Dissertations / Theses on the topic 'Locust bean gum'

Master of Science
Department of Biological & Agricultural Engineering
Donghai Wang
Gums are water-soluble polysaccharides used in many industrial and food applications because of their functions such as thickening, gelling, emulsification, adhesion, and encapsulation. Interactions between gums are conducted to enhance functional properties of finished products and reduce processing costs. In this study, camelina gum, from the oil-seed plant Camelina sativa, is characterized by carbohydrate composition and morphological, thermal, and rheological properties. Interactions with xanthan gum, galactomannans guar gum, and locust bean gum (LBG) are also studied. Camelina gum is composed of arabinose, rhamnose, galactose, glucose, xylose and mannose; according to high-performance anion exchange chromatography analysis. Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy images showed camelina gum with fibrillar structure and intermeshed network. Camelina gum solutions exhibited a shear thinning flow behavior in a range of concentrations (0.1% to 2.0% w/w) and shear rate (0.001 sˉ¹ to 3000 sˉ¹). Camelina gum is temperature independent at temperature ranges from 4 °C to 90 °C. The apparent viscosity increased as gum concentration increased. Mechanical properties of camelina gum demonstrated viscoelastic behavior with entangled molecular chains. Interaction of camelina gum with monovalent salt NaCl significantly reduced the viscosity of camelina gum solution at 1% when NaCl concentration increased. Camelina gum is soluble in water up to 60% ethanol content, in which the rheological properties do not significantly differ from camelina gum in water solution only. A synergy with xanthan and galactomannans was determined. All mixtures exhibited shear-thinning flow behavior, solid-like behavior at low frequencies, and liquid-like behavior at high frequencies. For camelina-galactomannans mixtures, synergistic interactions occurred in LBG-camelina mixtures at ratios of 1:1 and 3:1. For xanthan-camelina mixture, maximum synergy was observed at the ratio 1:1. Synergistic effects of gum mixtures suggest dependency on the ratios and chemical structures of the gums. The effect of temperature on apparent viscosity of mixtures is not significant. Results showed that camelina gum can be used for commercial applications.

This thesis reports data on blends of carrageenan (0.3%w/w) and locust bean gum (0.3%w/w) in the presence of biopolymers, particularly gelatin of varying concentration. Particular attention is given to their behaviour on autoclaving since this is relevant to one of the most important applications of these materials as gelling agents in canned meat products. It was shown there is such 3% gelatin could be found in the gelling system as a result of from collagen in the meat. Gelatin at this level generally reduced the strength of non-autoclaved carrageenan and LBG gels but enhanced autoclaved gels. Studies of turbidity and rheology suggested that the effect was due to phase separation. Investigation of viscosity after autoclaving produced evidence to support the hypothesis that gelatin protected LBG from thermal degradation. For industrial LBG this was not, however, observed by direct molecular weight measurement, although such effects were seen for pure LBG. Interesting differences between the gel strength response between low and high ionic strength buffers were found. It was concluded that textural performance in real products was sensitive to a range of factors (salt, impurities, presence of gelatin) and would be interpreted by a combination of degradation and phase separation theory. Implications for the industry are discussed.

Aqueous dispersions of xanthan and locust bean gum, in combination, show a synergistic increase in viscosity. At sufficiently high concentrations, firm gels are formed, although neither component forms true gels when alone. The actual molecular processes resulting in this phenomenon are still incompletely understood and Theological studies can provide some clues to the mechanism of the interaction. Rheological properties of the polysaccharide blend were therefore investigated. Moisture, ash and inorganic elements and protein content as well as the intrinsic viscosity of the individual polysaccharides were determined. Dynamic viscoelastic properties of dispersions prepared from the polysaccharide blend were evaluated in four solvent treatments capable of disrupting weak intermolecular bonds. The effect of polysaccharide concentration, temperature, ionic strength, pH, ratio of mixing of the two gums and urea concentration on steady shear rheological properties were evaluated in a fractional factorial experiment. More detailed studies were carried out on the effects of temperature at two levels of concentration and ionic strength. Solvent treatments significantly affected the viscoelastic properties of xanthan-locust bean gum solutions. At 20°C and under the conditions used, dipole interactions appeared to be the primary force responsible for stabilizing the xanthan-1ocust bean gum interacting system. Hydrogen bonding and hydrophobic interactions seemed to play less important roles. Under conditions of low ionic strength and increased temperature, the interactions were lost and polysaccharide solution behavior passed from that of a viscoelastic solid to that of a viscoelastic liquid. At 60°C and at high ionic strengths, hydrophobic interactions may become important in the stabilization of the three dimensional gel network. Temperature effects on steady shear viscosity of xanthan-locust bean gum solutions were dependent on the concentration and ionic strength of the system. In general, steady flow properties were comparable to the reported behavior of xanthan solutions and so reflected the weakness of the interaction (dipole interactions) between the two polysaccharides.
Land and Food Systems, Faculty of
Graduate

Mestrado em Engenharia Alimentar - Instituto Superior de Agronomia
The aim of this work was the development of an appealing fresh fruit translucent candy, with gelling agents, alternative to the natural fruit pectin. Three fruit gel formulations were developed, named Fresh Fruits Marbles (FFM), two apple based and one lemon juice based. These were inspired on the traditional French patisserie products Patê de Fruits. At first, high methoxyl (HM) pectin (1.5%) was used as a gelling agent and at second a mixture of iota carrageenan/locust bean gum (1.5% /1.5 %) were used. The edible coatings were sucrose, olive oil and HM citrus pectin coating (3%). HM pectin (2%) was used in the formulation of gel translucent. The coatings were: HM pectin (3%), carboxymethyl cellulose (1%) and iota carrageenan (1%). The characterization analysis was focused on chemical (pH, humidity, aw, total soluble solids), physical (texture and color) and microbiologic characteristics (mold and yeast counting). The iota carrageenan/locust bean gum mix, in the gel on the Apple based FFM, promoted a more elastic texture. The sugar coating is the one that best preserves the FFM. Pectin HM (3%) coating on lemon juice based FFM promoted an increase in hardness. All developed FFM looked and tasted well – a promising product.

Scientific evidence shows that dietary intake of the omega-3 polyunsaturated fatty acids is beneficial to human health. Fish oil is a rich source of omega-3 fatty acids. However, fish oil with high levels of omega-3 PUFA is very susceptible to oxidative deterioration during storage. The objective of this study was to investigate the effect of xanthan gum (XG)-locust bean gum (LBG) mixtures on the physicochemical properties of whey protein isolate (WPI) stabilized oil-in-water (O/W) emulsions containing 20% v/v menhaden oil. The O/W emulsions containing XG/LBG mixtures were compared to emulsions with either XG or LBG alone. The emulsions were prepared using a sonicator by first mixing menhaden oil into the WPI solution and then either XG, LBG or XG/LBG mixtures were added. WPI solution (2 wt%) and gum solutions (0.0,0.05, 0.1, 0.15, 0.2 and 0.5 wt%) were prepared separately by dissolving measured quantities of WPI in distilled water. XG and LBG gums were blended in a synergistic ratios of 50:50 for the mixture. The emulsions were evaluated for apparent viscosity, microstructure, creaming stability and oxidative stability. Addition of 0.15, 0.2 and 0.5 wt% XG/LBG mixtures greatly decreased the creaming of the emulsion. The emulsion with 0.15, 0.2 and 0.5 wt% XG/LBG mixtures showed no visible serum separation during 15 d of storage. The apparent viscosity of the emulsions containing XG/LBG mixtures was significantly higher (p < 0.05) than the emulsions containing either XG or LBG alone. The viscosity was sharply enhanced at higher concentrations of XG/LBG mixtures. Microstructure images showed depletion flocculation for LBG (0.05-0.5 wt%), XG (0.05- 0.2 wt%) and XG/LBG mixtures (0.05 and 0.1 wt%) emulsions. Flocculation was decreased with the increased biopolymer concentration in the emulsion. The decrease in flocculation was much pronounced for the emulsion containing XG/LBG mixtures. The rate of lipid oxidation for 8 week storage was significantly (p < 0.05) lower in emulsions containing XG/LBG mixtures than in emulsions containing either of the biopolymer alone. The results suggested that the addition of XG/LBG mixtures greatly enhanced the creaming and oxidative stability of the WPI-stabilized menhaden O/W emulsion as compared to either XG or LBG alone.

