovadoras, desenvolvendo e caracterizando materiais que possam ser utilizados em alimentos, valorizando este grão. Para atingir este objetivo, duas abordagens foram desenvolvidas nesta tese: 1) desenvolvimento e caracterização de estruturas de encapsulamento à base de proteína e amido de amaranto e 2) estudo, desenvolvimento e caracterização de filmes biopoliméricos incorporando compostos fenólicos extraídos do amaranto. Na primeira abordagem, o β-caroteno foi o composto bioactivo escolhido para ser encapsulado em micropartículas de amido e proteína de amaranto formadas por pulverização, para melhorar a sua solubilidade em água, estabilidade química e biodisponibilidade. Analisaram-se o conteúdo de humidade, morfologia, solubilidade, tamanho de partícula, eficiência de encapsulação e estabilidade do β-caroteno nas microcápsulas. Observou-se que todas as microcápsulas apresentaram ampla distribuição de tamanho de partícula e também baixa solubilidade e teor de humidade. A estabilidade do β-caroteno encapsulado foi avaliada e os resultados demonstraram que o encapsulamento aumentou fortemente a sua estabilidade. Foi também estudada a sua estabilidade em vários meios alimentares de libertação in vitro e verificou-se a sua estabilidade em meios ácidos e neutros, mas não em meios alcoólicos. Posteriormente, foi utilizado um modelo de digestão estática para avaliar a bioacessibilidade do β caroteno encapsulado e o seu comportamento na presença de células Caco-2, em termos de citotoxicidade e de capacidade antioxidante celular. Os resultados demonstraram que o β-caroteno encapsulado apresentou maior bioacessibilidade que o β-caroteno livre, e que o sistema não é citotóxico a partir de 160 x para as microcápsulas de amido de amaranto e microcápsulas de proteínas de amaranto.. A capacidade antioxidante das microcápsulas mostrou-se elevada a nível celular, indicando que estas exibem a capacidade de proteger a célula e desempenhar a sua função antioxidante. Na segunda abordagem, foram produzidos e caracterizados filmes à base de alginato e glicerol com a incorporação de compostos fenólicos extraídos do grão de amaranto. Os filmes foram produzidos utilizando diferentes concentrações de alginato, glicerol e compostos fenólicos e caracterizados em termos de propriedades mecânicas, opacidade, teor de humidade, solubilidade e permeabilidade ao vapor de água. As interações químicas foram estudadas por FTIR e a superfície do filme foi analisada por microscopia eletrónica de varrimento. Produziram-se com sucesso filmes de alginato incorporados com fenólicos de amaranto. A transmitância da luz no filme foi diminuída pela incorporação de compostos fenólicos. A adição de compostos fenólicos nos filmes de alginato também resultou em interações intermoleculares, o que pode ser confirmado pelos espectros de FTIR. Se a maior estabilidade mecânica for uma prioridade, devem produzir-se filmes com maior proporção de alginato/glicerol. Por outro lado, se a flexibilidade dos filmes for priorizada, a razão alginato/glicerol deve ser igual a um. Em geral, os dois produtos desenvolvidos e explorados nesta tese podem ser um potencial veículo para a incorporação de compostos funcionais. Tanto o aprisionamento em matrizes poliméricas do amaranto quanto a utilização dos seus componentes funcionais são uma nova e promissora alternativa para a utilização e valorização do grão de amaranto