京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第21973号 / 農博第2363号 / 新制||農||1071(附属図書館) / 学位論文||R1||N5224(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科食品生物科学専攻 / (主査)教授 井上 和生, 教授 谷 史人, 准教授 大日向 耕作 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

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Human noroviruses (HuNoVs) are the leading cause of viral epidemic acute gastroenteritis and responsible for the deaths of over 200,000 children each year worldwide. HuNoV research has been hampered by the long absence of a readily reproducible cell culture system and a suitable small animal model, while gnotobiotic (Gn) pigs have been a unique animal model for understanding HuNoV pathogenesis and immunity, as well as evaluating vaccine and therapeutics. Recent reports of HuNoVs infection and replication in B cells supplemented with commensal bacteria Enterobacter cloacae and in Blab/c mice deficient in RAG/IL2RG have gained extensive attention, and my studies utilized the well-established Gn pig model to investigate the effects of these two interventions on HuNoV infection. Surprisingly, the colonization of E. cloacae inhibited HuNoV infectivity in Gn pigs, evidenced by the significantly reduced HuNoV shedding in feces and HuNoV titers in intestinal tissues and blood compared to control pigs. Moreover, HuNoV infection of enterocytes but not B cells was observed with or without E. cloacae colonization, indicating B cells were not a target cell type for HuNoV in Gn pigs. On the other hand, using RAG2/IL2RG deficient pigs generated by CRISPR/Cas9 system, with confirmed severe combined immunodeficiency, I evaluated the effects of host immune responses on HuNoV infection. Compared to wild-type Gn pigs, longer HuNoV shedding was observed in RAG2/IL2RG deficient pigs (16 versus 27 days), and higher HuNoV titers were detected in intestinal tissues and contents and in blood, indicating increased and prolonged HuNoV infection in RAG2/IL2RG deficient pigs. In addition, I evaluated dietary interventions including probiotics and rice bran using Gn pig model of HuNoV infection and diarrhea. While the colonization of probiotic bacteria Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) and Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) in Gn pigs completely inhibited HuNoV fecal shedding, the two cocktail regimens, in which rice bran feeding started either 7 days prior to or 1 day after viral inoculation in the LGG+EcN colonized Gn pigs, exhibited dramatic anti-HuNoV effects, including reduced incidence and shorter duration of diarrhea, as well as shorter duration of virus fecal shedding. The anti-HuNoV effects of the cocktail regimens were associated with the enhanced IFN-𝛾⁺ T cell responses, increased production of intestinal IgA and IgG, and longer villus length. Taken together, my dissertation work improves our understanding of HuNoV infection and immunity, and further supports for Gn pigs as a valuable model for future studies of human enteric virus infection, host immunity, and interventions. / Ph. D.

A utilização de resíduos da agroindústria na produção de biomoléculas de interesse industrial agrega valor ao produto, por não utilizar meios sintéticos, reduzindo custos totais de produção e promovendo o desenvolvimento de tecnologias mais limpas e sustentáveis. Os exopolissacarídeos, ou simplesmente EPS são polímeros naturais, excretados por algumas espécies de bactérias e fungos. Possuem grande interesse no setor industrial, dado a versatilidade da biomolécula na utilização nas áreas médica, farmacêutica e química apresentando potencial de geração de diversos produtos. O presente trabalho teve como objetivo estudar a obtenção do exopolissacarídeo lasiodiplodana utilizando hidrolisados obtidos a partir de subprodutos agrícolas pelo fungo Lasiodiplodia theobromae. Foram realizados Delineamentos Compostos Centrais Rotacionais (DCCR) 22 com três repetições nos pontos centrais para avaliação de condições ótimas de produção de hidrolisados de farelos de arroz e milho com concentrações estimáveis de açúcares totais, açúcares redutores e proteínas totais. Os hidrolisados obtidos foram utilizados em ensaios fermentativos para obtenção da lasiodiplodana em meio de cultivo (LAS-M) e aderida à biomassa celular (LASC), bem como produção de células. Para elaboração dos ensaios foram utilizados DCCR 23 e 22 em hidrolisados de farelos