Orientador: Rosiane Lopes da Cunha
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos
Made available in DSpace on 2018-08-10T13:26:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Perrechil_FabianadeAssis_M.pdf: 19952630 bytes, checksum: 207dab8eceafe0a14ef0feb6d0beb071 (MD5) Previous issue date: 2008
Resumo: Proteínas e polissacarídeos são amplamente utilizados em emulsões alimentícias como agentes emulsificantes e estabilizantes. Entretanto, a presença de ambos biopolímeros em solução aquosa pode resultar no processo de separação de fases, dependendo das condições de pH e força iônica empregadas. Esse estudo mostrou que é possível a produção de diferentes tipos de emulsões múltiplas através da mistura de emulsões óleo-água (O/A) com uma mistura de biopolímeros de fases separadas. Inicialmente, foram estudadas as propriedades de emulsões óleo água (O/A) estabilizadas por caseinato de sódio (Na-CN) sob diferentes condições de acidificação e aplicação de pressão, além das emulsões estabilizadas por Na-CN e goma jataí (LBG). A maioria das emulsões apresentou separação de fases devido ao mecanismo de cremeação, porém este processo de desestabilização foi reduzido quando existiu o aumento da viscosidade dos sistemas ou a diminuição do tamanho das gotas. A viscosidade das emulsões foi modificada pela adição de maiores concentrações de óleo e biopolímeros, e pela redução do pH em direção ao ponto isoelétrico da proteína. Já a redução do tamanho das gotas foi realizada através de aplicação de altas pressões. A homogeneização a altas pressões promoveu a formação de emulsões com tamanhos de gotas muito reduzidos (entre 0,39 e 1,50 mm), sendo possível a sua utilização para o preparo das emulsões múltiplas. Em uma segunda etapa do trabalho, um diagrama de fases foi construído para identificar a faixa de concentrações de Na-CN e LBG que resultariam em uma solução de fases separadas, bem como as condições de pH e força iônica necessárias para o processo de separação de fases. Assim, as soluções mistas Na-CN ¿ LBG formaram uma fase inferior rica em Na-CN (A1) e uma fase superior rica em LBG (A2), sendo possível a formação de emulsões água-água (A1/A2 ou A2/A1) através da mistura das fases superior e inferior em diferentes razões. A mistura de uma emulsão O/A estabilizada por Na-CN e homogeneizada a alta pressão, com soluções de fases separadas compostas pelas mesmas razões de fase superior e inferior utilizadas no preparo das emulsões A/A resultou na formação de emulsões múltiplas. Estas emulsões foram do tipo óleo-água-água (O/A1/A2) ou do tipo óleo-água/água-água (O/A1-A2/A1), dependendo da composição inicial de biopolímeros no sistema
Abstract: Proteins and polysaccharides are widely used in food emulsions as emulsifying and stabilizing agents. However, the mixture of both biopolymers in an aqueous solution can lead to a phase separation process, depending on the conditions of pH and ionic strength. This study showed that multiple emulsions can be prepared by mixing an oil-in-water (O/W) emulsion with a mixed biopolymer solution that separates into two phases. Initially, the oil-in-water emulsions (O/W) stabilized by sodium caseinate were studied at different conditions of acidification and high-pressure homogenization. Emulsions stabilized by Na-CN and LBG were also studied. Most of the emulsions showed phase separation due to the creaming mechanism, but this destabilization process was reduced with the increase of system viscosity and the decrease of oil droplet size. The emulsion viscosity was changed by addition of greater oil and biopolymer concentrations and by reduction of pH in direction to protein¿s isoelectric point, while reduction of droplet size was obtained by application of high pressure. The high-pressure homogenization promoted the formation of very small droplets (between 0.39 and 1.5 mm), which favored the production of multiple emulsions. In a second step of this work, a phase diagram was constructed to identify the range of sodium caseinate (Na-CN) and locust bean gum (LBG) concentrations where phase separation occurred and the conditions of pH and ionic strength that led to the incompatibility between them. Thus, in this conditions, the Na-CN ¿ LBG mixed solution formed a two-phase system consisting of a Na-CN ¿ enriched lower phase (W1) and a LBG ¿ enriched upper phase (W2). Water-in-water emulsions (W1/W2 or W2/W1) could be formed by blending incompatible upper and lower phases together at different ratios. Thus, multiple emulsions were prepared by mixing the O/W emulsions homogenized at high-pressure with the same incompatible solutions used to prepare the W/W emulsions. The produced multiple emulsions were the oil-in-water-in water (O/W1/W2) type or the mixed oil-in-water/water-in-water (O/W1 - W2/W1) type depending on the initial biopolymer composition of the system
Mestrado
Mestre em Engenharia de Alimentos

Il principale interesse della coltivazione del carrubo oggi è rivolto alla produzione della farina di semi, LBG (Locust Bean Gum), che trova ampia applicazione come additivo tecnologico in diverse preparazioni alimentari, facendo così riscoprire e rivalutare questo frutto spesso dimenticato, che invece racchiude un enorme ricchezza e potenzialità di utilizzo e che meriterebbe maggiore riconoscimento come coltura da impiantare. Attualmente sono numerosi infatti i prodotti alimentari di larghissima diffusione che contengono farina di semi di carruba, da sola o in combinazione con altri ingredienti. La ricerca condotta in questi tre anni, ha riguardato la caratterizzazione di differenti varietà di carrubo, al fine di identificare quelle più adatte all estrazione della gomma, sia in termini di resa che di proprietà tecnologiche. In una seconda fase di studio si è proposta un applicazione innovativa della farina di semi di carrubo, come ingrediente di rivestimenti edibili, a tale scopo sono state effettuate prove per valutare l efficacia dell LBG come coating per il prolungamento della shelf-life di prodotti deperibili come i gamberi freschi. A seguito di test preliminari sono stati scelti, oltre la farina di semi di carruba, tre diversi rivestimenti costituiti da miscele di materiali addensanti di struttura polisaccaridica: chitosano, maizena, tapioca. Tali soluzioni, in seguito a procedura di dipping, sono state testate su esemplari di gamberi della specie Parapenaeus longirostris. Nel dettaglio nella presente tesi vengono preliminarmente descritte le caratteristiche generali della pianta di carrubo, sono inoltre riportate le più recenti acquisizioni della letteratura sulla composizione chimica della polpa e dei semi, sulle proprietà funzionali e le applicazioni della farina di semi nel settore alimentare. Segue una descrizione delle diverse tipologie di film edibili e delle principali problematiche legate alla shelf-life del gambero fresco. Dopo aver illustrato le procedure sperimentali utilizzate nella ricerca, sono stati valutati il potenziale tecnologico dei semi appartenenti a differenti varietà e di differente origine geografica e l efficacia delle soluzioni di coating formulate. I risultati della prima parte hanno confermato l alto livello di variabilità intraspecifica delle proprietà reologiche della farina di semi, motivando dunque l interesse non solo verso varietà ad elevato numero di semi ma anche con peculiari potenzialità tecnologiche della farina. Dalle prove effettuate nella seconda fase della ricerca si è evidenziato un effetto positivo sulla shelf-life dei gamberi da parte delle soluzioni di coating, in particolare l LBG ha evidenziato un effetto protettivo nei confronti dello sviluppo microbico e dell ABVT.

