Volatile terpenoids and C13 norisoprenoids in wines: development of rapid methods of analysis and evaluation of the sesquiterpenoids biological potential

Vitis vinifera L., the most widely cultivated fruit crop in the world, was the starting point for the development of this PhD thesis. This subject was exploited following on two actual trends: i) the development of rapid, simple, and high sensitive methodologies with minimal sample handling; and ii) the valuation of natural products as a source of compounds with potential health benefits. The target group of compounds under study were the volatile terpenoids (mono and sesquiterpenoids) and C13 norisoprenoids, since they may present biological impact, either from the sensorial point of view, as regards to the wine aroma, or by the beneficial properties for the human health. Two novel methodologies for quantification of C13 norisoprenoids in wines were developed. The first methodology, a rapid method, was based on the headspace solid-phase microextraction combined with gas chromatography-quadrupole mass spectrometry operating at selected ion monitoring mode (HS-SPME/GC-qMS-SIM), using GC conditions that allowed obtaining a C13 norisoprenoid volatile signature. It does not require any pre-treatment of the sample, and the C13 norisoprenoid composition of the wine was evaluated based on the chromatographic profile and specific m/z fragments, without complete chromatographic separation of its components. The second methodology, used as reference method, was based on the HS-SPME/GC-qMS-SIM, allowing the GC conditions for an adequate chromatographic resolution of wine components. For quantification purposes, external calibration curves were constructed with β-ionone, with regression coefficient (r2) of 0.9968 (RSD 12.51 %) and 0.9940 (RSD of 1.08 %) for the rapid method and for the reference method, respectively. Low detection limits (1.57 and 1.10 μg L-1) were observed. These methodologies were applied to seventeen white and red table wines. Two vitispirane isomers (158-1529 L-1) and 1,1,6-trimethyl-1,2-dihydronaphthalene (TDN) (6.42-39.45 μg L-1) were quantified. The data obtained for vitispirane isomers and TDN using the two methods were highly correlated (r2 of 0.9756 and 0.9630, respectively). A rapid methodology for the establishment of the varietal volatile profile of Vitis vinifera L. cv. 'Fernão-Pires' (FP) white wines by headspace solid-phase microextraction combined with comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry (HS-SPME/GCxGC-TOFMS) was developed. Monovarietal wines from different harvests, Appellations, and producers were analysed. The study was focused on the volatiles that seem to be significant to the varietal character, such as mono and sesquiterpenic compounds, and C13 norisoprenoids. Two-dimensional chromatographic spaces containing the varietal compounds using the m/z fragments 93, 121, 161, 175 and 204 were established as follows: 1tR = 255-575 s, 2tR = 0,424-1,840 s, for monoterpenoids, 1tR = 555-685 s, 2tR = 0,528-0,856 s, for C13 norisoprenoids, and 1tR = 695-950 s, 2tR = 0,520-0,960 s, for sesquiterpenic compounds. For the three chemical groups under study, from a total of 170 compounds, 45 were determined in all wines, allowing defining the "varietal volatile profile" of FP wine. Among these compounds, 15 were detected for the first time in FP wines. This study proposes a HS-SPME/GCxGC-TOFMS based methodology combined with classification-reference sample to be used for rapid assessment of varietal volatile profile of wines. This approach is very useful to eliminate the majority of the non-terpenic and non-C13 norisoprenic compounds, allowing the definition of a two-dimensional chromatographic space containing these compounds, simplifying the data compared to the original data, and reducing the time of analysis. The presence of sesquiterpenic compounds in Vitis vinifera L. related products, to which are assigned several biological properties, prompted us to investigate the antioxidant, antiproliferative and hepatoprotective activities of some sesquiterpenic compounds. Firstly, the antiradical capacity of trans,trans-farnesol, cis-nerolidol, α-humulene and guaiazulene was evaluated using chemical (DPPH• and hydroxyl radicals) and biological (Caco-2 cells) models. Guaiazulene (IC50= 0.73 mM) was the sesquiterpene with higher scavenger capacity against DPPH•, while trans,trans-farnesol (IC50= 1.81 mM) and cis-nerolidol (IC50= 1.48 mM) were more active towards hydroxyl radicals. All compounds, with the exception of α-humulene, at non-cytotoxic levels (≤ 1 mM), were able to protect Caco-2 cells from oxidative stress induced by tert-butyl hydroperoxide. The activity of the compounds under study was also evaluated as antiproliferative agents. Guaiazulene and cis-nerolidol were able to more effectively arrest the cell cycle in the S-phase than trans,trans-farnesol and α-humulene, being the last almost inactive. The relative hepatoprotection effect of fifteen sesquiterpenic compounds, presenting different chemical structures and commonly found in plants and plant-derived foods and beverages, was assessed. Endogenous lipid peroxidation and induced lipid peroxidation with tert-butyl hydroperoxide were evaluated in liver homogenates from Wistar rats. With the exception of α-humulene, all the sesquiterpenic compounds under study (1 mM) were effective in reducing the malonaldehyde levels in both endogenous and induced lipid peroxidation up to 35% and 70%, respectively. The developed 3D-QSAR models, relating the hepatoprotection activity with molecular properties, showed good fit (R2LOO > 0.819) with good prediction power (Q2 > 0.950 and SDEP < 2%) for both models. A network of effects associated with structural and chemical features of sesquiterpenic compounds such as shape, branching, symmetry, and presence of electronegative fragments, can modulate the hepatoprotective activity observed for these compounds. In conclusion, this study allowed the development of rapid and in-depth methods for the assessment of varietal volatile compounds that might have a positive impact on sensorial and health attributes related to Vitis vinifera L. These approaches can be extended to the analysis of other related food matrices, including grapes and musts, among others. In addition, the results of in vitro assays open a perspective for the promising use of the sesquiterpenic compounds, with similar chemical structures such as those studied in the present work, as antioxidants, hepatoprotective and antiproliferative agents, which meets the current challenges related to diseases of modern civilization.

