Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (p. 253-274). Also available in print.

published_or_final_version / Mechanical Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

The objective of the present study was to synthesize porous, biodegradable poly (D, l- lactide-co-glycolide) PLGA-B-HA (Bovine hydroxyapatite) composite and evaluate the effect of ceramic content on bone marrow cell differentiation in vitro. A macroporous biodegradable PLGA-B-HA composite with the pore size varying from 0.1 to 1000?? and a highly interconnected structure was fabricated using the freeze-drying/lyophilization technique. A pilot study was done to determine the effects of B-HA on to the osteoblast function. The main study was done to determine the effect of the increase in B-HA concentration on to the mesenchymal stem cell differentiation. Morphological characteristics of the composites were analyzed using FTIR and SEM/EDX analysis. The composites were seeded with neonatal rat calvarial osteoblasts (NRCO). The polymer: ceramic ratio in this study was 35%:65%. For comparison parallel experiments involving pure HA-200 discs were performed. SEM results indicated a higher proliferation and mineralization on PLGA-B-HA composites than pure HA discs. In addition, we evaluated the in vitro characteristics of PLGA-B-HA composites with varying ratios, i.e., 1:1, 1:2 and 1:3, seeded with rat marrow cells. FTIR indicated an increase in the area under the ceramic peak as ceramic concentration was increased. In addition, the average roughness values increased in the order of 1:3 andgt; 1:2 andgt; 1:1. Both compressive strength and modulus of 1:1 were significantly higher than 1:2 and 1:3 PLGA-B-HA composites. No significant difference in compressive modulli and strengths could be observed for 1:2 and 1:3 PLGA-B-HA composites. Cellular activity was determined by measuring AP activity, total protein analysis and osteocalcin concentration. Evaluation of alkaline phosphatase activity showed bone cells attached to 1:3 (PLGA-B-HA) expressed significantly higher alkaline phosphatase as compared to 1:1 and 1:2 PLGA-B-HA composites. In addition, cells seeded on to 1:3 composites secreted significantly higher osteocalcin and at a relatively short time period as compared to the other samples. Corrosion studies (ICP) and pH values indicate minimal difference in the concentration of Ca and P and pH in tissue culture media for all the samples at the end of all time periods. Hence we conclude that an increase in the ceramic concentration stimulated mesenchymal stem cell differentiation thereby promoting osteogenesis.

Thesis (Ph.D. in Pharmaceutical Sciences) -- University of Colorado Denver, 2007. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 136-153).

Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (p. 253-274). Also available online.

Thesis (Ph. D.)--University of Tennessee, Memphis, 2002.

Thesis (Ph.D. in Pharmaceutical Sciences) -- University of Colorado, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 191-216). Free to UCDHSC affiliates. Online version available via ProQuest Digital Dissertations;

A busca de fontes alternativas de pigmentos naturais tem estimulado o desenvolvimento de pesquisas com diferentes frutos e resíduos tropicais. No presente trabalho, optou-se por estudar o aproveitamento do bagaço gerado na produção de suco de jabuticaba. A jabuticaba é uma fruta rica em antocianinas, um pigmento natural que, além da capacidade de conferir cor, também possui atividades benéficas à saúde. No entanto, o seu uso como corante natural na indústria de alimentos como uma forma de substituir os corantes sintéticos é limitado pela sua instabilidade frente às condições de processamento e da presença de outros componentes. Uma alternativa para aumentar a estabilidade das antocianinas é através da técnica de microencapsulação no qual o ingrediente sensível é protegido dentro do material de revestimento. Assim, o presente estudo objetivou a produção, caracterização e a verificação da estabilidade dos pós obtidos por liofilização utilizando a maltodextrina, a pectina e a proteína isolada de soja como materiais de parede em diferentes proporções. Os pós foram caracterizados quanto ao teor de umidade, atividade de água, solubilidade, higroscopicidade, tamanho de partícula, morfologia, análise térmica e colorimétrica, teor de fenólicos totais, antocianinas monoméricas e atividade antioxidante com o radical