Orientadores: Rosiane Lopes da Cunha, Fernanda Yumi Ushikubo
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos
Made available in DSpace on 2018-08-24T02:34:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barbosa_JanainaMiranda_M.pdf: 4341938 bytes, checksum: e5e24c14ce9831be45d250772d8a9f57 (MD5) Previous issue date: 2013
Resumo: As emulsões estão presentes naturalmente em alguns alimentos ou são aplicadas devido a suas propriedades tecnológicas. Porém, as emulsões são termodinamicamente instáveis e tendem a separar de fases com o tempo. A estabilidade das emulsões pode ser melhorada utilizando agentes emulsificantes e estabilizantes. Neste trabalho foi estudada a ação simultânea de dois biopolímeros naturais para melhorar a estabilidade cinética de emulsões óleo - em - água (O/A). Conjugados formados por caseinato de sódio e goma jataí foram produzidos através da reação de Maillard em diferentes razões de proteína/polissacarídeo e tempos de reação, a fim de se obter melhor ação estabilizante que os biopolímeros individuais em emulsões preparadas em duas condições de pH. A formação dos conjugados foi confirmada pela análise de eletroforese em gel de poliacrilamida que evidenciou a presença de compostos de alta massa molecular. De modo geral, em pH 7 as emulsões foram mais estáveis que em pH 3,5, pois em pH neutro a proteína estava mais distante do seu ponto isoelétrico, sendo assim mais solúvel e carregada negativamente, resultando na repulsão eletrostática entre as gotas. As análises de microscopia confocal feitas para emulsões em pH 7 mostraram que com os conjugados formados após 24 h de reação, a distribuição da proteína na interface foi mais homogênea. No pH 3,5, não houve efeito de carga e a estabilidade das emulsões foi atribuída à presença dos polissacarídeos que promoveram maior viscosidade da fase contínua e maior espessura da camada interfacial, provocando repulsão estérica entre as gotas. Neste pH, os conjugados formados após 24 h de reação melhoraram a estabilidade das emulsões. Nas análises reológicas observaram-se maiores valores de viscosidade aparente nas emulsões com o maior conteúdo de polissacarídeo (razão 0,3), e este valor foi ainda maior em pH 7. Dessa forma, os módulos complexos (G*) das emulsões também atingiram valores mais altos em pH neutro, confirmando a melhor estruturação das emulsões. Quanto à reologia interfacial, o módulo complexo de viscoelasticidade (E*) da interface óleo ¿ solução de biopolímero na razão 0,3 apresentou valor elevado e pouca variação ao longo do tempo, caracterizando uma interface mais elástica e estável, com estrutura mais rígida devido ao polissacarídeo. Com estes resultados, pode-se afirmar que os conjugados formados em tempo iniciais de reação e compostos por maior quantidade de goma jataí melhoraram a estabilidade das emulsões devido ao efeito estérico do polissacarídeo que foi ainda mais pronunciado em pH ácido
Abstract: The emulsions are naturally present in some foods or they are applied in food products due to their technological properties. However, emulsions are termodynamically unstable and their phases tend to separate with time. The stability of emulsions can be improved by using emulsifiers and stabilizers. In this work it was studied the combined action of two natural biopolymers to improve the kinetic stability of oil-in-water emulsions (O/W). Conjugates composed by sodium caseinate and locust bean gum were produced by Maillard reaction at different protein/polysaccharide ratio and reaction time to obtain a conjugate with better stabilizing action than individual biopolymers in emulsions prepared at two pH conditions. The conjugates formation was confirmed by polyacrylamide gel electrophoresis analysis that revealed the presence of compounds with high molecular weight after the reaction. In general, the emulsions at pH 7 were more stable than at pH 3.5. At neutral pH, as the protein was further from its isoelectric point, it was more soluble and negatively charged, resulting in the electrostatic repulsion between the droplets. The confocal microscopy analysis showed that emulsions at pH 7 composed by conjugates formed after 24 h of reaction, presented more homogeneous protein distribution at the interface. At pH 3.5, there was no electrical charge effect on the emulsion and the stability was attributed to the presence of polysaccharides, which promoted higher viscosity of the continuous phase and increased the interfacial layer thickness, resulting in steric repulsion between the droplets. Regarding the rheological behavior, it was observed higher values of apparent viscosity in emulsions with highest polysaccharide content (ratio 0.3), and these values were higher at pH 7 than at pH 3.5. Moreover, the complex moduli (G *) values of the emulsions were also higher at neutral pH, confirming better structured emulsions. In relation to the interfacial rheology, the viscoelastic complex moduli (E *) on the oil ¿ biopolymer solution interface at 0.3 ratio presented higher value with low variation with time, characterizing more elastic and stable interface composed by rigid structure due to the polysaccharide. Based on these results, it was observed that the conjugates formed at early reaction time and composed by large amount of locust bean gum improved the emulsions stability due to the steric effect of the polysaccharide which was more pronounced at acid pH
Mestrado
Engenharia de Alimentos
Mestra em Engenharia de Alimentos

Aspergillus fumigatus produces enzymes required for the hydrolysis of galactomannans like locust bean gum. Among these enzymes endo-beta-1,4 mannanase is also produced at high levels. However, the fungus is not safe for use in the food industry. Therefore, the gene encoding endo-beta-1,4-mannanase of A. fumigatus IMI 385708 was previously cloned in our laboratory into Aspergillus sojae ATCC11906 which is a safe microorganism for use in food applications. Altogether eight transformants were obtained. It was shown that some of these transformants overproduce the enzyme because of expression under the control of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase promoter and fusion to the glucoamylase signal and pro-peptide coding region of Aspergillus niger. In this study, mannanase production of these transformants was compared with A. fumigatus and A. sojae transformant AsT1 showed c. 12 fold increase with the maximum activity of 352 U/ml. The effects of initial medium pH and number of spores on activity were investigated and maximum activity was achieved at pH 7.0 and the number of spores was found as 3.6 ×
106. Optimization of the growth conditions for maximum mannanase production in shake flasks by using the best mannanase producing transformant AsT1 was carried out by using Box-Behnken design under Response Surface Methodology. The highest beta-mannanase activity on the fourth day of cultivation at 30 º
C was obtained as 363 U/ml in the optimized medium containing 7% sugar beet molasses, 0.43% NH4NO3, 0.1% K2HPO4, 0.05% MgSO4 as the weight/volume percentage at 207 rpm. On sixth day of cultivation under the optimized conditions, the highest mannanase activity was achieved as 482 U/ml which is 1.4 fold of 352 U/ml activity found on glucose medium previously. After 48 h of LBG hydrolysis by 40 U of mannanase, mannotriose, 61-galactosyl-beta-D-mannotriose and 63,64-di-alpha-galactosyl-beta-1,4-mannopentaose were found as the main products via HPLC analysis.

Orientador: Caroline Joy Steel
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos
Made available in DSpace on 2018-08-06T15:43:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_EvelineLopes_M.pdf: 15471832 bytes, checksum: b43c4088e42981acaea0df1073c7d74c (MD5) Previous issue date: 2006
Resumo: O objetivo deste trabalho foi estudar o efeito da adição de diferentes fontes de fibra alimentar em pão convencional e em pão pré-assado congelado. Um delineamento composto central rotacional (DCCR) foi utilizado, com as porcentagens das diferentes fontes de fibra alimentar - farelo de trigo, amido resistente e locust bean gum (LBG) - sendo as variáveis independentes. O delineamento incluiu dezoito ensaios: oito pontos fatoriais, seis pontos axiais e quatro repetições do ponto central. Os resultados foram analisados pela Metodologia de Superfície de Resposta. Os níveis de farelo de trigo, amido resistente e LBG usados foram, respectivamente: 0-20%, 0-20% e 0-3% (base farinha). As variáveis dependentes foram parâmetros farinográficos das combinações de farinha de trigo e fontes de fibra, parâmetros do processo de panificação (tempo de mistura rápida e tempo de fermentação) e características de qualidade dos pães (volume específico, cor instrumental da crosta e do miolo, aceitação sensorial, vida de prateleira avaliada através da umidade do miolo e dureza dos pães após um, quatro e sete dias do forneamento). O efeito do período de estocagem congelada (0, 32 ou 62 dias) foi avaliado através da submissão da média dos dados das características de qualidade dos pães dos dezoito ensaios do planejamento à análise de variância e teste de Tukey. Os resultados mostraram que as fontes de fibra alimentar modificaram a absorção de água e as propriedades de mistura da farinha de trigo, interferiram no tempo de mistura rápida do processo e nas características tecnológicas do pão, como volume, cor, umidade e dureza. No entanto, notou-se que as modificações tecnológicas não inviabilizaram os produtos, uma vez que eles foram bem aceitos sensorialmente e apresentaram uma alta intenção de compra pelos provadores. Verificou-se que o aumento do tempo de estocagem congelada, de 32 para 62 dias, não teve grande interferência na maioria das características dos pães analisados. Concluiu-se que foi possível a produção de pães convencionais e pães pré-assados congelados com fibras que atendem à legislação brasileira para fins de rotulagem nutricional de fibra alimentar (considerados fonte e/ou alto teor de fibras), com parâmetros tecnológicos e sensoriais que os permitem ser considerados produtos de boa qualidade
Abstract: The aim of this work was to study the effect of adding different dietary fiber sources to conventional bread and to frozen part-baked bread. A central composite rotational design (CCRD) was used, with the percentages of the different dietary fiber sources ¿ wheat bran, resistant starch and locust bean gum (LBG) ¿ being the independent variables. The design included eighteen trials: eight factorial points, six axial points and four repetitions of the central point. Results were analyzed using the Response Surface Methodology. The levels of wheat bran, resistant starch and LBG used were, respectively: 0-20%, 0-20% and 0-3% (flour basis). The dependent variables were farinographic parameters of the combinations of wheat flour and dietary fiber sources, baking process parameters (rapid mixing time and proofing time) and bread quality characteristics (specific volume, crust and crumb instrumental color, sensory acceptance, shelf-life evaluated through crumb moisture and bread hardness after one, four and seven days from baking). The effect of the frozen storage period (0, 32 or 62 days) was evaluated by the submission of the average values of the bread quality characteristics of the eighteen trials of the experimental design to Analysis of Variance and the Tukey test. The results showed that the dietary fiber sources modified the water absorption and the mixing properties of the wheat flour, interfered in the rapid mixing time and in the technological characteristics of bread, such as volume, color, moisture and hardness. Nevertheless, it was shown that the technological modifications did make the products unfeasible, as they had a good sensory acceptance and a high buying intention by the panelists. It was observed that the increase of frozen storage time, from 32 to 62 days, did not greatly affect most of the bread characteristics analyzed. It was concluded that it was possible to produce conventional and frozen part-baked breads with fiber that attend the Brazilian legislation regarding nutritional labeling claims related to dietary fiber (breads that can be considered sources and/or high fiber content), having technological and sensory parameters that permit them to be considered good quality products
Mestrado
Mestre em Tecnologia de Alimentos

