Memoria para optar al título de Ingeniero en Alimentos / No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo en el Portal de Tesis Electrónicas / Las betalaínas son pigmentos coloreados que se clasifican en betacianinas (rojo- púrpura) ó betaxantinas (amarillo-anaranjado). La tuna púrpura (Opuntia ficus-indica) es una de las pocas fuentes de estos pigmentos, siendo rica en betacianinas, principalmente betanina, aceptada como colorante rojo por la Unión Europea y EEUU. Se encapsuló pulpa (P) y extracto nanofiltrado (NF) de tuna púrpura por secado por atomización, utilizando K4484 (K) (dextrina de tapioca) y Capsul (C) (almidón modificado hidrofóbicamente de maíz ceroso), como agentes encapsulantes. Se obtuvo altas eficiencias de encapsulación para las betacianinas (>99%) y betaxantinas (>98%) de los sistemas de micropartículas (P-K, P-C, NF-K y NF-C), lo cual se podría atribuir a interacciones por puentes de hidrógeno y/o electroestáticas entre las betalaínas y los polímeros. Se estudió la cinética de degradación de betanina a tres temperaturas de almacenamiento (30°C, 45°C y 60°C) para los sistemas P, NF, P-K, P-C, NF-K y NF-C. Los resultados mostraron que la degradación de betanina en los seis sistemas estudiados siguió una cinética de pseudo-primer orden (R2= 0,83-0,99), siendo la kobs significativamente menor en las micropartículas (P-K, P-C, NF-K y NF-C) respecto a los extractos (P y NF), mostrando el efecto protector de la encapsulación sobre la betanina. Se obtuvo los parámetros cinéticos y termodinámicos a partir de las ecuaciones de Arrhenius y de Eyring. Al comparar el tipo de extracto en las micropartículas, se encontró un efecto diferente entre K y C. En el sistema NF-K (3,4*10-3 días-1; 5,8*10-3 días-1) se observó una constante de degradación de betanina significativamente menor que en el sistema P-K a 45°C y 60°C (5,7*10-3 días-1; 7,1*10-3 días-1), atribuido a la ausencia de mucílagos en el extracto NF. Contrariamente, las kobs en NF-C (9,8*10-3 días-1; 15,0*10-3 días-1; 30,4*10-3 días-1) fueron significativamente mayores que en P-C (3,1*10-3 días-1; 6,4*10-3 días-1; 8,1*10-3 días-1) a 30°C, 45°C y 60°C, atribuido al mayor contenido de azúcares en el extracto NF. Estos resultados sugieren que la presencia de mucílago y azúcares en las micropartículas favorecieron la degradación de la betanina, lo que se atribuye principalmente al mecanismo de hidrólisis del enlace aldimina (N=C), siendo la higroscopicidad un factor crítico en su estabilidad. El gráfico de H≠ vs S≠ mostró una relación lineal, sugiriendo que la degradación de betanina siguió el mismo mecanismo para todos los sistemas de micropartículas estudiados / Betalains are colored pigments classified as betacyanins (red-purple) and betaxanthins (yellow- orange). The purple cactus pear (Opuntia ficus -indica) is one of the few sources of these pigments, being rich in betacyanins mainly betanin and accepted as red dye by the European Union and USA. Pulp (P) and nanofiltered extract (NF) of purple cactus pear were encapsulated by spray drying, using K4484 (tapioca dextrin) and Capsul® (hydrophobically modified waxy maize starch), as encapsulating agents. The microparticles systems (P-K, P-C, NF- K and NF-C) showed high encapsulation efficiencies for betacyanins (> 99 %) and betaxanthins (> 98 %), which could be attributed to hydrogen bond and/or electrostatic interactions between betalains and polymers. Betanin degradation kinetics was studied at three storage temperatures (30, 45 and 60 °C) for P, NF, P-K, P-C, NF-K and NF-C systems. The results showed that the betanin degradation in all the systems studied followed pseudo-first order kinetics (R2 = 0.83-0.99), being kobs significantly lower in the microparticles (P-K, P-C, NF-K and NF-C) in regard to extracts (P and NF), showing the protective effect of betanin encapsulation. The kinetic and thermodynamic parameters were calculated from the Arrhenius and Eyring equations. Different effect between K and C was observed when the type of extract in the