Chemical composition and potential health benefits of the main Portuguese elderberry cultivars (Sambucus nigra L.): a contribution to the valorisation of the Varosa Valley elderberries

This work was produced as original thesis to obtain the Doctor degree in Agricultural Production Chains – From Fork to Farm by the University of Trás-os-Montes and Alto Douro, in accordance with Decree-Law No. 74/2006, of March 24, as amended by Decree-Law No. 107/2008, of June 25, and Decree-Law No. 230/2009 of 14 September

A baga de Sabugueiro (Sambucus nigra L.) é usada na medicina popular, nomeadamente para o tratamento infeções do trato respiratório, virais e obstipação, desde longa data. Apresenta diversas atividades biológicas, como antioxidante, antiviral, anti-inflamatório, imuno-estimulante. O seu teor em antocianinas e açúcares, torna a baga de sabugueiro muito atrativa para várias indústrias. Em Portugal, o Vale do Varosa é a principal área de produção, sendo as principais cultivares plantadas ‘Sabugueiro’, ‘Sabugueira’ e ‘Bastardeira’. A baga de sabugueiro Portuguesa é reconhecida, nos mercados Europeus, como sendo um produto de elevada qualidade. No entanto, existem poucos estudos sobre a sua qualidade e potenciais bioatividades, sendo os principais objetivos deste trabalho. Em primeiro lugar, avaliou-se a variação de parâmetros físico-químicos ao longo de cinco fases de maturação (um verde-imaturo, dois imaturos, maduro e maduro/comercial), em diferentes anos de colheita, para as três cultivares. Ao longo amadurecimento, observou-se um aumento no peso da baga; um aumento nos teores de: sólidos solúveis totais, fenólicos totais (TPC), antocianinas totais (TAC) e de açúcar, e aumento na atividade antioxidante (TEAC). Enquanto, a acidez titulável e o teor de flavonóides diminuíram. O ano de colheita que apresentou mais compostos fenólicos, também apresentou maior atividade da fenilalanina amônia liase e menor atividades da polifenol oxidase e peroxidase. As condições climáticas em cada ano de colheita, como o número de dias frios e quentes, influenciam a composição da baga de sabugueiro. Realizaram-se estudos na baga de sabugueiro no ponto maduro-comercial, considerando a sua composição química e potenciais bioatividades (inibição de enzimas-chave associadas a várias doenças, potencial anti-glicativo, anti-inflamatório e antioxidante). Independentemente do ano de colheita, a baga de sabugueiro apresentou como açúcar maioritário a glucose, seguidamente frutose, e sacarose em menor quantidade. O ácido cítrico foi o principal ácido orgânico, seguido pelos ácidos málico e fumárico. Dez compostos fenólicos foram identificados em todas as amostras, cianidina-3-glucosídeo, cianidina-3-sambubiosídeo, cianidina-3,5-diglucosídeo, cianidina-3-sambubiosídeo-5-glucosídeo, quercetina-3-rutinosídeo, quercetina-3-glucosídeo, quercetina e isoramnetina-3-glucosídeo, ácidos clorogénico e critoclorogénico, sendo as antocianinas os compostos maioritários. Os resultados mostraram que o ano de colheita afetou a composição fenólica, principalmente, quercetina-3-rutinosídeo, isorametina-3-glucosídeo e ácidos hidroxicinâmicos, consequentemente, afetou o teor de orto-difenóis, TAC, TPC, e TEAC. Verificou-se que, a quercetina-3-glucosídeo, cianidina-3-sambubiosídeo-5-glucosídeo e o ácido criptoclorogénico contribuíram positivamente para a atividade antioxidante, contrariamente a isoramnetina-3-glucosídeo. Observou-se ainda, diferenças significativas entre as cultivares, que podem ser diferenciadas pelo seu teor em cianidina-3-sambubiosídeo-5-glucosídeo, frutose e ácido málico. Sendo, Bastardeira e Sabugueira mais semelhantes do que a cultivar Sabugueiro. Para além dos teores de açúcar e de água, também, os compostos fenólicos contribuíram significativamente para o ° Brix. O extrato de baga de sabugueiro (E) e o extrato rico em fenólicos (M) mostraram uma boa atividade anti-tirosinase (~40-48% e 47-55%; respetivamente), contudo, não inibiram a acetilcolinesterase, elastase e α-glucosidase, mostrando uma pequena inibição da α-amilase (<5%). Pela primeira vez, demonstrou-se o potencial anti-glicativo da baga sabugueiro por captura de metilglioxal (MGO). Demonstrou-se