Establishment of in vitro gastrointestinal models platform for human food and animal feed ingredients development

Resumo

Globalmente, a dieta humana depende significativamente de produtos de origem animal. A indústria agroalimentar precisa otimizar o crescimento e produtividade dos animais de forma a corresponder às exigências dos consumidores, além de reduzir custos, assegurar a qualidade dos produtos e abordar as preocupações de sustentabilidade e saúde. Melhorar as dietas, através do enriquecimento de rações/alimentos com ingredientes bioativos direcionados para a microbiota intestinal é uma estratégia promissora para promover o bem- estar e o desempenho animal. Os subprodutos agroindustriais são potenciais fontes destes ingredientes bioativos, porém, os seus efeitos e a sua potencial aplicação em dietas animais/ humanas devem ser cuidadosamente avaliadas. O principal objetivo deste doutoramento foi criar uma plataforma de modelos in vitro que simulam o trato gastrointestinal (GIT) humano e animal, a plataforma GIOTA. Assim, foram implementados modelos que permitem avaliar e validar o impacto de alimentação suplementada com ingredientes bioativos, na microbiota intestinal, antes de realizar os ensaios in vivo. Desta forma, apoia o desenvolvimento de novos produtos e potencia a inclusão de ingredientes de origem mais sustentável, como é o caso de alguns dos subprodutos testados nestes modelos. O trabalho experimental foi desenvolvido com foco em 3 tipos de GIT: Humano, Aviário e Bovino. Na primeira parte, foi otimizada a preservação do inóculo fecal humano e comparado o perfil metabólico das fermentações colónicas entre inóculo fresco e congelado. O armazenamento a -20 oC com solução de 30% (v/v) de glicerol permitiu manter a viabilidade do inóculo ao longo de 90 dias sem afetar as fermentações colónicas. Para além disso, já com o modelo in vitro implementado, o impacto das matrizes alimentares na modulação da microbiota foi avaliado. Assim, foi testado o leite magro (SKM) suplementado com 1% (m/v) de diferentes ingredientes funcionais estabelecidos na modulação da microbiota intestinal. A combinação de SKM com fruto-oligossacarídeos mostrou ser a mais benéfica para a saúde do consumidor com maior promoção Lactobacillus, Bifidobacterium, e Clostridium cluster IV, aumentando a produção de ácidos gordos de cadeia curta e reduzindo a produção de amoníaco. Na segunda parte, desenvolveu-se um modelo in vitro GIT das aves, mais especificamente de frango, com o objetivo de prever os efeitos de formulações de rações na microbiota destes animais. Foram estudados 2 métodos de preservação do inóculo cecal: (1) 5% (v/v) de dimetilsulfóxido (DMSO) a -80 oC e (2) 30% (v/v) de glicerol a -20 oC. Neste modelo foram usados inóculos frescos e congelados, e o perfil de fermentação de ambos comparado. O método de preservação com DMSO demonstrou ser o mais apropriado na preservação do inóculo cecal ao longo de 90 dias. Paralelamente, com o intuito de validar os resultados do modelo in vitro, foram realizados um ensaio in vivo em frangos e a avaliação no modelo de frango, que comparou o efeito da incorporação na ração de 1% (m/m) de lignina de bagaço de cana-de-açúcar (SCB), um subproduto da indústria da cana-de-açúcar. A suplementação testada nos frangos teve um impacto positivo nos seus cecos, aumentando a concentração de acetato e butirato e diminuindo a presença de Enterobacteriaceae. O modelo GIT mostrou uma tendência semelhante na modulação da microbiota em relação ao ensaio in vivo, mas ainda requer ajustes na preparação do inoculo. Na terceira parte, para avaliar o impacto da alimentação na microbiota intestinal de bovinos, foram desenvolvidos 2 modelos in vitro, um para a vaca adulta (ruminante) e outro para vitelo (monogástrico). Também foram realizados estudos de preservação dos inóculos ruminal e fecal da vaca adulta. No modelo vaca adulta, foram feitas fermentações ruminais e intestinais com inóculos frescos e congelados, enquanto no modelo vitelo só fermentações intestinais. A preservação a -80 oC foi a condição que menos afetou viabilidade bacteriana dos inóculos e não afetou a sua capacidade fermentativa. Simultaneamente, foram realizados e comparados os resultados de um ensaio in vivo em vitelos e o modelo vitelo da adição no leite de substituição (MR) de 1% (m/m) levedura autolisada (AY) proveniente da produção de farneseno. A suplementação de AY, no ensaio in vivo, teve um impacto positivo na microbiota intestinal dos vitelos, aumentando a presença de Bifidobacterium. Porém, este resultado não foi verificado no modelo, que requer ajustes na metodologia de digestão das matrizes alimentar líquidas. A investigação científica e a inovação desempenham um papel crucial nos desafios modernos da indústria agroalimentar. Os modelos desenvolvidos servem como ferramentas úteis e sustentáveis na avaliação do impacto e validar o potencial de novos produtos/ingredientes nas indústrias de alimentação animal e humana.

Data de atribuição	11 mar. 2024
Idioma original	English
Instituição de premiação	Universidade Católica Portuguesa
Supervisor	Ana Raquel Madureira (Supervisor) & Diana Luazi Matos de Oliveira (Co-Orientador)