de arroz e milho, respectivamente. As variáveis escolhidas para o DCCR 23 foram pH, volume de meio em frasco e adição de sais suplementares, enquanto o DCCR 22 apresentaram como variáveis o estudo da agitação e temperatura. Os delineamentos estudados geraram diversos modelos significativos para a produção de hidrolisados e obtenção de frações de lasiodiplodana. As frações de LAS-M e LAS-C obtidas foram caracterizadas parcialmente quanto a seus conteúdos de carboidratos e proteínas, sendo também analisadas por espectroscopia de infravermelho (FTIR) e análises cristalográficas de Raios-X. Os hidrolisados de farelo de arroz apresentaram concentrações aproximadas para açúcares totais (40 g/L), açúcares redutores (10 g/L) e proteínas (14 g/L) enquanto o hidrolisado de farelo de milho apresentou 170, 70 e 14 g/L dos respectivos componentes. Os hidrolisados foram tratados e utilizados em ensaios fermentativos apresentando concentrações de LAS-M de 7,8 e 5,73 g/L, LAS-C 4,93 e 3,0 g/L e biomassa celular de 10,68 e 4,47 g/L respectivamente para hidrolisados de farelos de arroz e milho, apresentando consumo dos açúcares totais de 94 e 84%. As frações de lasiodiplodana LAS-M apresentaram em sua composição concentrações de açúcares redutores correspondentes a 83,62 e 92,16%, enquanto as frações LAS-C apresentaram 82,19 e 88,42% para os respectivos hidrolisados. As análises de FTIR e Raios-X demonstraram que os biopolímeros obtidos neste trabalho apresentaram estruturas semelhantes aos citados na literatura. Evidenciou-se que os hidrolisados utilizados nas condições estudadas proporcionaram condições adequadas para o fungo L. theobromae sintetizar o exopolissacarídeo lasiodiplodana. / The utilization of agro-industrial wastes for industrial-interest biomolecules production generates add-value products, reducing total production costs and promoting the development of cleaner and more sustainable technologies. Exopolysaccharides, or simply EPS are natural polymers, excreted by some species of bacteria and fungi. They present a great interest from industrial sector, given the versatility of the biomolecule and its use in medical, pharmaceutical and chemical sectors, generating a diversity of products. The present work had as objective to study the exopolysaccharide lasiodiplodan by fermentation of hydrolysates obtained from agricultural by-products from filamentous fungi Lasiodiplodia theobromae. Rotational Central Compound Designs (DCCR) 22 were performed for the evaluation of optimum conditions for the production of hydrolysates from rice and corn brans with estimated concentrations of total sugars, reducing sugars and total proteins. The optimized hydrolysates were used in fermentative assays for obtaining lasiodiplodan from culture medium (LAS-M) and cell biomass (LAS-C), as well as cell production. For the elaboration of the tests, DCCR 23 and 22 were performed using rice bran and corn bran hydrolysates, respectively. The chosen variables for the DCCR 23 were pH, medium volume in flask and addition of supplemental salts, while the DCCR 22 presented agitation and temperature as variables. The studied designs presented several significant models for the hydrolysates production and its lasiodiplodan fractions. Obtained fractions of LAS-M and LAS-C were partially characterized due to carbohydrate and protein contents, as well as X-ray crystallographic analysis and Fourier-Transform Infrared Spectroscopy - FTIR. Rice bran hydrolysates presented estimated concentrations for total sugars (40 g / L), reducing sugars (10 g / L) and proteins (14 g / L) while corn bran hydrolysates showed 170, 70 and 14 g / L respectively. Treated rice and corn bran hydrolysates used for fermentative assays presented respective concentrations for LAS-M (7.8 and 5.73 g/L), LAS-C (4.93 and 3.0 g/L) and cellular biomass (10.68 and 4.47 g/L) and total sugar consumption of 94 and 84%, respectively. The lasiodiplodan fractions LAS-M presented reducing sugars compositions of 83.62 and 92.16%, while LAS-C fractions presented 82.19 and 88.42% for rice and corn bran hydrolysates. FTIR and X-ray anlysis showed that the present obtained biopolymers presented similar structures to those mentioned in the literature. It was evidenced that the hydrolysates used under the studied conditions provided adequate conditions for L. theobromae to synthesize the exopolysaccharide lasiodiplodan.

