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UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS Departamento de Química Analítica Centro de Investigación y Desarrollo del Alimento Funcional CARACTERIZACIÓN Y ESTUDIOS METABOLÓMICOS DE COMPUESTOS FENÓLICOS BIOACTIVOS MEDIANTE TÉCNICAS SEPARATIVAS ACOPLADAS A ESPECTROMETRÍA DE MASAS presentada por: Rosa Mª Quirantes Piné para optar al grado de: Doctor Internacional por la Universidad de Granada Tesis doctoral dirigida por: D. Alberto Fernández Gutiérrez D. Antonio Segura Carretero Granada, 2012

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UNIVERSIDAD DE GRANADA

FACULTAD DE CIENCIAS

Departamento de Química Analítica

Centro de Investigación y Desarrollo del Alimento Funcional

CARACTERIZACIÓN Y ESTUDIOS METABOLÓMICOS DE COMPUESTOS

FENÓLICOS BIOACTIVOS MEDIANTE TÉCNICAS SEPARATIVAS

ACOPLADAS A ESPECTROMETRÍA DE MASAS

presentada por:

Rosa Mª Quirantes Piné

para optar al grado de:

Doctor Internacional por la Universidad de Granada

Tesis doctoral dirigida por:

D. Alberto Fernández Gutiérrez

D. Antonio Segura Carretero

Granada, 2012

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Editor: Editorial de la Universidad de GranadaAutor: Rosa María Quirantes PinéD.L.: GR 188-2013ISBN: 978-84-9028-292-2

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Esta tesis doctoral ha sido realizada gracias a una beca predoctoral de

formación de profesorado universitario concedida por el Ministerio de

Educación y Ciencia (AP2007 03246) y a la financiación con cargo a fondos del

Centro de Investigación y Desarrollo del Alimento Funcional (CIDAF)

procedentes de diferentes proyectos, contratos y subvenciones de las

Administraciones central y autonómica, plan propio de investigación de la

UGR, así como de empresas interesadas en los resultados de la investigación.

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CARACTERIZACIÓN Y ESTUDIOS METABOLÓMICOS DE COMPUESTOS

FENÓLICOS BIOACTIVOS MEDIANTE TÉCNICAS SEPARATIVAS

ACOPLADAS A ESPECTROMETRÍA DE MASAS

por

Rosa Mª Quirantes Piné

Visado en Granada a 15 de Junio de 2012

Fdo: Prof. Dr. D. Alberto Fernández Gutiérrez

Catedrático del Departamento de Química Analítica

Facultad de Ciencias. Universidad de Granada

Fdo: Prof. Dr. D. Antonio Segura Carretero

Catedrático del Departamento de Química Analítica

Facultad de Ciencias. Universidad de Granada

Memoria para optar al grado de Doctor Internacional por la UGR:

Fdo: Rosa Mª Quirantes Piné

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El Prof. Dr. D. ALBERTO FERNÁNDEZ GUTIÉRREZ, Catedrático de Universidad en

el Departamento de Química Analítica “Profesor Fermín Capitán” y en el

Instituto de Nutrición y Tecnología de los Alimentos “José Mataix” y Director del

Centro de Investigación y Desarrollo del Alimento Funcional (CIDAF) de la

Universidad de Granada,

CERTIFICA

Que el trabajo que se presenta en esta tesis doctoral con el título:

“CARACTERIZACIÓN Y ESTUDIOS METABOLÓMICOS DE COMPUESTOS

FENÓLICOS BIOACTIVOS MEDIANTE TÉCNICAS SEPARATIVAS ACOPLADAS A

ESPECTROMETRÍA DE MASAS”, que ha sido realizado bajo mi dirección y la del

Prof. Dr. D. Antonio Segura Carretero en los laboratorios del Centro de

Investigación y Desarrollo del Alimento Funcional (Parque Tecnológico de

Ciencias de la Salud) y también parcialmente, en las instalaciones que la

compañía Bruker Daltonik GMBH tiene en Bremen (Alemania), reúne todos los

requisitos legales, académicos y científicos para hacer que el doctorando Dña.

Rosa Mª Quirantes Piné pueda optar al grado de Doctor Internacional por la

Universidad de Granada.

Y para que así conste, expido y firmo el presente certificado en Granada a

15 de Junio de 2012:

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ÍNDICE

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Índice

11

ÍNDICE GENERAL

ABREVIATURAS ................................................................................................... 17

RESUMEN ........................................................................................................... 23

SUMMARY .......................................................................................................... 29

OBJETIVOS.......................................................................................................... 35

INTRODUCCIÓN.................................................................................................. 39

1. Alimentos funcionales y nutracéuticos................................................................. 41

2. Fuentes vegetales para el desarrollo de nutracéuticos ........................................ 44

2.1. Lippia citriodora ............................................................................................. 45

2.2. Hoja de olivo .................................................................................................. 46

3. Compuestos fenólicos como compuestos bioactivos de origen vegetal.............. 48

3.1. Estructura y clasificación de los compuestos fenólicos ................................. 49

3.2. Efectos saludables de los compuestos fenólicos ........................................... 51

3.2.1. Actividad antioxidante de los compuestos fenólicos........................... 53

3.2.2. Actividad antiinflamatoria de los compuestos fenólicos ..................... 55

3.2.3. Actividad anticancerígena de los compuestos fenólicos...................... 56

3.3. Absorción y metabolismo de los compuestos fenólicos................................ 58

4. El papel de la metabolómica en el estudio de los compuestos fenólicos ............ 61

4.1. Concepto de metabolómica........................................................................... 62

4.2. Estrategias en metabolómica......................................................................... 63

4.3. Aproximaciones metabolómicas al estudio de compuestos fenólicos.......... 65

5. Tratamiento de muestra para la determinación de compuestos fenólicos ......... 67

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Índice

12

5.1. Muestras de origen vegetal ........................................................................... 67

5.2. Muestras de origen biológico ........................................................................ 70

6. Técnicas separativas para la determinación de compuestos fenólicos................ 72

6.1. Electroforesis capilar (CE) .............................................................................. 73

6.1.1. Fundamentos .................................................................................. 73

6.1.2. Separación de compuestos fenólicos mediante CE ............................. 76

6.2. Cromatografía líquida (LC) ............................................................................. 78

6.2.1. Fundamentos .................................................................................. 78

6.2.2. Separación de compuestos fenólicos mediante HPLC y UPLC/RRLC ..... 82

6.2.3. Separación de compuestos fenólicos mediante nanoLC...................... 83

7. Sistemas de detección para el acoplamiento con técnicas separativas ............... 85

7.1. Espectroscopía de absorción UV Vis.............................................................. 86

7.2. Espectrometría de masas (MS) ...................................................................... 88

7.2.1. Sistema de ionización: Ionización por electrospray (ESI) ..................... 91

7.2.1.1. Interfase ESI para el acoplamiento CE MS................................... 93

7.2.1.2. Interfase ESI para el acoplamiento HPLC MS ............................... 95

7.2.1.3. Interfase ESI para el acoplamiento nanoLC MS............................ 96

7.2.2. Analizadores de masas..................................................................... 97

7.2.2.1. Trampa de iones (IT) ................................................................. 98

7.2.2.2. Tiempo de vuelo (TOF) ............................................................ 100

7.2.2.3. Cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF) ........................................ 102

Bibliografía ............................................................................................................... 105

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Índice

13

PARTE EXPERIMENTAL ..................................................................................... 127

Bloque I. Caracterización de fuentes de compuestos fenólicos bioactivos .. 129

Capítulo 1. Identificación de los compuestos fenólicos de un extracto de Lippia

citriodoramediante HPLC DAD ESI TOF/IT MS................................................... 131

Capítulo 2. Caracterización de los compuestos fenólicos y otros compuestos

polares de un extracto de Lippia citriodoramediante CE ESI MS.......................141

Capítulo 3. HPLC ESI QTOF MS como una potente herramienta analítica para

caracterizar los compuestos fenólicos de extractos de hoja de olivo.................153

Bloque II. Estudios metabolómicos de compuestos fenólicos bioactivos..... 179

Capítulo 4. Evaluación de diferentes estrategias de extracción para la

determinación de compuestos fenólicos y sus metabolitos en plasma mediante

nanoLC ESI TOF MS ............................................................................................. 181

Capítulo 5. Los fenilpropanoides y sus metabolitos son los principales

compuestos responsables de la protección de las células sanguíneas contra el

estrés oxidativo tras la administración de un extracto de Lippia citriodora .......205

Capítulo 6. Evaluación de la absorción y metabolismo de compuestos fenólicos de

hojas de olivo en células SKBR3 mediante perfilado metabólico con HPLC ESI

QTOF MS.............................................................................................................. 229

CONCLUSIONES ................................................................................................ 251

FINAL CONCLUSIONS ........................................................................................ 257

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Índice

14

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.Modos de separación en electroforesis capilar .................................... 76

Tabla 2. Principales diferencias entre los distintos tipos de LC .......................... 80

Tabla 3.Modos de LC en función de la fase estacionaria empleada. ................. 81

Tabla 4. Bandas de absorción características de diversas familias de compuestos

fenólicos ............................................................................................................. 88

Tabla 5. Sistemas de ionización y analizadores de masas más utilizados en el

acoplamiento HPLC MS y CE MS. ....................................................................... 90

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Índice

15

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Tallo de Lippia citriodora con detalle de las flores y las hojas. ............ 45

Figura 2. Olivo con detalle de las ramas y las hojas............................................ 46

Figura 3. Clasificación de las familias de compuestos bioactivos más comunes 48

Figura 4. Clasificación de las principales familias de compuestos fenólicos....... 50

Figura 5. Clasificación de los flavonoides ........................................................... 51

Figura 6. Bioactividad de los compuestos fenólicos ........................................... 52

Figura 7. Esquema de la absorción de polifenoles glicosados (PF–azúcar) en los

enterocitos y sus transformaciones metabólicas................................................ 60

Figura 8. Diagrama conceptual de las ciencias “ómicas”.................................... 63

Figura 9. Diagrama de los principales sistemas de extracción............................ 69

Figura 10. Proteínas precipitadas en una muestra de plasma............................ 70

Figura 11. Cartuchos de extracción en fase sólida y placas de pocillos. ............. 72

Figura 12. Esquema de un instrumento de electroforesis capilar ..................... 74

Figura 13. Esquema simplificado de un equipo de LC junto a uno comercial..... 79

Figura 14. Equipo de nanoLC comercial.............................................................. 84

Figura 15. Esquema de las partes de un espectrómetro de masas..................... 89

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Índice

16

Figura 16. Plataformas analíticas empleadas en la presente memoria .............. 91

Figura 17. Diagrama de formación del electrospray........................................... 92

Figura 18. Esquema de una interfase ESI con flujo adicional.............................. 95

Figura 19. Esquema de un espectrómetro de masas IT. ..................................... 98

Figura 20. Diagrama del modo de trabajo MS/MS en la trampa de iones........ 100

Figura 21. Esquema detallado de las partes de las que consta un espectrómetro

de masas TOF.................................................................................................... 101

Figura 22. Esquema detallado de las partes de las que consta un espectrómetro

de masas QTOF. ................................................................................................ 103

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ABREVIATURAS

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Abreviaturas

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APCI: ionización química a presión atmosférica

CAT: catalasa

CBG: ß glucosidasa citosólica

CE: electroforesis capilar

CF FAB: ionización por flujo continuo y bombardeo con átomos rápidos

CGE: electroforesis capilar en gel

CIEF: isoelectroenfoque capilar

CITP: isotacoforesis capilar

COMT: catecol O metiltransferasas

CZE: electroforesis capilar en zona

DAD: detector de bateria de diodos

DNA: ácido desoxirribonucleico

EOF: flujo electroosmótico

ESI: ionización por electrospray

FT ICR: analizador de masas de transformada de Fourier resonancia ciclotrónica

FWHM: anchura de pico a mitad de su altura máxima

GC: cromatografía de gases

GPx: glutatión peroxidasa

GRed: glutatión reductasa

HPLC: cromatografía líquida de alta resolución

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Abreviaturas

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ICP: plasma acoplado inductivamente

IL 1ß: interleuquina 1ß

IL 6: interleuquina 6

IT: analizador de masas de trampa de iones

LC: cromatografía líquida

LLE: extracción líquido líquido

LPH: lactasa floricin hidrolasa

MAE: extracción asistida por microondas

MALDI: desorción/ionización asistida por una matriz

MEKC: cromatografía capilar electrocinética micelar

MS: espectrometría de masas

MSPE:microextracción en fase sólida

nanoLC: nanocromatografía líquida

PLE: extracción con fluidos presurizados

Q: analizador de masas cuadrupolo

QqQ: analizador de masas triple cuadrupolo

Q TOF: analizador de masas cuadrupolo tiempo de vuelo

RF: radiofrecuencia

RRLC: cromatografía líquida de resolución rápida

SDS: dodecilsulfato sódico

SFC: cromatografía de fluidos supercríticos

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Abreviaturas

21

SFE: extracción con fluidos supercríticos

SGLT1: transportador de glucosa dependiente de sodio

SLE: extracción sólido líquido

SOD: superóxido dismutasa

SPE: extracción en fase sólida

SULT: sulfotransferasas

TLC: cromatografía en capa fina

TNF : factor de necrosis tumoral

TOF: analizador de masas de tiempo de vuelo

TS: ionización por termonebulización

UGTs: uridin 5 O difosfato glucuronosiltransferasas

UPLC: cromatografía líquida de ultra alta resolución

UV Vis: ultravioleta visible

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RESUMEN

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Resumen

25

En esta memoria se reúnen los resultados obtenidos durante la realización de la

tesis doctoral titulada “Caracterización y estudios metabolómicos de

compuestos fenólicos bioactivos mediante técnicas separativas acopladas a

espectrometría de masas”, donde se evalúa del potencial de Lippia citriodora y

las hojas de Olea europaea como fuentes de compuestos fenólicos bioactivos

para el desarrollo de nutracéuticos. La memoria se ha dividido en dos secciones:

introducción y parte experimental.

En la introducción se describen, en primer lugar, las principales características

de los nutracéuticos y las diferencias que existen entre éstos y los alimentos

funcionales. A continuación, se detallan las principales características de las dos

fuentes vegetales bajo estudio, Lippia citriodora y Olea europaea, las

propiedades de los compuestos fenólicos (estructura, clasificación, efectos

saludables, absorción y metabolismo) y el papel que juega la metabolómica en

el estudio de estos compuestos. Por último, se describen las diferentes etapas

del procedimiento analítico para la determinación de compuestos fenólicos que

se han empleado en la parte experimental: tratamiento de muestra (tanto para

muestras vegetales como biológicas), separación (CE, HPLC y nanoLC) y

detección (absorción UV Vis, IT MS, TOF MS y QTOF MS).

La parte experimental se divide en dos bloques que a su vez constan de tres

capítulos cada uno: el primero centrado en la caracterización de las fuentes

vegetales de compuestos fenólicos bajo estudio, es decir, Lippia citriodora y

hoja de olivo, y el segundo aborda estudios de absorción y metabolismo de los

compuestos fenólicos de dichas fuentes in vitro e in vivo mediante enfoques

metabolómicos.

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Resumen

26

El bloque I se ha centrado en la caracterización exhaustiva de los extractos de

las dos fuentes de compuestos fenólicos bioactivos estudiadas, Lippia citriodora

y las hojas de Olea europaea. En el capítulo 1, se emplea HPLC DAD ESI TOF/IT

MS para estudiar la composición del extracto de Lippia citriodora. El uso de una

columna de pequeño tamaño de partícula proporciona gran resolución,

permitiendo la separación de varios isómeros. La información complementaria

proporcionada por los distintos detectores, familia del compuesto indicada por

los máximos de absorción, masas exactas y distribución isotópica proporcionada

por el analizador TOF MS y el patrón de fragmentación obtenido con el

analizador IT MS/MS, permiten la identificación tentativa de compuestos

fenólicos en Lippia citriodora de los que no se dispone de patrones comerciales.