ABTS. Os mesmos também foram avaliados quanto à estabilidade na presença da luz UV durante a estocagem e comparadas com o extrato de antocianinas liofilizado não microencapsulado. As antocianinas presentes no bagaço de jabuticaba foram extraídas com ultrassom utilizando a água acidificada com ácido cítrico (1 %) O extrato de antocianinas concentrado apresentou uma quantidade de antocianinas monoméricas de 510 ± 0,09 mg.100 g-1 de bagaço, um teor de fenólicos totais de 12.860 ± 1,5 mg AGE.100 g-1 bagaço e uma atividade antioxidante de 39.590 ± 1,25 μM TE.g-1 de bagaço todos expressos em base seca. Os pós produzidos por liofilização apresentaram estruturas irregulares amorfas sem estrutura cristalina com tamanho médio de partículas entre 311,66 – 419,74 μm com distribuição bimodal. Além disso, as amostras apresentaram baixos valores de umidade (2,09 ± 0,10 a 4,15 ± 0,32%), atividade de água (0,053 ± 0,003 a 0,162 ± 0,002), higroscopicidade (10,8 ± 0,1 a 14,2 ± 0,3 g/100g) e baixa solubilidade em água (10,9 ± 0,1 a 21,3 ± 0,2 %), atributos desejáveis na obtenção de alimentos em pó. Com a análise térmica foi possível verificar que houve a microencapsulação das antocianinas com os diferentes materiais de revestimento testados devido à formação de novas transições endotérmicas, e ainda foi possível observar que os pós apresentaram uma estabilidade térmica até a temperatura de 130 °C. A fotoestabilidade dos pós liofilizados bem como do extrato de antocianinas liofilizado não microencapsulado armazenados por 90 dias mostraram que a degradação desse pigmento seguiu uma cinética de primeira ordem e os parâmetros cinéticos foram calculados Para o extrato não microencapsulado os valores obtidos para a constante de degradação e tempo de meia-vida foram iguais a 0,0135 d-1 e 51 dias, respectivamente, correspondendo a uma redução de 77% de antocianinas monoméricas, 56 % de fenólicos totais e 43 % da capacidade antioxidante. Por outro lado, os materiais de parede protegeram o pigmento do efeito deletério da luz em mais de 90 % em relação ao teor de fenólicos totais, 80 % para a quantidade de antocianinas monoméricas, de modo que a atividade antioxidante foi mantida em 70 % durante o período de estocagem. Os valores da constante de degradação para todas as formulações variaram de 0,0022 a 0,0070 d-1 e os tempos de meia-vida variaram de 101 a 320 dias. Portanto, os resultados obtidos neste estudo demonstraram que a pectina e a proteína isolada de soja podem ser consideradas potenciais materiais de revestimento na microencapsulação de antocianinas a serem utilizados na indústria de alimentos. / The search for alternative sources of natural pigments has stimulated the development of research with different tropical fruits and their waste; in the present work, we chose to study the use of the bagasse generated in the production of jaboticaba juice was studied. Jaboticaba is a fruit rich in anthocyanins, a natural pigment, which besides the ability of providing color, also has beneficial health activities. However, its use as a natural colorant in the food industry, replacing the synthetic coloring agents is limited by their instability due to the process conditions and the presence of other components. An alternative to increase stability of anthocyanins is microencapsulation technique in which the sensitive ingredient is protected within the coating material. The present work aims the production, characterization and verification of the stability of the powders obtained by freeze-drying using maltodextrin, pectin and the isolate soy protein as wall materials in different proportions. The powders were analyzed for moisture content, water activity, solubility, hygroscopicity, particle size, morphology, thermal and colorimetric analysis, total phenolics content, total monomeric anthocyanin and capacity to scavenge the ABTS.