Molecular profile of polysaccharides from upcycled products: Digestive, physiological, biological, and prebiotic properties

Abstract

Upcycling fruit by-products demands careful monitoring of processing technologies to yield physiologically active molecules, such as (poly)phenols and dietary fibre (DF) prebiotics , with proved bioactive potential. Upcycling by-products must ensure besides consumer acceptability, appropriate digestibility, and fermentability, contributing to gut microbiota modulation and intestinal health. Additionally, bioactive compounds must be metabolized through efficient biochemical pathways to confer health benefits and mitigate disease risks. Persimmon (Diospyros kaki Thunb.) fruit by-products offer a distinctive profile as a model system for upcycling bioactive compounds research. Persimmon by-products, rich in (poly)phenols, carotenoids, and DF, represent a valuable resource for biotechnological, nutraceutical, pharmaceutical, and food applications. Across this thesis, we have revealed, in four chapters, the potential of persimmon upcycled DF for applications ranging from epithelial modulators to nutraceutical delivery systems through the optimization of novel extraction technologies, the bioactive potential of extracted fractions, and their molecular interactions. In the first chapter, we studied the health benefits of persimmon processed by-products, particularly its prebiotic properties and impact on gut health. Through in vitro digestion and fermentation with probiotic strains like Lactobacillus casei and Bifidobacterium bifidum, persimmon fibres promoted the production of short-chain fatty acids, particularly butyrate; short fatty acids are studied for maintaining gut health, as they support intestinal epithelial integrity and reduce inflammation. Further studies using Caco-2 cell monolayers demonstrated the fibre's ability to enhance intestinal barrier function by increasing trans-epithelial electrical resistance (TEER) values. The antioxidant properties of persimmon obtained fibres were another focal point of this thesis. Rich in (poly)phenols and carotenoids, the extracted fractions exhibited strong radical-scavenging activity when measured by DPPH• and ABTS•+ radical assays. Novel extraction technologies played a pivotal role in the second and third chapter. Ultrasound assisted extraction (UAE), Natural deep eutectic solvents (NADES) and Vacuum instantaneous expansion (USEX), were employed to maximize the extraction of bioactive compounds while preserving their structural integrity. These techniques yielded polysaccharides and phenolic compounds with enhanced antioxidant activity and fermentability. USEX was combined with UAE to optimize the processing of rhamnogalacturonan-I (RG-I) polysaccharides. This coupling significantly optimized antioxidant activity and ζ-potential, creating a stable and functional polysaccharide matrix for various applications. Structural and biochemical profiling of these polysaccharides using mass spectrometry, infrared spectroscopy, and microscopy analyses revealed information about their composition and properties. In the second chapter, persimmon fibre's bioactive potential studies extended beyond health benefits into functional applications. We incorporated DF fractions into prototype functional beverages, including isotonic and dairy-based drinks. Enriched beverages not only met consumer preferences for taste and texture but also delivered enhanced nutritional benefits. Sensory evaluations revealed high acceptability scores, with DF-enriched beverages outperforming commercial controls in consumer tests. The stability and functional properties of these beverages were further supported by the fibre's techno-functional attributes, such as emulsifying and gel-forming capacities. The versatility of persimmon processed by-product was further demonstrated in the third chapter with the application of its polysaccharides as a nutraceutical delivery excipient. RG-I polysaccharides from persimmon exhibited compatibility with acetaminophen, improving its release profile and stability during digestion. Permeation studies indicated a diffusion-based permeation mechanism, adhering to the Korsmeyer-Peppas model. This makes persimmon DF a promising candidate for developing sustained release and targeted drug delivery systems. Optimization reduced reactive oxygen species (ROS) levels and suppressed pro-inflammatory cytokines, such as interleukin-6 (IL-6) and IL-8. Actuation through the Nrf2 pathway was observed, indicating a cellular response to oxidative stress mitigation. In the fourth chapter, the studies on (poly)phenols aligned closely with research into the complex metabolic pathways, providing a broader biochemical context for understanding the interplay between (poly)phenols and human physiology. Our findings have facilitated the understanding of metabolism, particularly the function of amino acids in conjugated (poly)phenolic metabolites. The fourth chapter revealed a diverse array derived from hydroxycinnamic, phenylpropanoic, phenylacetic, and benzoic acids, illustrating previously underexplored pathways of phase II metabolism. Unlike traditional conjugation mechanisms like glucuronidation and sulphation, which primarily enhance solubility for excretion, amino acid conjugation exhibits unknown bioactive properties. From a sustainability perspective, this thesis underlines the role of new technologies in processing by-products for promoting circular economy practices. The use of green extraction technologies reduced environmental impact while maximizing the recovery of valuable bioactive compounds. By transforming agro-industrial waste into high-value functional ingredients, these approaches align with global efforts to reduce waste and enhance resource efficiency. The integration of persimmon DF into food, nutraceutical, and pharmaceutical products exemplifies its potential to be transformed while addressing sustainability challenges. In conclusion, in this thesis, we studied the versatile potential of processing persimmon fruit by-products through advancements in extraction technologies and comprehensive biochemical characterization, this research project has found novel applications in health and industry. Persimmon DF demonstrated antioxidant, prebiotic, and gut barrier-enhancing properties, coupled with its suitability for functional beverages and drug delivery systems, establishing it as a versatile and sustainable upcycled ingredient.

