Design of natural and sustainable ingredients from sugarcane byproducts for cosmetic and skin care industry

Resumo

A palha da cana-de-açúcar é um subproduto da produção de açúcar e etanol, rica em compostos fenólicos. Estes compostos possuem diversas propriedades bioativas sendo o seu uso muito atrativo para desenvolver ingredientes naturais e sustentáveis para a indústria cosmética. Sabe-se que extratos ricos nestes compostos tem propriedades antimicrobiana e antioxidante, tornando-os interessantes para desenvolver ingredientes conservantes e antienvelhecimento. Contudo, o processamento e uso de extratos da palha da cana-de-açúcar no desenvolvimento de ingredientes cosméticos ainda não é conhecido. Está em falta a avaliação de segurança destes ingredientes na pele e de outras propriedades que os tornem mais atrativos para serem comercializados, bem como a avaliação do impacto na microbiota da pele. Assim, os principais objetivos desta tese são 1) desenvolver e otimizar um processo de extração de compostos fenólicos da palha da cana-de-açúcar; 2) desenvolver um ingrediente cosmético a partir do extrato; 3) avaliar as propriedades conservantes e de antienvelhecimento tanto in vitro, como in vivo, e a sua capacidade de permeação dérmica; 4) desenvolver um modelo pré-clínico in vitro para testar ingredientes cosméticos na microbiota da pele; e 5) testar o impacto do ingrediente à base de extrato da palha de cana-de-açúcar na microbiota da pele. Inicialmente foi desenvolvido um processo de extração e purificação para obter compostos fenólicos a partir da palha da cana-de-açúcar. Após a extração com etanol, recorreu-se à resina amberlite XAD-2 para a purificação. O extrato purificado foi analisado, resultando na identificação de 54 metabolitos secundários, principalmente ácidos hidroxibenzóicos, ácidos hidroxicinámicos e flavonas. Os principais compostos detetados foram o ácido clorogénico, ácido neoclorogénico e o ácido 3-O-feruloilquínico. A purificação teve como objetivo diminuir o conteúdo em açúcares, e assim apenas um pequeno número de monossacarídeos, como glucose, celobiose e xilose + arabinose, foram detetados nos extratos finais. Foi também demonstrada a atividade antioxidante dos extratos pelos métodos ABTS e DPPH. O desenvolvimento dos ingredientes com o extrato utilizou diversos solventes cosméticos (1,2-pentanediol, 1,2-hexanediol, dipropilenoglicol e 1,5-pentanediol), com a finalidade de melhorar a solubilidade do pó do extrato seco da palha da cana-de-açúcar. A atividade antimicrobiana do ingrediente solubilizado foi avaliada contra Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa e Candida albicans. O ingrediente com o solvente 1,2-hexanediol proporcionou o melhor desempenho antimicrobiano, com uma concentração inibitória mínima entre 5 e 3 % (m/v), a primeira em conformidade com os padrões USP 51 para conservantes cosméticos. Este ingrediente foi escolhido para os restantes testes. Em relação às propriedades antienvelhecimento do ingrediente desenvolvido, este inibiu a elastase (55 %), a colagenase (25 %) e a tirosinase (47 %) e promoveu a produção de ácido hialurónico em fibroblastos primários (HDF) com concentrações não citotóxicas e de baixa sensitização. O ingrediente reduziu os níveis das citoquinas pró-inflamatórias IL-1α e IL-6 em queratinócitos (HaCaT) expostos à poluição urbana. A capacidade de permeação do ingrediente na pele foi testada numa membrana sintética que simula as diferentes camadas da pele, sendo que cerca de 67 % dos compostos fenólicos presentes no ingrediente permaneceram na superfície da pele, indicando que o ingrediente por si só tem uma baixa permeação dérmica. A incorporação do ingrediente em emulsões óleo/água e água/óleo foi realizada e a estabilidade foi avaliada em condições aceleradas seguindo a ISO/TR18811. O desempenho antienvelhecimento foi também avaliado num ensaio clínico, onde foram medidos vários parâmetros da pele (pH, hidratação, firmeza e perda transepidérmica de água). Os resultados foram validados por uma entidade externa onde foram avaliados os mesmos parâmetros e também o efeito de antirrugas, rugosidade e elasticidade da pele. No final, concluiu-se que o ingrediente não promoveu hidratação e firmeza da pele. Além disso, não exibiu um efeito antirrugas e reafirmante. No entanto, foi bem aceite e tolerado pela população do estudo. Por último, desenvolveu-se um modelo pré-clínico in vitro para testar ingredientes na microbiota da pele. As condições de teste foram primeiro otimizadas e validadas usando um ingrediente de referência com dados in vivo reportados. O ingrediente resultante da palha da cana-de-açúcar foi testado em amostras da microbiota da pele de 12 voluntárias saudáveis. O impacto nos grupos microbianos foi analisado usando qPCR e sequenciamento de nova geração (NGS). Os resultados com o ingrediente cosmético de referência estiveram de acordo com os obtidos in vivo, validando assim o modelo desenvolvido. Verificou-se que o ingrediente à base de extrato de palha da cana-de-açúcar não têm efeito na α-diversidade da comunidade, mas afetou a abundância relativa do Staphylococcus epidermidis. Assim, nesta tese obteve-se um extrato purificado de palha da cana-de-açúcar rico em compostos fenólicos, formulado para desenvolver um ingrediente que demonstrou ter propriedades conservantes e antienvelhecimento in vitro. Além disso, o modelo pré-clínico in vitro desenvolvido e validado pode ser usado como uma ferramenta para avaliação do impacto de novos ingredientes cosméticos na microbiota da pele.

Data de atribuição	15 jan. 2024
Idioma original	English
Instituição de premiação	Universidade Católica Portuguesa
Supervisor	Ana Raquel Madureira (Supervisor), Ana Lúcia Silva Oliveira (Co-Orientador) & Sílvia Pedrosa (Co-Orientador)