por cromatografia líquida de alto desempenho e/ou de espectrometria de massa que, cianidina-3-glucosídeo e a cianidina-3-sambubiosídeo capturaram MGO formando rapidamente mono- e di-adutos. Em menor extensão, quercetina-3-glucosídeo e quercetina-3-rutinósideo, também capturaram MGO formando os dois adutos. A formação de adutos com compostos fenólicos presentes nos extratos E e M, permitiu diminuir o MGO livre, diminuído a citotoxicidade provocada nas células HepG2. Sendo mais eficaz, a cultivar Bastardeira e Sabugueira do que a cultivar Sabugueiro. A baga de sabugueiro apresentou atividade anti-inflamatória pela diminuição do NO produzido em macrófagos RAW 264.7 estimulados por LPS, sendo mais pronunciado nos extratos E do que nas respetivas frações obtida por SPE (M e extrato não fenólico (H)), mostrando um efeito sinérgico entre todos os compostos presentes na baga (fenólicos maioritários/minoritários e compostos não fenólicos). Sendo, a cultivar Sabugueira aquela que apresentou maior atividade anti-inflamatória. A exposição ao t-BOOH provocou uma diminuição da viabilidade celular (<20%) nas células HepG2 e Caco-2. O pré-tratamento com os extratos E e M preveniu esse efeito, apresentando assim uma proteção antioxidante, mais notória nas células HepG2. Nas células Caco-2, parte da proteção antioxidante dos extratos, deve-se à sua capacidade em prevenir a depleção de glutationa e em diminuir as espécies reativas de oxigénio. Com base nos resultados obtidos, pode concluir-se que, Sabugueiro é mais rentável para a produção de concentrado de sumo; Bastardeira para aplicações de coloração; e Bastardeira e Sabugueira para aplicações relacionadas com a saúde, e especificamente, Sabugueira para fins anti-inflamatórios. Os resultados obtidos evidenciam a elevada qualidade da baga de sabugueiro Portuguesa no que diz respeito à sua aplicação industrial, bem como, potenciais benefícios para a saúde.

For centuries elderberry (Sambucus nigra L.) has been used in folk medicine for the treatment of respiratory and viral infections and constipation, being described to present several bioactivities, such as antioxidant, anti-viral, anti-inflammatory, immune-stimulating. Its anthocyanins and sugar contents, make elderberries very attractive for the food and pharmaceutical industries. In Portugal, Varosa Valley is the main production area, being the main cultivars planted the ‘Sabugueiro’, ‘Sabugueira’ and ‘Bastardeira’. Portuguese elderberries are recognized as a high quality product in the European markets, however, there are few studies dealing with the quality and potential biological activity of Portuguese elderberries, which are the main objectives of this work. Firstly, the variation of physiochemical parameters were evaluated along five maturation stages (one green-immature, two immature, mature, and commercial stage) in three different harvesting years, for the three cultivars. Along the maturation stages, an increase in the elderberries weight, total soluble solids, total phenolic content (TPC), total anthocyanin content (TAC), sugar content and antioxidant activity (TEAC) was observed, while, titratable acidity and flavonoids content decreased. The harvesting year that presented higher phenolic content, also presented higher phenylalanine ammonia lyase activity and lower polyphenol oxidase and peroxidase activities. The climatic conditions in each harvesting year, as the number of cold and hot days, influence the composition of the elderberries. Studies were carried out in elderberries at the commercial stage, regarding their chemical composition and potential bioactivities (inhibition of key enzymes associated in various diseases, anti-glycative, anti-inflammatory and antioxidant potential). Independently of the harvesting year, elderberries presented glucose as the major sugar, closely followed by fructose, and in lower amount sucrose. Citric acid was the major organic acid followed by malic and fumaric acids. Ten phenolic compounds were identified in all samples, cyanidin-3-glucoside, cyanidin-3-sambubioside, cyanidin-3,5-diglucoside, cyanidin-3-sambubioside-5-glucoside, quercetin-3-rutinoside, quercetin-3-glucoside, quercetin