Como continuación de este estudio, en el capítulo 2 se optimiza un método de

CE ESI IT/TOF MS para completar la caracterización del extracto de Lippia

citriodora. Los principales parámetros electroforéticos así como los de la

transferencia al analizador de masas se estudian de forma pormenorizada hasta

conseguir la máxima resolución y sensibilidad. De esta forma, el método

optimizado permite la identificación de algunos compuestos que no se habían

caracterizado mediante el método cromatográfico descrito en el capítulo 1,

demostrando la complementariedad de ambas técnicas separativas. Para

finalizar el bloque, el capítulo 3, realizado en colaboración con el Instituto de

Investigación en Ciencias de la Alimentación del Consejo Superior de

Investigaciones Científicas de Madrid, se centra en el estudio de la composición

mediante HPLC ESI QTOF MS de dos extractos de hoja de olivo obtenidos

mediante PLE utilizando etanol y agua como disolventes de extracción. La

elevada exactitud de masas y distribución isotópica tanto de los espectros de

masas como de masas/masas proporcionada por el analizador QTOF MS

permite la identificación de un gran número de compuestos fenólicos en ambos

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Resumen

27

extractos, incluyendo secoiridoides, fenoles simples, flavonoides, derivados de

ácidos cinámicos y ácidos benzoicos.

En el bloque II, llevado a cabo en colaboración con el Instituto de Biología

Molecular y Celular (IBMC) de la Universidad Miguel Hernández, se estudia la

absorción y metabolismo in vitro o in vivo de los compuestos fenólicos de

ambos extractos mediante enfoques metabolómicos. En el capítulo 4 se evalúan

diversos procedimientos de tratamiento de muestra y extracción para el análisis

de compuestos fenólicos en plasma mediante nanoLC ESI TOF MS, incluyendo

precipitación de proteínas en diferentes condiciones, digestión enzimática y SPE

utilizando diferentes fases sólidas y valores de pH. El procedimiento

desarrollado se aplica al análisis de muestras de plasma de rata tras la

administración del extracto de Lippia citriodora. En el capítulo 5, se estudia el

efecto del extracto de Lippia citriodora sobre la actividad de las enzimas

antioxidantes CAT, GPx y GRed en linfocitos, eritrocitos y neutrófilos, así como

la actividad de MPO en neutrófilos (marcador del daño vascular inflamatorio) en

ratas wistar tras la ingesta aguda del extracto. El efecto del extracto sobre estas

actividades enzimáticas se correlaciona con los metabolitos identificados en

plasma mediante HPLC ESI TOF MS para intentar establecer qué compuesto o

compuestos son los responsables de esta actividad y por tanto, los que podrían

resultar de interés para el desarrollo de nutracéuticos. Por último, en el capítulo

6, se estudia la absorción de los compuestos fenólicos de hoja de olivo por parte

de la línea celular de cáncer de mama SKBR3 para intentar establecer qué

compuestos fenólicos son los responsables de la actividad citotóxica

previamente mostrada en esta línea celular. Para ello, en primer lugar, el

extracto de hoja de olivo se caracteriza cuantitativamente mediante HPLC ESI

QTOF MS, y a continuación se analiza mediante el mismo método el perfil

metabólico del citoplasma de células SKBR3 incubadas con el extracto de hoja

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Resumen

28

de olivo durante diferentes tiempos (15 min, 1, 2, 24 y 48 h). El trabajo

experimental incluido en este capítulo se desarrolló durante una estancia de 4

meses en la sede de la empresa Bruker Daltonik en Bremen, Alemania.

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SUMMARY

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Summary

31

This work is a summary of all the results obtained for the PhD thesis:

“Caracterización y estudios metabolómicos de compuestos fenólicos

bioactivos mediante técnicas separativas acopladas a espectrometría de

masas (Characterization and metabolomic studies of bioactive phenolic

compounds by separative techniques coupled to mass spectrometry)”, where

the potential of Lippia citriodora and Olea europaea leaves as bioactive phenolic

compounds source for the development of nutraceuticals is assessed. The

current work can be divided in two sections: introduction and the experimental

ones.

The introduction includes outstanding information about the main features of

nutraceuticals and the differences between these ones and functional foods.

Then, both plant sources under study, Lippia citriodora and Olea europaea are

described, as well as the properties of phenolic compounds (structure,

classification, healthy effects, absorption and metabolism) and the role that

metabolomics play in the study on these compounds. Finally, the different

stages of an analytical procedure for the determination of phenolic compounds

used in the experimental section are described: sample treatment (for plant and

biological samples), separation (CE, HPLC and nanoLC) and detection (UV Vis

spectroscopy, IT MS, TOF MS and QTOF MS).

The experimental section is divided in two sections with three chapters each

one: the first one is focused on the characterization of the plant sources of

phenolic compounds under study, Lippia citriodora and olive leaves, and the

second one studies the in vitro or in vivo absorption and metabolism of phenolic

compounds by metabolomic approaches.

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Summary

32

The section I is focused in the comprehensive characterization of the bioactive

phenolic compounds from both studied plant sources, Lippia citriodora and Olea

europaea leaves. In the chapter 1, HPLC DAD ESI TOF/IT MS is used to study the

composition of the Lippia citriodora extract. The use of a small particle size

column provides a great resolution, making possible the separation of several

isomers. The complementary information supplied by the different detectors,

class of phenolic compound delimited by UV–visible spectroscopy, accurate

mass measurements and true isotopic pattern provided by TOF MS, and

fragmentation pattern obtained by IT MS/MS, enabled the tentative

identification of phenolic compounds from Lippia citriodora when commercial

standards are not available. As a continuation of this work, in the chapter 2, a

CE ESI IT/TOF MS method is optimized to complete the characterization of the

Lippia citriodora extract. The main electrophoretic conditions as well as the ion

transfer parameters of the mass analyzer are carefully studied to achieve the

maximum resolution and sensitivity. In this way, the optimized method enables

the identification of some compounds which had not been characterized by the

chromatographic method described in chapter 1, proving the complementarity

of both separation techniques. To finish this section, chapter 3 is focused on the

study by HPLC ESI QTOF MS of the composition of two olive leaf extracts

obtained by PLE using ethanol and water as extraction solvents. The high mass

accuracy and true isotopic pattern in both MS and MS/MS spectra provided by

QTOF MS analyzer enable the identification of a wide range of phenolic

compounds in both extracts, including secoiridoids, simple phenols, flavonoids,

cinnamic acid derivatives, and benzoic acids. This work was carried out in

collaboration with the Institute of Food Science Research from the Superior

Council of Scientific Research (CIAL CSIC).

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Summary

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The setion II has been carried out in collaboration with the Institute of

Molecular and Cellular Biology (IBMC) of the Miguel Hernández University, and

it is focused on the study of in vitro or in vivo absorption and metabolism of the

phenolic compounds from both extracts by metabolomic approaches. Chapter 4

assesses different sample treatments and extraction procedures to the analysis

of phenolic compounds in plasma by nanoLC ESI TOF MS. The tested

procedures include protein precipitation at different conditions, enzymatic

digestion and SPE using several solid phases and pH values. The developed

procedure is applied to the analysis of rat plasma samples after administration

of the Lippia citriodora extract. Chapter 5 studies the effect of Lippia citriodora

extract intake on antioxidant enzymes CAT, GPx and GRed activities in

lymphocytes, erythrocytes and neutrophils, as well as MPO activity in

neutrophils (marker for inflammatory vascular damage) in wistar rats after

acute intake of the extract. The effect of the extract on these enzymatic

activities is correlated with the phenolic metabolites identified in plasma by

HPLC ESI TOF MS to establish which compound or compounds are responsible

for this activity and therefore, may be interesting in nutraceuticals

development. Finally, chapter 6 evaluates the in vitro uptake of phenolic

compounds from olive leaf by breast cancer cell line SKBR3 to determine which

phenolic compounds are responsible for the citotoxic activity showed in this cell

line. For this aim, firstly, the olive leaf extract is quantitatively characterized by

HPLC ESI QTOF MS, and then a metabolite profiling approach based on the

same HPLC ESI QTOF MS method is used to identify the intracellular phenolic

compounds at different incubation times (15 min, 1, 2, 24 and 48 h). This work

has been developed during a stay of four months in the Applications

Department of the company Bruker Daltonik in Bremen (Germany).

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OBJETIVOS

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Objetivos

37

En los últimos años se ha despertado un creciente interés por el estudio de los

compuestos fenólicos debido, fundamentalmente, a las numerosas evidencias

de sus efectos beneficiosos para la salud. Es por esta demostrada bioactividad

que gran parte de la investigación en el ámbito del desarrollo de nutracéuticos

se ha centrado en estos compuestos, prestando especial atención a la búsqueda

de fuentes vegetales ricas en compuestos fenólicos que presenten un

determinado efecto biológico. Por todo ello, el objetivo global de la presente

tesis doctoral es la evaluación del potencial de Lippia citriodora y las hojas de

Olea europaea como fuente de compuestos fenólicos bioactivos para el

desarrollo de nutracéuticos. Este ambicioso objetivo se puede concretar en

otros dos objetivos más específicos correspondientes a los dos bloques en los

que se ha dividido la parte experimental de esta tesis:

En el primer bloque se pretende caracterizar en profundidad los

extractos de las dos fuentes de compuestos fenólicos bioactivos bajo

estudio, Lippia citriodora y las hojas de Olea europaea. Para llevar a cabo

esta caracterización se emplearán diversas combinaciones de potentes

plataformas analíticas. En el caso del extracto de Lippia citriodora, se

estudiará su composición mediante cromatografía líquida de alta

resolución (HPLC) acoplada a diversos sistemas de detección que

proporcionan información complementaria, como es el caso de la

espectroscopía UV/visible con detector de batería de diodos (DAD) y la

espectrometría de masas con analizadores de tiempo de vuelo (TOF MS)

y trampa de iones (IT MS), así como mediante electroforesis capilar (CE)

acoplada a ambos analizadores de masas. En el caso del extracto de hoja

de olivo, se caracterizará mediante HPLC acoplada a espectrometría de

masas con analizador cuadrupolo tiempo de vuelo (HPLC ESI QTOF MS).

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Objetivos

38

En el segundo bloque de la tesis se pretende estudiar la absorción y

metabolismo in vitro o in vivo de los compuestos fenólicos de ambos

extractos mediante enfoques metabolómicos. Para ello, en primer lugar,

se desarrollará un procedimiento de extracción para el análisis de

compuestos fenólicos en plasma mediante nanoLC ESI TOF MS y el

procedimiento desarrollado se aplicará al análisis de muestras de plasma

de rata tras la administración del extracto de Lippia citriodora. A

continuación, se estudiará el efecto del extracto de Lippia citriodora

sobre las enzimas antioxidantes en ratas wistar tras la ingesta aguda del

extracto y se correlacionará con los metabolitos identificados en plasma

mediante HPLC ESI TOF MS para intentar establecer qué compuestos son

los responsables de esta actividad y por tanto, los que podrían resultar de

interés para el desarrollo de nutracéuticos. Para finalizar, se estudiará la

absorción y metabolismo de los compuestos fenólicos de hoja de olivo

por parte de la línea celular de cáncer de mama SKBR3 mediante HPLC

ESI QTOF MS para intentar establecer qué compuestos fenólicos son los

responsables de la actividad citotóxica previamente mostrada en esta

línea celular.

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INTRODUCCIÓN

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Introducción

41

1. ALIMENTOS FUNCIONALES Y NUTRACÉUTICOS

Desde los orígenes de las primeras civilizaciones se ha sospechado la relación

existente entre los hábitos alimenticios y la salud. Ya en el siglo V a.C.,

Hipócrates afirmaba: “deja que el alimento sea tu medicina y que la medicina

sea tu alimento”, sin ser consciente de como su principio seguiría teniendo

vigencia 2.500 años después. No obstante, las conexiones concretas no han sido

fundamentadas hasta el siglo XIX. Durante el siglo XIX y mitad del siglo XX, la

observación médica y la experimentación animal y bioquímica han ido

demostrando el importante papel que juega la alimentación en diversos

procesos bioquímicos. Por un lado, la dieta suministra los nutrientes necesarios

para satisfacer los requerimientos metabólicos de un individuo. Pero más allá de

los beneficios nutricionales aceptados, la alimentación puede producir una serie

de efectos fisiológicos beneficiosos al modular funciones específicas, por lo que

puede no sólo ayudar a alcanzar una salud óptima, sino desempeñar además

una función importante reduciendo los riesgos de padecer determinadas

enfermedades. De hecho, en la última década se han acumulado numerosas

evidencias científicas que demuestran el papel de ciertos componentes de la

dieta en la prevención de enfermedades cardiovasculares, osteoporosis,

obesidad, condiciones inflamatorias y algunos tipos de cáncer. De igual modo,

se ha dedicado especial atención al papel de la dieta en la modulación del

sistema inmune, el retraso en el proceso de envejecimiento así como su

influencia en el rendimiento físico e intelectual [1].

Ciertas tendencias de la sociedad actual han favorecido el desarrollo de la

investigación centrada en el efecto fisiológico de una alimentación equilibrada,

como son:

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Introducción

42

El creciente costo sanitario.

El aumento paulatino de la esperanza de vida con el consiguiente

aumento de la población mayor de 65 años.

El deseo de una mejor calidad de vida.

Un mayor conocimiento de la relación entre la dieta y la salud.

Como consecuencia de estos cambios en la Ciencia de la Nutrición ha surgido

toda una nueva generación de productos así como de conceptos muy similares

entre sí como son los alimentos funcionales, nutracéuticos, complementos

alimenticios, alimentos enriquecidos, medicinales y saludables, entre otros, de

forma que la terminología relativa a este tipo de alimentos no se ha

consensuado hasta hace poco tiempo. Los factores que diferencian unos

términos de otros son: la propia naturaleza del alimento, el efecto esperado

sobre la salud, la forma de presentación, a quién va dirigido y su procesado.

En Europa, el primer documento consensuado sobre conceptos científicos en

relación con los alimentos funcionales fue elaborado en 1999 por un grupo de

expertos coordinados por el ILSI (Internacional Life Sciences Institute) según el

cual se define un alimento funcional como “aquel que contiene un componente,

nutriente o no nutriente, con efecto selectivo sobre una o varias funciones del

organismo, con un efecto añadido por encima de su valor nutricional y cuyos

efectos positivos justifican que pueda reivindicarse su carácter funcional o

incluso saludable. Debe resaltarse que los alimentos funcionales son

considerados como alimentos, demostrando su efecto en cantidades que se

encuentren de forma normal en la dieta y se consumen como parte de unos

hábitos alimenticios comunes” [2].

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Introducción

43

En 1989 Stephen DeFelice, promotor de la Fundación para la Innovación en

Medicina (FIM), acuñó el término nutracéutico y lo definió como “un alimento o

parte de un alimento que proporciona beneficios médicos o saludables

incluyendo la prevención y/o tratamiento de enfermedades. Estos productos

pueden ir desde nutrientes aislados, complementos alimenticios, alimentos

diseñados genéticamente o alimentos funcionales, hasta productos herbales y

alimentos procesados” [3]. De la definición anterior puede deducirse que

cualquier alimento o parte de un alimento puede ser un nutracéutico si

presenta beneficios para la salud. Sin embargo, la tendencia actual es

diferenciar el concepto de nutracéutico del de alimento funcional, por lo que

suele considerarse como aquel suplemento dietético que proporciona una

forma concentrada de un agente presumiblemente bioactivo proveniente de un

alimento, presentado en una matriz no alimenticia y utilizado para incrementar

la salud en dosis que exceden a aquellas que pudieran ser obtenidas del

alimento normal [4]. Según esta definición, englobaría a los complementos

alimenticios pero no a los alimentos funcionales.

Por tanto, aunque no existe consenso respecto a las diferencias entre estos dos

términos, el ámbito de los nutracéuticos puede considerarse significativamente

distinto al de los alimentos funcionales por varias razones. En primer lugar,

porque mientras que los nutracéuticos participan en la prevención y el

tratamiento de enfermedades, los alimentos funcionales son relevantes sólo en

la reducción de enfermedades. Por otro lado, mientras que los nutracéuticos se

presentan en formatos similares a los fármacos, como comprimidos o jarabes,

los alimentos funcionales se presentan en forma de alimento ordinario.