Le caroubier est considéré comme l'un des arbres fruitiers et forestiers qui présente le plus grand potentiel de valorisation puisque toutes les parties de cette plante sont utilisables dans plusieurs applications industriels. Le caroubier est cultivé dans plusieurs régions du Liban mais peu d'études sont disponibles sur les voies de valorisation et sur les propriétés fonctionnelles et structurales des graines et des gousses. Ainsi, dans le cadre d'une démarche qui vise à promouvoir et contribuer à une meilleure valorisation et gestion de cette ressource renouvelable, nous avons entrepris dans cette thèse des travaux consacrés à la caractérisation et à l'évaluation de la valeur nutritive et fonctionnelle des gousses de caroube issues de plusieurs régions libanaise. Ces travaux ont porté notamment sur la caractérisation morphologique et physico-chimique des gousses et sur la purification des gommes extraits des graines. Ces gommes ont fait l'objet d'une étude approfondie portant sur leur comportement rhéologique et la relation entre ce comportement, la variété et le lieu géographique. Nous avons aussi déterminé les isothermes de sorption de ces gommes pour prédire les conditions idéales de leur conservation. Les résultats obtenus à l'issue de cette étude ont démontré clairement la présence des corrélations morphologie, composition chimique et coordonnées géographiques de différents cultivars étudiés. De même, les études structurales et rhéologiques ont montré des différences significatives entre les gommes purifiées. Cette différence semble être liée à une variation du rapport galactose/mannose et de la masse molaire observée selon les variétés. Par ailleurs, les études des isothermes de sorption ont permis de fournir des informations complémentaires sur leurs hygroscopicités et par conséquence sur les conditions idéales de leur conservation
The carob plant is considered as one of the fruit and forester tree that has the greatest potential of valorization since all the parts of this plant can be used in several food and cosmetic applications. The carob is cultivated in several areas of lebanon but few studies are available on the ways of valorization and the functional and structural properties of the different fractions of this tree (seeds and pods). Thus, in view to develop a strategy aims to promote and contribute to a better valorization and management of this renewable resource, we undertook in this thesis of work devoted to the characterization and the evaluation of nutritive and functional properties of the carob pods resulting from several lebanese areas. This work focused particularly on the morphological and physicochemical characterization of the pods and the purified fraction of gum. These gums were the subject of a thorough study relating to their rheological behavior and the relation between this behavior, the variety and the geographical localization of the studied varieties. We also determined the isotherms of sorption of these gums to predict the ideal conditions of their conservation. The obtained results clearly showed the presence of the correlations between morphology, chemical composition and geographical localization of the different studied cultivars. In the same way, the structural and rheological studies showed significant differences between purified gums. This difference seems to be related to a variation of the galactose /mannose ratio and molar mass according to the varieties. These interesting rheological properties open the carob gums a new niches of valorization with added values. In addition, the studies of the isotherms of sorption provided additional information on their hygroscopicities and by consequence on the ideal conditions of their conservation

La présente thèse traite, au travers d’une analyse fondamentale et expérimentale, l’effet de texturation par détente instantanée contrôlée (DIC) sur les phénomènes de transfert au cours des processus de séchage, d’extraction mécanique et de comportement rhéologique. Les produits concernés ont été les graines de caroube (gomme et germe) et deux variétés de graines de tournesol (linoléique et oléique). La texturation DIC permet d’agir sur la cinétique de séchage par flux d’air ce qui conduit à une intensification des processus de séchage par flux d’air tout en assurant une bonne préservation de la qualité nutritionnelle du produit fini. L’étude expérimentale a été couplée à une analyse phénoménologique de la cinétique à travers une modélisation de type CWD (coupled Washing/Diffusion). Cette dernière étude conduit à une évaluation de l’impact de la texturation sur la diffusivité effective Deff et l’accessibilité initiale δWs. D’autre part, l’étude expérimentale en vue de l’optimisation de l’opération a été réalisée à travers la méthode des plans d’expériences. La modification des paramètres opératoires fonctionnels de la DIC, à savoir la pression absolue de vapeur d’eau saturée sèche (P), et le temps de traitement thermique (t), ainsi que le nombre des cycles (c) sur l’ensemble des performances de l’opération a été établie sur le comportement rhéologique de la gomme de caroube. Une deuxième partie de la thèse a été consacrée à l’étude fondamentale et expérimentale des procédés d’extraction d’huile de tournesol des deux variétés de graines linoléiques et oléiques. Le traitement thermomécanique par détente instantanée contrôlée (DIC) permet, à travers une modification contrôlée de la structure de la matière première, d’agir sur l’extraction mécanique par presse à froid des huiles de tournesol, ainsi que sur l’extraction par solvant de l’huile à partir du tourteau résiduel. Un complément à cette opération a consisté en l’extraction par solvant (n-hexane) opérée sur l’ensemble des graines de tournesol. La texturation DIC a conduit à une grande augmentation du rendement en huile pour les variétés linoléique et oléique. La préservation de la qualité de l’huile et du tourteau prouve l’adéquation de la DIC avec l’absence pratique de la dégradation chimique. Notre étude a également concerné la définition d’un nouveau procédé de désodorisation. Il s’agit de l’utilisation de l’Autovaporisation Multi-Flash MFA sur le raffinage de l’huile de tournesol. Cette technologie innovante de désodorisation se distingue par son faible niveau de température assurant ainsi une sévérité nettement inférieure à celle des méthodes conventionnelles à haute température
This thesis deals with a fundamental and experimental analysis of the effect of instant controlled pressure drop (DIC) on the transfer phenomena and rheological behavior, which occurs during the drying process and mechanical and solvent extraction. The products concerned were carob seeds (gum and germ) and two varieties of sunflower seeds (linoleic and oleic). DIC texturing makes it possible to greatly modify the drying kinetics, leading to an effective intensification of the drying processes while maintaining a good preservation of the nutritional quality of the finished product. The experimental study was coupled with a phenomenological kinetic model using the CWD (coupled Washing/Diffusion). This study leads to evaluate the impact of texturing on the effective diffusivity Deff and the initial accessibility δWs. On the other hand, the experimental study for the optimization of the operation was carried out through an adequate experimental design method. The impact of the DIC processing parameters, namely the absolute pressure of saturated dry water vapor (P), and the heat treatment time (t), as well as the number of cycles (c) was established on the rheological behavior of the carob bean gum. A second part of our work was devoted to the theoretical and experimental study of sunflower oil extraction processes of the two types of linoleic and oleic seeds. By acting as a controlled modification of the raw material, (DIC) texturing allowed increasing the yield of sunflower oil by both cold pressing and solvent extraction from the residual cake. DIC texturing has led to a large increase in oil yield for both linoleic and oleic varieties. The preservation of the quality of oil demonstrates that DIC was perfectly adequate with a perfect absence of chemical degradation. Our study also involved the definition of a new deodorization process. This is the use of the Multi-Flash Autovaporization MFA on the refining of sunflower oil. This innovative deodorization technology is characterized by its low temperature level, thus ensuring a much lower severity than conventional high temperature methods

The purpose of this research was to determine whether all-purpose flour could be partially replaced with locust bean gum (LBG) and guar gum, and produce an acceptable bread product. A pilot study determined that up to 4% gum replacement for flour was feasible. All bread treatments were evaluated objectively by standing height, texture, color, and cell size. Moisture determinations were obtained for each bread variation. Sensory quality was examined by consumer testing. The amount of heat required to break the hydrogen bonds in amylopectin, indicative of bread staling, was measured by differential scanning calorimetry (DSC) for all bread treatments. Two percent LBG replacement significantly increased standing height. Firmness of bread increased with an increase in gum; the 4% guar bread was significantly firmer. Crumb color was not significantly different for any of the five bread treatments. Crust color, however, was significantly lighter for the control in comparison to the 2 and 4% guar, and 4% LBG breads. Two percent guar produced a more even cell size distribution throughout the bread crumb. For all 5 bread formulations moistures were not significantly different. Sensory evaluation determined a significant difference between the control and 4% LBG. The 4% LBG bread was preferred, although not significantly. Both gums were found to retard bread staling and 2% LBG was the most effective in lengthening the shelf life of the bread product. Objective and sensory evaluation indicated both gums produced acceptable bread products for consumer consumption and possible use in further research.
Master of Science

