Evaluación de subproductos agroalimentarios regionales como fuente de compuestos bioactivos para la prevención de la enfermedad inflamatoria intestinal

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la actualidad, existe una creciente concienciación de la relación dieta-salud, lo cual ha impulsado el consumo de alimentos de origen vegetal, con especial atención en aquellos asociados a efectos saludables. No obstante, la producción de dichos alimentos conlleva la generación de grandes cantidades de residuos que impactan negativamente en el medio ambiente, así como en los otros dos pilares de la sostenibilidad (económico y social), lo que convierte en urgente el desarrollo de alternativas para su valorización. Entre las producciones de frutas y hortalizas mayoritarias en el sudeste peninsular español, destaca el cultivo de brócoli (Brassica oleracea L. var. italica) y la vid (Vitis vinífera L.). En el caso del primer cultivo, destaca que en sus subproductos se ha descrito la presencia de glucosinolatos (GSL) y sus derivados bioactivos, los isotiocianatos (ITC), que regulan, entre otros, mecanismos moleculares relacionados con el proceso inflamatorio. Alternativamente, los subproductos de la industria vitivinícola contienen altas concentraciones de (poli)fenoles, caracterizados por una potente actividad antioxidante y, en menor medida, antiinflamatoria. Todo ello permite su valorización como ingredientes saludables, en la prevención de enfermedades que cursan con una participación relevante del proceso antiinflamatorio. En este marco, el objetivo de la presente Tesis Doctoral fue optimizar las condiciones de procesado de los subproductos de brócoli (tallos) y de la industria vitivinícola (raspón, bagazo y lías), para la obtención de ingredientes intermedios estabilizados, fuente de compuestos bioactivos (organosulfurados y (poli)fenoles, respectivamente), altamente bioaccesibles. Este abordaje ha permitido obtener evidencias que apoyan el aprovechamiento de recursos actualmente infrautilizados, contribuyendo a una mejora de la eficiencia de los sistemas de producción y, simultáneamente, a la obtención de nuevos productos que favorezcan la salud de la población. Para la consecución de este objetivo, se realizaron las siguientes tareas: (1) Se optimizaron las condiciones para la deshidratación de las diferentes matrices (tallos de brócoli y raspón, bagazo y lías de vino), obteniendo materiales estabilizados mediante métodos de procesado que proporcionarían una fuente de compuestos bioactivos altamente bioaccesibles, con posibilidad de rápida transferencia a la industria. Los materiales obtenidos se caracterizaron en relación con su composición fitoquímica, mediante técnicas analíticas avanzadas de cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (Publicaciones 1 y 2). En este sentido y en relación con los subproductos del brócoli, los materiales estabilizados que presentaron la mayor concentración de GSL se obtuvieron de tallos de brócoli, preprocesados tras la eliminación de la corteza y deshidratados mediante la aplicación de un gradiente tiempo-temperatura. En lo que respecta a los compuestos fenólicos, las concentraciones superiores se obtuvieron al aplicar el gradiente de secado referido o un deshidratado a baja temperatura dependiendo del material de partida. El análisis de la bioaccesibilidad, de los compuestos fitoquímicos de interés, puso de manifiesto que el desecado a baja temperatura permite obtener un mayor rendimiento de sulforafano y (poli)fenoles. En cuanto al estudio de los subproductos de la industria vitivinícola (raspón, bagazo y lías), se observaron diferentes perfiles fitoquímicos, especialmente en relación con bagazo y lías, lo que puede ser debido a la actividad metabólica de las levaduras y bacterias ácido lácticas durante el proceso de vinificación. Esta diversificación del contenido (poli)fenólico sugiere la posibilidad del uso conjunto de las diferentes matrices para la consecución de un efecto sinérgico en la prevención del estrés oxidativo y los procesos inflamatorios. (2) Una vez establecidas las condiciones de estabilización de los subproductos del brócoli y la industria vitivinícola, se estudió la capacidad de dichos materiales de modular los marcadores y mediadores de la enfermedad inflamatoria intestinal. Esta evaluación se realizó mediante un modelo in vitro (monocapa de células inflamatorias intestinales expuestas a un estímulo proinflamatorio: IL-1β), técnicas de metabolómica dirigida y de análisis inmunomediados (citometría de flujo y ELISA) (Publicaciones 3 y 4). El análisis de los compuestos fitoquímicos presentes en los materiales deshidratados (GSL, ITC y compuestos (poli)fenólicos), en relación con su capacidad de modulación de marcadores y mediadores inflamatorios (IL-6, IL-8 y TNF-α), así como los estudios de correlación desarrollados, permitieron identificar el sulforafano como el compuesto fitoquímico responsable de la actividad biológica analizada. Por otro lado, en el caso de los residuos enológicos, la actividad antiinflamatoria y preventiva del estrés oxidativo se relacionó con una diversidad de compuestos (poli)fenólicos (específicamente representados por proantocianidinas y derivados de las catequinas, ácidos fenólicos, estilbenos, flavonoles y antocianos). En base a los resultados obtenidos, los subproductos del cultivo del brócoli y de la industria vitivinícola de la Región de Murcia, se puede concluir que constituyen una fuente de compuestos fitoquímicos bioactivos con capacidad para prevenir los mecanismos moleculares responsables del curso de la enfermedad inflamatoria intestinal. Lo cual los sitúa como ingredientes saludables a considerar en el desarrollo de nuevos productos/alimentos. No obstante, se