microparticles was compared. Betanin degradation rate constant in NF-K (3.4*10-3 day -1, 5.8*10-3 day-1) was significantly lower than P-K system for both 45 and 60 °C (5.7*10-3 day -1, 7.1*10-3 day-1), attributed to the absence of mucilages in the NF extract. Contrary, the kobs for NF-C (9.8*10-3 day-1, 15.0*10-3 day -1, and 30.4*10-3 day- 1) were significantly higher than P-C ( 3.1 day-1*10-3, 6.4*10-3 day-1, 8.1*10-3 day-1) at 30, 45 and 60 °C , attributed to the higher content of sugars in the NF extract. These results suggest that the presence of mucilage and/or sugars in the microparticles increase the betanin degradation. The hydrolysis of the aldimine bond (N = C) is the mainly pathway of betanin degradation in microparticles, being hygroscopicity a critical factor. The H≠ vs S ≠ graph showed a linear relationship, suggesting that the degradation of betanin followed the same mechanism for all systems of microparticles studied

Tesis para optar al título de Ingeniero en Alimentos / La tuna (Opuntia ficus-indica) es una importante fuente natural de compuestos bioactivos, destacándose los polifenoles y las betalaínas (betacianinas y betaxantinas), que se presentan como una opción interesante para el desarrollo de alimentos funcionales y/o saludables, debido a las características antioxidantes y a la capacidad colorante que estos otorgan. El presente estudio tuvo como objetivo determinar la estabilidad de betalaínas en una mezcla seca para bebida refrescante adicionada con micropartículas de pulpa de tuna púrpura (P) y extracto ultrafiltrado (UF). La P y UF se encapsularon por secado por atomización utilizando Capsul® y K-4484 como agentes encapsulantes. Las micropartículas de los cuatro sistemas (P-C, P-K, UF-C y UF-K) se caracterizaron físico-químicamente y morfológicamente. El contenido de betacianinas y betaxantinas de los sistemas de micropartículas estudiados (P-C, P-K, UF-C y UF-K), mostró un rango de 0,343-0,361 mg betanina/g polvo y de 0,145-0,160 mg indicaxantina/g polvo, respectivamente. Se obtuvo una alta eficiencia de encapsulación para betacianinas y betaxantinas, con valores entre 99,1-99,6% y 98,3-99,3%, respectivamente. Se estudió la estabilidad de las betalaínas en las mezclas secas adicionadas de micropartículas de los sistemas (P-C, P-K, UF-C y UF-K), almacenadas (20 semanas) en estufa a 30°C y oscuridad. La retención, tanto de betacianinas como de betaxantinas en las mezclas secas con micropartículas de los sistemas P-C, P-K, UF-C y UF-K, alcanzaron valores entre 94-69% y 95-75%, respectivamente a las 20 semanas de almacenamiento a 30°C. La mezcla seca con micropartículas del sistema UF-K, presentó retenciones de betacianinas significativamente mayores respecto a P-K (efecto tipo de extracto) y UF-C (efecto tipo de agente encapsulante) / The cactus pear (Opuntia ficus-indica) is an important natural source of bioactives compounds, as polifenols and betalains (betacyanins and betaxanthins). These compounds are an interesting option to desing functional and healthy foods, due to its antioxidant properties and coloring capacity. The aim of this study was determine the stability of betalains in a dry mix added of purple cactus pear pulp (P) and ultrafiltrated extract (UF) microparticles. P and UF were encapsulated by spray drying, using Capsul and K-4484 as encapsulating agent. Microparticles (P-C, P-K, UF-C and UF-K) were characterized morphology and physicochemically. The betacyanin and betaxanthin contents of P-C, P-K, UF-C y UF-K microparticles systems, ranging from 0.343 to 0.361 mg betanin/g powder and 0.145 to 0.160 mg indicaxanthin/g powder, respectively. A high encapsulation efficiency (> 98%) for betacyanin and betaxanthin were obtained, between 99.1-99.6% and 98.3-99.3%, respectively. The stability of betalains in dry mix added of P-C, P-K, UF-C y UF-K microparticles were stored during 20 weeks, at 30°C and darkness. The retention of betacyanins and betaxanthins in the dry mixes reached values between 69-94% and 75-95%, respectively. The dry mix with microparticles of UF-K system, had betacyanins retention percentage significantly higher than P-K (type of extract effect) and UF-C (encapsulating agent effect) / Fondecyt