Durante o desenvolvimento da presente Tese de Doutorado buscou-se como objetivo principal o estudo da viabilidade técnica da substituição do solvente utilizado no processo industrial de extração de óleos vegetais, hexana, por álcoois de cadeia curta, etanol ou isopropanol, com diferentes graus de hidratação, sendo estes considerados mais seguros frente à alta toxicidade e inflamabilidade da hexana. Ainda, estes solventes alcoólicos podem ser parcialmente recuperados após o processo de extração devido apresentarem miscibilidade parcial com óleo à temperatura ambiente. Buscando-se aumentar o rendimento de extração de óleo e agregar valor ao material desengordurado rico em proteínas, a torta de sementes de gergelim foi submetida ao processo de extração alcoólica utilizando-se etanol ou isopropanol, absoluto ou azeotrópico, nas temperaturas de 50 a 90 °C. Resultados mostraram que a hidratação do solvente alcoólico afetou negativamente a eficiência de extração de óleo, enquanto o aumento da temperatura favoreceu este processo, com valores de rendimento de extração de aproximadamente 98 % sendo atingidos para solventes absolutos a 90 °C, considerando um único estágio de contato. O óleo de torta de sementes de gergelim obtido da extração alcoólica mostrou-se rico em sesamina, contendo aproximadamente 4 g/kg deste composto, independentemente do tipo de solvente e temperatura. Isopropanol absoluto exibiu a melhor capacidade de extração de tocoferóis, permitindo obter óleo de torta de sementes de gergelim com 177 mg/kg deste composto minoritário. Em adição, independentemente da condição de processo empregada, o óleo obtido da extração alcoólica apresentou composição típica de óleo de sementes de gergelim. Em relação à fração proteica, a utilização de temperaturas variando de 50 a 80 °C, para todos os solventes alcoólicos estudados, não afetou a solubilidade proteica e a estabilidade térmica dos sólidos desengordurados. Para o farelo de arroz, os baixos valores de índice de solubilidade obtidos, cerca de 10 %, inviabilizaram a produção de concentrados proteicos e, portanto, o impacto das condições de extração sobre as propriedades funcionais dos materiais desengordurados oriundos da extração alcoólica sequencial de óleo de farelo de arroz, a 60 e 80 °C, foi avaliado. Altos valores de capacidade de absorção de água (4 g/g amostra) e óleo (3 g/g amostra) foram obtidos, denotando a possibilidade da aplicação deste material em produtos de panificação e cárneos, respectivamente. Em adição, observou-se que o processo de extração alcoólica não interferiu na estabilidade das espumas produzidas, porém exerceu influência negativa na estabilidade das emulsões. Ademais, no estudo da recuperação do solvente, etapa subsequente ao processo de extração, dados de equilíbrio de fases determinados para sistemas lipídicos compostos por óleo bruto de sementes de gergelim, obtido da prensagem mecânica industrial, e solventes alcoólicos, entre 10 e 60 °C, mostraram que a temperatura influenciou fracamente a solubilidade mútua dos componentes do sistema, enquanto a hidratação do solvente causou uma diminuição desta solubilidade, com consequente redução do coeficiente de partição para o óleo e ácidos graxos livres. Parâmetros do modelo NRTL ajustados aos dados experimentais apresentaram adequada descrição do comportamento dos sistemas lipídicos, com desvios variando de 0,15 a 0,49 %. Em adição, buscando-se associar os resultados obtidos nos experimentos de extração alcoólica de óleo de torta de sementes de gergelim aos dados de equilíbrio líquido-líquido observou-se que os parâmetros estimados para os sistemas lipídicos contendo etanol e isopropanol conseguiram prever adequadamente os teores de sólidos solúveis contidos nas fases extrato oriundas dos experimentos de extração sólido-líquido nos quais Et0 e IPA12 foram utilizados como solventes. Ainda, os parâmetros de interação binários estimados foram utilizados para determinação da proporção mássica mínima de óleo:solvente no extrato que possibilitaria dessolventização parcial, devido à