+. They were also evaluated for stability in the presence of UV light during storage and compared with the lyophilized extract of anthocyanins not microencapsulated. Anthocyanins were extracted from jaboticaba pomace with ultrasound using water acidified with citric acid (1%) The concentrated extract anthocyanins showed an amount of monomeric anthocyanins of 510 ± 0.09 mg. 100g-1 a content of total phenolics of 12.860 ± 1.5 mg GAE.100g-1 and antioxidant activity of 39,590 ± 1.25 μM TE.g-1 pomace dry basis. In addition, the samples presented low moisture values (2.09 ± 0.10 to 4.15 ± 0.32%), low water activity (0.053 ± 0.003 to 0.162 ± 0.002) and hygroscopicity ranging from 10.8 ± 0.1 to 14.2 ± 0.3 g/100g as well as low solubility in water (10.86 ± 0.1 to 21.28 ± 0.2%) which are desirable attributes for food powder. Through the thermal analysis it was verified that the anthocyanins were effectively microencapsulated with the different coating materials tested due to the formation of new endothermic transitions; it was also observed that the powders showed a thermal stability up to 130 °C. The photostability the powders and extract of anthocyanins lyophilized not microencapsulated stored for 90 days showed that this pigment degradation followed a first-order kinetics. For the extract not microencapsulated the values obtained of degradation and half-life were equal to 0.0135 d-1 and 51 days, respectively, corresponding to a 77 % reduction of monomeric anthocyanins, 56% total phenolics content and 43 % of antioxidant capacity In contrast, the wall material protected the pigment against the deleterious effect of light in more than 90 % for total phenolic content and 80 % for the amount of monomeric anthocyanins, so the antioxidant activity remained at 70 % for the storage period. The rate constants according to a first-order reaction for all formulations ranged from 0.0022 to 0.0070 d-1 and the half-life times ranged from 101 to 320 days. Therefore, the results of this study showed that the pectin and the isolate soy protein can be potentially be used as coating materials in the microencapsulation of anthocyanins for use in the food industry.

B-caroteno corresponde a um pigmento natural que além de possuir amplo poder corante, possui atividade antioxidante e pró-vitamínica, porém devido ao seu alto grau de insaturações, esse carotenóide é propenso à isomerização e oxidação durante o processamento e a estocagem, dificultando sua utilização na indústria de alimentos. A microencapsulação pode amenizar essa situação, aumentando sua estabilidade e tornando possível sua incorporação em sistemas alimentícios sem a perda de suas propriedades funcionais. O presente trabalho objetivou a produção, caracterização e a verificação da estabilidade das cápsulas formadas por liofilização utilizando um novo material de parede, o amido de pinhão. Amido nativo, amido hidrolisado com dextrose equivalente (DE) 6, amido hidrolisado DE 12 e a mistura destes com a gelatina foram utilizados como agentes encapsulantes. Os primeiros testes realizados foram em relação à modificação do amido via hidrólise ácida através de um planejamento fatorial 22, onde as variáveis independentes corresponderam à temperatura (30 a 44°C) e à concentração de ácido (3 a 5 mol.L-1) e a variável de resposta correspondeu à dextrose equivalente (DE). Neste estudo, verificou-se que sob maiores valores de temperatura e concentração de ácido, maiores valores de DE foram encontrados. As cápsulas foram caracterizadas quanto à sua eficiência, conteúdo superficial, morfologia, umidade, solubilidade, tamanho de partícula, temperatura de transição vítrea e isotermas de sorção. As mesmas também foram avaliadas quanto à estabilidade, em relação ao -caroteno livre, em diferentes condições: exposição à luz UV, e a 10 e 30°C. As diferentes formulações do material encapsulante resultaram em diferentes retenções de -caroteno, sendo que a formulação com amido DE 12 apresentou a melhor eficiência e a menor foi apresentada pela formulação com amido nativo. As partículas produzidas por liofilização mostraram formas indefinidas e tamanhos variados, típicos do método de encapsulação empregado. Através da análise do tamanho de partícula, verificou-se que as formulações com gelatina apresentaram um diâmetro de partícula médio superior às outras amostras. O amido nativo e hidrolisado apresentaram temperaturas de transição vítrea (Tg) similares resultando em microencapsulados com Tg também similares, porém maiores valores foram obtidos quando a gelatina foi incorporada às formulações. Todas as amostras apresentaram baixa solubilidade em água fria, e uma maior solubilidade em água quente. As isotermas de sorção dos encapsulados preparados com amido DE 12, nas temperaturas de 10°, 20° e 30°C apresentaram isoterma sigmoidal do tipo II. Quanto aos testes de estabilidade, a cinética de degradação do B-caroteno livre e encapsulado seguiu o modelo cinético de primeira ordem em todas as condições analisadas. O amido hidrolisado DE 12 foi considerado o melhor material de parede