Doctor en Nutrición y Alimentos / Programa Conjunto: Facultad de Ciencias Agronómicas, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas, Facultad de Medicina, Facultad de Ciencias Veterinarias y Pecuarias e Instituto de Nutrición y Tecnología de Alimentos. / Las fuentes naturales de pigmentos rojos son escasas y comúnmente se utiliza la betanina que se obtiene de la betarraga (Beta vulgaris). La tuna púrpura (Opuntia ficus-indica) es una fuente de betalaínas, las cuales podrían utilizarse potencialmente como colorantes en la industria de alimentos. Tradicionalmente, las betalaínas se obtienen por extracción con solventes y son inestables frente a factores ambientales (luz, oxígeno, temperatura y agua) por lo cual pueden degradarse perdiendo su capacidad colorante y antioxidante. En este contexto, la utilización de la tecnología de membranas y la encapsulación se presentan como herramientas para la obtención y protección de estos pigmentos, respectivamente. De acuerdo a estos antecedentes, el objetivo de esta tesis fue estabilizar las betalaínas del extracto obtenido por tecnología de membranas y la pulpa de tuna, utilizando microencapsulación. Para la obtención del extracto de tuna púrpura se aplicó microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF), evaluando membrana cerámica y polimérica. La MF permitió clarificar la pulpa de tuna obteniéndose mejores resultados con membrana tipo cerámica. El extracto UF correspondió a una solución clarificada (sin mucílago), con un contenido de betalaínas similar al de la pulpa, pero con un menor contenido de azúcares. Se encapsuló extracto UF y pulpa de tuna púrpura (P) mediante secado por atomización utilizando Capsul (C) y K4484 (K) como agentes encapsulantes de acuerdo a un diseño experimental Composito central más punto axial para cada sistema de micropartículas estudiado (P-C, P-K, UF-C y UF-K). La temperatura del aire de entrada al secador y la relación (P ó UF)/agente encapsulante tuvieron un efecto significativo sobre la eficiencia de encapsulación (EE), la recuperación (R) de betacianinas y betaxantinas y el rendimiento del proceso. La condición óptima de la temperatura de secado estuvo determinada por el tipo de agente encapsulante y la relación (P ó UF)/(C ò K) por el tipo de extracto y agente encapsulante. En los sistemas con pulpa (P-C, P-K) se incorporó menor cantidad de polímero, sugiriendo la participación del mucílago como agente encapsulante. Todos los sistemas de micropartículas obtenidos bajo condiciones óptimas mostraron EE de betacianinas y betaxantinas sobre 98% debido a una fuerte interacción betalaínas-polímero por interacciones electrostáticas y/o formación de puentes de hidrógeno. Las recuperaciones de betacianinas y betaxantinas alcanzaron valores entre 68,5 – 77,8 % y 79,2 - 100%, respectivamente y sobre 62% de rendimiento. Se estudió la cinética de degradación de betacianinas y betaxantinas desde micropartículas obtenidas bajo condiciones óptimas, durante el almacenamiento a 30, 45 y 60°C. La degradación de betalaínas siguió una cinética de pseudo-primer orden a todas las temperaturas y sistemas estudiados. Las constantes de velocidad de degradación de betacianinas y betaxantinas fueron significativamente mayores en el sistema P-C respecto a P-K, UF-C y UF-K. No se observaron diferencias significativas en la energía, entalpía (ΔH≠) y entropía (ΔS≠) de activación entre las micropartículas de los sistemas estudiadas. Se obtuvo una relación lineal en el gráfico (ΔH≠) versus (ΔS≠) (R2=0.995), este efecto de compensación señala que todos los sistemas de micropartículas siguieron un mismo mecanismo de degradación de betalaínas, siendo la hidrólisis el principal. Se formuló una mezcla seca para bebida refrescante con los sistemas de micropartículas obtenidas bajo condiciones óptimas y se evaluó su estabilidad durante el