separação de fases com a redução da temperatura, sendo encontrados valores de 1:5 para Et0, 1:3 para IPA0 e 1:1 para os álcoois mais hidratados, Et6 e IPA12. / During the development of this Ph.D. Thesis, the main objective was to study the technical feasibility of replacing the solvent used in the industrial process of vegetable oils extraction, hexane, by short chain alcohols, ethanol or isopropanol, with different degrees of hydration, which are considered safer due to the hexane high toxicity and flammability. Also, these alcoholic solvents can be partially recovered after the extraction process due to partial miscibility with oil at room temperature. In order to increase the oil extraction yield and add value to the protein-rich defatted meal, sesame seed cake was submitted to the alcoholic extraction process using ethanol or isopropanol, absolute or azeotropic, at temperatures from 50 to 90 °C. Results showed that the hydration of the alcoholic solvent negatively affected the oil extraction efficiency, while the increase in temperature favored this process, with extraction yield values of approximately 98 % being reached for absolute solvents at 90 °C, considering a single stage of contact. The sesame seed cake oil obtained from alcoholic extraction was rich in sesamin, containing approximately 4 g/kg of this compound, regardless of the alcohol hydration and temperature. Absolute isopropanol exhibited the best tocopherol extraction capacity, enabling to obtain sesame seed cake oil with 177 mg/kg of this minor compound. In addition, regardless of the process condition employed, the oil obtained from the alcoholic extraction showed a typical composition of sesame seed oil. Regarding the protein fraction, the use of temperatures ranging from 50 to 80 °C, for all alcoholic solvents studied, did not affect the protein solubility and the thermal stability of the defatted meals. For the rice bran, the low values of solubility index obtained, about 10 %, made the production of protein concentrates unfeasible and, therefore, the impact of the extraction conditions on the functional properties of the defatted meals from the sequential alcoholic extraction of rice bran oil, at 60 and 80 °C, was evaluated. High values of water (4 g/g sample) and oil (3 g / g sample) absorption capacities were obtained, denoting the possibility of applying this material to bakery and meat products, respectively. In addition, it was observed that the alcoholic extraction process did not interfere in the stability of the foams produced, but had a negative influence on the stability of the emulsions. Furthermore, in the solvent recovery study, a subsequent step from the extraction process, phase equilibrium data determined for lipid systems composed of crude sesame seed oil, obtained from industrial mechanical pressing, and alcoholic solvents, at temperatures of 10 to 60 °C, showed that the temperature weakly influenced the mutual solubility of the system components, while the solvent hydration caused a decrease of this solubility, with consequent reduction of the partition coefficient for the oil and free fatty acids. NRTL model parameters adjusted to the experimental data presented an adequate description of the lipid systems behavior, with deviations varying from 0.15 to 0.49 %. In addition, looking for associate the results obtained in the alcoholic extraction of sesame seed cake oil with the liquid-liquid equilibrium data, it was observed that the parameters estimated for the lipid systems containing ethanol and isopropanol were able to adequately predict the contents of soluble solids in the extract phases from the solid-liquid extraction experiments in which Et0 and IPA12 were used as solvents. Moreover, the estimated binary interaction parameters were used to determine the minimum oil:solvent mass ratio in the extract that would allow partial desolventization, due to the phase separation with the reduction of temperature, with values of 1:5 being found for Et0, 1:3 for IPA0 and 1:1 for the more hydrated alcohols, Et6 and IPA12.