A pesar de las diferencias existentes entre ambos, el primer paso en el

desarrollo tanto de un alimento funcional como de un nutracéutico, es el

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Introducción

44

mismo, identificar una interacción entre uno o varios componentes de un

alimento y una función en el organismo potencialmente beneficiosa para la

salud [5]. Para ello es necesario, por un lado, conocer en profundidad los

componentes de dicho alimento, y por otro, demostrar en modelos relevantes

(in vitro e in vivo) la interacción que se produce.

2. FUENTES VEGETALES PARA EL DESARROLLO DE NUTRACÉUTICOS

A lo largo de la historia, un gran número de plantas se han empleado en la

medicina popular para la prevención y tratamiento de diversas enfermedades

tanto en humanos como en animales. La capacidad de algunos alimentos de

origen vegetal para reducir el riesgo de padecer ciertas enfermedades se ha

asociado, al menos en parte, a los metabolitos secundarios o fitoquímicos

presentes en las plantas, los cuales han demostrado ejercer una amplia gama de

actividades biológicas. Es por ello que en los últimos años una gran parte de la

investigación en el ámbito de los nutracéuticos se ha centrado en estos

fitoquímicos, estudiando en detalle tanto la composición como la bioactividad

de diversas especies vegetales tradicionalmente empleadas como plantas

medicinales.

En la presente memoria se ha estudiado el potencial de las hojas de Lippia

citriodora y Olea europaea como fuentes de compuestos bioactivos para el

desarrollo de nutracéuticos, por lo que a continuación se describen las

principales características de estas dos especies.

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Introducción

45

2.1. Lippia citriodora

El género Lippia, perteneciente a la familia Verbenaceae que a su vez forma

parte del orden de las lamiales, incluye aproximadamente 200 especies de

hierbas, arbustos y pequeños árboles. En general, las distintas especies que

forman parte de este género vegetal presentan una composición química

similar, así como actividades farmacológicas y usos tradicionales característicos

[6].

La Lipia citriodora, comúnmente

conocida como hierbaluisa, es un

arbusto caducifolio, de hasta 2 m

de altura (Figura 1). Es originaria

de Sudamérica, donde crece de

forma silvestre, y se introdujo en

Europa a finales del siglo XVII de

forma que hoy día se cultiva en la

región mediterránea. Despide una

fuerte fragancia a limón y florece

en verano, formando pequeñas

flores de color pálido o lila.

La Lippia citriodora tradicionalmente se ha empleado como especia y planta

medicinal para el tratamiento de asma, fiebre, desórdenes gastrointestinales y

dolencias cutáneas [7]. Su fracción de aceite esencial se utiliza ampliamente en

la industria cosmética y en perfumería, y sus hojas se usan como ambientadores

debido a su fuerte fragancia a limón. Asimismo, las hojas y la parte superior de

Figura 1. Tallo de Lippia citriodora con detalle de lasflores y las hojas.

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Introducción

46

las flores de esta planta se usan para preparar tés y otro tipo de bebidas, y

como ingrediente en algunos postres.

Las hojas y tallos de la Lippia citriodora son ricos en un aceite esencial cuyo

componente principal es el citral (neral y geranial), responsable de su aroma, y

que contiene además limoneno, cineol, geraniol, cariofileno, espatulenol y

citronelol [8]. En menor concentración, también puede encontrarse en este

aceite esencial y pineno, terpineno, linalol, camfor, terpineol, geraniol,

geranilacetato, farneseno y curcumeno [9]. Las hojas contienen además un

elevado número de compuestos polares tales como derivados de ácidos

hidroxicinámicos, flavonoides e iridoides glicosados, siendo el verbascósido o

acteósido el más abundante [8, 10, 11]. Es a estos compuestos polares, en su

mayoría fenólicos, y en especial al verbascósido, a los que se han asociado las

propiedades medicinales de esta planta.

2.2. Hoja de olivo

El olivo (Olea europaea) es un árbol perennifolio de tamaño medio

perteneciente a la familia Oleaceae que a su vez forma parte del orden de las

lamiales (Figura 2). Sus hojas, fruto y aceite tienen una extensa historia de usos

nutricionales, medicinales

y ceremoniales. Es uno de

los cultivos más

importantes en la Cuenca

Mediterránea, que

produce el 98% del total

(aproximadamente 11 Figura 2. Olivo con detalle de las ramas y las hojas.

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Introducción

47

millones de toneladas), siendo uno de los pilares fundamentales de la

agricultura de esta región. Los principales países productores son España, Italia,

Francia, Grecia, Marruecos, Túnez y Turquía.

El olivo se cultiva fundamentalmente para la producción de aceite, una actividad

agroindustrial de vital importancia económica en los países de la Cuenca del

Mediterráneo. Durante la producción del aceite de oliva se producen grandes

cantidades de subproductos. Se ha estimado, que tan sólo en la poda, se

producen 25 kg de ramas y hojas por año y árbol, y que las hojas suponen un 5%

del peso de las aceitunas recolectadas para la producción del aceite de oliva.

Químicamente, las hojas de olivo se caracterizan por la presencia de

secoiridoides como la oleuropeína y el ligustrósido; flavonas tanto glucosadas

como la luteolina 7 O glucósido, la apigenina 7 O glucósido y la diosmetina 7 O

glucósido, como agliconas tales como la luteolina y la diosmetina; derivados de

ácidos hidroxicinámicos como el verbascósido; flavonoles como la rutina; flavan

3 oles como la catequina, y fenoles sustituidos como el tirosol, el hidroxitirosol,

la vanillina, el ácido vanílico y el ácido cafeico. El compuesto más abundante es

la oleuropeína, seguida del hidroxitirosol, la luteolina 7 O glucósido, la

apigenina 7 O glucósido y el verbascósido [12 15]. Históricamente, la hoja de

olivo se ha usado como remedio en la medicina tradicional para combatir los

síntomas febriles de la malaria. Estas propiedades medicinales se han atribuido

a los compuestos fenólicos presentes en las hojas de esta planta,

principalmente a la oleuropeína y al hidroxitirosol.

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Introducción

48

3. COMPUESTOS FENÓLICOS COMO COMPUESTOS BIOACTIVOS DE

ORIGEN VEGETAL

Los compuestos bioactivos son aquellos que inducen efectos metabólicos

derivados de su actividad biológica que se asocian a efectos beneficiosos sobre

la salud humana, como una mejora de ciertas funciones o una reducción del

riesgo de alguna enfermedad. Existe una gran variedad de compuestos

bioactivos con distintas estructuras químicas y actividades biológicas, algunos

de los cuales se recogen en la Figura 3.

Los compuestos fenólicos son una de las familias de compuestos bioactivos más

estudiadas por su amplia distribución en la naturaleza y por su elevada

diversidad tanto en lo referente a estructura química como en cuanto a

actividad biológica.

Figura 3. Clasificación de las familias de compuestos bioactivos más comunes

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Introducción

49

3.1. Estructura y clasificación de los compuestos fenólicos

Los compuestos fenólicos constituyen uno de los grupos de sustancias más

numeroso y ampliamente distribuido en el reino vegetal, con más de 8.000

estructuras conocidas actualmente. Presentan una gran diversidad tanto en su

estructura como en sus funciones, pero generalmente constan de un anillo

aromático con uno o más sustituyentes hidroxilo. Surgen biogenéticamente de

dos principales rutas sintéticas: la ruta del ácido shikímico y la ruta del acetato.

En la Figura 4 se indican las principales familias de compuestos fenólicos junto

con su estructura básica.

Como puede verse en esta figura, pueden encontrarse desde moléculas sencillas

como los ácidos fenólicos, a compuestos altamente polimerizados como los

taninos. Normalmente se encuentran en forma conjugada, con uno o más

residuos de azúcar unidos a los grupos hidroxilo, aunque también pueden darse

enlaces directos de la unidad de azúcar a un carbón aromático. Los azúcares

asociados pueden presentarse como monosacáridos, disacáridos e incluso

oligosacáridos. Aunque la glucosa es el residuo de azúcar al que se unen más

comúnmente, también pueden conjugarse con galactosa, ramnosa, xilosa y

arabinosa, así como con ácidos glucurónico y galacturónico, entre otros.

También son comunes las conjugaciones con otros compuestos como ácidos

carboxílicos y orgánicos, aminas, lípidos e incluso con otros compuestos

fenólicos [16].

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Introducción

50

Figura 4. Clasificación de las principales familias de compuestos fenólicos

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Introducción

51

Los flavonoides constituyen la familia más importante y ampliamente

distribuida en la naturaleza y a su vez se puede subdividir en trece clases que se

recogen en la Figura 5.

Figura 5. Clasificación de los flavonoides

3.2. Efectos saludables de los compuestos fenólicos

El creciente interés que despiertan los compuestos fenólicos se debe,

fundamentalmente, a las numerosas evidencias de sus efectos beneficiosos

para la salud. Este interés aumentó de forma exponencial tras la publicación de

diversos estudios epidemiológicos que indicaron una relación inversa entre la

ingesta de alimentos ricos en compuestos fenólicos y la incidencia de

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Introducción

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enfermedades cardiovasculares [17 21], neurodegenerativas [22 27], diabetes

[28] y cáncer [29, 30].

Estas evidencias epidemiológicas han fomentado el estudio del papel protector

de los compuestos fenólicos sobre estas enfermedades, por lo que se han

llevado a cabo numerosos estudios tanto in vitro, como en animales e incluso en

humanos para establecer los diferentes mecanismos de acción que expliquen

dichos efectos. En la Figura 6 se muestran los principales efectos saludables

descritos para los compuestos fenólicos.

Figura 6. Bioactividad de los compuestos fenólicos (Adaptado de [31])

Los compuestos fenólicos de las dos fuentes vegetales que se han estudiado en

la presente memoria, Lippia citriodora y Olea europea han mostrado una

potente actividad antioxidante y antiinflamatoria en el caso de la hierbaluisa, y

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Introducción

53

anticancerígena en el caso de las hojas de olivo. Es por ello, que a continuación

se detallan las actividades antioxidantes, antiinflamatorias y anticancerígenas

que se han descrito para compuestos fenólicos.

3.2.1. Actividad antioxidante de los compuestos fenólicos

El daño oxidativo a los componentes de la célula, al DNA, a las proteínas y a los

lípidos, se acumula con la edad y contribuye a la degeneración de las células

somáticas y a la patogénesis de diversas enfermedades. Los compuestos

fenólicos presentes en los alimentos pueden ayudar a limitar este daño

actuando directamente en las especies de oxígeno reactivas o estimulando los

sistemas de defensa endógenos. [32].

La capacidad antioxidante de los compuestos fenólicos se ha evaluado in vitro

midiendo su habilidad para captar radicales libres y reducir otros productos

químicos. Esta capacidad se compara con la de una sustancia de referencia,

generalmente Trolox (un derivado soluble en agua de la vitamina E), ácido gálico

o catequina. En todos los casos, la reacción estudiada es la reducción de un

oxidante por acción de los compuestos fenólicos

La ingesta de compuestos fenólicos produce un aumento de la capacidad

antioxidante del plasma, tal como demuestran numerosos estudios, donde se

este aumento de la capacidad antioxidante se observó de forma sistemática

durante las horas posteriores a la ingesta de bebidas y alimentos ricos en

compuestos fenólicos como té, cerveza, vino, fresas y espinacas [33 35]. Este

aumento en la capacidad antioxidante del plasma puede explicarse tanto por la

presencia compuestos fenólicos y sus metabolitos, que actuarán como

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Introducción

54

reductores, como por su efecto sobre la absorción de componentes de los

alimentos pro oxidantes, tales como hierro.

Se han llevado a cabo numerosos estudios para determinar la eficacia de estos

compuestos para mejorar la protección de los componentes celulares contra el

estrés oxidativo. En algunos estudios, se observó una reducción de la

concentración plasmática de los productos de oxidación de lípidos en humanos

tras la ingesta de alimentos ricos en compuestos fenólicos como té, chocolate y

zumos de grosella negra y manzana [36 38]. Respecto a la protección del ADN,

los estudios in vitro han puesto de manifiesto que los compuestos fenólicos

pueden tener efectos tanto perjudiciales como protectores. En presencia de

metales como Cu (II) y Fe (III), pueden inducir la rotura del DNA ya que reducen

estos metales que en su forma reducida catalizan la reacción de Fenton que da

lugar a la formación del radical hidroxilo (OH ) [39]. Esta rotura del DNA puede

considerarse beneficiosa (por proporcionar efectos citotóxicos y apoptóticos en

células tumorales) o tóxica (por causar efectos mutagénicos en células

normales).

Sin embargo, los compuestos fenólicos también pueden proteger al DNA de la

degradación inducida por agentes citotóxicos. Estudios in vitro han demostrado

que pueden inhibir la formación de aductos entre hidrocarburos policíclicos

activados y el DNA [40]. Diversos estudios también han demostrado el efecto

protector del consumo de polifenoles contra el daño en el DNA tanto en

animales [41, 42] como en humanos [43].

Por otro lado, también se ha demostrado que los compuestos fenólicos pueden

estimular los sistemas de defensa endógenos mediante la activación de enzimas

antioxidantes como superóxido dismutasa (SOD), catalasa (CAT), glutatión

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Introducción

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peroxidasa (GPx) y glutatión reductasa (GRed). Estudios in vitro e in vivo han

demostrado que diversos flavonoides como la rutina, la quercitrina, la

miricetina y el kaempferol, así como los polifenoles del vino, las antocianinas,

los ácidos fenólicos, el hidroxitirosol y el verbascósido pueden aumentar las

actividades de estas enzimas [44 50].

3.2.2. Actividad antiinflamatoria de los compuestos fenólicos

La inflamación es una respuesta del organismo ante la exposición a agentes

infecciosos, estímulos antigénicos o lesiones físicas, que involucra a los sistemas

nervioso, vascular e inmunológico. Inicialmente tiene una función homeostática

de protección o defensa, no obstante si el proceso es ineficiente y se hace

crónico, se transforma en un proceso patológico.

Diversos estudios han demostrado que algunos compuestos fenólicos presentan

importantes propiedades antiinflamatorias. Algunos flavonoides han mostrado

un efecto inhibidor de la producción de citoquinas inflamatorias (TNF , IL 1 ,

IL 6), que participan activamente en el desarrollo de enfermedades relacionadas

con la inflamación crónica, así como de enzimas generadoras de eicosanoides,

inhibición que reduce en consecuencia la concentración de prostanoides y

leucotrienos, que también participan en los procesos de inflamación crónica

[51].

Varios estudios tanto in vitro como in vivo han mostrado la actividad

antiinflamatoria del verbascósido. Los estudios in vitro han mostrado un efecto

similar al de los flavonoides, inhibiendo citoquinas y leucotrienos [52, 53].

También se ha mostrado esta actividad antiinflamatoria in vivo usando el

modelo de edema de pata inducido por carragenina [54, 55], basado en la

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Introducción

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medida de la disminución de la inflamación al administrar el extracto rico en

verbascósido después de la inducción de un edema de pata.

3.2.3. Actividad anticancerígena de los compuestos fenólicos

El cáncer es un conjunto de enfermedades asociadas a una perturbación en el

control del crecimiento y metabolismo celular. De hecho, el desequilibrio en el

control de la proliferación celular es una característica primaria de las células

cancerosas y, por tanto, cualquier molécula capaz de inhibir la proliferación de

las células cancerosas puede ser útil como potencial agente quimio preventivo.

Hay muchos tipos diferentes de cáncer, aunque el de mama, de pulmón,

colorrectal y de próstata representan más de la mitad de los casos nuevos.

En los últimos 20 años, diversos estudios epidemiológicos han indicado una

correlación inversa entre el consumo regular de frutas y vegetales, y el

desarrollo de varios tipos de cáncer [29, 30]. Más recientemente, los datos de

los estudios de cohortes de gran tamaño han confirmado de alguna forma estas

asociaciones epidemiológicas [56, 57]. También se ha evaluado la relación

existente entre el consumo de bebidas ricas en compuestos fenólicos como

café, té y vino, y el riesgo de padecer cáncer. El consumo de café se ha asociado

con un menor riesgo de cáncer de colon, pero no con otros tipos de cáncer [58].