almacenamiento a 30°C. Las micropartículas obtenidas en este estudio podrían ser aplicadas como colorantes con actividad antioxidante en la industria de alimentos para el diseño de productos instantáneos como jugos, sopas entre otros, debido a su alta estabilidad y solubilidad en agua / Natural sources of red pigments are scarce, and betanin obtained from beetroot (Beta vulgaris) is commonly used in the food industry. Purple cactus pear (Opuntia ficus-indica) is a source of betalains, which could be used as colorant for foods. Usually, the betalains are obtained by solvent extraction and are unstable to environmental factors (light, oxygen, temperature and water) losing its colorant and antioxidant capacity. In this context, membrane and encapsulation technologies appear as tools for obtaining and protecting, respectively, these pigments. Therefore, the aim of this thesis was to stabilize a cactus pear betalains extract obtained by membrane technology, and cactus pear pulp, using microencapsulation techniques. Microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF), was used to obtain the purple cactus pear extract, assessing ceramic and polymeric membrane. The MF allowed clarifying the cactus pear pulp, obtaining better results with the ceramic membrane. UF extract corresponded to a clarified solution (without mucilage) with similar betalains content than cactus pear pulp, but with lower sugar content. UF extract and purple cactus pear pulp were encapsulated by spray drying using Capsul (C) and K4484 (K) as encapsulating agents, according to an experimental design (Central Composite Design (CCD) plus axial point) for each microparticles system studied (P-C, P-K, UF-C and UF-K). The inlet air temperature and the (P or UF)/encapsulating agent ratio showed significant effect on the encapsulation efficiency (EE), the betaxanthins and betacyanins recovery (R) and yield. The optimum condition of the drying temperature was dependent on the encapsulating agent, and the (P or UF)/(C or K) ratio by the extract type and encapsulating agent. Systems with pulp (PC and PK) allowed greater amount of extract incorporation, suggesting the mucilage contribution as encapsulating agent. The betalains (betacyanins and betaxanthins) encapsulation efficiency (EE) reached values about 98% for all the systems studied, without significant differences among the microparticle systems, revealing a high interaction betalain-polymer due to electrostatic interactions and/or hydrogen bond. The recovery (R) of betacyanins and betaxanthins was between 68.5 to 77.8 % and 79.2 to 100%, respectively, and over 62% yield. The betaxanthins and betacyanins degradation kinetics of microparticles obtained under optimum conditions during storage at 30, 45 and 60 °C was studied. Betalains followed pseudo-first order degradation kinetics in all temperatures and systems studied. The degradation rate constants of betaxanthinss and betacyanins were significantly higher in P-C system compared with P-K, UF-C and UF-K. No significant difference in the activation energy, enthalpy (ΔH≠) and entropy (ΔS≠) between the microparticles systems studied was observed. A linear relationship was obtained in the graph gráfico (ΔH≠) versus (ΔS≠) (R2=0.995), this compensation effect showed that there is a similar betalains degradation mechanism in all microparticles systems, being hydrolysis the main pathway. A dry mix for soft drinks was formulated with microparticles obtained under optimum conditions of each system studied, and the storage stability was evaluated at 30 °C. The microparticles obtained in this study could be applied as a colorant with antioxidant activity in the food industry for the formulation of instant products such as juices or soups, among others, due to its high stability and solubility in water / FONDECYTT