and isorhametin-3-glucoside, chlorogenic and crytochlorogenic acids, being anthocyanins the major compounds. The results showed that harvesting year affected the phenolic composition, mainly quercetin-3-rutinoside, isorhametin-3-glucoside and hydroxycinnamic acids. Consequently, affected the TAC, TPC, ortho-diphenol content and TEAC. The results showed, quercetin-3-glucoside, cryptochlorogenic acid and cyanidin-3-sambubioside-5-glucoside contributed positively to the antioxidant activity, with the opposite for isorhamnetin-3-glucoside. The results demonstrated significant differences among the cultivars, which can be differentiated by their content in cyanidin-3-sambubioside-5-glucoside, fructose and malic acid. Being Bastardeira and Sabugueira more similar than Sabugueiro cultivar. The ºBrix of elderberries were not solely determined by its sugar content and water content, also a significant contribution of phenolic compounds was found. Elderberry extract (E) and rich-phenolic extract (M) showed a good anti-tyrosinase activity (~40 – 48% and 47–55%; respectively), however, did not inhibit acetylcholinesterase, elastase and α-glucosidase, showing a small inhibition of α-amylase (<5%). For the first time, the anti-glycative potential of elderberries by trapping methylglyoxal (MGO) was demonstrated. High-performance liquid chromatography and/or mass spectrometry analysis showed that cyanidin-3-glucoside and cyanidin-3-sambubioside, were able to trap MGO rapidly forming mono- and di-adducts. In lesser extent, quercetin-3-glucoside and quercetin-3-rutinoside, also, were able to trap MGO forming both adducts. The formation of adducts with phenolic compounds presented in E and M extracts, allowed to decrease the free MGO decreasing its cytotoxicity to HepG2 cells, which was most effective in Bastardeira and Sabugueira than Sabugueiro cultivar. The results showed that elderberries present anti-inflammatory activity by decreasing the NO produced in LPS-stimulated RAW 264.7 macrophages cells, which was more pronounced in E extracts than the respective fraction obtained by SPE (M and non-phenolic (H) extract), showing a synergetic effect between all compounds present in elderberries (major/minor phenolic and non-phenolic compounds). Moreover, Sabugueira cultivar showed a higher anti-inflammatory activity. The exposure to t-BOOH dramatically decreased the cell viability (< 20%) in HepG2 and Caco-2 cells, but the pre-treatment with E and M extracts prevented this effect, showing an antioxidant protection, which was more notable in HepG2 cells. Part of the oxidative protection in Caco-2 cells, was due to their ability to prevent the glutathione depletion and in decreasing the intracellular reactive oxygen species. From the results obtained it can be concluded that Sabugueiro is more profitable to produce elderberry juice concentrates; Bastardeira for colouring applications; and Bastardeira and Sabugueira for health-related applications, and specifically Sabugueira for anti-inflammatory purposes. The results obtained highlight the high quality of Portuguese elderberries concerning their industrial application and also show the potential health benefits.

European Social Funds and the Regional Operational Programme Norte 2020, Portugal (operation NORTE-08-5369-FSE-000054) under the Doctoral Programme ‘Agricultural Production Chains - from fork to farm’ (BD/AGRICHAINS/UTAD/2016_SET). QREN, ADI, Programa Operacional do Norte and FEDER for are acknowledge for the financial support of the Project SambucusFresh n◦ 23109. This study was also partly supported by European Investment Funds by FEDER/COMPETE/POCI under Projects POCI-01-0145-FEDER-006958 (CITAB) and POCI- 01-0145-FEDER-007728 (CQ-VR) and Funds from the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT), to CITAB (UIDB/04033/2020) and to CQ-VR (UIDB/00616/2020; Pest- OE/QUI/UI0616/2014), and by INTERACT project – “Integrative Research in Environment, Agro-Chains and Technology”, no. NORTE-01-0145-FEDER-000017, in its line of research entitled ISAC, co-financed by the European Regional Development Fund (ERDF) through NORTE 2020 (North Regional Operational Program 2014/2020)