Diversas evidencias experimentales sugieren un papel protector del té contra el

cáncer aunque los estudios epidemiológicos no han sido concluyentes. Si bien se

ha observado una relación inversa entre el riesgo de padecer cáncer de colon o

de estómago y el consumo de té [59, 60], otros estudios concluyen que no tiene

un efecto claro sobre el cáncer [61, 62].

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Introducción

57

Sin embargo, a nivel celular se han encontrado grandes evidencias de que los

compuestos fenólicos presentes en el té, el vino tinto, el cacao, los zumos de

frutas y el aceite de oliva tienen influencia en la carcinogénesis y desarrollo de

tumores [63]. Estos compuestos pueden interaccionar con intermediarios

reactivos [64] o carcinógenos y mutágenos activados [65], pueden modular la

actividad de proteínas clave que intervienen en la progresión del control del

ciclo celular [66] e influir en la expresión de muchos genes asociados al cáncer

[67].

Los efectos anticancerígenos de los compuestos fenólicos también están bien

documentados en animales. La administración de compuestos fenólicos a ratas

o ratones antes y/o después del tratamiento con un agente cancerígeno o de la

implantación de una línea celular humana de cáncer, mostraron en su mayoría

un efecto protector, induciendo una reducción del número de tumores o de su

crecimiento. Estos efectos se han observado en varios tipos de cáncer,

incluyendo de boca, estómago, duodeno, colon, hígado, pulmón, mama, o piel

[68]. Se han probado diversos compuestos fenólicos como quercetina,

catequinas, isoflavonas, lignanos, flavanonas, ácido elágico, polifenoles del vino

tinto, resveratrol o curcumina y todos ellos han mostrado efectos protectores

en algún modelo [32].

Especialmente notables son las propiedades anticancerígenas de los flavonoides

del té verde que se han demostrado en modelos animales [69], en líneas

celulares humanas [70], así como en estudios de intervención en humanos [71].

En estos estudios se ha puesto de manifiesto que el consumo de té verde

reduce significativamente el riesgo de cáncer del tracto biliar [72], de vejiga

[73], de mama [74] y de colon [75]. Muchas de las propiedades anticancerígenas

asociadas con el té verde se atribuyen al flavanol epigalocatequina galato, que

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Introducción

58

induce apoptosis e inhibe el crecimiento de células cancerosas mediante la

alteración de la expresión de proteínas reguladoras del ciclo celular y la

actividad de las proteínas de señalización implicadas en la proliferación celular,

transformación y metástasis [76].

También resulta prometedora la actividad anticancerígena mostrada in vitro por

los compuestos fenólicos del aceite de oliva, principalmente alcoholes fenólicos,

lignanos y secoiridoides, en diversos tipos de cáncer, entre ellos el de mama

[77] y colon [78]. Las hojas de olivo también han mostrado una actividad

antitumoral similar a la del aceite de oliva, inhibiendo la proliferación celular en

líneas celulares de cáncer de mama como MCF 7, SKBR3 y JIMT 1 [14, 79 81].

3.3. Absorción y metabolismo de los compuestos fenólicos

Los estudios comentados en el apartado anterior demuestran el papel de los

compuestos fenólicos en la prevención de diversas enfermedades. Sin embargo,

para poder establecer una relación directa entre el consumo de compuestos

fenólicos y un determinado efecto saludable, es necesario que estos

compuestos sean absorbidos y alcancen los tejidos diana donde actuarán. Es por

ello que la absorción, metabolismo y biodisponibilidad de los compuestos

fenólicos es un campo de estudio de gran interés.

El metabolismo y absorción de los compuestos fenólicos se produce a través de

un mecanismo común. Las agliconas pueden absorberse en el intestino delgado,

sin embargo, la mayoría de los compuestos fenólicos se encuentran en sus

fuentes de origen en forma de ésteres, glicósidos, o polímeros que no pueden

ser absorbidos en su forma nativa. Es por ello que la absorción en el intestino

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Introducción

59

delgado normalmente se asocia a la hidrólisis previa que da lugar a la

correspondiente aglicona mediante la acción de la lactasa floricin hidrolasa

(LPH) en el borde en cepillo de las células epiteliares del intestino delgado. La

LPH muestra una elevada especificidad por los flavonoides O D glucósidos

como sustratos y la aglicona resultante puede entrar en las células epiteliares

mediante difusión pasiva como resultado del incremento en su lipofilicidad. Una

forma de hidrólisis alternativa es aquella producida por la glucosidasa

citosólica (CBG) en el interior de los enterocitos. Para que esta hidrólisis

catalizada por la CBG tenga lugar, los compuestos glucosados deben ser

transportados al interior de las células epiteliares, posiblemente con

participación del transportador de glucosa dependiente de sodio (SGLT1). Por

tanto, se ha aceptado que hay dos posibles rutas por las cuales los compuestos

fenólicos conjugados con glucosa se hidrolizan para dar lugar a las

correspondientes agliconas en las células epiteliares, a las que se denomina

“LPH/difusión” y “transporte/CBG”, respectivamente [82].

Antes de pasar al torrente sanguíneo, las agliconas sufren una serie de

transformaciones previas conocidas como metabolismo de fase I y de fase II.

Las reacciones que se producen en la fase I del metabolismo suelen ser

oxidaciones y reducciones llevadas a cabo por el sistema enzimático del

citocromo P450. El metabolismo de fase II consiste en reacciones de

conjugación que dan lugar a metabolitos sulfatados, glucuronidados y/o

metilados por acción de las sulfotransferasas (SULT), las uridin 5 O difosfato

glucuronosiltransferasas (UGTs) y las catecol O metiltransferasas (COMT),

respectivamente (Figura 7).

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Introducción

60

Este es un proceso de desintoxicación metabólica común a muchos xenobióticos

que restringe sus efectos tóxicos potenciales y facilita su eliminación biliar y

urinaria mediante el aumento de su hidrofilicidad. Los mecanismos de

conjugación son altamente eficientes, y las agliconas están por lo general

ausentes en la sangre o presentes en bajas concentraciones después del

consumo de dosis nutricionales, si bien pueden encontrarse en concentración

elevada tras el consumo de dosis farmacológicas, debido a una posible

saturación de los mecanismos de conjugación [83]. Los metabolitos formados en

los enterocitos pueden pasar de vuelta al lumen del intestino delgado por

acción de los transportadores ABC (cassette de unión a ATP), pero lo más común

es que pasen al torrente sanguíneo, mediante el cual llegan al hígado

rápidamente, donde pueden sufrir posteriores tranformaciones metabólicas

tanto de fase I como de fase II.

Figura 7. Esquema de la absorción de polifenoles glicosados (PF–azúcar) en los enterocitos ysus transformaciones metabólicas.

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Introducción

61

Sólo las agliconas y algunos glucósidos pueden ser absorbidos en el intestino

delgado. Por tanto, cantidades sustanciales de los compuestos fenólicos

ingeridos pasan del intestino delgado al grueso donde la microbiota del colon

hidroliza los conjugados dando lugar a las agliconas. Cuando la microflora está

implicada, la eficiencia de absorción se reduce puesto que también degrada las

agliconas que libera y produce diversos ácidos aromáticos simples en el proceso.

Las moléculas generadas por la acción de la microbiota pueden ser absorbidas

aunque con menos facilidad debido a que la zona de intercambio en el colon es

más pequeña y hay una menor densidad de sistemas de transporte. Un vez

absorbidas, posteriormente sufren transformaciones metabólicas en el hígado

antes de ser excretadas en la orina.

4. EL PAPEL DE LA METABOLÓMICA EN EL ESTUDIO DE LOS

COMPUESTOS FENÓLICOS

La metabolómica, entendida como el conjunto de ciencias integradas dirigidas al

estudio de los metabolitos de un sistema biológico, se ha convertido en una

herramienta importante en muchas áreas de investigación, entre ellas el análisis

de plantas, el desarrollo de fármacos, o la nutrición, entre otras. En el ámbito de

los compuestos fenólicos, se ha empleado para el análisis exhaustivo de las

fuentes vegetales de las que provienen, así como para caracterizar los efectos

que producen tanto en cultivos celulares como en animales de experimentación

y en humanos.

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Introducción

62

4.1. Concepto de metabolómica

El término metaboloma fue usado por primera vez por Oliver y colaboradores

en 1998 para describir el conjunto de metabolitos sintetizados por un

organismo de forma análoga al genoma y proteoma [84]. El metaboloma refleja

el estado metabólico de un sistema vivo y se ve influido tanto por factores

internos como externos, ya que los metabolitos son contextuales y reflejan el

entorno de éstos. El metaboloma puede, de esta forma, imaginarse como una

lente a través de la cual se muestra información referente al estado fisiológico y

patológico así como al desarrollo de un sistema biológico.

En 2001 Fiehn definió el término metabolómica como el análisis exhaustivo en

el que todos los metabolitos de un organismo son identificados y cuantificados

[85]. Los estudios inmediatamente posteriores pusieron de manifiesto que la

metabolómica, en el sentido estricto propuesto por Fiehn, es una tarea

imposible debido a la complejidad del metaboloma, tanto en lo referente a la

diversidad química como al amplio rango dinámico. Es por ello, que otros

investigadores como Villas Bôas y colaboradores consideran la metabolómica

como una nueva área de la ciencia en lugar de una aproximación analítica [86].

Según esta corriente podría definirse la metabolómica como el conjunto de

ciencias integradas que van dirigidas a conocer (identificar y cuantificar) el

conjunto de metabolitos (como intermediarios o productos finales de las rutas

metabólicas) tanto intracelulares como extracelulares de un sistema biológico,

siendo todos ellos parte del metaboloma completo. Por tanto, la Química

Analítica y en concreto, la Bioanalítica, definida como la aplicación de las

técnicas instrumentales utilizadas en la Química Analítica para el estudio de las

sustancias presentes en los organismos vivos y de las reacciones químicas en las

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Introducción

63

que se basan los procesos vitales, puede

considerarse como una de las ciencias que

integran la metabolómica [87].

La metabolómica puede considerarse la

etapa final en el estudio de las ciencias

“ómicas”, tal como se muestra en la Figura

8, donde se encuentra en una primera

aproximación la genómica (estudio del

funcionamiento, contenido y evolución del

genoma), seguida de la transcriptómica

(estudio de la expresión de los genes) y de

la proteómica (estudio de la estructura y

función de las proteínas).

4.2. Estrategias en metabolómica

Existen diferentes estrategias analíticas para afrontar un estudio metabolómico,

cada una diseñada para contestar cuestiones específicas. Fiehn [88] clasificó las

distintas estrategias analíticas de la siguiente forma:

Análisis diana o dirigido (target analysis), centrado exclusivamente en un

metabolito concreto que resulte de interés.

Perfil metabólico (metabolite profiling), en el que el procedimiento

analítico se restringe a la identificación y cuantificación de un número

predefinido de metabolitos que pueden pertenecer a una clase de

compuestos específica, como compuestos fenólicos, o estar limitados a

miembros de una ruta concreta. Esta estrategia se emplea con frecuencia

Figura 8. Diagrama conceptual de lasciencias “ómicas”.

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Introducción

64

en el contexto de la investigación de fármacos para estudiar la

degradación catabólica de dicho fármaco.

Metabolómica propiamente dicha (metabolomics), en la que se realiza

un análisis exhaustivo en el que todos los metabolitos de un sistema

biológico son identificados y cuantificados, revelando de esta forma el

metaboloma del sistema biológico bajo estudio.

Huella dactilar metabólica (metabolic fingerprinting), que se emplea

para clasificar muestras de forma rápida según su origen o relevancia

biológica, sin necesidad de determinar el nivel individual de cada

metabolito.

Otra clasificación de las estrategias en metabolómica propuesta por Villas Bôas

y colaboradores [89] considera perfil metabólico (metabolite profiling) como

una aproximación enfocada a identificar de forma cualitativa un número

elevado de metabolitos en un sistema biológico (superior a 100), incluyendo la

huella dactilar metabólica (metabolic fingerprinting) como el análisis de los

metabolitos intracelulares (endometaboloma) y la huella metabólica (metabolic

footprinting) como análisis de los metabolitos extracelulares

(extrametaboloma), y el análisis dirigido (target analysis) dedicado a la

identificación y cuantificación de metabolitos determinados o un conjunto de

ellos.

En cualquiera de los casos, la metabolómica pretende proporcionar información

de los metabolitos de cualquier sistema biológico, su identificación y

cuantificación sin ambigüedades utilizando para ello técnicas analíticas

robustas, reproducibles, resolutivas y sensibles aplicando los factores y

parámetros necesarios para incorporar de forma sencilla los procedimientos y

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Introducción

65

resultados en redes bioquímicas modelo para su aplicación en la identificación

de biomarcadores, prevención, diagnóstico o seguimiento de enfermedades,

prever efectos tóxicos de nuevos fármacos y tener un mejor conocimiento de

las rutas metabólicas que tienen lugar en un sistema biológico.

4.3. Aproximaciones metabolómicas al estudio de compuestos

fenólicos

Desde sus comienzos, la metabolómica se ha empleado como herramienta para

intentar esclarecer las complejas relaciones entre la ingesta de determinados

fitoquímicos y sus efectos sobre la salud [90]. De esta forma, se han descrito

numerosas aplicaciones de estrategias metabolómicas al estudio de compuestos

fenólicos.

Por un lado, se han desarrollado perfiles metabólicos de alimentos de origen

vegetal para esclarecer la ingesta diaria de compuestos fenólicos. Éste es el caso

de estudios donde se han determinado un elevado número de metabolitos

secundarios en diferentes variedades de tomate [91].

Por otro lado, diversos estudios metabolómicos han permitido establecer

biomarcadores de la ingesta de determinados compuestos y alimentos. Se ha

utilizado una estrategia metabolómica mediante el uso de HPLC MS para

caracterizar el metaboloma urinario de ratas a las que se les había administrado

diferentes compuestos fenólicos, ácido ferúlico, ácido sinápico o ligninos [92].

Esta estrategia permitió obtener huellas dactilares características para cada

dieta, identificando un gran número de metabolitos fenólicos que

proporcionaron nueva información del metabolismo de estos compuestos.

También se han descrito aplicaciones de análisis de perfil metabólico de

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Introducción

66

compuestos fenólicos en orina y plasma tras la ingesta de cacao ha permitido

identificar diversos ácidos fenilacéticos como biomarcadores de la ingesta de

alimentos ricos en flavanoles [93]. Otros estudios metabolómicos basados en

GC MS también permitieron identificar diversos ácidos fenólicos en orina y

heces humanas, formados por la degradación microbiana de flavonoides tras de

la ingesta de té, vino o zumo de uva [94, 95].

La metabolómica además permite caracterizar los cambios metabólicos globales

que resultan de una intervención nutricional, sin necesidad de restringir el

estudio a una vía metabólica seleccionada a priori. Esta estrategia abierta puede

conducir a la generación de nuevas hipótesis sobre los mecanismos de acción de

los compuestos fenólicos y al descubrimiento de nuevos biomarcadores de los

efectos inducidos por estos compuestos. El análisis de los perfiles urinarios de

voluntarios sanos tras el consumo de té ha puesto de manifiesto un aumento

significativo en los niveles de varios compuestos intermediarios del ciclo del

ácido cítrico, como citrato, piruvato y oxalacetato, sugiriendo un efecto de los

flavanoles del té en el metabolismo energético oxidativo [94]. El consumo de

infusiones de manzanilla ricas en compuestos fenólicos también demostró

disminuir la excreción urinaria de creatinina y aumentar la de hipurato y glicina,

lo que indica un posible efecto de la manzanilla en el metabolismo de la

microflora intestinal [96]. Éstos son sólo algunos ejemplos del uso de la

metabolómica para el estudio de los efectos y mecanismos de acción de los

compuestos fenólicos.