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias Agropecuarias, Mención Producción Agroindustrial / La tuna púrpura (Opuntia ficus-indica), es una importante fuente natural de compuestos bioactivos, destacándose las betalaínas (betacianinas y betaxantinas) y polifenoles, que representan una alternativa para el desarrollo de ingredientes funcionales debido a sus características colorantes y antioxidantes. El objetivo de esta investigación fue determinar la estabilidad de las betalaínas en micropartículas de pulpa de tuna púrpura (Opuntia ficus-indica), extracto ultrafiltrado (UF) y nanofiltrado (NF), estudiando su cinética de degradación. Las micropartículas se prepararon por secado por atomización, utilizando Capsul (C) y K-4484 (K), como agentes encapsulantes. Las micropartículas de los seis sistemas (P-C, P-K, UF-C, UF-K, NF-C y NF-K) se almacenaron a tres temperaturas (30, 45 y 60 ºC). Se determinaron las constantes de degradación de betacianinas y betaxantinas y parámetros termodinámicos. La degradación siguió una cinética de primer orden para todos los sistemas de micropartículas estudiados. Las constantes de velocidad de degradación para las betacianinas estuvieron entre 1,8 - 12,1 x 10-3 dias-1 para 30ºC, entre 3,2 - 14,2 x 10-3 dias-1 para 45ºC y entre 5,8 - 30,4 x 10-3 dias-1 para 60ºC. Para las betaxantinas se obtuvieron constantes de degradación entre 1,3 - 2,1 x 10-3 dias-1 para 30ºC, entre 1,8 - 3,1 x 10-3 dias-1 para 45ºC y entre 2,5 - 4,3 x 10-3 dias-1 para 60ºC. No se observaron diferencias significativas en la energía de activación (Ea), entalpía de activación (ΔH≠) y entropía de activación (ΔS≠) para betacianinas entre los sistemas P-C, P-K, UF-C, UF-K y NF-C. Por otro lado, el cambio de energía de activación de betacianina para el sistema NF-K fue significativamente mayor con respecto a los otros sistemas estudiados, lo cual fue concordante con la menor constante de velocidad de degradación. Se obtuvo una relación lineal en el gráfico de ΔH≠ vs ΔS≠, éste efecto sugiere que tanto las betacianinas como las betaxantinas se degradaron por un mecanismo similar. Las micropartículas obtenidas en este estudio, podrían ser utilizadas en la industria de alimentos por sus propiedades colorantes y antioxidantes. Palabras claves: Micropartículas, pigmentos naturales, estabilidad de betalaínas. / Purple cactus pear (Opuntia ficus-indica), is an important source of bioactive compounds, mainly betalains (betacyanins and betaxanthins) and polyphenols, which represent an alternative for new functional ingredients with colorant and antioxidant properties. The objective of this investigation was to determine the stability of betalains from purple cactus pear pulp (Opuntia ficus-indica), ultrafiltrated (UF) and nanofiltrated (NF) extracts microparticles, studying their kinetics degradation. Microparticles were obtained by spray-drying using Capsul (C) and K-4484 (K) as encapsulating agents. The microparticles (P-C, P-K, UF-C, UF-K, NF-C and NF-K), were stored at three temperatures (30, 45 and 60 °C). Degradation rate constants of betacyanins and betaxanthins and thermodynamic parameters were determined. The betacyanin and betaxanthin degradation followed first order kinetics for all studied microparticles systems. Betacyanins degradation constants were between 1,8 - 12,1 x 10-3 days-1 for 30°C, between 3,2 - 14,2 x 10-3 days-1 for 45°C and between 5,8 - 30,4 x 10-3 days-1 for 60ºC. The degradation constants for betaxanthins were between 1,3 - 2,1 x 10-3 days-1 for 30°C, between 1,8 - 3,1 x 10-3 days-1 for 45°C and between 2,5 - 4,3 x 10-3 days-1 for 60ºC. No significant differences were observed in the activation energy (Ea), activation enthalpy (ΔH≠) and activation entropy (ΔS≠) for betacyanins among P-C, P-K, UF-C, UF-K and NF-C systems. Furthermore, the activation energy change for betacyanin in the NF-K system was significantly higher regard to the other systems, in accordance with the lower degradation constant. A linear relationship was obtained between ΔH≠ and ΔS≠, suggesting that both, betaxanthins and betacyanins, are degraded by a similar mechanism. Microparticles obtained in this study could be used in food industry for their colorant and antioxidant properties.

