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Abstract(s)
Sugarcane straw is a byproduct of sugar and ethanol production. This material is rich in phenolic compounds, known to have bioactive properties, including antimicrobial and antioxidant, which make them attractive for developing natural and sustainable ingredients for the cosmetic industry, namely preservative and anti-aging ingredients. However, the processing and use of sugarcane straw extracts for the cosmetic industry is yet unknown. Also, the bioactive properties of a sugarcane extract enriched with phenolic compounds need to be investigated in the event of being interesting for cosmetic industry. The safety of these ingredients on the skin and their impact on skin microbiota, which are fundamental to skin health, remains to be assessed. To assess the impact on the skin microbiota, less expensive and time-consuming techniques need to be developed. Thus, the main objectives of this thesis are 1) develop and optimize a process of extraction and purification of phenolic compounds from sugarcane straw; 2) develop a cosmetic ingredient based on the extract; 3) assess the preservative and anti-aging properties both in vitro and in vivo, as well as their capacity for dermal permeation.; 4) develop an in vitro preclinical model to test cosmetic ingredients on the skin microbiota; and 5) test the impact of the sugarcane straw extract-based ingredient on the skin microbiota. Initially an extraction and purification process to obtain the phenolic compounds from sugarcane straw was developed. After ethanolic extraction of the phenolic compounds, amberlite XAD-2 resin was used for purification of the extract. The purified extract was analyzed, resulting in the identification of 54 secondary metabolites, mainly hydroxybenzoic acids, hydroxycinnamic acids and flavones. The main compounds detected were chlorogenic acid, neochlorogenic acid and 3-O-feruloylquinic acid. Purification aimed to reduce the sugar content, and after, only a small number of monosaccharides, such as glucose, cellobiose and xylose + arabinose, were detected in the extracts. Additionally, the extracts displayed antioxidant activity, measured by ABTS and DPPH methods. Subsequently, the development of a cosmetic ingredient based on the phenolic compounds extract aimed to improve the solubility of the dry extract powder, and for that purpose, different cosmetic solvents (1,2-pentanediol, 1,2-hexanediol, dipropylene glycol and 1,5-pentanediol) were tested. The antimicrobial activity of the solubilized ingredients was evaluated against Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Candida albicans. 1,2-Hexanediol afforded the ingredient with the best antimicrobial performance, with a minimum inhibitory concentration between 5 and 3 % (w/v), being the first compliant with USP 51 standards for cosmetic preservatives. The resulting ingredient formulation was chosen for further testing. Regarding the anti-aging properties of the engineered cosmetic ingredient, it was able to inhibit elastase (55 %), collagenase (25 %) and tyrosinase (47 %) and promote the hyaluronic acid production in fibroblasts (HDF) at non-cytotoxic and low-sensitization concentrations. Additionally, the ingredient reduced the levels of the pro-inflammatory cytokines IL-1α and IL-6 in immortalized keratinocytes (HaCaT) exposed to urban pollution particles. The ingredient's ability to permeate the skin was tested on a synthetic membrane that simulates the different layers of the skin, and around 67 % of the phenolic compounds present in the ingredient formulation remained on the surface of the skin, indicating that the ingredient has low dermal permeation. Sugarcane straw extract-based ingredient was incorporated in O/W and W/O emulsions and its stability was assessed in accelerated conditions following ISO/TR18811 directive. The anti-aging performance was evaluated in a cosmetic clinical trial, and the findings were verified by an external entity. This external evaluation not only covered the same parameters but also included assessments for anti-wrinkle effects, skin roughness, and elasticity. In summary, the ingredient did not enhance skin hydration, firmness, or exhibit significant anti-wrinkle or firming effects. Nevertheless, it was well-received and well-tolerated by the study participants. Finally, a preclinical in vitro skin microbiota model was developed, with test conditions optimized and validated using a reference ingredient with known in vivo data. The sugarcane straw extract-derived ingredient was then assessed using skin microbiota samples from 12 healthy volunteers, with microbial group impact analyzed through qPCR and next-generation sequencing (NGS). These results aligned with the manufacturer's in vivo findings, thus affirming the validity of the in vitro model. Sugarcane straw extract-based ingredient was found to have no effect on community α-diversity, although affected the relative abundance of Staphylococcus epidermidis. Thus, in this thesis, a purified extract from sugarcane straw rich in phenolic compounds was obtained and formulated to develop a cosmetic ingredient that has been shown to have preservative and anti-aging properties in vitro. Furthermore, a preclinical in vitro model was developed and validated as a tool for evaluating the impact of new cosmetic ingredients on the skin microbiota.
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.
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.
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