A limitada solubilidade aquosa, estabilidade e biodisponibilidade de compostos bioativos lipofílicos representa um desafio no desenvolvimento de formulações bioativas. Micro- e nanoestruturas de celulose são materiais de transporte promissores e sustentáveis com características únicas que podem ser usados de forma eficaz como sistemas de entrega. No contexto do desenvolvimento sustentável, a biomassa lignocelulósica de resíduos industriais e agrícolas tem despertado atenção como fonte de celulose. As plantações de cana-de-açúcar para as indústrias do álcool e açúcar são conhecidas pelos elevados volumes e grandes quantidades de resíduos, como o bagaço da cana-de-açúcar, uma fonte promissora renovável e de baixo custo de celulose. Este projeto de doutoramento tem como objetivo valorizar um importante subproduto da indústria da cana-de-açúcar - o bagaço da cana-de-açúcar – através da recuperação do polímero celulose e do desenvolvimento de sistemas micro- e nanoestruturados para a entrega de compostos bioativos lipofílicos, de forma a permitir a sua libertação eficiente e controlada e promover as suas funções biológicas. Inicialmente, foi realizada uma caracterização química e estrutural do bagaço da cana-de-açúcar, seguida da avaliação de diferentes metodologias para extração e purificação de celulose a partir do bagaço. Considerando os resultados obtidos pelas diferentes técnicas complementares aplicadas, a metodologia mais promissora revelou ser a auto-hidrólise (170 ºC por 1 hora), seguida de branqueamento com peróxido de hidrogénio (12% p/v a 85 ºC por 1,5 hora) e com hipoclorito de sódio (12% p/v a 85 ºC por 1,5 hora). Através desta abordagem obtivemos, a partir do bagaço da cana-de-açúcar, uma fração branca rica em celulose (87,5% ± 0,6 celulose) com poucos contaminantes, alto índice de cristalinidade (73,1% ± 1,1) e grupos funcionais característicos da celulose. Celulose microcristalina (MCC), nanofibras de celulose (CNF) e nanocristais de celulose (CNC) foram depois produzidos a partir da fração rica em celulose do bagaço da cana-de-açúcar, contribuindo para a valorização deste subproduto agroindustrial. Após otimização, MCC, CNF e CNC foram produzidos por hidrólise ácida suave, ultra-sonicação e hidrólise ácida seguida de ultra-sonicação, respetivamente. A MCC apresentou um tamanho de partícula de cerca de 30 μm, CNF aproximadamente 600 nm de comprimento e 8 nm de largura, e CNC cerca de 120 nm de comprimento e 6 nm de largura, o que está de acordo com a definição para estes tipos de estruturas na literatura. Os resultados de ATR-FT-IR e PXRD confirmaram a estrutura de celulose dos três materiais. Os CNC apresentaram uma fração cristalina maior do que os CNF, o que é atribuído à remoção da parte amorfa da microfibrila durante a hidrólise ácida. As propriedades gerais dos materiais mostraram-se similares às de produtos comerciais de micro- e nanocelulose. Posteriormente, a micro- e nanocelulose foram testadas como materiais de transporte para a entrega de biomoléculas lipofílicas: curcumina, um composto lipossolúvel modelo, e o canabigerol (CBG), um canabinóide promissor. Foram também testadas e comparadas modificações hidrofóbicas da nanocelulose com o surfactante brometo de cetiltrimetilamónio (CTAB) e ácido tânico/decilamina (TADA), bem como a modificação por oxidação mediada por TEMPO. As estruturas de celulose modificadas foram caracterizadas e constatou-se que encapsularam com sucesso a curcumina, com eficiências de encapsulação (EE) de 63% a 99%. As modificações hidrofóbicas com CTAB e TADA resultaram em EE de curcumina muito eficazes (90-99%). Estes sistemas oferecem uma estratégia para estabilizar e entregar curcumina, fixando-a em domínios hidrofóbicos e potencialmente melhorando a sua solubilidade e estabilidade. O sistema CNC-CTAB apresentou os resultados mais promissores, permitindo uma libertação sustentada de curcumina (cerca de 50% libertada em 8 horas) e exibindo, após o aumento de escala por secagem por atomização, uma EE de cerca de 80% tanto para a curcumina como para o CBG. A segurança e o potencial biológico dos sistemas de entrega CNC-CTAB encapsulando curcumina e CBG foram avaliados. Testes de citotoxicidade e genotoxicidade in vitro foram realizados aos sistemas, os quais se mostraram seguros para aplicação intestinal em determinadas concentrações. A encapsulação reduziu a citotoxicidade tanto da curcumina como do CBG, destacando os benefícios do uso do sistema CNC-CTAB como sistema de entrega destes compostos. As biomoléculas encapsuladas demonstraram propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias, reduzindo a produção de espécies reativas de oxigênio e citocinas por células intestinais. Os sistemas de entrega exibiram também propriedades antimicrobianas contra Campylobacter jejuni, o que sugere o seu potencial na mitigação da inflamação do trato gastrointestinal. Para além disso, o sistema demonstrou proteger a curcumina contra a degradação e facilitar a sua interação com o epitélio intestinal, destacando a capacidade do sistema CNC-CTAB para potencializar as funções biológicas da curcumina e do CBG, especialmente no contexto de distúrbios intestinais inflamatórios. A abordagem de valorização proposta neste trabalho pode ser benéfica para a indústria da cana-de-açúcar, melhorando a sua sustentabilidade ambiental e económica, e posicionando-se em linha com a bioeconomia circular. Este estudo realça o potencial dos nanocristais de celulose modificados hidrofobicamente como sistemas de entrega para biomoléculas lipofílicas. Este sistema reduziu eficazmente a citotoxicidade da curcumina e do CBG, protegeu contra a degradação e potencializou atividades biológicas, permitindo que os efeitos benéficos das biomoléculas fossem prolongados no tempo e mais eficazes. Este avanço tem potencial para ser aplicado a outros compostos e ingredientes, representando um passo inovador na utilização de subprodutos agroindustriais para a criação de valor acrescentado.
| Data do prémio | 18 jan. 2024 |
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| Idioma original | English |
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| Instituição de premiação | - Universidade Católica Portuguesa
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| Supervisor | Oscar Leandro Ramos (Supervisor), Carla Patrícia Fernandes Pereira (Co-Orientador) & João C. Fernandes (Co-Orientador) |
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