requieren nuevos estudios para establecer la capacidad de las fracciones bioaccesibles y la aplicación conjunta de ambos residuos, con el fin de establecer el potencial biológico real de estos materiales[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The growing awareness of the diet-health relationship has boosted the consumption of plant-based foods, with special attention to those associated with healthy effects. However, agro-food production generates a large quantity of waste that negatively impacts the environment, and the sustainability and competitiveness of the sectorial industries. This fact makes it urgent to develop recovery alternatives. Among the majority of horticultural productions in the southeast of Spain, the cultivation of broccoli (Brassica oleracea L. var. italica) and wine grapes (Vitis vinifera) stands out. The presence of glucosinolates (GSL) and their bioactive derivatives, isothiocyanates (ITC), responsible for the healthy attributions of broccoli, regulating, among others, molecular mechanisms related to inflammation, has been reported concerning broccoli by-products. Alternatively, by-products enclosed in wine production also contain high concentrations of (poly)phenols characterised by a powerful antioxidant activity and, to a lesser extent anti-inflammatory potential. These compositions allow the valorisation of broccoli and wine- making by-products as healthy ingredients, with a significant anti-inflammatory power. In this frame, the objective of the present Doctoral Thesis was to optimise the processing conditions of broccoli by-products (stems) and the wine industry (grape stems, grape pomace, and wine lees), to obtain stabilised intermediate ingredients, sources of bioactive compounds (organosulfurates and (poly)phenols, respectively), highly bioaccessible. This approach will allow obtaining evidence that supports the use of currently underused resources, contributing to an improvement in the efficiency of the production systems and, simultaneously, obtaining new added-value, health-promoting co-products. To achieve this objective, the following tasks were carried out: (1) The conditions for the dehydration of the different matrices (broccoli stems and grape stems, grape pomace, and wine lees) were optimised, obtaining stabilised materials through processing methods that allow obtaining a source of bioactive compounds with high bioaccessibility, which will allow a rapid transfer to the industry. The materials obtained were assessed on their phytochemical composition using advanced analytical techniques of liquid chromatography coupled with mass spectrometry (Publications 1 and 2) Concerning broccoli by-products, the materials displaying the highest concentration of GSL were broccoli stems pre-processed by removing the bark and dehydrated by applying a time-temperature gradient. Regarding phenolic compounds, the highest concentrations were obtained upon a time-temperature drying gradient or dehydration at low temperatures, depending on the starting material. The bioaccessibility analysis of phytochemical compounds revealed that drying at low temperatures provided higher sulforaphane and (poly) phenol concentrations. Regarding winery by-products (grape stems, grape pomace, and wine lees), a modification of the phytochemical profile was observed, especially in the grape pomace and wine lees, which could be due to the metabolic activity of yeasts and lactic acid bacteria during the winemaking process. The diversification of the (poly)phenolic content suggests the possibility of the joint use of different matrices to achieve synergistic effects in the prevention of oxidative stress and inflammation. (2) Once the stabilisation conditions of the by-products of broccoli and the wine industry were established, the capacity of these materials to modulate the markers and mediators of inflammatory bowel disease was assessed by resorting to an in vitro model (monolayer of inflammatory intestinal cells exposed to a pro-inflammatory stimulus: IL-1β), targeted metabolomics techniques, and immune-mediated analyses (flow cytometry and ELISA) (Publications 3 and 4). The evaluation of the phytochemical profile of dehydrated materials (GSL, ITC, and (poly)phenolic compounds), regarding their ability to modulate inflammatory markers and mediators (IL-6, IL-8, and TNF-α), as well as the correlation studies developed allowed identifying sulforaphane as the phytochemical compound responsible for the biological activity analysed. On the other hand, in the case of oenological wastes, the anti-inflammatory and oxidative stress preventive activity was related to a diversity of (poly)phenolic compounds (specifically proanthocyanidins and derivatives of catechins, phenolic acids, stilbenes, flavonols, and anthocyanins). From the overall results gathered in the course of the present Doctoral Thesis, it can be concluded that the by-products of broccoli cultivation and the wine industry of the Region of Murcia constitute a source of bioactive phytochemicals with the capacity to prevent the molecular mechanisms responsible for the damaging course of inflammatory bowel disease. This places them as healthy ingredients to consider in developing new products/foods. However, new studies are required to determine the capacity of the bioaccessible fractions and the joint application of both wastes, to establish the real biological potential of these materials.

Author

• Costa Pérez, Antonio

• Tecnología de los alimentos
• Biología molecular de las plantas
• Subproductos vitivinícolas
• Deshidratación térmica
• Polifenoles
• Brócoli
• Vid
• Glucosinolatos (GSL)
• Isotiocianatos (ITC)

Identifier

hdl:10317/18616

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/18616