A utilização de resíduos da agroindústria na produção de biomoléculas de interesse industrial agrega valor ao produto, por não utilizar meios sintéticos, reduzindo custos totais de produção e promovendo o desenvolvimento de tecnologias mais limpas e sustentáveis. Os exopolissacarídeos, ou simplesmente EPS são polímeros naturais, excretados por algumas espécies de bactérias e fungos. Possuem grande interesse no setor industrial, dado a versatilidade da biomolécula na utilização nas áreas médica, farmacêutica e química apresentando potencial de geração de diversos produtos. O presente trabalho teve como objetivo estudar a obtenção do exopolissacarídeo lasiodiplodana utilizando hidrolisados obtidos a partir de subprodutos agrícolas pelo fungo Lasiodiplodia theobromae. Foram realizados Delineamentos Compostos Centrais Rotacionais (DCCR) 22 com três repetições nos pontos centrais para avaliação de condições ótimas de produção de hidrolisados de farelos de arroz e milho com concentrações estimáveis de açúcares totais, açúcares redutores e proteínas totais. Os hidrolisados obtidos foram utilizados em ensaios fermentativos para obtenção da lasiodiplodana em meio de cultivo (LAS-M) e aderida à biomassa celular (LASC), bem como produção de células. Para elaboração dos ensaios foram utilizados DCCR 23 e 22 em hidrolisados de farelos de arroz e milho, respectivamente. As variáveis escolhidas para o DCCR 23 foram pH, volume de meio em frasco e adição de sais suplementares, enquanto o DCCR 22 apresentaram como variáveis o estudo da agitação e temperatura. Os delineamentos estudados geraram diversos modelos significativos para a produção de hidrolisados e obtenção de frações de lasiodiplodana. As frações de LAS-M e LAS-C obtidas foram caracterizadas parcialmente quanto a seus conteúdos de carboidratos e proteínas, sendo também analisadas por espectroscopia de infravermelho (FTIR) e análises cristalográficas de Raios-X. Os hidrolisados de farelo de arroz apresentaram concentrações aproximadas para açúcares totais (40 g/L), açúcares redutores (10 g/L) e proteínas (14 g/L) enquanto o hidrolisado de farelo de milho apresentou 170, 70 e 14 g/L dos respectivos componentes. Os hidrolisados foram tratados e utilizados em ensaios fermentativos apresentando concentrações de LAS-M de 7,8 e 5,73 g/L, LAS-C 4,93 e 3,0 g/L e biomassa celular de 10,68 e 4,47 g/L respectivamente para hidrolisados de farelos de arroz e milho, apresentando consumo dos açúcares totais de 94 e 84%. As frações de lasiodiplodana LAS-M apresentaram em sua composição concentrações de açúcares redutores correspondentes a 83,62 e 92,16%, enquanto as frações LAS-C apresentaram 82,19 e 88,42% para os respectivos hidrolisados. As análises de FTIR e Raios-X demonstraram que os biopolímeros obtidos neste trabalho apresentaram estruturas semelhantes aos citados na literatura. Evidenciou-se que os hidrolisados utilizados nas condições estudadas proporcionaram condições adequadas para o fungo L. theobromae sintetizar o exopolissacarídeo lasiodiplodana. / The utilization of agro-industrial wastes for industrial-interest biomolecules production generates add-value products, reducing total production costs and promoting the development of cleaner and more sustainable technologies. Exopolysaccharides, or simply EPS are natural polymers, excreted by some species of bacteria and fungi. They present a great interest from industrial sector, given the versatility of the biomolecule and its use in medical, pharmaceutical and chemical sectors, generating a diversity of products. The present work had as objective to study the exopolysaccharide lasiodiplodan by fermentation of hydrolysates obtained from agricultural by-products from filamentous fungi Lasiodiplodia theobromae. Rotational Central Compound Designs (DCCR) 22 were performed for the evaluation of optimum conditions for the production of hydrolysates from rice and corn brans with estimated concentrations of total sugars, reducing sugars and total proteins. The optimized hydrolysates were used in fermentative assays for obtaining lasiodiplodan from culture medium (LAS-M) and cell biomass (LAS-C), as well as cell production. For the elaboration of the tests, DCCR 23 and 22 were performed using rice bran and corn bran hydrolysates, respectively. The chosen variables for the DCCR 23 were pH, medium volume in flask and addition of supplemental salts, while the DCCR 22 presented agitation and temperature as variables. The studied designs presented several significant models for the hydrolysates production and its lasiodiplodan fractions. Obtained fractions of LAS-M and LAS-C were partially characterized due to carbohydrate and protein contents, as well as X-ray crystallographic analysis and Fourier-Transform Infrared Spectroscopy - FTIR. Rice bran hydrolysates presented estimated concentrations for total sugars (40 g / L), reducing sugars (10 g / L) and proteins (14 g / L) while corn bran hydrolysates showed 170, 70 and 14 g / L respectively. Treated rice and corn bran hydrolysates used for fermentative assays presented respective concentrations for LAS-M (7.8 and 5.73 g/L), LAS-C (4.93 and 3.0 g/L) and cellular biomass (10.68 and 4.47 g/L) and total sugar consumption of 94 and 84%, respectively. The lasiodiplodan fractions LAS-M presented reducing sugars compositions of 83.62 and 92.16%, while LAS-C fractions presented 82.19 and 88.42% for rice and corn bran hydrolysates. FTIR and X-ray anlysis showed that the present obtained biopolymers presented similar structures to those mentioned in the literature. It was evidenced that the hydrolysates used under the studied conditions provided adequate conditions for L. theobromae to synthesize the exopolysaccharide lasiodiplodan.