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2014
O interesse pela goma de alfarroba tem vindo a crescer ao longo dos últimos tempos. Inicialmente na região do Algarve utilizava-se a goma de alfarroba para alimentar animais de pecuária, contudo, por conter um polissacárido com propriedades importantes em variados setores económicos, passou a ser utilizada na indústria de transformação alimentar como espessante e na indústria farmacêutica como agente gelificante. Além das aplicações referidas anteriormente, a goma de alfarroba pode ser utilizada para muitas mais finalidades. Por se tratar de um polissacárido biodegradável e potencialmente não tóxico, revela-se interessante explorar as suas capacidades como material formador de matriz de sistemas de administração de fármacos e, nomeadamente, de proteínas, por vias mucosas. São vários os sistemas de administração, mas as nanopartículas têm chamado particularmente a atenção no âmbito da administração de proteínas. Para que uma administração por vias mucosas seja efetiva, os sistemas nanoparticulados devem ter um tamanho entre 50 e 500 nm (para maximizar a sua interação), e um potencial zeta positivo (para poderem interagir com o ácido siálico que tem carga negativa e se encontra na superfície das mucosas). Além disso, outras características são requeridas para que se possam utilizar estes sistemas para administração proteica, nomeadamente uma eficácia de encapsulação razoável e ausência de toxicidade. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de nanopartículas de goma de alfarroba, para entrega de proteínas com fins sistémicos, através das vias mucosas. De modo a ir de encontro ao objetivo, o desenvolvimento do sistema nanoparticulado de goma de alfarroba proposto teve por base a utilização de um método de complexação polieletrolítica, segundo o qual as nanopartículas se formam por interação eletrostática entre grupos químicos dos polímeros que apresentam cargas opostas. Dada a neutralidade deste polissacárido, um trabalho anterior do grupo de investigação consistiu numa síntese química para produção de derivados carregados de goma de alfarroba. Foi assim produzido um derivado aminado e um derivado sulfatado, os quais exibem cargas opostas, permitindo a formação das nanopartículas por complexação polieletrolítica. As nanopartículas resultantes foram caraterizadas relativamente ao seu tamanho, índice de polidispersão, potencial zeta, rendimento de produção, eficácia de encapsulação, bem como quanto ao perfil de citotoxicidade no âmbito de administração por vias mucosas. Para preparar as nanopartículas foram utilizados três rácios de massa de goma de alfarroba aminada (A-LBG) e goma de alfarroba sulfatada (S-LBG), respetivamente 2/1, 1/1 e 1/2. Depois de obter as duas soluções respetivas, o S-LBG é adicionado ao A-LBG, sob agitação magnética moderada, em concentrações diferentes de modo a ter as três razões de massa. A formação das nanopartículas ocorre de forma imediata, mas as suspensões permanecem em agitação durante 10 minutos. Imediatamente após a mistura dos dois polímeros, é possível observar o efeito de Tyndall, que evidencia a formação de nanopartículas. As suspensões destas são centrifugadas a 16000xg, a 15 ºC durante 30 minutos, sobre uma camada de 10 μL de glicerol, a qual visa facilitar a ressuspensão das nanopartículas. Após a centrifugação, o sobrenadante é descartado e as nanopartículas são ressuspendidas em 100 μL de água para utilização nos ensaios subsequentes. A formulação A-LBG/S-LBG = 2/1 apresentou um diâmetro de aproximadamente 560 nm, um índice de polidispersão de 0,432 e um potencial zeta de +43,5 mV. A formulação A-LBG/S-LBG = 1/2 apresentou um diâmetro de aproximadamente 359 nm, um índice de polidispersão de 0,381 e um potencial zeta de -49,7 mV. A formulação A-LBG/S-LBG = 1/1 precipitou no momento em que o S-LBG foi adicionado ao A-LBG e, como tal, esta formulação foi abandonada. Atendendo a estes valores, em termos de diâmetro, a formulação 2/1 apresenta um diâmetro acima do que seria ideal e a formulação 1/2 apresenta um diâmetro entre os valores pretendidos. Relativamente à polidispersão, ambas as formulações apresentam valores abaixo do limite máximo aceite (0,5) no entanto estão acima do valor ideal (0,2). É no entanto importante assinalar que para nanopartículas produzidas com polímeros naturais é muito difícil obter índices de polidispersão abaixo de 0,2. Analisando os valores de potencial zeta, a formulação 2/1 apresenta um potencial positivo, que é mais coincidente com os objetivos da administração transmucosa, e a formulação 1/2 apresenta um potencial negativo. Os valores de potencial observados estão de acordo com a carga exibida pelo polímero predominante em cada formulação. O potencial negativo, apesar de não ser ideal para o objetivo de administração transmucosal, não é desfavorável, porque pode ser utilizado para outro tipo de terapias. Para o cálculo do rendimento de produção, a preparação das nanopartículas é feita como descrito anteriormente, com exceção do facto de não se utilizar glicerol, nem haver ressuspensão. Após a centrifugação o sobrenadante é descartado e o sedimento de nanopartículas é sujeito a congelação e posterior liofilização. A formulação 2/1 teve um rendimento de produção de aproximadamente 17% e a formulação 1/2 de 30%, os quais são considerados baixos. Para testar a capacidade das nanopartículas como transportadores de proteínas, a insulina foi selecionada como proteína modelo. Dado o seu ponto isoelétrico (pI), que é de 5.3, a proteína não dissolve em água. Para a sua solubilização usam-se o NaOH ou o HCl, ambos à concentração de 0,01 M, ficando a proteína com uma carga negativa ou positiva, respetivamente. Na abordagem inicial, tentou-se fazer a associação de uma quantidade de insulina equivalente a 30% do total da massa de polímeros utilizados na preparação das nanopartículas, mas não houve sucesso, já que se verificava precipitação. Após otimização do processo, assumiu-se a quantidade de insulina correspondente a 10% da massa do polímero que contribui com maior massa na preparação de cada formulação. Como a formulação A-LBG/S-LBG = 2/1 tinha mais quantidade de polímero positivo (conferindo um potencial zeta positivo), é maior o número de grupos carregados positivamente que estão disponíveis para interação com outras moléculas, em comparação com os grupos carregados negativamente. Assim, para esta formulação a insulina foi dissolvida em NaOH para assumir uma carga negativa e ter desta forma maiores probabilidades de interação e, consequentemente, de associação às nanopartículas. Após solubilização, a insulina foi adicionada à S-LBG, que tem igualmente carga negativa, evitando-se a interação eletrostática entre ambos os polímeros. Esta solução mista foi posteriormente adicionada à solução de A-LBG para formação das nanopartículas, havendo uma competição entre a insulina e a S-LBG pelos grupos carregados positivamente da A-LBG. Ao contrário, a formulação A-LBG/S-LBG = 1/2 tinha mais polímero de S-LBG, que tem carga negativa, o que proporciona em princípio maior capacidade de interação com grupos carregados positivamente. Neste caso, então, a estratégia consistiu em atribuir à insulina um predomínio de cargas positivas no momento da preparação das nanopartículas. Para isso, a proteína foi dissolvida em HCl e adicionada ao A-LBG, antes da adição desta mistura à S-LBG. A eficácia de encapsulação de insulina observada foi de 15% para ambas as formulações, um valor considerado reduzido. Com vista a aumentar a eficácia de encapsulação, foi feita uma otimização que teve por base a hipótese de alterar o pH do meio da insulina de forma a ficar próximo do seu ponto isoelétrico. A literatura disponibiliza pelo menos um trabalho que mostra que há uma maior adsorção das proteínas aos polímeros quando estas se encontram em meios com pH perto do seu ponto isoelétrico. No valor de pH equivalente ao ponto isoelétrico, a insulina ficará com um equilíbrio de cargas positivas e negativas e deixará livres as cargas dos polímeros, para interagirem entre si, maximizando a sua interação e a insulina ficará adsorvida aos polímeros na matriz das nanopartículas formadas. De forma a testar a hipótese anterior, para a formulação 2/1, a solução mãe de insulina foi preparada em NaOH, mas na preparação das diluições de A-LBG e S-LBG a partir das correspondentes soluções mãe, a água utilizada nas diluições foi substituída por tampão citrato (pH 5,0) por ter um pH próximo do ponto isoelétrico da insulina, fazendo com que esta exibisse um equilíbrio de cargas negativas e positivas após solubilização. Para a formulação 1/2 a insulina foi dissolvida em HCl e depois foi inicialmente realizado o mesmo procedimento com o tampão citrato, como para a formulação 2/1, mas ocorria precipitação. A otimização para a formulação 1/2 foi então realizada substituindo a água da solução S-LBG por uma solução de HCl a 0,1 M. As otimizações que foram operadas acolheram sucesso, tendo conduzido a um aumento das eficácias de encapsulação, na formulação 2/1 de 15% para 22% e na formulação 1/2 de 15% para 96%. As nanopartículas carregadas com insulina foram caraterizadas quanto às propriedades físico-químicas. Para a formulação 2/1 registou-se um diâmetro de 740 nm (PDI de 0,389) e um potencial zeta de +22,8 mV. Para a formulação 1/2 o diâmetro foi de 400 nm (PDI de 0,404) e o potencial zeta -33,6 mV. No entanto, na formulação 1/2 observaram-se alguns agregados de difícil ressuspensão, mesmo após alteração da quantidade de glicerol utilizada. Dado o objetivo de aplicação das nanopartículas desenvolvidas na administração por vias mucosas, considerou-se relevante avaliar a toxicidade das formulações. Realizou-se assim um ensaio de citotoxicidade em duas linhas celulares epiteliais, Caco-2 e A549. A primeira linha representa o epitélio intestinal, enquanto a segunda representa o epitélio pulmonar e, mais especificamente, alveolar. As concentrações testadas foram de 0,1 mg/mL, 0,5 mg/mL e 1 mg/mL para ambas as formulações. Os tempos de incubação das células com as nanopartículas foram de 3 horas e 24 horas para ambas as formulações, e linhas celulares, bem como para todas as concentrações. Em ambas as linhas celulares a viabilidade ficou acima de 70% para as duas formulações, indicando que as nanopartículas possuem baixa citotoxicidade. Em conclusão, os derivados de LBG sulfatado e aminado permitem a formulação de nanopartículas com capacidade para associar insulina. No entanto, a formulação 2/1 apresenta um tamanho inadequado para o objetivo de administração por vias mucosas, além de baixo rendimento de produção e eficácia de encapsulação. A formulação 1/2 apresenta um tamanho aceitável para o objetivo descrito, bem como uma eficácia de encapsulação muito significativa. No entanto, o rendimento da formulação é algo baixo e o seu potencial zeta negativo, possivelmente registando uma menor propensão para interação com a superfície epitelial em comparação com uma formulação de carga positiva. Este tipo de nanopartículas, pode ser utilizado em superfícies com carga positiva que requeiram nanopartículas com potencial zeta negativo, ou para encapsular moléculas de carga positiva, maximizando a sua interação.