Moléculas orgânicas fluorescentes são uma importante ferramenta para biologia celular. Compostos ideais para esta aplicação devem ter alto brilho (produto do coeficiente de atenuação molar e do rendimento quântico de fluorescência), ser fotoestáveis e internalizáveis, não comprometer a viabilidade celular e interagir com biomoléculas com algum grau de especificidade. Nesta Tese de Doutorado é apresentado o estudo do uso de cBeet120, uma betalaína cumarínica artificial, e células de glioma humano da linhagem U87-MG. Betalaínas são pigmentos de plantas que apresentam alta biocompatibilidade que servem como material de partida para o desenvolvimento de derivados funcionais. A sonda se acumula principalmente no núcleo das células U87- MG e marca principalmente nucléolos via interação com proteínas. A presença de DNAse ou RNAase elimina a marcação nuclear, sem afetar a fraca marcação citoplasmática de fundo. Estudos de inibição de transporte sugerem que cBeet120 é internalizada por transportadores de L-glutamato da família de transportadores de amino ácidos excitatórios (EAAT). O uso de artemisinina para inibição Ca2+-ATPases aumenta a velocidade de internalização de cBeet120 em células U87-MG. Quando irradiada com luz de cor ciano, cBeet120 no interior do núcleo de células vivas é fotoativada, resultando em um aumento da intensidade de fluorescência com o tempo (monitorado por 90 min) e o deslocamento hipsocrômico do máximo de emissão. Em células fixadas com paraformaldeído, o padrão de marcação da célula se torna mais difuso e a sonda emite fluorescência sem fotoativação. Medidas de tempo de vida de fluorescência em solução e imageamento por microscopia de tempo de vida de fluorescência permitem inferir a ocorrência da formação de um complexo proteína-cBeet120 ou um produto de transiminação que pode estar sujeito a isomerização cis/trans. / Fluorescent organic molecules are an important tool for cell biology. Ideal compounds for this application must have high brightness (product of the molar attenuation coefficient and fluorescence quantum yield), be photostable and internalizable by cells, do not compromise cellular viability and interact with biomolecules with some degree of specificity. In this Doctorate Thesis, we describe the interaction of cBeet120, an artificial coumarinic betalain, and human glioma cells of line U87-MG. Betalains are plant pigments that exhibit high biocompatibility that serve as starting material for the development of functional derivatives. The probe accumulates mainly in the nucleus of the U87-MG cells and mainly marks nucleoli via interaction with proteins. The presence of DNAse or RNAase eliminates nuclear labeling, without affecting the poor background cytoplasmic labeling. Transport inhibition studies suggest that cBeet120 is internalized by L-glutamate transporters from the excitatory amino acid transporter (EAAT) family. The use of artemisinin for inhibition Ca2+-ATPases increases the rate of cBeet120 internalization in U87-MG cells. When irradiated with cyan colored light, cBeet120 within the nucleus of living cells is photoactivated, resulting in an increase in fluorescence intensity over time (monitored for 90 min) and the hypochromic shift of the emission maximum. In cells fixed with paraformaldehyde, the labeling pattern of the cell becomes more diffuse and the probe emits fluorescence without photoactivation. Fluorescence life-time measurements in solution and fluorescence life-time imaging microscopy allows to infer the occurrence of the formation of a protein-cBeet120 complex or the formation of a transimination product that may be subject to cis/trans isomerization.

Betanina e indicaxantina foram obtidas e purificadas e a hidrólise térmica de betanina foi investigada em diferentes pHs, concentrações de tampão, temperaturas e com a adição de sais. Para a decomposição de indicaxantina, foi realizado um estudo em diferentes pHs. Tampões acetato e citrato se mostraram adequados para estudos com betanina, dentro de sua faixa de tamponamento. Os experimentos realizados com tampão fosfato indicaram a ocorrência de catálise geral pelo íon fosfato presente no tampão. O efeito dos sais sobre a hidrólise de betanina foi investigado em pHs 3 e 6,2, com a adição de sais de sódio, amônio e sais cloretos. p-Toluenosulfonato de sódio, cloreto de amônio e cloreto tetrabutilamônio foram os sais que apresentaram maior efeito sobre a constante cinética observada de hidrólise de betanina. A hidrólise das duas betalaínas apresentou um comportamento semelhante com a variação do pH e o ajuste multiparamétrico dos dados sugere que a catálise básica específica é a principal responsável pela hidrólise de betanina e indicaxantina. Um modelo que sugere a abertura do anel 1,2,3,4-tetrahidropiridínico das betalaínas é proposto para explicar o efeito do pH sobre a constante cinética de decomposição determinada em meio ácido. / Betanin and indicaxanthin were obtained and purified and the thermal hydrolysis of betanin was investigated at different pH, buffer concentration, temperature and in the presence of different salts. For the decomposition of indicaxanthin, a study was conducted at different pHs. Acetate buffer and citrate buffer proved to be suitable for the study of betanin. The experiments carried out with phosphate buffer indicated the occurrence of general base catalysis by phosphate ion present in the buffer. The effect of salts on the betanin hydrolysis was investigated at pH 3 and 6.2 with the addition of sodium salts, ammonium salts and chlorides. Sodium p-toluenesulfonate, ammonium chloride and tetrabutylammonium chloride had the larger effects on the observed rate constant for the hydrolysis of betanin. The variation of pH resulted in similar hydrolysis profile for both betalains studied and multiparameter fitting of the data suggests that the specific base catalysis is primarily responsible for the hydrolysis of betanin and indicaxanthin. A model that suggests the opening of the 1,2,3,4-tetrahydropyridine ring of betalains is proposed to explain the effect of pH on the decomposition rate constant under acidic conditions.

