Φυτικά εκχυλίσματα πλούσια σε ισοπρενοειδείς ενώσεις με ενδιαφέρον για τη βιομηχανία βιοενεργών συστατικών τροφίμων

Abstract

Searching for bioactive ingredients that could find applications in functional foods or food supplements, emphasis was paid to the class of isoprenoids. In particular, focus was on a group of unusual water-soluble apocarotenoids, selectively named as crocins, esters of crocetin (C20H24O4, 8,8'-diapocarotene-8,8'-dioic acid) with different sugar moieties. A very rich source of these compounds is the dehydrated red stigmas of the plant Crocus sativus L. that comprise saffron, the most expensive spice in the world. This plant is cultivated over 100 years in a specific region in Greece (Kozani). Its trade is carried out by the Saffron Cooperative of Kozani, which certifies its authenticity and quality. The development of functional foods or food supplements that will contain these precious apocarotenoids is expected to boost the local agro-economy. Towards this direction, the individual goals of the present PhD thesis concerned (a) the knowledge of concentrations of crocins and the optimization of their extraction conditions in the frame of improved use of this expensive spice, (b) the investigation of the degree of assimilation of crocins in accordance with the general trend within the scientific community regarding this issue and (c) the protection of the compounds that were found to be more bioavailable through encapsulation in order to improve their applications in the industry of bioactive food ingredients. The first goal was achieved by examining a large amount of representative saffron samples. The quantitative determination of crocins was accomplished with the aid of standard compounds of high purity that were isolated in the Laboratory. For the extraction of these compounds, solvents and modern techniques (ultrasounds) were used based on the principles of Green Chemistry, as well as their potential use in the food industry. Extraction parameters were optimized with the aid of Response Surface Methodology (RSM) tools. The second goal was accomplished by examining the changes of crocins (either in an extract or in isolated form) and crocetin under simulated gastrointestinal conditions. Moreover, their bioavailability was determined using the in vitro Caco-2 cell model system bearing in mind the ethical constrains regarding animal experimentation. For the achievement of the third goal, the more bioavailable crocetin was protected via encapsulation in deoxycholic acid, a natural component of the human organism. Findings of this work can be of interest not only to the food but also to pharmaceutical industry.

Στο πλαίσιο αναζήτησης και αξιοποίησης βιοενεργών συστατικών που μπορούν να αξιοποιηθούν σε λειτουργικά τρόφιμα ή σε συμπληρώματα διατροφής, έμφαση δόθηκε στην παρούσα διατριβή, στην ανάδειξη των ισοπρενοειδών ως βιοενεργά συστατικά, στα οποία ανήκουν και τα καροτενοειδή. Συγκεκριμένα το ενδιαφέρον εστιάστηκε σε μία κατηγορία υδατοδιαλυτών αποκαροτενοειδών, των κροκινών, που απαντώνται φυσικά με τη μορφή εστέρων της κροκετίνης (C20H24O4, 8,8'-διαποκαροτενο-8,8'-διοϊκό οξύ) με σάκχαρα. Στην επιλογή αυτή συνετέλεσε το γεγονός ότι πλούσια πηγή τους είναι τα αποξηραμένα στίγματα του φυτού Crocus sativus L., που αποτελούν το ακριβότερο άρτυμα στον κόσμο, το σαφράνι. Το φυτό καλλιεργείται πάνω από 100 χρόνια σε συγκεκριμένη περιοχή της Ελλάδας (Κοζάνη) και η εμπορία του αρτύματος γίνεται με ευθύνη του Αναγκαστικού Συνεταιρισμού Κροκοπαραγωγών Κοζάνης που διασφαλίζει τη γνησιότητα και ποιότητά του. Η ανάπτυξη λειτουργικών τροφίμων ή συμπληρωμάτων διατροφής που θα περιέχουν τα βιοενεργά συστατικά του αρτύματος θα προσφέρει εναλλακτικούς τρόπους διάθεσης του προϊόντος και θα συνεισφέρει στην ανάπτυξη της τοπικής αγροτικής οικονομίας. Προς την κατεύθυνση αυτή οι επιμέρους στόχοι της διατριβής αφορούσαν (α) την καλύτερη διαχείριση του φυτικού υλικού και ως εκ τούτου τη διερεύνηση της φυσικής διακύμανσης των κροκινών και τη βελτιστοποίηση μεθόδων παραλαβής τους από την πρώτη ύλη, (β) τη διερεύνηση του βαθμού αφομοίωσης των συστατικών αυτών σε συμφωνία με το γενικότερο προβληματισμό της επιστημονικής κοινότητας για το συγκεκριμένο θέμα και (γ) την προστασία εκείνων των μορφών των υπό εξέταση χημικών ενώσεων που θα παρουσίαζαν την υψηλότερη βιοδιαθεσιμότητα για την καλύτερη αξιοποίησή τους στη βιομηχανία βιοενεργών συστατικών τροφίμων με τη βοήθεια τεχνικών όπως η ενθυλάκωση. Διερευνώντας τη φυσική διακύμανση των κροκινών, εξετάστηκε μεγάλος αριθμός αντιπροσωπευτικών δειγμάτων αποξηραμένων στιγμάτων του Crocus sativus L. στα οποία ο ποσοτικός προσδιορισμός των κροκινών πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια πρότυπων ενώσεων υψηλής καθαρότητας που απομονώθηκαν στο Εργαστήριο. Για την παραλαβή των υπό εξέταση συστατικών αξιοποιήθηκαν διαλύτες και σύγχρονες τεχνικές (υπέρηχοι) με γνώμονα τις αρχές της Πράσινης Χημείας και την προοπτική εφαρμογής τους στη βιομηχανία τροφίμων. Η παραλαβή των κροκινών βελτιστοποιήθηκε αξιοποιώντας τις δυνατότητες που προσφέρει ο Σύνθετος Πειραματικός Σχεδιασμός με εφαρμογή της Μεθοδολογίας Επιφάνειας Απόκρισης. Για την εκπλήρωση του δεύτερου στόχου εξετάστηκαν οι μεταβολές που υφίστανται οι κροκίνες (καθαρές ή σε εκχύλισμα) καθώς και το άγλυκο συστατικό, η κροκετίνη, κάτω από συνθήκες προσομοίωσης της πέψης με in vitro μοντέλο καθώς και η κυτταρική τους απορρόφηση με τη βοήθεια της Caco-2 κυτταρικής σειράς, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς για τη χρήση πειραματόζωων στην επιστημονική έρευνα. Για την υλοποίηση του τελευταίου στόχου, η προστασία της περισσότερο βιοδιαθέσιμης κροκετίνης εξετάστηκε μέσω σχηματισμού συμπλόκου εγκλεισμού σε δεοξυχολικό οξύ που αποτελεί φυσικό συστατικό του ανθρώπινου οργανισμού. Τα ευρήματα της παρούσας διατριβής παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τη βιομηχανία τροφίμων καθώς και τη φαρμακευτική.