碩士
國立中興大學
食品暨應用生物科技學系
94
The mixed systems are consisted of 8% tapioca starch and 1% hydrocolloids, hsian-tsao leaf gum(HG)/locust bean gum(LBG) or xanthan gum(XG) both are mixed for 4/0,3/1,2/2,1/3 and 0/4. The effects of hydrocolloids on the gelatinization and gelling behavior of tapioca starch are studied during controlled heating and cooling process using rapid-visco analysis and differential scanning calorimetry. The viscoelasticity and retrogradation of hydrocolloids/tapioca starch mixed systems for after stored 0~7 days are measured by dynamic rheological analysis, and these results compare with commercial dehydrated starch pearls. In addition to take the samples, which were similar with commercial dehydrated starch pearls in viscoelasticity, performed the stored in milk tea test for 4℃ and sensory evaluation. The results of rapid-visco analysis show that addition of hydrocolloids result in gelatinization temperature of tapioca starch increasing. Additionally, LBG and XG make gel viscosity increasing, but viscosity loss decreasing due to thermal resistance increasing. For thermal analysis, addition of hydrocolloids results Tp of tapioca starch increasing significantly. For dynamic rheological analysis, the G’ of mixed systems (except for HG/LBG=0/4, HG/XG=0/4) are increasing with HG concentration increased, and the retrogradation index of mixed systems are changed for addition of hydrocolloids. For the stored in milk tea test for 4℃, the sugar in milk tea is decreasing during storage period due to the sugar permeates into the network of gel, so resulting the viscoelasiticy of gels chenged. The retrogradation index of HG/LBG=2/2,1/3,0/4 and HG/XG=1/3 are lower than commercial dehydrated starch pearl. The result of sensory evaluation shows acceptable degree of aroma increasing due to addition of HG. Additionally, for firmness and chewiness, the results of HG/LBG=2/2 and HG/XG=1/3 are higher than commercial dehydrated starch pearl system. Finally, appropriate ratio of HG/LBG and HG/XG may improve the retrodation of starch pearl refrigeration.

