Optimization, mechanistic insights, bioactivity, and stability evaluation of starch nanoparticles loaded with phenolic compounds from brazilian green propolis

Abstract

A crescente demanda por produtos alimentícios frescos e de alta qualidade impulsionou o desenvolvimento de sistemas ativos com compostos bioativos derivados de óleos essenciais (EOs) e extratos naturais (NEs), sobretudo ácidos fenólicos e flavonoides. O própolis verde brasileiro se destaca como uma fonte promissora desses compostos, reconhecido por suas propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e neuroprotetoras. No entanto, sua aplicação direta é limitada pela instabilidade dos fenólicos ? devido à volatilidade, baixa solubilidade em água, sensibilidade à luz e ao calor ? além do sabor intenso característico. Nesse contexto, a estabilização em matrizes biopoliméricas em escala nanométrica surge como alternativa funcional e biomédica eficaz. As nanopartículas de amido (starch nanoparticles, SNPs) apresentam alta porosidade, biocompatibilidade e capacidade de adsorção, tornando-se carreadores sustentáveis e versáteis. No Capítulo 1, foi realizada revisão de literatura sobre o processo de precipitação com anti-solvente em biopolímeros, incluindo os mecanismos de adsorção em matrizes de amido e seus efeitos na estabilidade de compostos fenólicos. No Capítulo 2, o processo de produção de SNPs foi otimizado pela técnica de precipitação com anti-solvente, considerando a taxa de mistura (mixing rate, MR) e o percentual de amido gelatinizado (gelatinized starch content, CS). As SNPs contendo extrato de própolis (P-SNPs) apresentaram tamanho médio de 145,3 nm, PDI de 0,195 e eficiência de adsorção (AE) de 50,2%, sendo que a menor concentração de amido gelatinizado favoreceu maior AE pela ampliação da área superficial. No Capítulo 3, avaliou-se a influência do método de extração ? maceração (PME) ou extração por líquido pressurizado (PLE) ? e da polaridade do solvente (etanol absoluto ou etanol:água 70:30 v/v). O extrato obtido por PLE a 70% (PPLE70) apresentou maior rendimento, teor de fenólicos totais (?315 mg GAE/g), capacidade antioxidante (IC50 = 2,78 µg/mL) e AE nas SNPs (92,4%). Por outro lado, PME70 demonstrou atividade anticolinesterásica mais elevada (IC50 = 4,47 µg/mL), indicando que os parâmetros de extração influenciam não apenas o rendimento, mas também a seletividade dos bioativos. As formulações apresentaram tamanho entre 159 e 182 nm, com baixa PDI e estabilidade coloidal. As SNPs liofilizadas mostraram maior resistência térmica e ao pH, com degradação de fenólicos inferior a 30% a 115 °C e meia-vida estimada acima de 3400 horas a 80 °C, resultados confirmados por modelagem cinética isotérmica. Esse desempenho foi superior ao de SNPs coloidais, reforçando a relevância do estado físico para a preservação dos compostos.Assim, este trabalho integra desde a fundamentação teórica até a caracterização funcional e de estabilidade, fornecendo subsídios metodológicos para o desenvolvimento de sistemas de liberação de compostos bioativos mais estáveis, sustentáveis e alinhados a aplicações alimentícias e biomédicas.

Abstract: The growing demand for fresh and high-quality food products has driven the development of active systems incorporating bioactive compounds derived from essential oils (EOs) and natural extracts (NEs), particularly phenolic acids and flavonoids. Brazilian green propolis stands out as a promising source of these compounds, recognized for its antioxidant, anti-inflammatory, and neuroprotective properties. However, its direct application is limited by the instability of phenolics?due to volatility, low water solubility, and sensitivity to light and heat?as well as its characteristic intense flavor. In this context, stabilization within biopolymeric matrices at the nanoscale emerges as an effective functional and biomedical alternative. Starch nanoparticles (SNPs) exhibit high porosity, biocompatibility, and adsorption capacity, making them versatile and sustainable carriers. Chapter 1 presents a literature review on the antisolvent precipitation process applied to biopolymers, addressing adsorption mechanisms in starch matrices and their effects on phenolic compound stability. In Chapter 2, the SNP production process was optimized using the antisolvent precipitation technique, considering mixing rate (MR) and gelatinized starch content (CS). Propolis-loaded SNPs (P-SNPs) exhibited an average size of 145.3 nm, a PDI of 0.195, and adsorption efficiency (AE) of 50.2%. A lower concentration of gelatinized starch favored higher AE due to increased surface area. In Chapter 3, the influence of extraction method?maceration (PME) or pressurized liquid extraction (PLE)?and solvent polarity (absolute ethanol or 70:30 v/v ethanol?water) was evaluated. The extract obtained by PLE with 70% ethanol (PPLE70) presented higher yield, total phenolic content (?315 mg GAE/g), antioxidant capacity (IC50 = 2.78 µg/mL), and AE in SNPs (92.4%). Conversely, PME70 showed stronger anticholinesterase activity (IC50 = 4.47 µg/mL), indicating that extraction parameters influence not only yield but also the selective enrichment of bioactives. Formulations exhibited particle sizes ranging from 159 to 182 nm with low PDI, confirming colloidal stability. Freeze-dried SNPs showed enhanced thermal and pH resistance, with phenolic degradation below 30% at 115 °C and estimated half-life above 3400 hours at 80 °C, results corroborated by isothermal kinetic modeling. This performance was superior to colloidal SNPs, highlighting the relevance of the physical state in compound preservation. Thus, this work integrates theoretical foundations with functional and stability characterization, providing methodological support for the development of more stable and sustainable delivery systems for bioactive compounds, aligned with food and biomedical applications.