testado, visto que diminuiu de forma considerável a velocidade de degradação (k), até mesmo na presença da luz UV, onde o -caroteno foi menos estável. Os resultados encontrados neste estudo demonstraram que o amido de pinhão hidrolisado pode ser considerado um potencial agente encapsulante a ser utilizado na indústria de alimentos. / The B-carotene represents a natural pigment that besides having broad coloring power, also presents antioxidant and provitamin activity. However, due to the high degree of insaturations, this dye is propense to isomeration and oxidation during the processing and storage, being difficult its use in food industry. Microencapsulation can improve this situation, increasing its stability and rendering possible its incorporation into food systems without loss of its functional properties. The purpose of this research was to produce, characterize and investigate the stability of the microcapsules produced by freeze drying, using a new wall material corresponding to pinhão starch. The-caroteno was microencapsulated using native pinhão starch, hydrolyzed pinhão starch DE 6, hydrolyzed pinhão starch DE 12 and the mixture of both with gelatin, as coating material. First tests were related to the modification of starch via acid hydrolysis using a 22 factorial central design, where the independent variables were temperature (from 30 to 44°C) and acid concentration (from 3 to 5 mol.L-1) and the response variable corresponded to dextrose equivalent (DE). In this study, it was observed that higher temperatures and acid concentration, resulted in higher DE values. The capsules efficiency, surface content, moisture, morphology, solubility, particle size, glass transition temperature and sorption isotherms were analyzed. Also the stability of the microencapsulates were evaluated and compared to synthetic free -carotene at the storage condition: exposure to UV light, and temperatures of 10 and 30 °C. Different coating material formulations resulted in differents B-carotene retention, the formulation with hydrolyzed starch 12 DE presented the highest total content of B-carotene (>90 %) and the lowest surface B-carotene while the lowest total content of B-carotene and the highest surface of this compound was presented using native starch. All capsules showed undefined shapes and varied sizes and these characteristics are related to the process used for the preparation of microcapsules. By the particle size distribution analysis, it was verified that encapsulates with gelatin presented an average particle diameter higher than the others encapsulated. Both capsules prepared with native starch and hydrolyzed starch presented similar glass transition temperature, while capsules with gelatin showed higher Tg values (~90°C). All samples presented low cold water solubility and the hot water solubility for all samples was higher than the cold water solubility. The moisture sorption isotherms determined at 10°, 20° and 30°C of hydrolyzed starch DE 12 showed isotherms kind II. The kinetic of degradation of -carotene in encapsulates followed the first-order model. UV light, the microcapsules were less stable than the in the other conditions. The results indicated that the hydrolyzed pinhão starch is a potential encapsulating material.

O interesse pela extração dos compostos bioativos, a partir de fontes naturais, para o emprego na produção de alimentos funcionais tem aumentado, devido, principalmente, à crescente demanda por parte dos consumidores, por produtos mais saudáveis e que possam trazer benefícios à saúde. Dentre as fontes naturais de compostos bioativos, destaca-se o hibisco (Hibiscus sabdariffa L.), que é rico em antocianinas, flavonoides, ácidos fenólicos, carotenoides, dentre outros. Entretanto, quando os compostos bioativos são separados de suas matrizes, estes se tornam altamente instáveis frente a diversos fatores ambientais, necessitando serem protegidos. O recobrimento por microencapsulamento é uma alternativa para retardar a degradação desses compostos. Este estudo teve como objetivo a extração, identificação, quantificação e microencapsulamento por atomização e liofilização dos compostos bioativos dos cálices do hibisco. Primeiramente, foi realizada a extração exaustiva total dos carotenoides e compostos fenólicos por meio de solventes orgânicos, para a identificação e quantificação desses compostos. Também foi estudada a extração de antocianinas e demais compostos fenólicos