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016
A administração de fármacos por via pulmonar tem sido abordada com elevado interesse, conduzindo-se ao crescimento do desenvolvimento de sistemas de libertação específicos para esta via. A sua reduzida atividade enzimática, a prevenção do metabolismo hepático, a superfície elevada, o fino e permeável epitélio alveolar e a vasta rede vascular, tornam-na elegível para a administração sistémica. Mas também, por permitir a elevada deposição de fármaco em elevada concentração numa zona específica do pulmão, permitindo assim, aumentar a sua ação terapêutica, reduzindo a dose total, efeitos adversos sistémicos e efeito de primeira passagem. É largamente utilizada para a veiculação de fármacos para o tratamento local de doenças respiratórias como a asma e fibrose cística, e atualmente investigada para a veiculação de antibióticos para o tratamento de doenças infeciosas, como a pneumonia ou a tuberculose. A tuberculose apresenta ainda uma elevada prevalência e incidência a nível mundial, em 2012, estimou-se o aparecimento de 8.6 milhões de novos casos e 1.3 milhões de casos de mortalidade. Sendo que uma das principais causas de morte é a baixa adesão a terapia oral atual, e consequentemente a falha terapêutica desta. A administração de sistemas que veiculem fármacos antituberculosos tem sido vista como uma abordagem terapêutica que potencialmente será eficaz e segura. Os sistemas micropartículados produzidos, por exemplo, por atomização, tem sido bastantes explorados, devido, a se poderem modular as suas características, de modo, a que exibam características aerodinâmicas adequadas (tamanho geométrico, densidade e forma) para alcançar a região alveolar. A goma de alfarroba (LBG) é um polissacarídeo neutro, que é extraído a partir das sementes de alfarroba, e tem sido largamente utilizado, em aplicações farmacêuticas, devido, a sua baixa citotoxicidade, propriedade bioadesivas e gelificantes. Este polímero pertence a classe dos galactomanamos, e é composto por unidades de mannose e galactose, num ratio aproximadamente de 4/1. A sua estrutura molecular consiste numa ligação linear de unidades (1-4)--mannose com uma unidade de (1-6)-α-galactose. A obtenção de micropartículas com esta estrutura, e com capacidade de atingirem a região alveolar, permite proporcionar o direcionamento destes sistemas para os macrófagos alveolares, onde reside o agente infecioso, Mycobacterium tuberculosis, e permitirem que haja a libertação intracelular dos fármacos veiculados. Este direcionamento deve-se ao facto de os macrófagos alveolares infetados expressarem o receptor da mannose, que ao reconhecer estruturas com mannose, irá conduzir a sua fagocitose, de um modo, mais específico e rápido, comparativamente com sistemas que não tenham esta estrutura. Neste contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de sistemas microparticulados, utilizando a goma de alfarroba, para a produção de micropartículas através da técnica de atomização. Pretende-se que este polímero veicule dois fármacos antituberculosos de primeira linha, a isoniazida (INH) e a rifabutina (RFB). Os sistemas microparticulados obtidos serão caracterizados em termos de propriedades aerodinâmicas, de eficácia de encapsulação e capacidade de permitirem a libertação dos fármacos num ambiente alveolar e do fagolisossoma. A sua biocompatibilidade será analisada em duas linhas celulares representativas do epitélio alveolar (A549) e dos macrófagos alveolares (macrófagos diferenciados a partir de THP-1). A capacidade de as partículas com uma matriz de LBG em serem fagocitadas será avaliada na dose de 50 μg/cm2 em duas linhas celulares de macrófagos, macrófagos diferenciados a partir de THP-1 e em macrófagos alveolares provenientes de ratinho (NR8383). A capacidade destas micropartículas em ativarem macrófagos será também avaliada nos macrófagos diferenciados a partir de THP-1. A utilização da goma de alfarroba neste contexto nunca fora descrita anteriormente. Pelo que torna as quatro formulações desenvolvidas com diferentes ratios de fármacos, uma nova abordagem/proposta para a terapêutica de tuberculose, ou a sua potencial adaptação para outra doença infeciosa do trato inferior respiratório. Deste modo as formulações desenvolvidas foram: partículas sem fármaco: Unloaded LBG e partículas com fármaco (ratio polímero:fármaco), LBG.INH 10:1, LBG.RFB 10:0.2, 10:0.5, 10:1 e LBG.INH.RFB 10:1:0.5 e 10:1:1. Apesar de a goma de alfarroba formar dispersões viscosas, devido a não solubilizar por completo, foi necessário a adição de ácido clorídrico (HCl) 0.1 M, para que fosse possível a sua atomização. Permitindo-se assim obter com um rendimento satisfatório (entre 58 a 71%), micropartículas com tamanho adequado para a administração alveolar (entre 1.26 a 1.50 μm). Para além do tamanho adequado, apresentam também valores de densidade real (aproximadamente 1.45 g/cm3) e de diâmetro aerodinâmico (entre 1.27 a 1.90 μm), que indicam a sua capacidade de atingirem a zona alveolar. Apesar de a INH ser um fármaco hidrofílico e a RFB ser um fármaco hidrofóbico, foi possível a sua encapsulação na matriz hidrofílica da LBG, com valores elevados de eficácia de encapsulação (> 82%). Outra justificação para a adição de HCl na formulação, foi a necessidade, de na molécula de RFB, haver um processo de desprotonação, que permitisse a sua solubilização em meio aquoso. O perfil de libertação de INH e RFB foi analisado a partir da formulação LBG.INH.RFB 10:1:0.5, verificando-se a libertação de ambos os fármacos num perfil semelhante em meio com pH 7.4, representativo da região alveolar. O perfil de libertação de INH a partir da formulação de LBG.INH foi avaliado, em dois meios, o representativo da região alveolar, e um representativo do fagolissosoma dos macrófagos, pH 5, estrutura formada após a fagocitose da micropartícula, e onde se irá libertar o fármaco. Em ambos os meios se obteve um perfil de libertação rápido de INH. A biocompatibilidade dos fármacos, matéria-prima e sistemas micropartículados produzidos foi avaliada em duas linhas celulares, uma representativa do epitélio alveolar (A549) e outra representativa dos macrófagos alveolares (macrófagos diferenciados a partir de células THP-1). E é feita através da avaliação da atividade metabólica (MTT) e da libertação da enzima lactato desidrogenase (LDH). Os resultados obtidos nos dois testes foram concordantes entre si, e verificou-se que nas concentrações testadas o fármaco RFB é citotóxico, com um índice de concentração que inibe a proliferação/população celular em 50 % (IC50), nestas duas linhas celulares, idêntico aos ratios testados. Apenas formulações que contêm RFB, se observa uma redução da viabilidade celular para estas duas linhas celulares, abaixo, do limite aceitável para formulações farmacêuticas (70%). No polímero observa-se alguma citotoxicidade nas células A549, que não está presente nas Unloaded LBG. Diversas razões foram apresentadas para a explicação desta citotoxicidade da RFB, sendo que por comparação com as Unloaded LBG MPs, se justifica, que a presença de HCl necessário na formulação, em associação com a RFB faz com que exista um efeito sinérgico na redução da viabilidade celular. É proposto a redução do ratio de RFB para um inferior aos desenvolvidos, usar HCl 0.01M para a sua encapsulação, e testar um novo excipiente para a redução da viscosidade da LBG. A biocompatibilidade foi também avaliada, quando os sistemas micropartículados são apresentados em aerossol. As micropartículas selecionadas foram as seguintes: Unloaded LBG, LBG.INH 10:1, LBG.RFB 10:0.5 e LBG.INH.RFB 10:1:0.5 na dose 303 μg/cm2, correspondente à concentração mais elevada em que amostras foram testadas quando apresentadas em solução. As micropartículas foram insufladas sobre uma monocamada de macrófagos alveolares. Como em todas se apresentou uma elevada redução de citotoxicidade, selecionou-se as Unloaded LBG e LBG.INH.RFB 10:1:0.5 e testou-se na dose 50 μg/cm2, verificando-se um aumento da viabilidade celular, em ambas, mas maior nas partículas brancas. Reforçando também, que as doses testadas são elevadas, comparativamente com a dose fármaco/sistema administrada in vivo, onde se esperam melhores resultados de viabilidade celular. Através de citometria de fluxo, foi analisado a capacidade de os macrófagos fagocitarem micropartículas com a matriz de LBG nas linhas celulares referidas. Onde se verificou a existência de uma elevada percentagem de fagocitose nos macrófagos diferenciados a partir de THP-1 (99,5 %), e nas NR8383, uma preferência significativa por micropartículas de LBG (94,35 %) comparativamente com um polímero sem mannose na sua estrutura (53,16%). Após comprovada a capacidade dos macrófagos em fagocitarem micropartículas de LBG, foi avaliada a capacidade deste galactomanano em ativar macrófagos, diferenciados a partir de THP-1, e que se encontram no estado M0 de ativação, para o estado M1, com capacidade pro-inflamatória. Após a exposição destas células, á uma solução da matriz de LBG e de micropartículas de LBG.INH.RFB 10:1:0.5 na dose de 303 μg/cm2, verificou-se que, devido a sua estrutura, a LBG tem a capacidade de induzir a libertação de citocinas, factor de necrose tumoral α e interleucina 8, num nível idêntico ao lipopolissacarídeo, presente na parede bacteriana, e com num nível superior e estatisticamente significativo comparativamente com o nível basal. Estes resultados reforçam que as micropartículas obtidas a partir deste polímero, através de atomização, apresentam propriedades aerodinâmicas que permitem que atinjam a região alveolar, e sejam veículos de fármacos antituberculosos ou de um outro antibiótico. E devido a sua estrutura com mannose, permitem que haja um reconhecimento específico pelos macrófagos alveolares infetados, permitindo potenciar a sua fagocitose. Após este processo, estas micropartículas permitem a libertação dos fármacos em meio intracelular, e ainda, activarem os macrófagos, para um estado de ativação pro-inflamatório, que irá melhorar a resposta inflamatória, e consequentemente, um melhor controlo o agente infecioso.

博士
靜宜大學
應用化學系
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Mannan, a main component of the polysaccharides of Amorphophallus konjac and locust bean gum (LBG), has long been considered non-toxic. Nonetheless, a variety of polysaccharides have been reported recently to have the ability to modulate the human immune responses. Therefore, the purpose of this study is to investigate the immunomodulatory effects of konjac polysaccharides and LBG on mouse macrophage RAW 264.7 and rat mast cell RBL-2H3. In this study, the enzymatic hydrolysates of konjac polysaccharides and LBG were prepared by using a thermostable mannanase. Konjac polysaccharides and LBG both enhance the proliferation of RAW 264.7 cells and stimulate the cells to produce tumor necrosis factor-alpa (TNF-α) but not nitric oxide. Both konjac polysaccharides and LBG decrease the release of nitric oxide from RAW 264.7 cells that have been co-stimulated with lipopolysaccharide (LPS) and interferon-gamma (IFN-γ). In fact, the effect on nitric oxide production varies, depending also on the way of pretreatment of RAW 264.7 cells. Konjac polysaccharides significantly inhibit the release of nitric oxide from LPS-stimulated RAW 264.7 cells. By contrast, LBG increases the release of nitric oxide from IFN-γ-stimulated RAW 264.7 cells. Besides, the konjac hydrolysates stimulate RAW 264.7 cells to secret TNF-α. LBG inhibits the LPS-treated RAW 264.7 cells to secrete TNF-α and interleukine-1 beta (IL-1β); however, no significant change in the cytokine production was observed when konjac polysaccharides, konjac hydrolysates, or LBG hydrolysates were used. In allergic activity assays, konjac polysaccharides, konjac hydrolysates and LBG hydrolysates reduce the secretion of β-hexosaminidase by RBL-2H3 cells; however, LBG exerts an opposite effect. In specific, 0.3% konjac polysaccharides can inhibit the histamine release from RBL-2H3 cells by 57%. Intracellular calcium ion concentrations were decreased to 25.7% and 22.1% by the addition of konjac hydrolysates and LBG hydrolysates, respectively, in the culture medium. Future application of konjac and LBG in the food and cosmetics industry should be noted that they may trigger an inflammation or allergic reaction.