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Introducción

67

5. TRATAMIENTO DE MUESTRA PARA LA DETERMINACIÓN DE

COMPUESTOS FENÓLICOS

La etapa de tratamiento de muestra puede considerarse una de las más

determinantes del proceso analítico y de ella va a depender en gran medida la

calidad y fiabilidad de los resultados obtenidos. Se puede llevar a cabo con

distintas finalidades: con el objetivo de extraer los analitos, en este caso los

compuestos fenólicos, de la matriz en la que se encuentren, ya sea vegetal

(hojas, tallos, etc.) o biológica (plasma, orina, citoplasma, etc.) o con el objetivo

de convertirlo en un extracto compatible con la técnica analítica que se vaya a

emplear eliminando a su vez los componentes de la matriz que pudieran

interferir en el análisis. Por otro lado, en el caso de compuestos que se

encuentren en baja concentración, como suele ocurrir en estudios

metabolómicos, el proceso de extracción puede incluir un paso de

preconcentración para alcanzar los límites de detección de la técnica analítica

aplicada.

A continuación se resumen los principales procedimientos de tratamiento de

muestra utilizados para el análisis de compuestos fenólicos y sus metabolitos,

distinguiendo entre matrices de origen vegetal y matrices de origen biológico.

5.1. Muestras de origen vegetal

El tratamiento de muestras vegetales para el análisis de compuestos fenólicos

es una tarea compleja debido a múltiples factores como la gran diversidad

estructural de estos compuestos, que les confiere distintas propiedades

químicas y la complejidad de la matriz donde se encuentren. Además, la

distribución de los compuestos fenólicos en las plantas a nivel tisular, celular y

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Introducción

68

subcelular no es uniforme. Por un lado, las capas externas de las plantas

contienen niveles más altos de compuestos fenólicos que las internas. Por otro

lado, en el interior de la célula, estos compuestos se localizan principalmente en

las vacuolas aunque los polifenoles insolubles se acumulan en las paredes

celulares [97]. Esta distribución desigual complica aún más el proceso de

extracción, que requiere que se rompan las células vegetales para poder

acceder a los compuestos fenólicos.

Por lo general, las muestras vegetales se homogenizan en primer lugar y

posteriormente se secan, se liofilizan o se congelan con nitrógeno líquido. El

siguiente paso es la extracción de los compuestos fenólicos, para lo cual se

pueden emplear diversos sistemas de extracción, como extracción sólido líquido

(SLE), extracción y microextracción en fase sólida (SPE), extracción con fluidos

supercríticos (SFE), con fluidos presurizados (PLE), asistida por microondas

(MAE) y métodos de filtración, que se recogen la Figura 9.

La estrategia más empleada consiste en una extracción con disolventes (SLE),

que en algunos casos puede ir seguida de una SPE, generalmente con fases

sólidas C 18 u otros materiales de fase reversa como C 8. La elección del

disolvente para la extracción sólido líquido no es una tarea sencilla puesto que

la solubilidad de los compuestos fenólicos viene determinada por su estructura

y además pueden establecerse interacciones entre estos compuestos y otros

componentes de las plantas como carbohidratos y proteínas. La solubilidad

también se ve afectada por la polaridad del disolvente utilizado, así que no

resulta fácil desarrollar un procedimiento de extracción adecuado para

recuperar todos los compuestos fenólicos. Los disolventes más empleados son

metanol, etanol, propanol, dimetilformamida, acetona, acetato de etilo, y sus

combinaciones, a menudo con diferentes proporciones de agua. La

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Introducción

69

recuperación de los compuestos fenólicos en estas extracciones sólido líquido

depende de diversos factores como tiempo de extracción, el número de etapas

de extracción, la relación de volumen de disolvente por cantidad de muestra,

tamaño de partícula de la muestra, temperatura, etc. [98]

Figura 9. Diagrama de los principales sistemas de extracción

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Intro

70

5.2.

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Introducción

71

entre las proteínas y estos compuestos así como por su solubilidad en el

disolvente seleccionado.

Debido a la gran complejidad de las muestras biológicas, la desproteinización no

es suficiente para evitar que se produzca efecto matriz en su análisis ya que se

pueden producir co eluciones de los componentes de la matriz que afecten a la

ionización de los analitos cuando se emplea espectrometría de masas. Es por

ello que en muchos casos es necesario una etapa de limpieza o extracción de los

compuestos de interés posterior a la precipitación de proteínas, o en algunos

casos en sustitución de ésta, que se puede llevar a cabo mediante los diversos

sistemas de extracción citados en la sección anterior, como LLE, SPE, SFE, PLE,

MAE o métodos de filtración como la diálisis o la ultracentrifugación [102].

La LLE se ha empleado con frecuencia como sistema de extracción de

compuestos fenólicos en fluidos biológicos, empleando acetato de etilo,

especialmente en orina [103 106], aunque también se ha aplicado en algunos

estudios a muestras de plasma [107 109].

Sin embargo, la técnica de extracción más empleada para el análisis de

compuestos fenólicos y sus metabolitos en fluidos biológicos es la SPE.

Actualmente se pueden encontrar una gran variedad de materiales de relleno

para SPE disponibles comercialmente como es el caso de sílice, sílice alquilada

(C 18, C 8, etc.), fases basadas en carbono, materiales de cambio iónico,

materiales poliméricos o fases de exclusión por tamaños para eliminar las

macromoléculas. Aunque las fases de sílice modificada C 18 son las más

ampliamente usadas, sobre todo en el análisis de orina [110 112], los

materiales poliméricos han despertado un creciente interés en los últimos años,

especialmente las resinas poliméricas funcionalizadas que contienen grupos

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Introducción

72

funcionales polares sobre un esqueleto polimérico no polar, ya sea en formato

convencional con cartuchos [113, 114], o empleando placas de microextracción

[115] (Figura 11). Otro tipo de fases más novedosas son los materiales de modo

mixto que se caracterizan porque la retención de los analitos se produce

mediante múltiples mecanismos gracias a la incorporación de diferentes

ligandos en un absorbente.

Estos mecanismos múltiples de

retención permiten que puedan

extraerse una gran variedad de

metabolitos, por lo que se

emplean normalmente para

análisis de huella dactilar

metabólica, no para el estudio

de perfiles metabólicos de

compuestos fenólicos.

6. TÉCNICAS SEPARATIVAS PARA LA DETERMINACIÓN DE

COMPUESTOS FENÓLICOS

Para separar los componentes de mezclas complejas, como los extractos de

plantas o de plasma, la Química Analítica dispone de numerosas técnicas que se

basan en las diferencias existentes en las propiedades físico químicas de los

distintos componentes de la muestra. Generalmente se utilizan técnicas

continuas, es decir, en las que los analitos se detectan de manera continua (on

line) tras la separación. Dentro de estas técnicas se pueden diferenciar dos

grandes grupos, las cromatográficas, como la cromatografía en capa fina (TLC),

la cromatografía líquida (LC), de gases (GC) o de fluidos supercríticos (SFC), y

las no cromatográficas, como la electroforesis capilar (CE).

Figura 11. Cartuchos de extracción en fase sólida yplacas de pocillos.

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Introducción

73

A continuación se describen brevemente los fundamentos y principales

aplicaciones al análisis de compuestos fenólicos de las técnicas separativas

empleadas en esta memoria, CE y LC.

6.1. Electroforesis capilar (CE)

6.1.1. Fundamentos

La electroforesis constituye una técnica separativa basada en la diferencia en la

velocidad de migración de distintos solutos al ser sometidos a la acción de un

campo eléctrico. En electroforesis capilar, los componentes de una mezcla se

transportan a través de un tubo capilar, normalmente de sílice fundida, por

efecto de un elevado potencial de corriente continua que se aplica a lo largo de

la longitud del tubo. Los extremos del capilar se colocan en dos viales rellenos

de disolución de separación que contienen cada uno de ellos un electrodo,

ambos conectados a una fuente de alto voltaje (Figura 12). La muestra se

inyecta dentro del capilar sustituyendo temporalmente el vial inicial con

disolución de separación (normalmente el del ánodo) por un vial que contiene la

muestra a separar, aplicando un potencial eléctrico (inyección electrocinética) o

una presión externa (inyección hidrodinámica) durante unos segundos. Después

se vuelve a reemplazar el vial de muestra por el inicial conteniendo la disolución

de separación y se aplica un potencial eléctrico a lo largo del capilar que

produce la separación. Los analitos pueden ser detectados directamente con

detección óptica a través de la ventana en el capilar o al final del capilar

mediante el uso de otras técnicas de detección como la espectrometría de

masas.

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Introducción

74

Figura 12. Esquema de un instrumento de electroforesis capilar

La fuerza motora de la separación en CE es el voltaje aplicado. Los iones

disueltos o suspendidos en un electrolito y sujetos a un voltaje son obligados a

migrar al electrodo con carga opuesta. Las separaciones ocurren cuando los

cationes se mueven en una dirección y los aniones en otra, o cuando las

velocidades de migración de iones del mismo signo son diferentes. Por tanto, la

separación ocurre gracias a las diferencias en las velocidades de los iones, y esta

velocidad de migración (vef) depende tanto del campo eléctrico aplicado como

de la movilidad electroforética de cada ión. La movilidad electroforética ( e)

viene dada por la siguiente expresión:

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Introducción

75

donde q es la carga del ión, r su radio, y es la viscosidad de la disolución. Esto

significa que los iones con carga del mismo signo en un sistema electroforético

concreto se separarán entre sí según su relación q/r.

En las separaciones electroforéticas hay que tener en cuenta además otro

fenómeno que se produce denominado electroósmosis. El uso de capilares de

sílice provoca un flujo electroosmótico (EOF) que hace que los iones y moléculas

presentes en el medio electroforético se muevan hacia el cátodo. A pH superior

a 6, en la superficie interna de los capilares de sílice, que contiene grupos

hidroxilo, se forma una capa de protones cerca de la pared cargada

negativamente. Estas cargas positivas incluyendo las moléculas de solvatación

de agua son atraídas hacia el cátodo provocando este flujo electroosmótico, que

mueve igualmente a las especies neutras que se encuentran en el medio

electroforético. Su componente de velocidad es mayor, en general, que las

componentes de migración electroforéticas de los solutos a separar de forma

que esta doble capa mueve todos los iones en conjunto, tanto cationes como

aniones, hacia el cátodo produciendo un movimiento electroosmótico. Los

cationes se mueven a lo largo del capilar con una velocidad mayor que la del

flujo electroosmótico, puesto que su movimiento se ve acelerado por la

atracción electroforética al electrodo negativo. Los aniones, por el contrario, se

mueven más lentamente que el EOF debido a que son repelidos por el cátodo,

de hecho, en algunos casos las especies negativas pueden moverse en la

dirección opuesta al flujo de disolvente. Los solutos neutros se mueven a través

del capilar con el flujo electroosmótico y no se separarán entre sí, salvo que se

usen agentes micelares como aditivos del medio electroforético dando lugar a

un modo de CE conocido como cromatografía capilar electrocinética micelar

[116].

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Introducción

76

La electroforesis capilar es una técnica muy versátil debido en parte, a los

distintos modos de separación disponibles. Los modos de CE más comunes se

resumen en la Tabla 1 junto con su principio de separación. Los diferentes

mecanismos de separación empleados hacen que estos modos sean

complementarios entre sí, e incluso en algunos casos, una separación puede

llevarse a cabo de forma adecuada por más de un modo electroforético.

Además, una de las grandes ventajas de esta técnica es que para cambiar de

modo puede bastar simplemente con variar la composición de la disolución

reguladora empleada.

Tabla 1.Modos de separación en electroforesis capilar

Modo de CE Principio de Separación

Electroforesis capilar en zona (CZE) Relación carga/masa

Cromatografía capilar electrocinética micelar(MEKC)

Interacción hidrofóbica/iónica con micelasdel surfactante

Isoelectroenfoque capilar (CIEF) Punto isoeléctrico

Isotacoforesis capilar (CITP)Capacidad de migración entre tampones de

distinta naturaleza

Electroforesis capilar en gel (CGE) Tamaño molecular

6.1.2. Separación de compuestos fenólicos mediante CE

Aunque las técnicas cromatográficas son las más empleadas en la separación de

compuestos fenólicos, la CE está ganando popularidad y representa un método

alternativo para el análisis de estos compuestos tanto en matrices vegetales

como alimentarias, fundamentalmente gracias a su velocidad, resolución y

relativo bajo coste por análisis. De esta forma, la CE se ha aplicado al análisis de

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Introducción

77

compuestos fenólicos en aceite de oliva [117], extractos de plantas [118], vino

[119], té [120] y zumos [121], entre muchas otras matrices.

Los modos de CE más utilizados para la separación de compuestos fenólicos son

la electroforesis capilar en zona (CZE) y la cromatografía capilar electrocinética

micelar (MEKC). Para ionizar los compuestos fenólicos y así poder separarlos

mediante CZE, puesto que son ácidos relativamente débiles, normalmente se

emplean tampones de borato o acetato amónico con un pH entre 9 y 10. De

esta forma se pueden separar los compuestos fenólicos cargados en función de

su relación carga/masa. En la MEKC se suele emplear como tensioactivo

dodecilsulfato sódico (SDS), y en estos casos la separación se basa en la

hidrofobicidad de los compuestos que determina el reparto de los analitos entre

la fase acuosa (que se mueve con el EOF) y las micelas (que al estar cargadas

migran con una velocidad diferente). Los compuestos fenólicos menos polares,

como los flavonoides, interactúan fuertemente con las micelas y, por tanto, es

posible desarrollar métodos bastante selectivos modificando la fase micelar.

Wang y colaboradores compararon el comportamiento electroforético de trece

flavonoides en estos dos modos [122]. La MEKC mostró una mayor selectividad

ya que el comportamiento electroforético en CZE se ve afectado por diversos

factores como el grado de saturación y la estereoquímica del anillo C, el número

y posición de grupos hidroxilo, la metilación o glicosilación de los grupos

hidroxilo, así como la complejación de los flavonoides con el tampón borato.

Para superar estos problemas de selectividad, algunos estudios ha empleado CE

no acuosa para separar flavonoides, usando metanol a pH elevado [123].

A pesar de los numerosos métodos electroforéticos que se han desarrollado

para el análisis de compuestos fenólicos en alimentos y plantas, no se ha

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Introducción

78

descrito ninguno para la separación de estos compuestos en matrices

biológicas.

6.2. Cromatografía líquida (LC)

6.2.1. Fundamentos

La cromatografía líquida (LC) es una técnica de separación donde los

componentes de la muestra se distribuyen entre una fase móvil (el disolvente) y

una fase estacionaria (el relleno de la columna). La separación se produce en

función de las distintas afinidades de los constituyentes de la muestra hacia

cada fase. La fase estacionaria puede ser un sólido poroso, generalmente en

forma particulada, o bien una fina capa de sustancia ligada a un soporte sólido,

contenido en el interior de un tubo habitualmente metálico que da lugar a la

columna cromatográfica. La fase móvil es un disolvente o mezcla de ellos a los

que en algunas ocasiones se les modifica el pH mediante adición de ácidos,

bases o disoluciones reguladoras.

En una separación por LC, la fase móvil impulsada por la bomba transporta una

banda de muestra a través de la columna cromatográfica. Al entrar la muestra

en la columna, sus componentes interaccionan en extensión variable con la fase

estacionaria y se reparten de manera distinta entre ambas fases de tal forma

que aquellos que sean más afines con la fase móvil serán menos retenidos por

la fase estacionaria y eluirán antes. Por el contrario, aquellos que tengan más

afinidad por la fase estacionaria avanzarán más lentamente a través de la

columna y eluirán más tarde. Cuando cada analito eluye del final de la columna,

entra en el detector y produce de alguna forma una señal medible. La

intensidad y duración de la señal estará relacionada con la cantidad o naturaleza

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Introducción

79

del analito. Generalmente, la señal es amplificada y registrada por un integrador

electrónico, un ordenador o por otros medios mediante los cuales se obtiene el

cromatograma que permite identificar y cuantificar el analito.

Figura 13. Esquema simplificado de un equipo de LC junto a uno comercial

Un equipo de LC está formado por una serie de componentes básicos que son

comunes a todos los modelos: bomba, inyector, columna cromatográfica, horno

termostatizado, detector y sistema de adquisición de datos. En la Figura 13 se

representa el esquema básico de un equipo de LC y se muestra el aspecto de

uno comercial. Sin duda, el componente más determinante en la separación es

la columna, cuyas características van a definir el tipo y modo de LC.