La revalorización de subproductos alimentarios requiere un monitoreo exhaustivo de las tecnologías de procesamiento para obtener moléculas fisiológicamente activas, como los (poli)fenoles y los prebióticos derivados de fibra dietética (DF), con potencial bioactivo comprobado. Este proceso debe garantizar no solo la aceptabilidad por parte del consumidor, sino también una adecuada digestibilidad y fermentabilidad, contribuyendo a la modulación del microbiota y la salud intestinal. Asimismo, los compuestos bioactivos obtenidos deben ser metabolizados a través de rutas bioquímicas eficientes para proporcionar beneficios a la salud y mitigar el riesgo de enfermedades. En este contexto, los subproductos del caqui (Diospyros kaki Thunb.) representan un modelo ideal para investigar la revalorización de compuestos bioactivos. Los subproductos del caqui, ricos en (poli)fenoles, carotenoides y fibra dietética, constituyen un recurso prometedor para aplicaciones biotecnológicas, nutracéuticas, farmacéuticas y alimentarias. Esta tesis, estructurada en cuatro capítulos, aborda el potencial de la fibra dietética extraída del caqui para aplicaciones que van desde moduladores epiteliales hasta sistemas de liberación nutracéutica, mediante la optimización de tecnologías de extracción innovadoras, la evaluación del potencial bioactivo de las fracciones extraídas y el análisis de sus interacciones moleculares. En el primer capítulo, se analizaron los beneficios para la salud de los subproductos procesados del caqui, destacando sus propiedades prebióticas y su impacto positivo en la salud intestinal. Los estudios de digestión y fermentación in vitro con cepas probióticas como Lactobacillus casei y Bifidobacterium bifidum demostraron que las fibras de caqui fomentan la producción de ácidos grasos de cadena corta, particularmente butirato, reconocido por mantener la integridad del epitelio intestinal y reducir la inflamación. Experimentos con monocapas de células Caco-2 evidenciaron que la fibra mejora la función de la barrera intestinal al incrementar los valores de resistencia eléctrica trans-epitelial (TEER). Además, las fracciones de fibra extraídas, ricas en (poli)fenoles y carotenoides, presentaron una elevada capacidad antioxidante en ensayos con radicales DPPH• y ABTS•+. En los capítulos segundo y tercero, se exploraron tecnologías avanzadas de extracción, como la extracción asistida por ultrasonido (UAE), los solventes eutécticos naturales profundos (NADES) y la expansión instantánea al vacío (USEX). Estas técnicas permitieron maximizar la extracción de compuestos bioactivos, preservando su estructura y funcionalidad. La combinación de USEX y UAE mejoró significativamente la extracción de polisacáridos tipo ramnogalacturonano-I (RG-I), aumentando su actividad antioxidante y estabilizando su matriz de polisacáridos para diversas aplicaciones. Los análisis estructurales y bioquímicos realizados mediante espectrometría de masas, espectroscopía infrarroja y microscopía revelaron información detallada sobre la composición y propiedades de estos polisacáridos. Asimismo, el segundo capítulo amplió el análisis hacia aplicaciones funcionales, incorporando fracciones de DF del caqui en bebidas funcionales, incluyendo bebidas isotónicas y lácteas. Estas formulaciones no solo lograron una alta aceptación sensorial, sino que también ofrecieron beneficios nutricionales mejorados gracias a las propiedades emulsificantes y gelificantes de la fibra. En el tercer capítulo, se demostró la versatilidad de los polisacáridos de caqui como excipientes en sistemas de liberación nutracéutica. Los polisacáridos RG-I mejoraron el perfil de liberación y estabilidad del acetaminofén durante la digestión, mostrando un mecanismo de permeación basado en difusión conforme al modelo de Korsmeyer-Peppas. Además, se observó una reducción en las especies reactivas de oxígeno (ROS) y la supresión de citocinas proinflamatorias como IL-6 e IL-8, activando la vía Nrf2 para mitigar el estrés oxidativo. En el cuarto capítulo, los estudios sobre los (poli)fenoles proporcionaron una comprensión más amplia de las rutas metabólicas involucradas en la interacción entre estos compuestos y la fisiología humana. Los resultados revelaron metabolitos derivados de ácidos hidroxicinámicos, fenilpropanoicos, fenilacéticos y benzoicos, y destacaron rutas metabólicas de fase II poco exploradas, como la conjugación con aminoácidos, que presentan propiedades bioactivas únicas. Desde una perspectiva de sostenibilidad, esta investigación enfatiza el papel de nuevas tecnologías de extracción para promover la economía circular. Estas estrategias reducen el impacto ambiental al transformar residuos agroindustriales en ingredientes funcionales de alto valor, alineándose con los esfuerzos globales para reducir el desperdicio y mejorar la eficiencia de los recursos. En conclusión, esta tesis establece el potencial de los subproductos del caqui mediante tecnologías de extracción avanzadas y una caracterización bioquímica integral. Los hallazgos destacan propiedades antioxidantes, prebióticas y de mejora de la barrera intestinal en la fibra dietética del caqui, así como su aplicabilidad en bebidas funcionales y sistemas de liberación nutracéutica, posicionándola como un ingrediente versátil y sostenible para la industria.