Bioaccessibility and metabolism of anthocyanins: effects of fermentation, encapsulation, and microbiota interactions | Bioacessibilidade e metabolismo de antocianinas: efeitos da fermentação, encapsulamento e interações com a microbiota

Anthocyanins have been widely studied for their health benefits; however, these compounds exhibit low bioaccessibility and bioavailability due to degradation and limited absorption in the gastrointestinal tract, which may restrict their effects. Therefore, innovative strategies to enhance the stability and maximize the benefits of anthocyanins are essential, especially for applications in food and supplements. In this context, this study investigated the bioaccessibility and metabolism of anthocyanins, focusing on digestion, interactions with gut microbiota, and the effects of fermentation and encapsulation on the stability and bioactivity of these compounds. The biotransformation of phenolic compounds was studied during the production of jabuticaba wine, and the results showed that anthocyanins underwent biotransformation. Significant increases were observed in total phenolic compounds (4.91 ± 0.07 times), total anthocyanins (5.62 ± 1.17 times), cyanidin-3-glucoside (C3G) (2.05 ± 0.74 times), gallic acid (GA) (57.02 ± 3.70 times), and protocatechuic acid (PA) (3.70 ± 0.51 times) compared to the non-fermented control. Additionally, an increase in the bioaccessibility of C3G, GA, and PA was observed. Jabuticaba wine also exhibited antiproliferative effects against cancer cells, antioxidant activities, and enzymatic inhibition properties. To improve anthocyanin stability during digestion, jabuticaba extract was encapsulated with whey protein (WP) or pea protein (PP) combined with gum arabic (GA). Encapsulation improved anthocyanin bioaccessibility, particularly in the PP:GA 1:2 (v/v) and WP:GA 1:2 (v/v) samples, with increases of 33% and 25%, respectively, compared to the unencapsulated extract. Encapsulation also delayed degradation, increased anthocyanin retention, and enhanced the production of metabolites and short-chain fatty acids (SCFAs) during the colonic phase. Cyanidin-3-glucoside exhibited superior antioxidant and anti- inflammatory effects compared to its main metabolites, significantly reducing reactive oxygen species and pro-inflammatory markers in colon cancer cells (HT29-MTX). The encapsulation of the extract using chitosan (CH) and GA as wall materials was also investigated, increasing bioaccessibility and targeted release of anthocyanins to the colon. The in vitro metabolism of anthocyanins and SCFA production were analyzed in individuals with different body mass index (BMI) values. It was observed that the microbiota metabolized 37.45–54.01% of C3G in the lean group, 40.84–61.74% in the overweight group, and 36.06–69.16% in the obese group after 48 hours. These results showed variations in anthocyanin metabolism within each group, indicating that even among individuals with similar BMI, differences in gut microbiota composition may impact C3G metabolism. The anthocyanin extract also altered SCFA levels compared to control fermentations (without the extract). In summary, this thesis provided an overview of anthocyanin metabolism and bioaccessibility, demonstrating how fermentation and encapsulation influenced metabolism and increased the bioaccessibility of these compounds. Additionally, individual variability in gut microbiota composition was identified as an important factor in anthocyanin metabolism, highlighting the need to consider these variations when studying the health benefits of anthocyanins. Keywords: cyanidin-3-glucoside; jabuticaba; short-chain fatty acids (scfas); microbiota; digestion

As antocianinas têm sido amplamente estudadas por seus benefícios à saúde; no entanto, esses compostos apresentam baixa bioacessibilidade e biodisponibilidade devido à degradação e limitada absorção no trato gastrointestinal, o que pode restringir seus efeitos. Assim, estratégias inovadoras para melhorar a estabilidade e potencializar os benefícios das antocianinas são essenciais, especialmente para aplicações em alimentos e suplementos. Neste contexto, este estudo investigou a bioacessibilidade e metabolismo das antocianinas, com foco na digestão, interações com a microbiota intestinal e efeitos da fermentação e encapsulamento na estabilidade e bioatividade desses compostos. A biotransformação de compostos fenólicos foi estudada durante a produção do vinho de jabuticaba, e os resultados mostraram que as antocianinas sofreram biotransformação. Aumentos significativos foram observados nos compostos fenólicos totais (4,91 ± 0,07 vezes), antocianinas totais (5,62 ± 1,17 vezes), cianidina-3-glicosídeo (C3G) (2,05 ± 0,74 vezes), ácido gálico (GA) (57,02 ± 3,70 vezes) e ácido protocatecuico (PA) (3,70 ± 0,51 vezes) em comparação ao controle não fermentado. Além disso, foi observado um aumento na bioacessibilidade de C3G, GA e PA. O vinho de jabuticaba também apresentou efeitos antiproliferativos contra células cancerígenas, atividades antioxidantes e propriedades inibitórias contra enzimas. Para melhorar a estabilidade das antocianinas durante a digestão, o extrato de jabuticaba foi encapsulado com proteína do soro de leite (WP) ou proteína de ervilha (PP) combinadas com goma arábica (GA). O encapsulamento melhorou a bioacessibilidade das antocianinas, especialmente nas amostras PP:GA 1:2 (v/v) e WP:GA 1:2 (v/v), com aumentos de 33% e 25%, respectivamente, comparado ao extrato não encapsulado. O encapsulamento também retardou a degradação, aumentou a retenção de antocianinas e potencializou a produção de metabólitos e ácidos graxos de cadeia curta (AGCC) durante a fase colônica. A cianidina-3-glicosídeo demonstrou efeitos antioxidantes e anti-inflamatórios superiores aos de seus principais metabólitos, reduzindo significativamente espécies reativas de oxigênio e marcadores pró- inflamatórios em células de câncer de cólon (HT29-MTX). O encapsulamento do extrato usando quitosana (CH) e GA como materiais de parede também foi investigado, aumentando a bioacessibilidade e a liberação direcionada das antocianinas para o cólon. O metabolismo in vitro das antocianinas e a produção de AGCC foram analisados em indivíduos com diferentes índices de massa corporal (IMC). Observou-se que a microbiota metabolizou 37,45–54,01% de C3G no grupo magro, 40,84–61,74% no grupo com sobrepeso e 36,06–69,16% no grupo obeso após 48 horas. Esses resultados mostraram variações no metabolismo das antocianinas dentro de cada grupo, indicando que, mesmo entre indivíduos com IMC semelhante, diferenças na composição da microbiota intestinal podem impactar a metabolização da C3G. O extrato de antocianinas também alterou os níveis de AGCC em comparação às fermentações controle (sem extrato). Em resumo, esta tese forneceu uma visão geral do metabolismo e bioacessibilidade das antocianinas, mostrando como a fermentação e o encapsulamento influenciaram o metabolismo e aumentaram a bioacessibilidade desses compostos. Além disso, a variabilidade individual na composição da microbiota intestinal foi identificada como um fator importante no metabolismo das antocianinas, destacando a necessidade de considerar essas variações ao estudar os benefícios à saúde das antocianinas. Palavras-chave: cianidina-3-glicosídeo; jabuticaba ; ácidos graxos de cadeia curta (agcc); microbiota; digestão

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)