Desenvolvimento profissional de professores de ciências: um estudo no contexto da geologia

Os grandes desafios colocados à educação têm vindo a dar centralidade à formação dos professores. O presente estudo pretende ser uma contribuição para o desenvolvimento profissional de professores (DPP) de ciências na sociedade atual. Trata-se de uma investigação em supervisão da formação, mais especificamente, na supervisão da formação de professores em didática das ciências. Insere-se na formação contínua e reflete preocupações que se prendem com saberes profissionais dos professores de ciências num contexto da educação em geociências no ensino secundário. Foi concebido, implementado e avaliado um programa de formação (PF), integrado num percurso de desenvolvimento profissional, que contemplou uma abordagem multidisciplinar de natureza ciência-tecnologia-sociedade (CTS). Valorizaram-se os ambientes exteriores à sala de aula (AESA), bem como a avaliação do seu impacte no DPP, no final do PF e, também, no final do ano letivo seguinte. O estudo integrou três fases: aprofundamento do quadro teórico que contextualiza a investigação (Fase I); conceção, implementação e avaliação do PF (Fase II); elaboração de linhas orientadoras para o DPP de ciências e redação do trabalho final (Fase III). Na Fase I foi aprofundado o quadro teórico que enquadrou e sustentou o estudo realizado, fundamentando as opções tomadas nas fases subsequentes. Foram relevadas temáticas como o conhecimento profissional e o desenvolvimento profissional docente, a formação contínua e a supervisão da formação, a educação em geociências e o seu contributo para a formação científica do cidadão numa perspetiva CTS. A avaliação das aprendizagens, de uma forma especial em AESA, bem como as dificuldades inerentes ao nível da sua integração curricular foi abordada. Na Fase II, foi concebido um PF, sustentado em indicadores da investigação, que assentou numa matriz multidisciplinar, de natureza CTS, o qual valorizou os AESA. Na modalidade de oficina de formação, o PF decorreu ao longo do ano letivo 2010/2011, teve a duração de cinquenta horas presenciais - em ambientes de aprendizagem diversos - e cinquenta não presenciais e foi frequentado por dezasseis professores do grupo 520, pertencentes a dez escolas diferentes. Na primeira sessão, foi administrado um questionário aos professores para diagnosticar as suas conceções sobre o ensino das ciências desenvolvido numa matriz CTS e em AESA. Os indicadores obtidos mostram que a maior parte dos professores não desenvolve atividades daquela natureza e que as realizadas são pouco exigentes do ponto de vista cognitivo. Foi igualmente reconhecido que a implementação deste tipo de atividades necessita de conhecimentos de outras áreas do saber e de materiais de apoio, e, ainda, que a formação inicial é insuficiente. Esta fase terminou com a avaliação das perceções sobre o impacte do programa de formação no DPP e na melhoria das práticas de formação contínua de professores de ciências. Os indicadores obtidos revelam que o percurso formativo contribuiu para: − o desenvolvimento do conhecimento profissional dos participantes, ao nível dos saberes associados à exploração, transformação e utilização dos recursos geológicos e das implicações sociais e ambientais associadas e, também, do conhecimento didático acerca do ensino das ciências nos contextos aqui considerados, bem como da avaliação das aprendizagens; − a construção de materiais didáticos específicos, que os professores reconhecem que promovem a aprendizagem contextualizada, a integração de saberes, o desenvolvimento de competências (conceptuais, procedimentais e atitudinais), a avaliação das aprendizagens integrada, permitindo, ainda, atingir os objetivos educacionais previstos no programa da disciplina e motivar os alunos para a aprendizagem da geologia; − a modificação de algumas práticas pedagógicas, ao nível da utilização curricular da perspetiva CTS nos ambientes aqui estudados, com destaque para a respetiva avaliação dos alunos; − o desenvolvimento de capacidades necessárias ao trabalho colaborativo e da capacidade reflexiva dos professores participantes; − a identificação de potencialidades no PF implementado, ao nível da organização, da metodologia e da supervisão da formação. Na Fase III, as conclusões obtidas levaram à apresentação de linhas orientadoras para o DPP de ciências, ao nível da formação contínua de professores, da supervisão da formação e do ensino e aprendizagem das ciências. Considera-se que as propostas referidas, ao alterarem as práticas vigentes, podem contribuir para aproximar a prática letiva dos professores de ciências da investigação em didática e, assim, para a melhoria da qualidade das aprendizagens dos alunos.