Por un lado, en función del diámetro interno de la columna y de los caudales

utilizados, las técnicas de LC se pueden clasificar en diversas categorías que se

muestran en la Tabla 2. Generalmente se considera HPLC cuando la separación

cromatográfica se lleva a cabo en columnas de diámetro interno de entre 1,5 y

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Introducción

80

4,5 mm, para columnas con diámetros alrededor de 800 μm se define como

microLC, cuando se usan columnas de diámetro entre 100 y 500 μm se conoce

como LC capilar y en caso de columnas de entre 10 y 100 μm se denomina

nanoLC.

Tabla 2. Principales diferencias entre los distintos tipos de LC

También se puede distinguir otra categoría que se diferencia en el tamaño de

partícula, de forma que se denomina comúnmente cromatografía líquida de

resolución rápida (RRLC) o cromatografía líquida de ultra alta resolución (UPLC)

cuando se emplean columnas con tamaños de partícula inferiores a 2 m. En

estos casos, normalmente la longitud de la columna es menor y se usan flujos

relativamente elevados. Este tipo de LC permite realizar análisis más rápidos

manteniendo la eficacia constante, o bien conseguir eficacias mayores

manteniendo el mismo tiempo de análisis. La combinación del uso de pequeños

diámetros de partícula y presiones de hasta 1.250 bares (la presión más alta que

soporta la instrumentación comercial actualmente disponible) proporciona una

eficacia de hasta 100.000 platos teóricos [124] frente a los 15.000–25.000 platos

teóricos de la HPLC convencional.

UPLC/RRLC HPLC Micro LC LC capilar Nano LC

Diámetro interno dela columna (mm)

1,5 4,5 1,5 4,5 0,8 0,18 0,32 0,075 0,1

Longitud de lacolumna (cm)

3 15 3 30 5 25 5 25 5 15

Tamaño de partícula( m)

< 2 3 40 3 5 3 5 3 5

Flujo de fase móvil0,2 5ml/min

0,2 2,5ml/min

10 100l/min

1 10 l/min0,1 1l/min

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Introducción

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Por otro lado, se pueden diferenciar distintos modos de cromatografía líquida

según la naturaleza de la fase estacionaria, tal y como se recoge en la Tabla 3.

Tabla 3.Modos de LC en función de la fase estacionaria empleada.

Modo de LC Fase estacionaria

Cromatografía de partición Líquido retenido por un sólido soporte

Cromatografía de adsorción Sólido con propiedades superficiales

Cromatografía de cambio iónicoSólido con propiedades cambiadoras de

iones

Cromatografía de exclusión por tamaños Sólido con porosidad controlada

Cromatografía de afinidadSólido con propiedades de retención

bioespecíficas

Cromatografía quiralReactivo quiral unido a fase móvil o al

soporte sólido

La cromatografía de partición es la más ampliamente utilizada y en la práctica,

pueden diferenciarse dos modalidades, dependiendo de la polaridad de las dos

fases:

Cromatografía en fase normal, donde la fase estacionaria es de

naturaleza polar y la fase móvil es apolar. En este caso, las muestras

polares son retenidas más fuertemente por la columna permitiendo, por

tanto, la elución de componentes apolares en primer lugar.

Cromatografía en fase inversa, donde la fase estacionaria es de

naturaleza apolar y el disolvente de elución o fase móvil es polar. En este

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Introducción

82

caso ocurre lo contrario que en fase normal, los compuestos apolares

serán retenidos durante más tiempo en la columna.

6.2.2. Separación de compuestos fenólicos mediante HPLC y UPLC/RRLC

Los compuestos fenólicos se separan, fundamentalmente, mediante

cromatografía de partición en fase inversa, ya que son ácidos débiles que en su

forma neutra presentan relativa hidrofobicidad, aunque la cromatografía en

fase normal se ha usado para la separación de proantocianidinas [125]. La

mayoría de las aplicaciones emplean elución en gradiente, aunque también se

han desarrollado métodos cromatográficos isocráticos para la separación de

compuestos fenólicos pertenecientes a una misma familia [126, 127].

En general, la elución se lleva a cabo con una fase móvil de polaridad elevada

como es el caso de disoluciones acuosas de ácidos débiles que suelen emplearse

en un sistema binario con disolventes orgánicos polares como acetonitrilo o

metanol. Los gradientes de elución que emplean como fase orgánica metanol,

normalmente comienzan con un porcentaje de 5 10% (v/v) y terminan con 40

100%, mientras que los que emplean acetonitrilo suelen comenzar con 0 10% y

terminar con 30 90% [128]. La separación de los compuestos fenólicos más

polares, como los ácidos fenólicos, depende mucho del pH de la fase móvil

[129]. La presencia del ácido débil en la fase móvil evita que estos compuestos

se ionicen, mejorando de esta forma la separación en la columna de fase

inversa. Otros compuestos menos polares, como los flavonoides, presentan una

menor tendencia a ionizarse y por tanto, se pueden separar en fases móviles

neutras, sin la presencia de ácido. Sin embargo, el tipo de ácido y concentración

depende del sistema de detección que se emplee. Cuando se usan detectores

de absorción UV Vis, pueden utilizarse ácidos más fuertes, como el fosfórico, y

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Introducción

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ajustarse valores de pH menores, mientras que si se emplea espectrometría de

masas como sistema de detección, la concentración de ácido debe ser mucho

menor. Cuyckens y colaboradores concluyeron que cuando se emplea

acetonitrilo como fase orgánica, el ácido fórmico es preferible al acético o al

trifluoroacético, con una concentración óptima de 0,1% para el modo de

ionización negativo y 0,5% para el positivo. Sin embargo, cuando se usa

metanol, una concentración de ácido acético de 1% ofrecía mayor sensibilidad

[130].

Las columnas más empleadas para la separación de compuestos fenólicos son

las rellenas de sílice modificada químicamente con cadenas de hidrocarburos

como C 8 (n octilo) o más comúnmente, C 18 (n octadecilo). Existe una gran

diversidad de columnas disponibles comercialmente, que se diferencian,

fundamentalmente, en sus dimensiones, es decir, longitud y diámetro, así como

en el tamaño de partícula del relleno. Tradicionalmente, para el análisis de

compuestos fenólicos se han empleado columnas convencionales de HPLC, es

decir, con un tamaño de partícula de entre 3 y 5 m, pero la tendencia actual se

centra en la disminución del tamaño de partícula. Por tanto, el uso de la RRLC o

UPLC se ha extendido ampliamente en la última década para la separación de

estos compuestos, tanto en matrices vegatales como biológicas [131 134].

6.2.3. Separación de compuestos fenólicos mediante nanoLC

La nano cromatografía líquida (nanoLC) fue desarrollada en 1988 por Karlsson y

Novotny [135] y desde entonces ha ido emergiendo como una herramienta

analítica potente, sobre todo en determinados campos como el de la

proteómica, debido principalmente a la reducción en la cantidad de muestra

requerida. Además, desde un punto de vista teórico, se ha demostrado que una

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Introducción

84

reducción en el diámetro interno de la columna aumenta la sensibilidad debido

a que se produce una menor dilución del analito [136] y se consigue una mayor

eficacia [137].

Las columnas capilares de nano LC suelen ser de sílice fundida, empleando las

mismas fases estacionarias utilizadas normalmente en HPLC. En cuanto al

tamaño de partícula de estas fases estacionarias

normalmente suelen estar comprendidos entre 3 y 5

m aunque hoy día ya se están utilizando fases

estacionarias con tamaños de partícula de 1.5 1.8 m

similares a las utilizadas en RRLC o UPLC. Las fases

móviles empleadas también son las comúnmente

utilizadas en HPLC [138].

Las principales características que presenta la técnica nanoLC y que la

diferencian de la HPLC convencional se pueden resumir en los siguientes

puntos:

Uso de columnas capilares, con un diámetro interno muy pequeño.

Bajo consumo de fases móviles, ya que utiliza flujos comprendidos entre

100 y 500 nl/min, lo que supone una reducción de costes además de

beneficios medioambientales.

Posibilidad de disminuir los volúmenes de inyección de muestra.

Aumento teórico de sensibilidad, sobre todo cuando se acopla a

espectrometría de masas.

Estas características hacen que el empleo de esta técnica pueda resultar de

especial interés en aplicaciones donde se requiera de elevada sensibilidad y se

Figura 14. Equipo denanoLC comercial

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Introducción

85

disponga de una cantidad de muestra limitada, como es el caso de ciertos

estudios metabolómicos.

Como ya se ha comentado, la nanoLC se ha aplicado mayoritariamente en

proteómica [139], aunque poco a poco se ha ido ampliando su campo de

aplicación, de forma que en los últimos años se ha empleado en diversas áreas

de investigación como la farmacología [140], la alimentación [141, 142], el

análisis medioambiental [143] y de enantiómeros [144, 145], aunque en menor

extensión. Sólo se han descrito algunas aplicaciones para el análisis de

compuestos fenólicos en matrices alimenticias [142, 146, 147], vegetales [148] y

biológicas [78], pero los resultados obtenidos hacen de la nanoLC una técnica

prometedora en el ámbito de los compuestos fenólicos.

7. SISTEMAS DE DETECCIÓN PARA EL ACOPLAMIENTO CON

TÉCNICAS SEPARATIVAS

Toda técnica separativa requiere un detector que produzca de alguna forma una

señal medible cuando un analito eluya del capilar o de la columna

cromatográfica. Se pueden emplear detectores muy diversos, en su mayoría

comunes para CE y LC, pero idealmente todos deberían cumplir los siguientes

requisitos:

Aumento teórico de sensibilidad, sobre todo cuando se acopla a

espectrometría de masas.

Elevada sensibilidad.

Límites de detección bajos, para lo cual se requiere la combinación de

una elevada sensibilidad con una baja fluctuación de la señal de fondo.

Respuesta rápida ante un cambio en la concentración de analito.

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Introducción

86

Su presencia no debe perjudicar a la eficacia de la separación.

Proporcionar señales fiables, es decir, reproducibles y estables en el

tiempo.

Amplio intervalo lineal.

Idealmente, la señal debe ser nula en ausencia de analito. Para que la

señal de fondo no perturbe la señal correspondiente a los analitos

conviene que sea lo más pequeña y constante posible.

Para algunas aplicaciones, es necesario que el detector presente elevada

selectividad.

Los detectores que se emplean en CE y LC, como ya se ha comentado, son de

naturaleza muy diversa, pero sin duda, los más empleados para el análisis de

compuestos fenólicos son la detección espectrofotométrica UV Vis y la

espectrometría de masas (MS).

7.1. Espectroscopía de absorción UV Vis

Los sistemas de detección basados en la absorción de radiación UV/visible son

los más comunes en los equipos de CE y HPLC comerciales. La detección de los

analitos se fundamenta en la interacción entre la radiación UV/visible y la

materia que da lugar a un fenómeno de absorción de determinadas longitudes

de onda de esa radiación por parte de los compuestos. Los detectores de

absorción UV Vis pueden ser de longitud de onda fija, de longitud de onda

variable o de batería de diodos o como son más conocidos “diodo array” (DAD).

Estos últimos son los que se emplean en los equipos de CE y HPLC actuales, y

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Introducción

87

adquieren los espectros completos de absorción UV Vis de muestras que pasan

rápidamente por una celda de medida.

Los múltiples enlaces conjugados presentes en los compuestos fenólicos los

convierten en cromóforos que presentan bandas de absorción en la región UV e

incluso en el visible como es el caso de las antocianidinas y algunos flavonoles.

Son muchas las moléculas que pueden absorber radiación de esta zona del

espectro electromagnético por lo que este detector se puede considerar

universal. Este comportamiento presenta la ventaja de que puede emplearse

para resolver una gran cantidad de problemas analíticos pero también puede

resultar un inconveniente en aquellos casos en los que se requiere selectividad.

La detección UV/visible es muy robusta, por lo que es uno de los mejores

detectores para llevar a cabo cuantificaciones, si bien presenta el inconveniente

de no proporcionar información estructural y por tanto, no permite identificar

de forma inequívoca compuestos si no se dispone de patrones comerciales. Sin

embargo, sí puede resultar útil en la determinación de compuestos fenólicos

para acotar la familia a la que pertenecen los analitos ya que cada familia posee

unas bandas de absorción características, tal como se muestra en la Tabla 4.

.

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Introducción

88

Tabla 4. Bandas de absorción características de diversas familias de compuestos fenólicos

Compuestos Bandas UV (nm)

Ácidos benzoicos 270 280

Ácidos cinámicos 305 325

Cumarinas 220 230 310 350

Chalconas 220 270 340 390

Dihidrochalconas ~ 220 ~ 280

Auronas 240 270 340 370

Flavonas 250 270 330 350

Flavonoles 250 270 350 380

Flavanonas 270 295

Flavanoles 270 280

Antocianidinas 240 280 450 560

Isoflavonas 245 270 300 340

Proantocianidinas ~ 280

7.2. Espectrometría de masas (MS)

En los últimos años han aumentado exponencialmente las aplicaciones de la

espectrometría de masas (MS) como sistema de detección acoplado a diversas

técnicas separativas. Este auge de la técnica se debe principalmente a su

selectividad y al hecho de que es uno de los pocos sistemas de detección que

proporciona información estructural, evitando la inherente falta de sensibilidad

de la resonancia magnética nuclear. Este acoplamiento también presenta la

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Introducción

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ventaja de que proporciona una segunda dimensión de separación ya que tras

separar los compuestos según su tiempo de migración o retención, se produce

en el espectrómetro de masas una separación en función de la relación m/z.

La espectrometría de masas se basa en la separación a vacío de iones en fase

gaseosa de acuerdo con su relación masa/carga (m/z). Existen diversos tipos de

espectrómetros de masas, pero todos incluyen los siguientes elementos: un

sistema de introducción de muestra, un sistema de ionización, un acelerador de

iones mediante un campo eléctrico, un analizador que disperse de iones de

acuerdo a su relación masa/carga y un detector de los iones junto con un

procesador adecuado de la señal (Figura 15). El acelerador de iones, el

analizador y el detector deben estar a una presión inferior a 10 4 10 8 Torr para

evitar colisiones entre los iones de interés y otras sustancias como radicales o

moléculas neutras [149].

Figura 15. Esquema de las partes de un espectrómetro de masas

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Introducción

90

Existen diversos tipos de sistemas de ionización y analizadores de masas. Los

más empleados en los acoplamientos HPLC MS y CE MS se recogen en la Tabla

5.

Tabla 5. Sistemas de ionización y analizadores de masas más utilizados en el acoplamientoHPLC MS y CE MS.

SISTEMAS DE IONIZACIÓN ANALIZADORES DE MASAS

Ionización química a presión atmosférica

(APCI)Cuadrupolo (Q)

Ionización por electrospray (ESI) Triple cuadrupolo (QqQ)

Desorción/ionización asistida por una matriz

(MALDI)Trampa de iones (IT)

Flujo continuo y bombardeo con átomos

rápidos (CF FAB)Tiempo de vuelo (TOF)

Plasma acoplado inductivamente (ICP) Cuadrupolo tiempo de vuelo (Q TOF)

Ionización por termonebulización (TS)Transformada de Fourier resonancia

ciclotrónica (FT ICR)

En la presente memoria el sistema de ionización que se ha empleado para todos

los acoplamientos CE/HPLC/nanoLC MS ha sido la ionización por electrospray y

los analizadores de masas empleados han sido trampa de iones, tiempo de

vuelo y cuadrupolo tiempo de vuelo. Los acoplamientos empleados se muestran

en la Figura 16.

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Introducción

91

Figura 16. Plataformas analíticas empleadas en la presente memoria

7.2.1. Sistema de ionización: Ionización por electrospray (ESI)

Para llevar a cabo el acoplamiento de técnicas que trabajan en fase líquida,

como son la electroforesis capilar y la cromatografía líquida, con un

espectrómetro de masas, en el que las sustancias para ser analizadas deben

entrar en fase gaseosa, es necesaria una interfase adecuada. Se han

desarrollado diferentes interfases que se recogen en la Tabla 5, pero la más

empleada para el análisis de compuestos fenólicos es la de ionización por

electrospray (ESI) ya que es eficaz en el análisis de compuestos polares, lábiles

y/o con alto peso molecular.