Nanoparticles have a wide array of uses, one of which is drug delivery. Nanoparticle drug delivery systems have advantages over conventional drug delivery systems, as they are able to increase bioavailability, solubility and permeability of drugs, while also offering the possibility of targeted delivery and controlled release. The preparation of nanoparticles can follow different procedures, including polyelectrolyte complexation, based on electrostatic interaction of oppositely charged polymers, which was used in this work. There are currently a wide number of anionic polysaccharides to choose from, either from seaweed, animals or microorganisms. Still, when it comes to cationic polysaccharides, the most common choice is chitosan. For this reason, the chemical modification of polysaccharides for obtaining positively-charged derivatives is worth exploring. The main objective of this work was to explore different strategies to chemically modify locust bean gum in order to obtain a cationic polyelectrolyte that, by complexation with carrageenan, affords nanoparticles with the potential for application in the development of drug delivery systems. To achieve this, it was attempted to oxidize locust bean gum to the corresponding aldehyde using different oxidizing reagents and then, by reductive amination, insert amino groups in the polysaccharide structural units. The different oxidation reagents were sodium periodate, TEMPO, Oxone® and ammonium persulfate. All obtained derivatives were analyzed through FTIR spectroscopy to access the success of each reaction. NMR analysis was also performed on amino locust bean gum obtained from periodate oxidized gum, which seemed to indicate a high degree of depolymerization during the reductive step. Nanoparticle production was possible using amino locust bean gum obtained from periodate oxidized gum and carrageenan at mass ratios of 4/1, 1/3 and 1/4. These particles showed similar size, zeta potential and PdI as other locust bean gum based nanoparticles, albeit with a larger deviation.
As nanopartículas têm um largo espetro de utilizações, um dos quais é a veiculação de fármacos. Sistemas de entrega de fármacos baseados em nanopartículas têm vantagens face a sistemas mais convencionais, como o aumento de biodisponibilidade, solubilidade e permeabilidade dos fármacos e ao mesmo tempo oferecem a possibilidade de orientação para alvos terapêuticos específicos e de libertação controlada. A preparação de nanopartículas é feita de diversas formas, incluindo a complexação polieletrolítica, que se baseia na interação eletrostática de polímeros de cargas opostas, a qual se utiliza neste trabalho. Atualmente há várias opções de polissacáridos aniónicos, de algas, animais ou microorganismos, enquanto uma das únicas opções de polissacárido catiónico é o quitosano. Assim sendo, existe interesse em explorar a modificação química de polissacáridos para a atribuição de cargas positivas. O objetivo deste trabalho foi explorar diferentes estratégias de modificar a goma de alfarroba para obter um polieletrólito que se pudesse complexar com carragenina para obtenção de nanopartículas com potencial aplicação em veiculação de fármacos. Para isso, tentou-se oxidar a goma para o respetivo aldeído e, através de aminação redutiva, introduzir grupos amina nas unidades estruturais do polissacárido. A oxidação foi testada com periodato de sódio, TEMPO, Oxona® e persulfato de amónia. Os derivados foram analisados por espetroscopia FTIR para verificar o sucesso das reações. Também foi feita caracterização por NMR da goma aminada obtida da goma oxidada com periodato, que mostrou um elevado grau de despolimerização durante o passo de redução. A produção de nanopartículas deste derivado com carragenina foi possível e, nas razões de massa 4/1, 1/3 e 1/4 estas partículas mostravam tamanho, potencial zeta e PdI semelhantes aos de outras nanopartículas baseadas noutros derivados da goma de alfarroba.

Carbohydrate microarrays are a powerful, sensitive and high-throughput method to study carbohydrate-protein interactions, enabling the elucidation of several physiological functions and pathological mechanisms. Galactomannans (GMs) are a polysaccharide family which specific structure can have several particularities upon the source and/or undergo several changes upon the application of different extraction/purification methods. In this study, 2 lots of GMs derived from locust bean gum (LBG), were purified to ≈100% of carbohydrates, lot 1 and 2, presenting distinctive mannose/galactose (M/G) ratios, 2.4 and 3.3, respectively. Due to a closer structural simillarity reported for LBG with lot 2, this sample was selected for further treatment: dissolved and purified by diafiltration achieving reproductive mass yields of 63-67%. The purified samples were submitted to a partial acid hydrolysis treatment assisted by microwaves (MW), yielding 45% of mass and allowing a viscosity reduction, and depolymerisation effect occuring in minutes time-length. The aplication of an ultrafiltration separation process allowed a large portfolio of GMs with different molecular weights (Mw) fractions (6-21% of mass in each range of cut-off). Structural analysis, both neutral sugars and methylation, were used to characterise the structure of the carbohydrates obtained, and the main glycosidic bonds identified were 4-Manp (43-49%), 4,6-Manp (23-31%) and T-Gal (19-24%) in accordance with GMs composition. The purified LBG lot 1 and 2, and higher Mw retentates were non-convalently immobilized onto nitrocellulose-coated glass slides, with other well characterized saccharides as controls, constructing a microarray. The array was probed for recognition with different carbohydrate specific proteins, such as monoclonal antibodies (mAbs), and plant and mammalian lectins. Microarray analysis showed that, on one hand, the mannan recognizing mAbs 400-4 and LM21, confirmed the presence of β1,4-mannose backbone in the LBG-derived fractions. On the other hand, anti-galactomannan CCRC-M70 demonstrated binding correlation, associating recognition to the M/G ratio differences instead of the source, and beeing less tolerant to lower Mw. Microarray analysis of the two plant lectins used, RCA120 and ConA revelead that RCA120 binding to the saccharides presented, was unable to demonstrate a different identification between GMs and arabinogalactans, while ConA non significant binding confirms that only β-Man is present in the samples. Microarray analysis of the immune related lectins, DC-SIGN and SIGNR1, showed no to negligible binding, showing a potencial application of LBG fractions obtained during this study to clinical applications not involving an immune recognition.
Microarrays de hidratos de carbono são um método poderoso, sensível e de alto rendimento, capacitado para a elucidação de diferentes funções fisiológicas e mecanismos patológicos. As galactomananas (GMs) são uma família de polissacarídeos cuja estrutura específica pode ter várias particularidades dependendo da origem e/ou sofrer diferentes mudanças baseada na aplicação de diferentes métodos de extração/purificação. Neste estudo, 2 lotes de GMs obtidos de goma de alfarroba (LBG) foram purificados a ≈100% de hidratos de carbono, lote 1 e 2 apresentando rácios manose/galactose (M/G) distintos, 2.4 e 3.3, respetivamente. Devido à proximidade estrutural do lote 2 às GMs de LBG reportadas, esta amostra foi escolhida para os tratamentos consequentes: dissolução e purificação por diafiltração, atingindo um rendimento em massa reprodutível de 63-67%. As amostras purificadas foram submetidas a um tratamento de hidrólise ácida parcial assistida por microondas (MW), com um rendimento em massa de 45% que permitiu uma redução de viscosidade, e um efeito despolimerizador em minutos. A aplicação de um processo de separação por ultrafiltração permitiu a criação de várias frações de diferentes pesos moleculares (Mw) criando um portefólio de GMs (6-21% de massa em cada intervalo de fração). As análises estruturais, nomeadamente açúcares neutros e metilação, foram usadas para caraterizar a estrutura dos hidratos de carbono obtidos e as principais ligações identificadas foram a 4-Manp (43-49%), 4,6-Manp (23-31%) e T-Gal (19-24%), concordantes com a composições em GMs. Os lotes 1 e 2 purificados, assim como os retentatos de alto Mw foram não-covalentemente imobilizados em suportes de nitrocelulose, em conjunto com outros sacarídeos bem caraterizados como controlos, construindo um microarray. O array foi avaliado com proteínas de especificidade conhecida para diferentes hidratos de carbono, como anticorpos monoclonais (mAbs), e lectinas de plantas e mamíferos. A análise dos microarrays mostrou que, por um lado, os mAbs que reconhecem mananas, 400-4 e LM21, confirmaram a presença de uma cadeia principal de β1,4-manose nas amostras obtidas da LBG. Por outro lado, o anti-galactomananas CCRC-M70 demonstrou uma correlação da sua ligação a diferentes rácio M/G ao invés da fonte de origem, mostrando ainda ser menos tolerante a menores Mws. A análise do microarray às duas lectinas de plantas usadas RCA120 e ConA revelaram que a ligação da RCA120 aos sacarídeos presentes, foi incapaz de demonstrar a distinção entre GMs e arabinogalactanas, enquanto as ligações não significativas de ConA demonstrou apenas a presença de β-Manose nas amostras. A análise do array às lectinas relacionadas com o sistema imune, DC-SIGN e SIGNR1, mostrou ligações inexistentes a negligenciáveis, mostrando o potencial em aplicações clínicas destas frações de LBG quando não se pretender um reconhecimento imune.
Mestrado em Bioquímica