Betalaínas são pigmentos nitrogenados de cor vermelha-violeta ou amarela encontrados em um número restrito de espécies de plantas e fungos. Esta Tese de Doutorado apresenta o desenvolvimento de um derivado betalaínico com sistema π estendido chamado de BeetBlue, a caracterização de suas propriedades estruturais, redox e espectroscópicas e o estudo do seu comportamento na presença de outras espécies químicas. Este corante foi semissintetizado a partir do acoplamento entre 2,4-dimetilpirrol e ácido betalâmico extraído de suco de beterraba hidrolisado. Embora o sistema diazapolimetínico com nove grupos metilênicos da BeetBlue seja análogo ao da indocianina verde, um corante fluorescente de grande interesse aplicado, BeetBlue é azul-violeta e pouco fluorescente em soluções de solventes moleculares. A diminuição da polaridade ou aumento da viscosidade do meio aumentam o seu rendimento quântico de fluorescência em até três ordens de grandeza e a complexação com lantanídeos em meio aquoso muda a sua cor de azul para laranja. BeetBlue é sensível à hidrólise catalisada por base e à oxidação, o que oferece novas oportunidades para o seu uso no desenvolvimento de métodos analíticos. Este corante não é citotóxico para células de epitélio de retina e não afetou o desenvolvimento de embriões e larvas de peixe-zebra. BeetBlue é o protótipo de uma nova classe de pigmentos polimetínicos quirais solúveis em água, as quasibetalaínas, que apresentam grande potencial de aplicação como corantes seguros para o meio ambiente e saúde animal. / Betalains are nitrogen-containing pigments of red-violet or yellow color found in a restricted number of species of plants and fungi. This Doctoral Thesis presents the development of a betalain derivative with an extended π system called BeetBlue, the characterization of its structural, redox and spectroscopic properties and the study of its behavior in the presence of other chemical species. This dye was semi-synthesized from the coupling of 2,4-dimethylpyrrole and betalamic acid extracted from hydrolyzed beet juice. Although the diazapolimethyne system with nine methylene groups of BeetBlue is analogous to that of indocyanine green, a fluorescent dye of great interest, BeetBlue is blue-violet and poorly fluorescent in solutions of molecular solvents. The decrease in polarity or increase in the viscosity of the medium increases its fluorescence quantum yield by up to three orders of magnitude, and the complexation with lanthanides in aqueous medium changes its color from blue to orange. BeetBlue is sensitive to basecatalyzed hydrolysis and oxidation, which offers new opportunities for its use in the development of analytical methods. This dye is non-cytotoxic to retinal epithelial cells and did not affect the development of zebrafish embryos and larvae. BeetBlue is the prototype of a new class of water-soluble chiral polymethynic pigments, the quasibetalains, which present great potential for application as safe dyes for the environment and animal health.

Betalaínas são pigmentos vegetais encontrados em algumas espécies de flores fluorescentes. Betalaínas derivadas de aminocumarinas primárias (cBeets) e carboestiril 124 (csBeet124) foram desenvolvidas em nosso grupo de pesquisa para serem usadas como sondas fluorescentes em aplicações de biologia celular. Esta dissertação de mestrado mostra o efeito da metilação das porções imínicas das cBeets e da csBeet124 sobre as suas cinéticas de hidrólise e propriedades fotofísicas. Os quatro derivados N-metilados foram semissintetizados a partir do acomplamento entre o ácido betalâmico e as aminas secundárias em rendimentos entre 15 − 60%. A N-metilação na porção imínica das betalaínas resultou em um aumento da estabilidade hidrolítica de cerca de 20 vezes, sem afetar drasticamente os perfis de absorção e fluorescência ou os rendimentos quânticos de fluorescência. Os resultados obtidos são importantes na ampliação do conhecimento acerca das relações entre a estrutura e as propriedades de betalaínas em solução aquosa. / Betalains are plant pigments found in some species of fluorescent flowers. Betalains derived from primary aminocoumarins (cBeets) and carbostyril 124 (csBeets124) were developed in our research group to be used as fluorescent cell probes. This dissertation shows the effect of the methylation at the imine portion from cBeets and csBeet124 on their hydrolitic kinetics and photophysical properties. The four N-methylated derivatives were semisynthesized from the coupling between betalamic acid and the secondary amines within 15 − 60% yields. N-methylation at the iminic portion of betalains resulted in a hydrolytic stability increase of about 20-fold without affecting drastically their absorption and fluorescence profiles or fluorescence quantum yield. The results obtained are important to increase the knowledgement about the relationships between structure and properties of betalains in aqueous solution