por meio de solvente aquoso acidificado (ácido cítrico 2 %, p/v). A partir do melhor tratamento de extração, o extrato obtido foi microencapsulado mediante atomização e liofilização, empregando goma arábica (GA), goma guar parcialmente hidrolisada (GGPH) e polidextrose (PD) como agentes encapsulantes, na concentração de 10%. Os carotenoides e compostos fenólicos foram identificados e quantificados por HPLC-DAD-MS/MS (cromatografia líquida de alta eficiência com detecção por arranjo de diodos e espectrometria de massa). Vinte e um carotenoides foram encontrados, dos quais, quinze foram identificados. O total de carotenoides nos cálices de hibisco foi de 641,38 ± 23,61 μg/100 g massa fresca, sendo a all-trans-luteína e o all-trans--caroteno os compostos majoritários, representando 49 e 23%, respectivamente. Para os compostos fenólicos, foram encontrados vinte compostos, dos quais, catorze foram identificados. As antocianinas foram os compostos majoritários nos cálices de hibisco, sendo que a delfinidina 3-sambubiosídeo e cianidina 3-sambubiosídeo representaram 41 e 13% do total de compostos fenólicos, respectivamente. Dentre os ácidos fenólicos, os componentes majoritários foram o ácido 3-cafeoilquínico e ácido 5-cafeoilquínico, representando 15 e 13% do total de compostos fenólicos, respectivamente. Para a extração aquosa acidificada, foi utilizado um planejamento experimental fatorial fracionado (24-1), com quatro fatores: concentração de enzima, temperatura, velocidade de agitação e tempo de extração. A partir da ANOVA, os efeitos principais e de interação foram avaliados, tendo como respostas Chroma, antocianinas monoméricas totais (TMA), capacidade redutora, ABTS e compostos fenólicos. A partir dos resultados, o melhor tratamento foi: 55 °C, 50 μL de enzima/1000 g extrato, 400 rpm e 4 horas de extração, obtendo-se nessa condição de extração 3,82 mg/g extrato em base seca para TMA e 17,59 mg/g de extrato em base seca para compostos fenólicos totais, que resultou em capacidade antioxidante de 7,72 μmol Eq. Trolox/g de extrato em base seca, avaliado por ABTS e de 3,96 mg GAE/g de de extrato em base seca, avaliado pela capacidade redutora. Este extrato foi empregado no estudo de encapsulamento, por atomização (140 ºC) e liofilização (-68 ºC por 24 horas), utilizando GA, GGPH e PD como encapsulantes. Observou-se que o melhor tratamento foi por liofilização empregando GA como encapsulante, resultando em 2,83 mg/g amostra em base seca para TMA, capacidade antioxidante de 2,98 mg GAE/g amostra em base seca e 5.67 μmol Eq. Trolox/g amostra em base seca, avaliados por capacidade redutora e ABTS, respectivamente. Entretanto, quando foram avaliadas as propriedades físicas e morfológicas dos pós, as amostras elaboradas por atomização e usando GA e GGPH apresentaram os melhores desempenhos, onde os valores de solubilidade, higroscopicidade e umidade foram de 95,8 e 95,2%, 31,3 e 28,9%, 1,9 e 2,4%, respectivamente. Para a temperatura de transição vítrea (Tg), os tratamentos que utilizaram GA e GGPH nos dois métodos de encapsulamento, tiveram os maiores valores de Tg, variando de 10,9 a 17,4 ºC. Já para os tratamentos que utilizaram a PD como material de parede, os valores foram de (0,7 °C), tanto na atomização como na liofilização. Na microscopia também foi observado um melhor desempenho nas micropartículas atomizadas usando GA e GGPH, as quais mostraram partículas mais esféricas e sem tendência de atração e aderência entre si. Em relação ao diâmetro médio de partícula (D[4, 3]), os tratamentos liofilizados tiveram partículas maiores que os atomizados, variando de 101,7 a 143,1 μm para os liofilizados, e de 5,4 a 7,3 μm para os atomizados. Quanto ao span, o qual avalia distribuição de tamanho de partícula, variou de 1,90 a 2,00 para as amostras atomizadas e de 3,06 a 3,19 para as amostras liofilizadas, indicando que houve uma boa uniformidade na distribuição de tamanho de partícula. Conclui-se que o hibisco é uma matriz com ampla composição de compostos bioativos e tem potencial para aplicação em alimentos. / The interest in the extraction of bioactive compounds from natural sources, for use in the production of functional foods has increased, mainly due to the growing demand by consumers for healthier products and can bring health benefits. Among the natural sources of bioactive compounds, stands out the hibiscus (Hibiscus sabdariffa L.), which is rich in anthocyanins, flavonoids, phenolic