Micro/nanoencapsulación de compuestos bioactivos de calafate (Berberis microphylla G. Forst) y evaluación in vitro de su potencial anti neurodegenerativo

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Calafate (Berberis microphylla G. Forst) es un arbusto silvestre que se distribuye en la Patagonia chilena y argentina. Sus frutos son de coloración, azul/púrpura y un sabor particular, características otorgadas por los compuestos fenólicos que la planta produce para hacer frente a las condiciones en las que se desarrolla. Al igual que otros frutos rojos, también conocidos como “berries” (por su término en inglés), gracias a su composición rica en una amplia gama de compuestos bioactivos, puede brindar beneficios para la salud, teniendo, por consiguiente, un gran potencial para el desarrollo de productos alimenticios y fuente de nuevas opciones dietéticas para el tratamiento de enfermedades. El presente trabajo de investigación describe la respuesta de las bayas de calafate frente al cambio climático, a través de la determinación de los perfiles de antocianos, a partir de frutos de calafate colectados en la región de Aysén, sur de Chile, así como la formulación, encapsulación y evaluación de dichos compuestos, su estabilidad después del almacenamiento y el estudio del potencial relacionado con su actividad enzimática (AChE) y su potencial para hacer frente a enfermedades neurodegenerativas. Finalmente, como aplicación práctica, se ha diseñado una bebida experimental a nivel de laboratorio. La capacidad de esta baya para adaptarse a los cambios por factores ambientales y la correlación de estos factores con los parámetros físico-químicos es clave para dilucidar la reacción de los frutos de calafate al cambio climático. Así, el capítulo III aporta información útil para apoyar a los programas de manejo agronómico y mejoramiento genético. El análisis de las bayas de calafate cosechadas en un origen nativo nos permitió confirmar su plasticidad para adaptarse a condiciones particulares de radiación solar y temperatura en la zona sur de Chile. Considerando que no había trabajos previos respecto a la correlación de las condiciones abióticas con los perfiles de antocianos y las características fisicoquímicas del calafate, en un entorno de origen silvestre, se evaluó la respuesta de los frutos de calafate frente a cambios climáticos (baja temperatura y la radiación UV) durante los años 2017, 2018 y 2019 así como su actividad antioxidante y el contenido de antocianos del fruto, en relación con la radiación solar UV (Wm-2) y la temperatura del aire (°C). Una vez establecidas las diferencias debidas a las condiciones de cultivo, el paso siguiente fue la encapsulación (capítulo IV). Se propuso la aplicación de Spray Drying (una de las técnicas de encapsulación más utilizadas en la industria alimentaria) y la liofilización (Freeze Drying) como control, con el fin de proteger los compuestos fenólicos de calafate y asegurar la disponibilidad de los mismos. Posteriormente se evaluó la estabilidad de los encapsulados a diferentes temperaturas de almacenamiento, por un periodo de 60 días. Para concluir se realizaron ensayos enzimáticos (AChE) y celulares con PC12 (células utilizadas en estudios neurobiológicos y en la investigación de enfermedades neurodegenerativas), para determinar el potencial biológico de los encapsulados de calafate. Se observó que los microencapsulados de calafate fueron estables, con buena eficiencia de encapsulación, acción biológica antioxidante, anticolinérgica y neuroprotectora. Finalmente, se procedió a la aplicación práctica de la elaboración de una bebida funcional (Capítulo V). En la misma, se evaluó la influencia de la combinación de calafate con cítricos como el limón, la naranja o ambos, con el fin de formular una bebida saludable. Una vez formuladas las bebidas se sometieron a tratamientos térmicos (pasteurización), similares a los establecidos por la industria alimentaria, para así asegurar la inocuidad de las mismas. Se determinó la estabilidad de los compuestos polifenólicos de calafate a 30 días de almacenamiento y con dos condiciones de temperatura (5 y 35°C). Los cítricos otorgaron estabilidad a los compuestos bioactivos (fundamentalmente antocianos) de calafate. La capacidad antioxidante aumentó gracias a los compuestos que aportaron los cítricos a las bebidas funcionales formuladas en base a calafate. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Calafate (Berberis microphylla G. Forst) is a wild berry distributed in Chilean and Argentine Patagonia. Its fruits have a blue/purple color, and a particular flavor. Health properties are given by the polyphenolic compounds (anthocyanins plus others), of the plant, produced as phytoalexins, in order to survive under environmental conditions. Due to this wide range of bioactive compounds, health benefits can be provided, and therefore has a great potential for the development of food products and new dietary options for treatment of certain diseases. This research work describes the response of calafate berries to climatic changes, as well as the formulation, encapsulation and their stability after storage, as well as the study of the potential related to their enzymatic activity (AChE) or potential protection from neurodegenerative diseases. Finally, a drink prototype has been developed. The ability of this berry to adapt to changes due to environmental factors and the correlation of these factors with physical-chemical parameters is the key to elucidate the reaction of calafate fruits to climate change. Thus, chapter two provides useful information to support agronomic management and genetic improvement programs. The analysis of the calafate berries harvested in a native origin allowed us to confirm their plasticity to adapt to particular conditions of solar radiation and temperature in the southern zone of Chile. Considering that there was no previous work regarding the correlation of abiotic conditions with anthocyanin profiles and the physicochemical characteristics of calafate in an environment of wild origin, the response of calafate fruits to climatic changes (low temperature and UV radiation) during the years 2017, 2018 and 2019 was evaluated, as well as the antioxidant activity and anthocyanin content of the calafate fruit in relation to UV solar radiation. (W m-2) and air temperature (°C). Once the differences caused by environmental conditions were established, the next step was the encapsulation (Chapter 3). The application of Spray Drying (one of the most used encapsulation techniques in the food industry), and Freeze Drying as control, were proposed, in order to protect the phenolic compounds of calafate and ensure their availability. Subsequently, the stability of the microcapsules was evaluated at different storage temperatures for 60 days. To conclude, enzymatic (AChE) and neuro-cellular tests were carried out with PC12 (cells used in neurobiological studies and in researches of neurodegenerative diseases) to determine the influence of encapsulation on calafate´s biological potential. It was observed that calafate microencapsulates were stable despite high temperatures, with good encapsulation efficiency, antioxidant, anticholinergic and neuroprotective biological action. Finally, we proceeded to the practical application of producing a functional beverage. The combinatorial potential of calafate with citrus fruits such as lemon, orange and both was evaluated. Once the drinks were formulated, they were subjected to heat treatments (traditional industrial pasteurization), to ensure the safety of new formulations, as well as the quality of the final product. The stability of the polyphenolic compounds was determined at 30 days of storage at two temperature conditions (5 and 35 °C). Citrus fruits provided stability to the calafate bioactives. The antioxidant capacity increased due to the addition of citrus compounds. Regarding this it could be highlighting the potential agro-industrial of this berry. Proyecto “Development of formulations of phytochemicals and in vitro biological activity evaluation of compounds extracted from berries” (1160899). Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDECYT REGULAR, Chile). Beca para estudios de posgrado. Secretaria de Educación Superior Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT-Ecuador) - Beca de Internacionalización UCO 1866, Universidad de Concepción. Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de tres artículos: 1. Romero-Román, M.E.; Schoebitz, M.; Bastías, R.M.; Fernández, P.S.; García-Viguera, C.; López-Belchi, M.D. Native Species Facing Climate Changes: Response of Calafate Berries to Low Temperature and UV Radiation. Foods 2021, 10, 196. https://doi.org/10.3390/foods10010196. 2. Romero-Román, M.E. et al. Beyond bioactive compounds from calafate berries encapsulated by Spray drying: Neurological activities. Journal of Functional Foods 2021, abril. 3.Romero-Román, M.E. et al. Bebida modelo enriquecida a base de calafate: estabilidad de antocianos, calidad y características biológicas. Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena Universidad Politécnica de Cartagena Programa de Doctorado en Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario (TAIDA)