Findings from this pioneer study demonstrate that CF, which is unique to rice bran oil, is capable of triggering apoptosis in CRC cells at early stages of carcinogenesis. Furthermore, CF enhances TRAIL-induced apoptosis in metastatic CRC cells. This study provides clear evidence that the health-beneficial properties of whole grain consumption are not only limited by the presence of dietary fiber but also other molecules that can either act as a chemopreventive agent to directly induce tumor regression or a sensitizer to enhance TRAIL-induced apoptosis in metastatic cancer cells. / High intake of whole grain food has been suggested as an important factor for reducing the risk of colon cancer, owing to the abundance of indigestible fiber. Rice bran, which is a component of raw rice after removal of starchy endosperm in milling process, has been shown to be a rich source of some health-beneficial compounds for preventing cancer, hyperlipidaemia, fatty liver, hypercalciuria, kidney stones, and heart disease (Jariwalla, 2001). In the present study, proliferation-inhibitory effects of some rice bran polyphenolic compounds were investigated on a panel of human colorectal cancer (CRC) cell lines, including SW480 (stage B), SW620 (stage C) and Colo-201 (stage D) with increasing metastatic potential according to the Dukes' classification system. / Results from the MTT study revealed that, among the polyphenolic compounds tested, cycloartenyl ferulate (CF) showed the most prominent proliferation inhibition on the CRC cells. CF is one of the typical ferulic acid esters of triterpene alcohols present in rice bran oil. The cancer cell proliferation was reduced by 62, 31 and 21% of their control levels after 72 h of 200 muM CF treatment, respectively. CF seemed to possess higher ability to control proliferation of tumor cells at early stages of cancer development. In meanwhile, results from Toxilight study showed that CF had low toxicity on normal colon CCD-18-Co cells. The anticancer activity of CF was further illustrated by its ability to induce significant regression of SW480 xenograft in nude mice. CF was found to induce apoptosis in SW480 cells in vitro. DNA flow cytometric studies demonstrated that CF elevated dose- and time-dependently the sub G1 or apoptotic cells with fragmented DNA. The pro-apoptotic effect of CF was further confirmed using immunoblotting study showing cleavage of poly(ADP-ribose) polymerase (PARP), which is a hallmark feature of apoptosis. Besides, the executioner procaspase-3, -6 and -7 were found to be processed and activated. On the other hand, administration of pan-caspase inhibitor Z-VAD-FMK completely rescued the cells from PARP cleavage, indicating that CF elicited solely caspase-dependent apoptosis. Elevation of death receptors DR4 and DR5 with the CF treatment seems to originate the upstream activation of the initiator procaspase-8 and -10 of the extrinsic apoptosis pathway. Flow cytometric JC-1 studies further demonstrated that CF significantly altered the mitochondrial membrane potential in a dose-dependent manner together with cytochrome c and smac/DIABLO but not AIF release from mitochondria into the cytosol, as well as the activation of procaspase-9 of the intrinsic apoptosis pathway. Depletion of anti-apoptotic Bcl-2 and elevation of pro-apoptotic Bak were observed; meanwhile, Bid was found to be cleaved by caspase-8, so that the death receptor pathway might be exaggerated by the mitochondrial apoptosis pathway. / Tumor necrosis factor-related apoptosis inducing ligand (TRAIL) is a promising candidate for cancer therapeutics due to its ability to induce apoptosis selectively in cancer cells (Gura, 1997). Result from MTT study illustrated that SW620 was more resistant than SW480 to TRAIL treatment. It is recognized that SW620 is the metastatic form of SW480 derived from the same patient at a later time, so it is important to develop agents that are able to sensitize the cancer cells to TRAIL, or to recover TRAIL sensitivity. We show for the first time that CF sensitizes SW620 cells to TRAIL-induced apoptosis and the mechanisms involved at least elevation of DR4, enhanced activation of caspase-8 and -3, as well as increase in DNA fragmentation. / Kong, Ka Lai. / Adviser: Wong Yum Shing. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 73-01, Section: B, page: . / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 119-136). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [201-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web.

