Sprouts and microgreens biofortified with selenium as functional foods

Abstract

El seleni (Se) és un micronutrient essencial per als humans, ja que està present en les selenoproteïnes, que són crucials per a funcions com el metabolisme tiroïdal i la resposta immune. No obstant això, al voltant de mil milions de persones al món pateixen deficiència de Se, la qual cosa provoca problemes de salut. La biofortificació de plantes amb Se ofereix una solució eficaç per augmentar la ingesta de Se, ja que les plantes poden convertir el Se inorgànic (selenit i selenat) en formes orgàniques més biodisponibles, com els seleno-aminoàcids. Les herbes culinàries, en particular els brots i microgreens, estan guanyant popularitat per les seves sabors distintius, textures i alt valor nutricional.

L'estudi se centra en la biofortificació de Se en brots de alfals (Medicago sativa var. victoria) i microvegetals de alfals (Medicago sativa var. victoria), rave vermell (Raphanus sativus var. vulcano) i pèsol verd (Pisum sativum var. balboa), explorant els efectes de l'enriquiment amb Se en els seus perfils nutricionals, especiació de Se i biodisponibilitat. En l'estudi, els brots d'alfals van ser biofortificats amb tres tipus de tractaments de Se: selenit (Se(IV)), selenat (Se(VI)) o una barreja de tots dos. L'enriquiment amb Se (4-6 mg Se · kg⁻¹ DW) no va afectar negativament la biomassa ni la composició bioactiva. De fet, el tractament amb Se(IV) va augmentar el contingut de sucre, mentre que el tractament mixt va incrementar les proteïnes. L'anàlisi de l'especiació directa de Se va revelar que els brots tractats amb Se(IV) van mostrar la major conversió de Se inorgànic en formes orgàniques (97%). Un equilibri de les dues formes de Se pot mitigar la toxicitat potencial distribuint el Se de manera més uniforme a través dels teixits vegetals. La digestió gastrointestinal in vitro va mostrar que els brots tractats amb Se(IV) també tenien la major bioaccessibilitat de Se (91%). L'anàlisi de l'especiació de Se en extractes proteics va revelar que les espècies C-Se-Se-C van ser predominants en els extractes proteics de tots els tractaments. Per als microgreens, es va utilitzar una combinació de selenit i selenat per biofortificar el rave vermell, el pèsol verd i l'alfals, amb un enriquiment de Se que va variar entre 40 i 90 mg Se · kg⁻¹ DW. El tractament amb Se no va afectar negativament el contingut de fenols ni la capacitat antioxidant del pèsol verd i l'alfals, tot i que en el rave vermell va disminuir. El contingut de minerals va variar entre espècies, mostrant el rave vermell enriquit amb Se un augment en potassi, fòsfor, sofre i manganès, mentre que els nivells de calci i magnesi van disminuir en l'alfals. Els pigments fotosintètics, la clorofil·la i els carotenoides, també van fluctuar segons l'espècie vegetal. Els sucres i proteïnes van augmentar en els pèsols verds i en l'alfals tractats amb Se, mentre que el rave vermell no va mostrar un augment significatiu de sucre. L'especiació del Se va revelar que els microgreens biofortificats amb Se contenien quantitats significatives de seleno-aminoàcids, amb el rave vermell mostrant el contingut més alt (59%), seguit de l'alfals i el pèsol verd. La bioaccessibilitat del Se va mostrar que el Se en l'alfals era el més bioaccessible, seguit del rave vermell i el pèsol verd, sense diferències significatives entre ells. Els microgreens de pèsol verd tenien la major concentració de Se en proteïnes solubles. Igual que en els brots, les espècies de Se predominants en els extractes de proteïnes dels microgreens van ser compostos C-Se-Se-C. Aquests resultats indiquen que els brots i microgreens biofortificats amb Se poden servir com aliments funcionals, millorant la qualitat nutricional i la biodisponibilitat del Se.