Betalaínas são alcalóides coloridos que atuam como mediadores químicos e sensores em processos de interesse tecnológico. Esta Tese de Doutorado investiga o comportamento de betalaínas naturais, betanina e indicaxantina, em três sistemas químicos diferentes. O primeiro capítulo discute a estabilidade de emulsões água-óleo-água contendo betanina. As emulsões foram preparadas em um sistema de microcanais empregando-se óleo de soja e tensoativos grau alimentício. Betanina pura tende a estabilizar a emulsão em relação ao controle sem o pigmento, enquanto suco de beterraba liofilizado e betanina comercial diluída com maltodextrina não mostram a mesma atividade. No capítulo seguinte, a interação entre indicaxantina e cloreto de 7-metil-4-metóxiflavílio revela a ocorrência de transferência de energia e dados de espectroscopia de 1H-RMN indicam a formação de um complexo no estado fundamental. Finalmente, a interação entre betanina e paraquat na presença e ausência de luz e oxigênio é investigada. Dados de espectroscopia de 1H-RMN sugerem a formação de um complexo entre as espécies e o estudo cinético sugere que betanina interfere na regeneração da forma oxidada do paraquat por oxigênio. / Betalains are colored alkaloids that act as chemical mediators and sensors in processes of technological interest. This doctoral thesis investigates the behavior of natural betalains, betanin and indicaxanthin, in three different chemical systems. The first chapter discusses the stability of water-oil-water emulsions containing betanin. The emulsions were prepared in a microchannel system using soybean oil and food grade surfactants. Pure betanin tends to stabilize the emulsion relative to the control without the pigment, while freeze-dried beet juice and commercial betanin diluted with dextrin do not show the same activity. In the following chapter, the interaction between indicaxanthin and 7-methyl-4-methoxyflavylium chloride reveals the occurrence of energy transfer and 1H-NMR spectroscopy data suggests the formation of a complex in the ground state. Finally, the interaction between betanin and paraquat in the presence and absence of light and oxygen is investigated. 1H-NMR spectroscopy data suggest the formation of a complex between species and the kinetic study suggests that betanin interferes in the regeneration of the oxidized form of paraquat by oxygen

Betalaínas são pigmentos vegetais encontrados em algumas espécies de flores fluorescentes. Betalaínas derivadas de aminocumarinas primárias (cBeets) e carboestiril 124 (csBeet124) foram desenvolvidas em nosso grupo de pesquisa para serem usadas como sondas fluorescentes em aplicações de biologia celular. Esta dissertação de mestrado mostra o efeito da metilação das porções imínicas das cBeets e da csBeet124 sobre as suas cinéticas de hidrólise e propriedades fotofísicas. Os quatro derivados N-metilados foram semissintetizados a partir do acomplamento entre o ácido betalâmico e as aminas secundárias em rendimentos entre 15 − 60%. A N-metilação na porção imínica das betalaínas resultou em um aumento da estabilidade hidrolítica de cerca de 20 vezes, sem afetar drasticamente os perfis de absorção e fluorescência ou os rendimentos quânticos de fluorescência. Os resultados obtidos são importantes na ampliação do conhecimento acerca das relações entre a estrutura e as propriedades de betalaínas em solução aquosa. / Betalains are plant pigments found in some species of fluorescent flowers. Betalains derived from primary aminocoumarins (cBeets) and carbostyril 124 (csBeets124) were developed in our research group to be used as fluorescent cell probes. This dissertation shows the effect of the methylation at the imine portion from cBeets and csBeet124 on their hydrolitic kinetics and photophysical properties. The four N-methylated derivatives were semisynthesized from the coupling between betalamic acid and the secondary amines within 15 − 60% yields. N-methylation at the iminic portion of betalains resulted in a hydrolytic stability increase of about 20-fold without affecting drastically their absorption and fluorescence profiles or fluorescence quantum yield. The results obtained are important to increase the knowledgement about the relationships between structure and properties of betalains in aqueous solution