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O crescente interesse científico relacionado ao estudo das propriedades dos grãos de arroz vermelho (Oryza glaberrima) e preto (Oryza sativa) está atrelado ao elevado teor nutricional desses grãos. Quando submetidos ao processo de beneficiamento, eles geram subprodutos, entre os quais a quirera e o farelo, ricos em amido e compostos fenólicos, respectivamente. Uma vez consideradas as diferenças varietais dos grãos e o potencial uso dos seus subprodutos, os objetivos deste trabalho foram, primeiramente, determinar a composição química e o perfil de compostos bioativos desses grãos e, sequencialmente, avaliar sua atividade antioxidante por meio da análise do efeito protetor de células SH- SY5Y. Posteriormente, esses grãos e seus subprodutos foram utilizados como material para o desenvolvimento de filmes biodegradáveis. A identificação e quantificação de compostos fenólicos foi avaliada em extratos da fração farelo de ambos os grãos, por ser essa a fração que contém sua maior concentração. Os resultados evidenciaram que o ácido ferúlico foi o principal composto fenólico encontrado em ambas as amostras. Enquanto no farelo de arroz preto a cianidina-3-glicosídeo foi a antocianina majoritária, no farelo de arroz vermelho foi identificada a presença de proantocianidinas Com relação à atividade antioxidante, o ensaio realizado em cultura de células SH-SY5Y, demonstrou que os extratos de ambos os farelos de arroz, nas duas concentrações testadas (10 and 50 μg/mL), apresentam um efeito protetor contra as espécies reativas geradas pelo H2O2 (ensaio DCFH-DA) e, esse resultado foi relacionado à presença de compostos bioativos, especialmente ácidos fenólicos e antocianinas. Devido às propriedades físico-químicas e antioxidantes, amido e farinha de arroz vermelho foram utilizados para o desenvolvimento de filmes biodegradáveis. Foram desenvolvidas formulações contendo diferentes proporções de farinha e amido (10:0, 9:1, 7:3, 5:5 e 0:10, p/p). A incorporação de amido nos filmes de farinha promoveu melhora das propriedades mecânicas e estruturais e, redução da permeabilidade ao vapor de água. Baseado na excelente atividade de sequestro do radical DPPH. e no menor custo de produção, a formulação 9:1 foi escolhida para ser aplicada na forma de sachê para análise da estabilidade de óleo de girassol armazenado sob condições de oxidação acelerada. Os resultados demonstraram que os filmes foram eficazes como embalagem protetora impedindo a formação de produtos de degradação primários (peróxidos e dienos conjugados) e secundários (trienos conjugados) durante o armazenamento. A partir dos resultados obtidos neste trabalho, fica evidenciada a possibilidade de utilização dos grãos de arroz vermelho e preto e seus subprodutos como matérias-primas promissoras para o desenvolvimento de embalagens biodegradáveis fonte de compostos antioxidantes. / The increase scientific interest related to the study of the properties of red (Oryza glaberrima) and black rice (Oryza sativa) grains is related to the high nutritional content of these grains. When submitted to the polishing process, they generate by-products, among them broken grains and bran, rich in starch and phenolic compounds, respectively. Once considered varietal differences of the grains, and the potential use of their by-products, the goals of this work were, firstly, to determine the chemical composition and the bioactive compounds profile of these grains and, sequentially evaluate their antioxidant activity by analyzing the protective effect of SH-SY5Y cells. Subsequently, these grains and their by-products were used as material for the development of biodegradable films. The identification and quantification of phenolic compounds was evaluated in extracts of the bran fraction of both grains, since this is the fraction that contains the highest concentration of them. The results showed that ferulic acid was the main phenolic compound found in both samples. While in the black rice bran cyanidin-3-glycoside was the major anthocyanin, in the red rice bran the presence of proanthocyanidins was identified. In relation to the antioxidant activity, the SHSY5Y cell culture assay showed that the extracts from both rice bran, at both concentrations tested (10 and 50 μg/ mL), had a protective effect against the reactive species generated by H2O2 (DCFH-DA assay) and this result was related to the presence of bioactive compounds, especially phenolic acids and anthocyanins. Due to the physicochemical and antioxidant properties, starch and red rice flour were used for the development of biodegradable films Formulations containing different ratios of flour and starch (10:0, 9:1, 7:3, 5:5 and 0:10, w/w) were developed. The incorporation of starch in the flour films promoted improved mechanical and structural properties, and reduced permeability to water vapor. Based on excellent scavenging activity of DPPH radical and lowest production cost, the 9: 1 formulation was chosen to be applied in the form of sachets to analyze the stability of sunflower oil stored under accelerated oxidation conditions. The results demonstrated that the films were effective as protective packaging preventing the formation of primary degradation products (peroxides and conjugated dienes) and secondary (conjugated trienes) during the storage. Based on the results obtained in this work, it was confirmed the possibility of using red and black rice grains and their by-products as promising raw materials for the development of biodegradable packaging source of antioxidant compounds.

