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Abstract(s)
Poor aqueous solubility, stability and bioavailability of interesting active biomolecules is a challenge in the development of bioactive formulations. Cellulose micro- and nanostructures are promising and sustainable carriers with unique features that may be used in enabling delivery strategies. In the context of sustainable development, lignocellulosic biomass from industrial and agricultural wastes have attracted much attention as cellulose sources. Sugarcane plantations for the sugar and alcohol industries are known for their high volumes and large amounts of residues, such as sugarcane bagasse (SCB), a promising renewable and low-cost source of cellulose. This PhD project aims to valorize a major by-product of the agro-industrial sugarcane industry – SCB – by extracting the cellulose polymer and developing micro- and nanostructured systems for the delivery of lipophilic biomolecules as means to offer an efficient and controlled release of these molecules and promote their biological functions. Initially, a chemical and structural characterization of SCB was performed, followed by the evaluation of different approaches for the extraction and purification of cellulose from SCB. Considering the results obtained through the different and complementary techniques employed, the most promising approach revealed to be autohydrolysis (170 ºC for 1 h), followed by bleaching with hydrogen peroxide (12%, v/v, at 85 ºC for 1.5 h) and sodium chlorite (12%, w/v, at 85 ºC for 1.5 h). Through this method we were able to obtain a white cellulose rich fraction (87.5% ± 0.6 cellulose) with low contaminants, high crystallinity index (73.1% ± 1.1) and typical cellulose functional groups from SCB. Microcrystalline cellulose (MCC), cellulose nanofibers (CNF) and cellulose nanocrystals (CNC) were then produced from the SCB cellulose rich fraction, contributing to the valorization of the agro-industrial byproduct. Optimized MCC, CNF and CNC were produced by mild acid hydrolysis, ultrasonication and acid hydrolysis followed by sonication, respectively. MCC had a particle size of ca. 30 μm, CNF of ca. 600 nm long and 8 nm wide, and CNC of ca. 120 nm long and 6 nm wide, which is in agreement with the definition of these types of structures in the literature. ATR-FT-IR and PXRD results confirm the cellulose structure for the three cellulosic materials. CNC had a higher crystalline fraction than CNF, which is attributed to the removal of the amorphous part of the microfibril during acid hydrolysis. The overall properties of our micro- and nanocellulose materials were found to be similar to those of commercial products. Subsequently micro- and nanocellulose were tested as carrier materials for the delivery of lipophilic biomolecules: curcumin, a model lipophilic biomolecule, and cannabigerol (CBG), a promising cannabinoid. Nanocellulose hydrophobic modifications with the surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and tannic acid/decylamine (TADA) and modification by TEMPO-mediated oxidation, were also tested and compared with the unmodified structures. The modified cellulose structures were characterized and found to successfully bind curcumin, with encapsulation efficiencies (EE) ranging from 63% to 99%. The CTAB and TADA modifications resulted in highly effective EE of 90-99% for curcumin. These modified systems provide a strategy for stabilizing and delivering curcumin by fixing it in hydrophobic domains, potentially improving its solubility and stability. Among the modifications, CNC-CTAB showed the most promising results, allowing for a sustained release of curcumin (ca. 50% released in 8 hours) and exhibiting high EE (ca. 80%) for both curcumin and CBG after scale-up by spray drying. The safety and biological potential of the CNC-CTAB delivery systems encapsulating curcumin and CBG were evaluated. In vitro cytotoxicity and genotoxicity tests were performed on the systems, which revealed to be safe for intestinal application at certain concentrations. Encapsulation reduced the cytotoxicity of both curcumin and CBG, highlighting the potential benefits of using CNC-CTAB as a delivery system for these compounds. The encapsulated biomolecules demonstrated antioxidant and anti-inflammatory properties, effectively reducing reactive oxygen species and cytokine production by intestinal cells. The delivery systems also exhibited antimicrobial properties against Campylobacter jejuni, suggesting its potential in mitigating inflammation in the gastrointestinal tract. Furthermore, the system showed ability to protect curcumin from degradation and facilitate its interaction with the intestinal epithelium, highlighting the potential of CNC-CTAB as a carrier to enhance the biological functions of curcumin and CBG, particularly in the context of intestinal inflammatory disorders. The valorization approach proposed in this work could be beneficial for the sugarcane industry to improve its environmental and economic sustainability in line with circular bioeconomy. This study emphasizes the potential of hydrophobic modified CNC as delivery systems for lipophilic biomolecules. This system effectively reduced the cytotoxicity of curcumin and CBG, protected from degradation, and enhanced biological activities, allowing for their beneficial effects to last longer and be more effective. This breakthrough has the potential to be applied to other compounds and ingredients, serving as an innovative step in utilizing agro-industrial by-products for value creation.
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.
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.
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Keywords
Sugarcane bagasse Cellulose Nanocellulose Hydrophobic modification Encapsulation Delivery systems Curcumin Cannabigerol Biological potential Bagaço da cana-de-açúcar Celulose Nanocelulose Modificação hidrofóbica Encapsulamento Sistemas de entrega Curcumina Canabigerol Potencial biológico