Phytochemical characterization and evaluation of the in vitro bioaccessibility and in vivo bioavailability of black onion (Allium cepa L.) and black garlic (Allium sativum L.)

Abstract

Black onion is a product analogous to black garlic and is obtained by a similar production process involving the ageing of the product. The fresh onion (Allium cepa L.) is subjected to controlled temperature and humidity conditions for a certain period of time. This process causes a series of physico-chemical changes in the final product, resulting in a foodstuff with sensory qualities substantially different from those of the initial bulb and with important changes in its phytochemical composition. To date, black onion has not been the subject of research despite the success of the commercialisation of black garlic and the beneficial health properties with which it has been associated. This makes the phytochemical characterisation of this new product necessary, for which the methods of extraction and analysis must be validated and optimised, as well as evaluating in vitro and in vivo, the possible changes produced in the profile of phytochemical compounds during gastrointestinal digestion, colonic fermentation and their metabolisation and excretion once they are consumed. In this Doctoral Thesis, two selective, sensitive and accurate chromatographic methods for the identification and quantification of flavonoids, organosulfur compounds and amino acids in fresh onion and black onion were optimised and validated and applied to study the influence of the processing of this product on the profile of phenolic compounds, organosulfur compounds, amino acids, sugars and organic acids from three different varieties of onion. This allowed to conclude that the processing of black onion has a significant influence on the profile of nutritional and functional compounds, and that these changes are influenced by the sensitivity of each of the compounds to heat treatment, pH, the presence of oxygen and the composition of the matrix. On the other hand, the impact of in vitro gastrointestinal digestion on the phytochemical profile of fresh garlic, black garlic, fresh onion and black onion was evaluated and the bioaccessibility index of these compounds was determined. This showed that the production process by which black garlic and black onion are obtained could have a positive effect on the bioaccessibility of the organosulfur compound profile, although this is not the case for the phenolic compound profile. The evolution of the phenolic and organosulfur compound profile during in vitro colonic fermentation of fresh garlic, black garlic, fresh onion and black onion was also studied, which allowed establishing that the processing of black garlic and black onion could also be influencing the metabolism of these compounds at the colonic level, with different trends observed between the original and the final products. Finally, the bioavailability of phenolic and organosulfur compounds present in black garlic and black onion was addressed by means of an acute intake intervention study, for which ii urine samples were collected, making it possible to locate the majority absorption of these compounds in the small and large intestine.

La cebolla negra es un producto análogo al ajo negro que se obtiene mediante un proceso de elaboración similar que consiste en un envejecimiento del producto. Para ello, se somete la cebolla fresca (Allium cepa L.) a condiciones de temperatura y humedad controladas durante un periodo de tiempo determinado. Este proceso ocasiona una serie de cambios físico-químicos en el producto final que permiten obtener un alimento con una cualidades sensoriales sustancialmente diferentes a las del bulbo inicial y con cambios importantes en su composición fitoquímica. Hasta la fecha, la cebolla negra no ha sido objeto de investigaciones a pesar del éxito que ha supuesto la comercialización del ajo negro y las propiedades beneficiosas para la salud con las que se ha relacionado. Esto hace necesaria la caracterización fitoquímica de este nuevo producto, para lo que se deben validar y optimizar los métodos de extracción y análisis, así como evaluar in vitro e in vivo, los posibles cambios producidos en el perfil de compuestos fitoquímicos durante la digestión gastrointestinal, la fermentación colónica y la metabolización y excreción de los mismos una vez son consumidos. En esta Tesis Doctoral, se optimizaron y validaron dos métodos cromatográficos selectivos, sensibles y precisos para la identificación y cuantificación de flavonoides, compuestos organosulfurados y aminoácidos en cebolla fresca y cebolla negra, y se aplicaron para estudiar la influencia del proceso de elaboración de este producto sobre el perfil de compuestos fenólicos, compuestos organosulfurados, aminoácidos, azúcares y ácidos orgánicos a partir de tres variedades distintas de cebolla. Esto permitió concluir que el proceso de elaboración de la cebolla negra influye significativamente en el perfil de compuestos nutricionales y funcionales de la misma, así como ver que estos cambios estarán influidos por la sensibilidad de cada uno de los compuestos al tratamiento térmico, el pH, la presencia de oxígeno y la composición de la matriz. Por otro lado, se evaluó el impacto de la digestión gastrointestinal in vitro sobre el perfil fitoquímico del ajo fresco, ajo negro, cebolla fresca y cebolla negra y se determinó el índice de bioaccesibilidad estos compuestos. Con ello se ha comprobado que el proceso de elaboración por el que se obtienen el ajo negro y la cebolla negra podría tener un efecto positivo en la bioaccesibilidad del perfil de compuestos organosulfurados, aunque no ocurre de la misma forma en el perfil de compuestos fenólicos. También se estudió la evolución del perfil de compuestos fenólicos y organosulfurados durante la fermentación colónica in vitro del ajo fresco, ajo negro, cebolla fresca y cebolla negra, lo que permitió establecer que el proceso de elaboración del ajo negro y la cebolla negra también podría estar influenciando el metabolismo de estos a compuestos a nivel ii colónico, observándose tendencias diferentes entre los productos originales y los finales. Finalmente, se abordó la biodisponibilidad de los compuestos fenólicos y organosulfurados presentes en ajo negro y cebolla negra mediante un estudio de intervención de ingesta aguda, para lo que recogieron muestras de orina, lo que permitió situar la absorción mayoritaria de estos compuestos en intestino delgado y grueso.