acids, carotenoids, among others. However, when the bioactive compounds are separated from their matrix, they become highly unstable against various environmental factors and need to be protected. The coating by microencapsulation is an alternative to slow the degradation of these compounds. This study aimed at the extraction, identification, quantification and microencapsulation by spray drying and freeze drying of bioactive compounds of hibiscus calyces. Firstly, a thorough exhaustive extraction of carotenoids and phenolic compounds by organic solvents was performed for identification and quantification of these compounds. The extraction of anthocyanins was also studied along with other phenolic compounds by an aqueous solvent acidified (2% citric acid, w/v). From the best treatment for extraction, the extract obtained was microencapsulated by spray drying and freeze drying using Arabic gum (GA), partially hydrolyzed guar gum (PHGG) and polydextrose (PD) as encapsulating agents in a concentration of 10%. Carotenoids and phenolic compounds were identified and quantified by HPLC-DAD-MS/MS (high-performance liquid chromatography with diode array detection and mass spectrometry). Twenty-one carotenoids were found, of which fifteen were identified. The total carotenoids in hibiscus calyces was 641.38 ± 23.61 mg/100 g fresh weight, with the all-trans-lutein and all-trans-β-carotene the major compounds, representing 49 and 23%, respectively. Regarding the phenolic compounds it was found twenty of those, of which fourteen have been identified. Anthocyanins were the main components in the hibiscus calyces, and delphinidin and cyanidin 3-sambubioside 3-sambubioside represented 41 and 13% of total phenolic compounds, respectively. Among the phenolic acids, the major components were the 3-caffeoylquinic acid and 5-caffeoylquinic acid, representing 15 and 13% of total phenolic compounds, respectively. For acidified aqueous extraction, we used a fractional factorial design (24-1) with four factors: enzyme concentration, temperature, stirring speed and extraction time. From the ANOVA, the main and interaction effects were assessed as answers: Chroma, total anthocyanins monomeric (TMA), reducing capacity, ABTS and phenolic compounds. From the results, the best treatment was with 55 °C, 50 μL of enzyme/1000 g extract, 400 rpm and 4 hours of extraction, it was obtained in this extraction condition 3.82 mg/g extract on a dry basis for TMA and 17.59 mg/g extract on a dry basis for phenolic compounds, which resulted in antioxidant capacity of 7.72 μmol Eq. Trolox/g extract on a dry basis, evaluated by ABTS and 3.96 mg GAE/g extract on a dry basis, assessed by reducing capacity. This extract was used for the encapsulation study, by spray drying (140 °C) and freeze drying (-68 ° C for 24 hours) using GA, PHGG, and PD as encapsulants. It was observed that the best treatment is by freeze drying using GA as encapsulant, resulting in 2.83 mg/g sample on dry basis for TMA, antioxidant capacity of 2.98 mg GAE/g sample on dry basis and 5.67 μmol Eq. Trolox/g sample on dry basis, evaluated by reducing capacity and ABTS, respectively. However, when we evaluated the physical and morphological properties of powders, samples prepared by spray drying and using GA and PHGG showed the best performance, and the values for solubility, hygroscopicity and moisture were 95.8 and 95.2%, 31.3 and 28.9%, 1.9 and 2.4%, respectively. For the glass transition temperature (Tg), treatments with GA and PHGG on both encapsulation methods had high Tg values ranging from 10.9 to 17.4 °C. As for treatments of PD as wall material, the values were (0.7 °C), both the spray drying as in freeze drying. In microscopy was also observed improved performance in spray-dried microparticles using GA and PHGG, which showed more spherical particles and with no tendency to attract and adhere to each other. Regarding the average particle diameter (D [4, 3]), the freeze-dried treatments had higher spray-dried particles ranging from 101.7 to 143.1 μm for freeze-dried, and 5.4 to 7.3 μm for spray-dried. As the span, which assesses particle size distribution ranged from 1.90 to 2.00 for spray-dried samples and 3.06 to 3.19 for the freeze-dried samples, indicating that there was a good uniformity in the size in the distribution of the size of the particle. It follows that hibiscus is a matrix with broad composition and bioactive compounds have potential for application in foods.