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Introducción

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En el proceso de formación del electrospray, que se lleva a cabo a presión

atmosférica, intervienen diversos mecanismos al mismo tiempo, tal como se

muestra en la Figura 17. La muestra, procedente del capilar o de la columna,

pasa través de un fino capilar de acero inoxidable cuyo extremo se encuentra a

un potencial eléctrico elevado (3 6 kV). Este elevado potencial unido al pequeño

radio de curvatura al final del capilar crean un fuerte campo eléctrico, que

produce reacciones de oxidación reducción y hace que el líquido emerja como

finas gotas cargadas eléctricamente. Esta nebulización normalmente es asistida

por un flujo de nitrógeno gaseoso (el gas nebulizador) que fluye a través de un

tubo coaxial al capilar principal. En la formación de las gotas cargadas resultan

críticas la velocidad del flujo, la tensión superficial y la conductividad de la

solución. La conductividad debe ser baja lo que implica concentraciones de

electrolitos menores que 10 4 M.

Figura 17. Diagrama de formación del electrospray

Las gotas cargadas atraviesan una serie de cámaras con vacío creciente. A

medida en que las gotas pasan por las cámaras, se evaporan y se hacen cada vez

más pequeñas debido a la desolvatación. Al mismo tiempo, dado que el área

superficial de las gotas se reduce, aumenta la densidad de carga eléctrica sobre

la superficie. En cierto momento, la repulsión de los iones se hace mayor que la

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Introducción

93

tensión superficial de las gotas, alcanzándose el denominado límite de Rayleigh,

en ese punto las gotas se vuelven inestables y estallan en las conocidas como

explosiones de Coulomb. Como resultado, se forman una serie de gotas más

pequeñas cargadas que seguirán sufriendo procesos de evaporación y explosión

sucesivos hasta que finalmente se forman iones que pasan a fase gaseosa y son

atraídos hacia la entrada del espectrómetro de masas como consecuencia del

voltaje aplicado [150, 151].

En el proceso de ionización se pueden formar iones mono o multicargados, lo

que permite detectar compuestos con pesos moleculares muy altos empleando

analizadores de masas que trabajan con un intervalo limitado de valores m/z.

El diseño específico de la interfase ESI es distinto según la técnica separativa a la

que se acople. A continuación se describen las interfases ESI utilizadas en la

presente tesis doctoral para el acoplamiento CE MS, HPLC MS y nanoLC MS.

7.2.1.1. Interfase ESI para el acoplamiento CE MS

En el acoplamiento CE ESI MS, el primer problema que se plantea es la

incompatibilidad del flujo procedente del capilar de separación (de hasta 100

nl/min), con el flujo necesario para la formación de un electrospray estable (1

200 l/min). Para solucionar este problema se han propuesto dos estrategias, la

primera de ellas es el uso de un flujo adicional, y la segunda, el uso de las

llamadas interfases micro o nano ESI, con las cuales se va a poder trabajar con

flujos extremadamente pequeños.

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Introducción

94

El segundo problema es mantener el circuito eléctrico que se requiere para

llevar a cabo la separación en CE y que se forma entre los extremos del capilar al

aplicar la diferencia de potencial. Otro problema que aparece en el

acoplamiento CE ESI MS es la compatibilidad de los diferentes modos de

electroforesis capilar con el espectrómetro de masas, ya que dependiendo del

modo de CE, se va a requerir o no el empleo de sustancias poco compatibles con

ESI (como iones borato, fosfato, detergentes para la formación de micelas,

ciclodextrinas, etc.), las cuales por su escasa volatilidad contribuyen de forma

significativa al incremento del ruido de fondo en la detección por MS,

disminuyendo la sensibilidad, y llegando en algunos casos a obstruir y/o

contaminar el sistema de detección.

Todas las dificultades indicadas del acoplamiento CE MS han hecho que se

hayan desarrollado diversos tipos de interfases para CE ESI MS teniendo como

objetivo la formación de un electrospray estable y el mantenimiento de la

corriente eléctrica en el interior del capilar [152, 153]. Con esta idea, se han

desarrollado fundamentalmente tres tipos de interfases ESI: sin flujo adicional,

con flujo adicional y con unión líquida. La interfase ESI con flujo adicional

actualmente es la más utilizada en el acoplamiento CE MS, siendo hasta la fecha

la única disponible comercialmente y es la que se ha empleado en la presente

tesis doctoral.

La interfase ESI con flujo adicional está formada por tres tubos concéntricos,

como se muestra en la Figura 18. El primero de ellos es el propio capilar de

separación que se encuentra rodeado de un tubo de acero inoxidable por el que

se hace fluir el líquido adicional, y por un tercer tubo por el cual se introduce el

gas nebulizador que favorece la formación del electrospray .

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Introducción

95

Figura 18. Esquema de una interfase ESI con flujo adicional. (Adaptado de [154])

El flujo que eluye del capilar se aumenta mediante el empleo del líquido

adicional, facilitando el acoplamiento CE MS y dando lugar a la formación de un

electrospray estable. Además, el flujo adicional facilita el cierre del circuito

eléctrico con el interior del capilar, ya que el líquido añadido permite el

contacto entre el electrolito de separación que fluye del interior del capilar y el

tubo metálico (conectado a tierra) que rodea el capilar de separación.

Se trata de una interfase robusta y de fácil manejo, aunque presenta algunas

limitaciones, como por ejemplo la disminución de la sensibilidad resultante de la

dilución que el líquido adicional produce sobre las bandas de los analitos que

salen del capilar. Por otro lado, es necesario considerar otros parámetros como

son la composición y el flujo de la disolución adicional, presión del gas

nebulizador, situación del capilar con respecto al tubo concéntrico que lo rodea,

naturaleza del electrolito de separación, etc., ya que van a influir tanto sobre la

intensidad de la señal MS como sobre la resolución de la separación [154].

7.2.1.2. Interfase ESI para el acoplamiento HPLC MS

En el acoplamiento HPLC ESI MS, al contrario de lo que ocurre en CE, el

principal problema es el excesivo flujo de fase móvil que eluye de la columna, en

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Introducción

96

muchos casos comprendido entre 0,5 y 3 ml/min. Las interfases ESI comerciales

empleadas en el acoplamiento HPLC MS admiten flujos comprendidos entre 1

μl/min y 1 ml/min, aunque realmente el flujo recomendado a la entrada del

espectrómetro de masas está entre 0,2 0,5 ml/min, dependiendo del

analizador. Para solucionar el problema de los flujos elevados el diseño de la

interfase ESI no se modifica, sino que se suelen emplear divisores de flujo entre

la salida de la columna cromatográfica y la entrada de la interfase, aunque esto

supone una disminución de la sensibilidad producida por la eliminación de parte

de la muestra. Otra posible solución es utilizar columnas cromatográficas más

estrechas con flujos de 0,2 ml/min, que sí se pueden introducir directamente en

el espectrómetro de masas.

7.2.1.3. Interfase ESI para el acoplamiento nanoLC MS

En el acoplamiento nanoLC ESI MS al igual que ocurre con CE el flujo que

proviene de la columna capilar es demasiado pequeño (del orden de los

nanolitros) para conseguir un electrospray estable. Para solucionar este

problema se han utilizado interfases ESI con flujo adicional similares a las

empleadas en el acoplamiento CE ESI MS aunque existen pocas referencias

bibliográficas, ya que pronto se desarrollaron las interfases nanoESI sin flujo

adicional que permiten trabajar con flujos muy pequeños (50 500 nl/min)

obteniendo alta sensibilidad. Son fuentes con un diseño diferente al utilizado en

otro tipo de acoplamientos (HPLC ESI MS o CE ESI MS), ya que están

especialmente diseñadas para flujos bajos. En vez de un nebulizador utilizan una

aguja o capilar interno para transportar la muestra desde la columna capilar

hasta la cámara de nebulización. La diferencia de potencial que se genera entre

la punta del capilar y la entrada del espectrómetro de masas produce la

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Introducción

97

ionización y en muchos casos no se requiere de un gas nebulizador adicional

debido a los pequeños volúmenes de disolvente utilizados. Los capilares

internos pueden ser de sílice, con algún tipo de unión conductora que permita

establecer el potencial necesario para la formación del electrospray, o pueden

estar fabricados de acero inoxidable. Muchas aplicaciones encontradas en

bibliografía utilizan los capilares de sílice, que además presentan la ventaja de

que la columna cromatográfica se puede empaquetar directamente en ellos y

de esta forma eliminar los volúmenes muertos post columna. Los capilares de

sílice tienen un diámetro en la punta de 1 2 μm y producen sprays estables en el

rango de 20 300 nl/min. En algunos trabajos se utilizan fuentes nanoESI

disponibles comercialmente pero insertando capilares preparados en el propio

laboratorio, para solucionar problemas concretos.

En general en las fuentes nanoESI la eficacia de la ionización es mayor ya que los

iones se producen con más eficacia a medida que el tamaño medio de las

microgotas del spray disminuye. Además el pequeño tamaño del spray formado

y la proximidad de la punta del capilar a la entrada del espectrómetro de masas

permiten la introducción de una fracción mayor de los iones hacia el interior.

7.2.2. Analizadores de masas

Una vez que en la interfase se ha llevado a cabo la transferencia de los iones

procedentes del capilar desde la fase líquida a la fase gaseosa, los iones son

dirigidos hacia el analizador de masas. Los analizadores de masas permiten la

separación, detección y cuantificación de los analitos en estudio con un grado

de sensibilidad y selectividad muy elevado, proporcionando información sobre

su masa molecular.

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Introducción

98

Existen diversos tipos de analizadores: cuadrupolos, trampas de iones, sectores

magnéticos, analizadores de tiempo de vuelo, etc. En el desarrollo experimental

de esta memoria, se han utilizados los analizadores trampa de iones (IT), tiempo

de vuelo (TOF) y cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF).

7.2.2.1. Trampa de iones (IT)

En la Figura 19 se puede ver el esquema de un espectrómetro de masas IT con

sus distintas partes.

Figura 19. Esquema de un espectrómetro de masas IT.

En el esquema se pueden diferenciar las siguientes partes: la cámara de

nebulización, la denominada zona de transporte y focalización de iones,

formada por skimmers, octopolos y lentes; el analizador (IT); y el detector.

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Introducción

99

La primera zona es la cámara de nebulización (la interfase), donde se nebuliza e

ioniza la solución de la muestra tal y como se ha detallado en la sección

anterior. La zona de transporte y focalización de iones se divide en cuatro zonas

de alto vacío. Los iones pasan a través del capilar de vidrio y el skimmer elimina

el gas de secado y las especies neutras, entonces los iones pasan al octopolo

que los transporta, focaliza y guía desde el skimmer hasta la trampa de iones

atravesando una serie de lentes. Los iones formados en la fuente entran en el

analizador que consta de un electrodo hiperbólico en forma de anillo y otros

dos que actúan como tapas a los que se aplican diferencias de potencial de

signo contrario al electrodo anular con componentes de corriente directa y

alterna. De esta forma se genera un campo cuadrupolar tridimensional en la

cavidad de la trampa donde los iones con trayectorias estables son capturados,

oscilando a frecuencias que dependen de su masa y carga. Durante la detección,

los potenciales de los electrodos se alteran sometiéndolos a una rampa lineal de

radiofrecuencia (RF) para provocar inestabilidad en las trayectorias de los iones

y expulsarlos en la dirección axial en función de su relación m/z dando lugar a

un espectro de masas. Después del analizador, los iones pasan al detector, que

tiene también una serie de lentes y un sínodo que dirigen los iones hasta del

propio detector.

Una vez que los iones se encuentran atrapados dentro de este analizador se

puede llevar a cabo bien el análisis de sus masas, obteniéndose el espectro de

MS o bien el aislamiento de uno o varios iones precursores y su posterior

fragmentación, dando lugar a los espectros de MS/MS. En la Figura 20 se

muestra un diagrama del proceso de aislamiento de iones precursores y

fragmentación de éstos.

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Introducción

100

Figura 20. Diagrama del modo de trabajo MS/MS en la trampa de iones

Las principales especificaciones de la trampa de iones son que puede analizar un

rango de masas de 50 2.200 m/z y que permite realizar análisis MS/MS y MSn.

7.2.2.2. Tiempo de vuelo (TOF)

El analizador de tiempo de vuelo (TOF) separa los iones según la distinta

velocidad que adquieren en su interior en función de su relación m/z. En primer

lugar, los iones son extraídos de la cámara de ionización y focalizados hacia el

tubo de vuelo donde se aceleran mediante un campo electrostático que les

aporta una elevada energía cinética. Los iones de mayor m/z “volarán” a menor

velocidad que los de menor m/z. La resolución entre los iones de diferente m/z

será mayor cuanto mayor sea longitud del tubo (habrá una mayor separación de

los iones en el tiempo) y cuanto menor sea la dispersión en las energías

cinéticas de los iones.

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Introducción

101

La muestra disuelta entra en la cámara de nebulización donde tiene lugar la

formación del spray. Los iones formados atraviesan la unidad de desolvatación,

que separa las zonas a presión atmosférica de la primera zona de alto vacío, y

que consta de un calentador del gas de secado y un capilar de cristal. Se llega a

través de ella a la zona de transmisión o transferencia óptica que consta de tres

módulos que están a alto vacío, separados entre sí por dos skimmers. Los dos

hexapolos son los que transfieren los iones hasta la zona de alto vacío, mientras

que las lentes enfocan o dirigen dichos iones.

Figura 21. Esquema detallado de las partes de las que consta un espectrómetro de masas TOF

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Introducción

102

La siguiente unidad es el analizador TOF propiamente dicho, que a su vez consta

de tres zonas. La primera de ellas es la zona de aceleración ortogonal donde se

aceleran los iones hacia el tubo de vuelo aplicando un campo eléctrico

intermitente. Los iones volarán a lo largo del tubo de vuelo hasta alcanzar la

segunda zona, el reflector, que permite corregir la dispersión en la energía

cinética de los iones, aumentando de esta forma la resolución. El último

componente del analizador TOF es el detector de impacto electrónico que

consiste en una serie de placas a alto voltaje que convierten el impacto de los

iones en señales eléctricas. En el detector hay millones de pequeños poros

internamente recubiertos con una capa semiconductora, de forma que cada

uno de ellos trabaja como un multiplicador de electrones independiente.

El analizador TOF es rápido y sensible, y su principal característica es que gracias

a su elevada resolución permite obtener valores de masa muy exactos. La

combinación de los datos de masas exactas con la determinación de la

distribución isotópica, permite poder determinar la fórmula molecular del

compuesto.

Las principales especificaciones del TOF son que puede analizar un rango de

masas de 50 3.000 m/z, presenta una resolución de entre 10.000 y 15.000

FWHM, y una exactitud de 3 ppm con calibración interna y 5 ppm con

calibración externa.

7.2.2.3. Cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF)

El analizador cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF) está formado básicamente

por las mismas partes que un analizador TOF con la diferencia de que se

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Introducción

103

introduce un cuadrupolo donde se pueden seleccionar determinados iones para

posteriormente fragmentarlos en una celda de colisión con ayuda de un gas de

colisión, normalmente N2. Los iones fragmentados se separan en el analizador

TOF función de su relación m/z de la misma forma que se ha descrito en el

apartado anterior. Además se sustituyen los skimmers de la zona de trasmisión

de iones por funnels (anillos concéntricos apilados en forma de embudo) que

evitan la pérdida de iones durante la transmisión iónica, aumentando de esta

forma la sensibilidad.

Figura 22. Esquema detallado de las partes de las que consta un espectrómetro de masasQTOF.

El analizador QTOF, con la posibilidad de hacer MS/MS, añade un tercer nivel de

información, que se une a la exactitud de masas y a la distribución isotópica,

para llevar a cabo la identificación de compuestos.

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Introducción

104

Las principales especificaciones de este analizador son un rango de masas de

50 20.000 m/z, una resolución de entre 17.500 y 20.000 FWHM, la posibilidad

de llevar acabo análisis MS/MS, y una exactitud de 3 ppm con calibración

interna y 5 ppm con calibración externa tanto de iones precursores como de

fragmentos.