The rice bran is obtained from the polishing of husked rice to produce white rice and, despite its high content of protein and vitamin, this by product is still almost entirely used to animal nutrition and less used by the food industry. Due to the large amount of bran produced, there is a big effort to increase the oxidative stability of this material. The aim of this study was to evaluate the stability of rice bran on the known conditions of humidity and temperature and then, propose a procedure for its stabilization, affordable and easily applicable. Therefore, various treatments were employed, such as physical processes (pelleting and irradiation), synthetic antioxidants as well as natural antioxidants. The rice bran was stored for 90 days and analyzed for its chemical composition, acidity and peroxide value. The values of acidity and peroxide value were similar to those found in the literature. The acidity and peroxide value increased during the storage time for almost all treatment combinations. The start and final acidity values of rice bran treated with natural and chemical antioxidants were higher than those obtained from physical processes. The lowest initial acidity values were 7.10, 6.09, and 4.36% for natural antioxidants, chemical antioxidants and physical processes, respectively. The highest total acidity value was observed for natural antioxidants (17.58%) and the lowest, for the treatment with chemical antioxidants combined with pelleting (9.12%). The results indicated that the stabilization of rice bran is affected by environmental conditions such as temperature, relative humidity, and storage time. The chemical composition of rice bran is affected by rice origin, species, harvest period, processing and type of soil. Irradiation and pelleting processes proved to be satisfactory and efficient for the oxidative stabilization of the rice bran in the food industry. / O farelo é proveniente do polimento do arroz descascado para produzir o arroz branco e, apesar do elevado conteúdo proteico e vitamínico, este subproduto ainda é quase totalmente utilizado em formulações para alimentação de animais, especialmente suínos e ruminantes, sendo pouco utilizado na indústria de alimentos. Devido à grande quantidade de farelo produzido, existe um grande esforço para aumentar a sua estabilidade oxidativa. Sendo assim, o objetivo deste estudo foi avaliar a estabilidade do farelo de arroz integral diante de condições conhecidas de umidade e temperatura e, então, propor um procedimento para a estabilização do farelo de arroz, acessível e facilmente aplicável. Para tanto, diferentes tratamentos foram empregados, utilizando processos físicos (irradiação e peletização) e antioxidantes sintéticos e de origem natural. Os farelos de arroz foram armazenados por 90 dias e analisados quanto à composição centesimal, acidez e índice de peróxidos. Os valores de acidez e peróxidos foram semelhantes aos encontrados na literatura para farelo de arroz. A acidez e o índice de peróxidos aumentaram durante o tempo de armazenamento em praticamente todas as combinações de tratamentos. Os valores inicial e final de acidez com antioxidantes naturais e químicos foram mais elevados do que com os processos físicos. O menor valor inicial de acidez para os tratamentos com antioxidantes naturais foi 7,10%, para os antioxidantes químicos foi 6,09% e para os processos físicos foi 4,36%. O maior valor final de acidez foi obtido para os tratamentos com antioxidantes naturais (17,58%), e o menor, para o tratamento com peletização associada a antioxidantes químicos (9,12%). Os resultados indicaram que a estabilização do FAI é afetada pelas condições ambientais na qual ele é beneficiado, principalmente pela temperatura, umidade relativa e tempo de armazenamento do FAI. A composição centesimal do FAI sofre interferência direta da origem do arroz, espécie, período da colheita, tipo de beneficiamento e tipo de solo no qual o arroz é produzido. A irradiação e a peletização atendem de forma satisfatória a indústria de alimentos para a estabilização oxidativa do FAI.