El selenio (Se) es un micronutriente esencial para los seres humanos, ya que está presente en las selenoproteínas que son cruciales para funciones como el metabolismo tiroideo y la respuesta inmune. No obstante, alrededor de mil millones de personas sufren de deficiencia de Se, lo que provoca graves enfermedades, como la de Keshan, trastornos del estado de ánimo y otros. La biofortificación de plantas con Se ofrece una solución eficaz para aumentar la ingesta de Se, ya que las plantas pueden convertir el Se inorgánico (selenito y selenato) en formas orgánicas más biodisponibles, como los seleno-aminoácidos. Actualemente, las hierbas culinarias, en particular los brotes y microgreens, están ganando popularidad debido a sus sabores distintos, texturas y alto valor nutricional. El estudio se centra en la biofortificación de Se en brotes de alfalfa (Medicago sativa var. victoria) y microvegetales de alfalfa (Medicago sativa var. victoria), rábano rojo (Raphanus sativus var. vulcano) y guisante verde (Pisum sativum var. balboa), explorando los efectos del enriquecimiento con Se en sus perfiles nutricionales, especiación de Se y su biodisponibilidad. En el estudio, los brotes de alfalfa fueron biofortificados con tres tipos de tratamientos de Se: selenito (Se(IV)), selenato (Se(VI)) o una mezcla de ambos. El enriquecimiento con Se (4-6 mg Se · kg⁻¹ DW) no afectó negativamente a la biomasa ni a la composición bioactiva. De hecho, el tratamiento con Se(IV) aumentó el contenido de azúcar, mientras que el tratamiento mixto incrementó las proteínas. El análisis de especiación directa de Se reveló que los brotes tratados con Se(IV) exhibieron la mayor conversión de Se inorgánico en formas orgánicas (97%). Un equilibrio de ambas formas de Se puede mitigar la toxicidad potencial al distribuir el Se de manera más uniforme a través de los tejidos vegetales. La digestión gastrointestinal in vitro mostró que los brotes tratados con Se(IV) también tenían la mayor bioaccesibilidad de Se (91%). El análisis de la especiación de Se en extractos proteicos reveló que las especies C-Se-Se-C fueron predominantes en los extractos proteicos de todos los tratamientos. Para los microgreens, se utilizó una combinación de selenito y selenato para biofortificar el rábano rojo, el guisante verde y la alfalfa, con un enriquecimiento de Se que varió entre 40 y 90 mg Se · kg⁻¹ DW. El tratamiento con Se no afectó negativamente el contenido de fenoles ni la capacidad antioxidante del guisante verde y la alfalfa, aunque en el rábano rojo disminuyó. El contenido de minerales varió entre especies, mostrando el rábano rojo enriquecido con Se un aumento en potasio, fósforo, azufre y manganeso, mientras que los niveles de calcio y magnesio disminuyeron en la alfalfa. Los pigmentos fotosintéticos, la clorofila y los carotenoides, también fluctuaron según la especie vegetal. Los azúcares y proteínas aumentaron en los guisantes verdes y en la alfalfa tratados con Se, mientras que el rábano rojo no mostró un aumento significativo de azúcar. La especiación del Se reveló que los microgreens biofortificados con Se, contenían cantidades significativas de seleno-aminoácidos, con el rábano rojo mostrando el contenido más alto (59%), seguido de la alfalfa y el guisante verde. La bioaccesibilidad del Se mostró que el Se en la alfalfa era el más bioaccesible, seguido del rábano rojo y el guisante verde, sin diferencias significativas entre ellos. Los microgreens de guisante verde tenían la mayor concentración de Se en proteínas solubles. Al igual que en los brotes, las especies de Se predominantes en los extractos de proteínas de los microgreens fueron compuestos C-Se-Se-C. Estos resultados indican que los brotes y microgreens biofortificados con Se pueden servir como alimentos funcionales, mejorando la calidad nutricional y la biodisponibilidad del Se.

Selenium (Se) is an essential micronutrient for humans and higher animals since it is present in selenoproteins, which are crucial for functions like thyroid hormone metabolism and for generating an appropriated immune response. Despite its importance, around a billion people globally suffer from Se deficiency, leading to a range of health issues including Keshan disease, mood disorders, and others. Se-biofortification of plants offers an effective solution to increase Se intake through diet, as plants can convert inorganic Se (selenite and selenate) from the soil into more bioavailable organic forms, such as seleno-amino acids. Consuming Se-enriched foods is a more convenient and cost-effective alternative to Se supplementation through pills or capsules. Culinary herbs, particularly sprouts and microgreens, are gaining popularity due to their distinct flavors, textures, and high nutritional value, including rich in antioxidants, phenolic compounds, and essential minerals. These immature plants, harvested at early growth stages, can be produced year-round and in large quantities. The study focuses on Se-biofortification of alfalfa (Medicago sativa var. victoria) sprouts and microgreens from alfalfa (Medicago sativa var. victoria), red radish (Raphanus sativus var. vulcano), and green pea (Pisum sativum var. balboa), exploring the effects of Se enrichment on their nutritional profiles, Se speciation and its bioavailability. In the study, alfalfa sprouts were biofortified with 20μM with three types of Se treatments: selenite (Se(IV)), selenate (Se(VI)), or a mix of both. Se enrichment (4-6 mg Se · kg-1 DW) did not negatively affect the biomass or bioactive composition, such as mineral content, phenolics, sugars, or proteins. In fact, Se(IV) treatment enhanced sugar content, while the mixed treatment increased total protein content. Importantly, direct Se speciation analysis revealed that sprouts treated with Se(IV) exhibited the highest conversion of inorganic Se into organic forms (97%). A balance of both Se forms helped mitigate potential toxicity by distributing Se more evenly across plant tissues. The in-vitro gastro-intestinal digestion showed Se(IV)-treated sprouts also had the highest Se bioaccessibility (91%), further highlighting their potential as a functional food source. Se speciation analysis in protein extracts revealed that C-Se-Se-C species were predominant in their protein extracts in all treatments. For microgreens, a combination of 20μM of selenite and selenate was used to biofortify red radish, green pea, and alfalfa, with Se enrichment ranging from 40 to 90 mg Se · kg-1 DW. Se treatment generally did not negatively impact the phenolic content or antioxidant capacity of green pea and alfalfa, though red radish experienced a decrease. Mineral content varied across species, with Se-enriched red radish showing increased potassium, phosphorus, sulfur, and manganese levels, while calcium and magnesium levels decreased in alfalfa. Photosynthetic pigment levels, including chlorophyll and carotenoids, also fluctuated depending on the plant species. Sugar and protein levels increased in Se-treated green pea and alfalfa, while red radish showed no significant sugar increase. X-ray absorption spectroscopy revealed that Se-biofortified microgreens contained significant amounts of Se-amino acids, with red radish showing the highest content (59%), followed by alfalfa and green pea. Se bioaccessibility through an in-vitro gastro-intestinal assay, showed that Se in alfalfa was the most bioaccessible, followed by red radish and green pea, with no major differences between them. Green pea microgreens had the highest concentration of Se in soluble proteins. Similar to sprouts, the predominant Se species in microgreen protein extracts were C-Se-Se-C compounds, indicating that Se was effectively incorporated into organic forms suitable for human consumption. These results indicate that Se-biofortified sprouts and microgreens can serve as functional foods, improving the nutritional quality and bioavailability of Se. This biofortification approach offers a promising strategy to enhance human Se intake, supporting various biological functions and contributing to better health outcomes.