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BIBLIOGRAFÍA

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PARTE EXPERIMENTAL

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Bloque I. Caracterización de

fuentes de compuestos fenólicos

bioactivos

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High performance liquid chromatography with diode array

detection coupled to electrospray time of flight and ion trap

tandem mass spectrometry to identify phenolic compounds

from a lemon verbena extract

Identificación de los compuestos fenólicos de un extracto de

Lippia citriodora mediante HPLC DAD ESI TOF/IT MS

Capítulo 1

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Journal of Chromatography A, 1216 (2009) 5391–5397

Contents lists available at ScienceDirect

Journal of Chromatography A

journa l homepage: www.e lsev ier .com/ locate /chroma

High-performance liquid chromatography with diode array detection coupled to

electrospray time-of-flight and ion-trap tandem mass spectrometry to identify

phenolic compounds from a lemon verbena extract

R. Quirantes-Pinéa, L. Funesb, V. Micolb, A. Segura-Carreteroa,∗, A. Fernández-Gutiérreza

a Department of Analytical Chemistry, University of Granada, c/Fuentenueva s/n, 18003 Granada, Spainb Instituto de Biología Molecular y Celular, Universidad Miguel Hernández, Avenida de la Universidad s/n, E-03202 Elche, Alicante, Spain

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 18 February 2009

Received in revised form 13 May 2009

Accepted 14 May 2009

Available online 21 May 2009

Keywords:

Lemon verbena

Phenolic compounds

High-performance liquid chromatography

Mass spectrometry

a b s t r a c t

High-performance liquid chromatography with diode array and electrospray ionization mass spectro-

metric detection was used to carry out the comprehensive characterization of a lemon verbena extract

with demonstrated antioxidant and antiinflammatory activity. Two different MS techniques have been

coupled to HPLC: on one hand, time-of-flight mass spectrometry, and on the other hand, tandem mass

spectrometry on an ion-trap. The use of a small particle size C18 column (1.8 �m) provided a great res-

olution and made possible the separation of several isomers. The UV–visible spectrophotometry was

used to delimit the class of phenolic compound and the accurate mass measurements on time-of-

flight spectrometer enabled to identify the compounds present in the extract. Finally, the fragmentation

pattern obtained in MS–MS experiments confirmed the proposed structures. This procedure was able

to determine many well-known phenolic compounds present in lemon verbena such as verbascoside

and its derivatives, diglucuronide derivatives of apigenin and luteolin, and eukovoside. Also gardoside,

verbasoside, cistanoside F, theveside, campneoside I, chrysoeriol-7-diglucuronide, forsythoside A and

acacetin-7-diglucuronide were found for the first time in lemon verbena.

© 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

Lippia citriodora, also called lemon verbena, is a deciduous

shrub originated in South America. It was introduced into Europe

at the end of the 17th century so it is nowadays cultivated in

the Mediterranean area [1]. The leaves of lemon verbena con-

tain phenolic compounds, mainly flavonoids, phenolic acids and

phenylpropanoids [2–4]. Some pharmacological properties have

been attributed to these compounds. In fact, lemon verbena has tra-

ditionally been used in infusions for the treatment of fever, stomach

ache, indigestion and other gastrointestinal disorders, besides it can

act as diuretic [5], antiinflammatory [6] and analgesic [7]. Moreover,

lemon verbena products and their compounds can be considered

into the food category.

As a result of these properties, a bioactive plant extract from the

aerial part of Lippia citriodora has been developed (Monteloeder,

Elche). Its main component is the phenylethanoid glycoside ver-

bascoside, also known as acteoside, which has previously been

reported to have biological activity [6–11]. Several in vitro and in

vivo assays have shown that this lemon verbena extract has antiox-

∗ Corresponding author. Tel.: +34 958 243296; fax: +34 958 249510.

E-mail address: [email protected] (A. Segura-Carretero).

idant and antiinflammatory effects [12]. This antiinflammatory

activity might enable the use of this plant extract for the preven-

tion and treatment of diseases related with inflammation such as

osteoarthritis and rheumatoid arthritis among others.

In spite of this activity is attributed to verbascoside, other polar

compounds from the leaves can be present in the extract, mainly

phenolic compounds. In this way, we cannot assume that the whole

biological activity of lemon verbena extract are due to just one sin-

gle compound since several researches have shown interactions

between phenolic compounds, mainly synergistic and antagonis-

tic effects [13–16]. As a result, we have carried out the qualitative

characterization of this commercial foodstuff.

Phenolic compounds identification in plant matrix can be a com-

plex task as there is a wide variety of structures. They can also

get bonded to five different sugar moieties or get conjugated to

form dimers and trimers. Besides, a lot of polyphenol standards

are not commercially available. Several separative techniques have

been used to determine phenolic compounds in vegetable matrix

such as gas chromatography (GC), capillary electrophoresis (CE)

and mainly high-performance liquid chromatography (HPLC), all

of them coupled to different detection system, mostly mass spec-

trometry [2,17–19]. Recently, an improvement in chromatographic

performance has been achieved by the use of columns packed

with small particles (sub-2 �m) [20] which provide a higher peak

0021-9673/$ – see front matter © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:10.1016/j.chroma.2009.05.038

______Capítulo 1_______

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5392 R. Quirantes-Piné et al. / J. Chromatogr. A 1216 (2009) 5391–5397

capacity, greater resolution, increased sensitivity and high speed of

analysis [21–25].

We have developed a methodology for qualitative charac-

terization of complex plant matrix consisting of the coupling

of reversed-phase high-performance liquid chromatography (RP-

HPLC) eqquiped with a small particle size column, with two

different detection systems: photodiode array (DAD) and mass

spectrometry with time-of-flight (TOF) and ion-trap (IT) analyz-

ers. UV–visible spectrophotometry is a valuable tool for identifying

the class of phenolic compounds, whereas MS data are useful for

their structural characterization. The sensitivity together with mass

accuracy and true isotopic pattern of TOF–MS analyzer provided the

most probable molecular formula. On the other hand, tandem mass

spectrometry carried out with IT–MS analyzer was used to deter-

mine or to corroborate structures based on fragmentation patterns.

In this work we have applied the described methodology to carry

out the comprehensive characterization of a lemon verbena extract.

2. Experimental

2.1. Chemicals

All chemicals were of analytical reagent grade and used as

received. Formic acid and acetonitrile for HPLC were purchased

from Fluka, Sigma–Aldrich (Steinheim, Germany) and Lab-Scan

(Gliwice, Sowinskiego, Poland) respectively. Solvents were filtered

using a Solvent Filtration Apparatus 58061 (Supelco, Bellefonte,

PA, USA). Water was purified by a Milli-Q system from Millipore

(Bedford, MA, USA).

2.2. Instrumentation

Analyses were carried out using an Agilent 1200 Series Rapid

Resolution LC system (Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA),

including a standard autosampler and a diode array detector.

The HPLC column used was a Zorbax Eclipse Plus C18 (1.8 �m,

150 mm × 4.6 mm). The HPLC system was coupled to a microTOF

mass spectrometer (Bruker Daltonics, Bremen, Germany) equipped

with an ESI interface. MS–MS analysis was performed using a Bruker

Daltonics Esquire 2000 IT mass spectrometer (Bruker Daltonics,

Bremen, Germany) also equipped with an ESI interface.

2.3. Sample

Lemon verbena commercial extract was kindly provided by

Monteloeder. Briefly, the manufacture procedure consisted of

lemon verbena aerial part drying and subsequent extraction in

an overheated water extractor through maceration/percolation by

exhaustive recirculation of water (≤80 ◦C) to solvent saturation.

Then, aqueous solution was concentrated by high vacuum at low

temperature up to 20◦ Brix and filtered through a silica–cellulose

press filter (1 �m) to eliminate insoluble materials. Concentration

process was continued by vacuum up to 70◦ Brix and final syrup

was dried by using industrial hot plate vacuum oven system. Final

ratio of extract to raw material was approximately 1:7.

The commercial extract manufactured according to the above

described procedure was dissolved in water to obtain a final con-

centration of 1000 �g ml−1. This solution was filtered and injected

directly into the HPLC system.

2.4. Chromatographic procedure

The separation of the compounds from lemon verbena extract

was carried out at room temperature with a gradient elution pro-

gram at a flow rate of 0.5 ml min−1. The mobile phases consisted in

water:acetonitrile (90:10, v/v) with 1% of formic acid (A) and ace-

tonitrile (B). The following multi-step linear gradient was applied:

0 min, 5% B; 25 min, 20% B; 30 min, 40% B; 35 min, 5% B. The ini-

tial conditions were held for 10 min. The injection volume in the

HPLC system was 20 �l. The UV–vis detection was performed in

the 190–450 nm range.

2.5. ESI–TOF–MS detection

As the flow rate at chromatographic conditions was set at

0.5 ml min−1, to split the flow was required when ESI interface was

used. In order to achieve reproducible results, ionization condi-

tions need to be constant and that is not possible at regular HPLC

conditions since the flow is too high. In the current paper the efflu-

ent from the HPLC column was reduced using a “T” type splitter

before being introduced into the mass spectrometer (split ratio

1:3). Thus the flow which arrived to the ESI–TOF–MS detector was

125 �l min−1.

The HPLC system was coupled to a TOF mass spectrometer

equipped with an ESI interface operating in negative ion mode

using a capillary voltage of +4 kV. The other optimum values of the

ESI–TOF parameters were drying gas temperature, 190 ◦C; drying

gas flow, 7 l min−1, and nebulizing gas pressure, 1.5 bar. The detec-

tion was carried out considering a mass range of 50–1000 m/z.

The accurate mass data of the molecular ions were processed

through the software DataAnalysis 4.0 (Bruker Daltonics), which

provided a list of possible elemental formulas by using Generate-

MolecularFormula Editor. The GenerateMolecularFormula Editor

uses a CHNO algorithm, which provides standard functionalities

such as minimum/maximum elemental range, electron config-

uration and ring-plus double bonds equivalents, as well as a

sophisticated comparison of the theoretical with the measured

isotope pattern (Sigma Value) for increased confidence in the

suggested molecular formula [26]. The widely accepted accuracy

threshold for confirmation of elemental compositions has been

established at 5 ppm [27]. We also have to say that even with very

high mass accuracy (<1 ppm) many chemically possible formulae

are obtained depending on the mass regions considered. So, high

mass accuracy alone is not enough to exclude enough candidates

with complex elemental compositions. The use of isotopic abun-

dance patterns as a single further constraint removes >95% of false

candidates. This orthogonal filter can condense several thousand

candidates down to only a small number of molecular formulas.

During the development of the HPLC method, external instru-

ment calibration was performed using a 74900-00-05 Cole Palmer

syringe pump (Vernon Hills, Illinois, USA) directly connected to

the interface, with a sodium formate cluster solution passing

through containing 5 mM sodium hydroxide and 0.2% formic acid in

water:isopropanol (1:1, v/v). The calibration solution was injected

at the beginning of each run and all the spectra were calibrated prior

to the compound identification. By using this method, an exact cal-

ibration curve based on numerous cluster masses each differing by

68 Da (NaCHO2) was obtained. Due to the compensation of tem-

perature drift in the microTOF, this external calibration provided

accurate mass values (better than 5 ppm) for a complete run with-

out the need for a dual sprayer setup for internal mass calibration.

2.6. ESI–IT–MS–MS detection

The mass spectrometer was run in the negative ion mode and the

capillary voltage was set at 3000 V. The IT scanned at 50–1000 m/z

range. The other parameters were dry temperature, 300 ◦C; drying

gas flow, 7 l min−1; nebulizing gas pressure, 1.5 bar. The instrument

was controlled by a personal computer running Esquire NTsoftware

from Bruker Daltonics.

Bloque I_______

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R. Quirantes-Piné et al. / J. Chromatogr. A 1216 (2009) 5391–5397 5393

Fig. 1. UV chromatogram obtained at 280 nm (a) and BPC (50–1000 m/z) (b) for aqueous solution of lemon verbena extract.

3. Results and discussion

Fig. 1 shows the UV chromatogram registered at 280 nm since

most of the phenolic compounds absorb at this wavelength. The

figure also shows the ESI–TOF base peak chromatogram of aque-

ous solution of the lemon verbena extract where the peaks are

identified with numbers (1–19) considering the elution order. All

the compounds were identified by the interpretation of their mass

spectra obtained by the TOF–MS and the MS–MS spectra acquired

with the IT–MS and also taking into account the data provided by

the literature and their absorption spectra in UV–visible region.

Table 1 summarizes UV–visible bands and MS data including exper-

imental and calculated m/z for the provided molecular formulas,

error, sigma value and the main fragments obtained by MS–MS, as

well as the proposed compound for each peak. Fig. 2 shows the

structures of the proposed compounds.

Compound 1 was identified as gardoside taking into account

the molecular formula provided for its accurate mass. This iri-

doid glycoside has been reported previously in other species from

genus Lippia, for instance Lippia alba [28]. MS–MS spectrum of

this compound showed fragments at m/z 211, 193, 167 and 149

corresponding to [M−glucose]− (211) and the successive losses of

water (193) and CO2 (167), respectively, from the main fragment,

as well as the simultaneous elimination of water and CO2 (149)

(see Fig. 3a). Another fragment was found at m/z 123, correspond-

ing to [M−glucose-88]−, which was obtained by the loss of the

Table 1MS and MS–MS data and UV–visible bands for each compound and their proposed structures.

Peak tR (min) m/z Experimental m/z Calculated Error (ppm) Molecular formula MS–MS fragments �max (nm) Proposed compound

1 3.97 373.1147 373.1140 1.9 C16H21O10 211, 193, 167, 149, 123 234 Gardoside

2 4.33 461.1670 461.1664 1.3 C20H29O12 315, 297, 161, 135 238 Verbasoside

3 4.84 487.1433 487.1457 4.9 C21H27O13 179 240, 328 Cistanoside F

4 6.36 389.1096 389.1089 −1.6 C16H21O11 371, 345, 209, 179, 121 234 Theveside

5 9.05 387.1656 387.1661 1.1 C18H27O9 369, 225, 207, 163 239 Unknown 1

6 9.25 433.2065 433.2079 3.4 C20H33O10 387, 225 240 Unknown 2

7 10.71 639.1878 639.1931 8.2 C29H35O16 621, 459 242, 330 �-hydroxy-verbascoside/�-

hydroxy-isoverbascoside

8 11.09 639.1936 639.1931 −0.9 C29H35O16 621, 459 242, 330

9 11.46 637.1013 637.1046 5.2 C27H25O18 351, 285 253, 266 sh, 347 Luteolin-7-diglucuronide

10 15.07 621.1118 621.1097 3.3 C27H25O17 351 244 sh, 266, 334 Apigenin-7-diglucuronide

11 15.66 653.2139 653.2087 7.9 C30H37O16 635, 621, 459 246, 330 Campneoside I or isomer

12 15.81 653.2097 653.2087 1.6 C30H37O16 621 246, 330

13 16.94 651.1228 651.1203 −3.8 C28H27O18 395, 351 252, 266 sh, 345 Chrysoeriol-7-diglucuronide

14 17.28 623.2038 623.1981 −9.1 C29H35O15 461 237, 296 sh, 330 Verbascoside

15 19.45 623.1979 623.1981 0.5 C29H35O15 461, 315 244, 290 sh, 326 Isoverbascoside

16 20.10 623.1969 623.1981 2.0 C29H35O15 461 246, 290 sh, 330 Forsythoside A

17 22.04 637.2174 637.2138 −5.6 C30H37O15 491, 475, 461, 315 245, 290 sh, 330 Eukovoside

18 25.62 635.1278 635.1254 −3.8 C28H27O17 501, 351 245 sh, 267, 330 Acacetin-7-diglucuronide

19 28.28 651.2280 651.2294 2.1 C31H39O15 505, 475, 457 246, 329 Martinoside

Note: sh, shoulder.

______Capítulo 1_______

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5394 R. Quirantes-Piné et al. / J. Chromatogr. A 1216 (2009) 5391–5397

Fig. 2. Chemical structures of the proposed compounds.

3-oxopropanic acid molecule according to the fragmentation path-

way shown in Fig. 4. These fragments were also similar to previous

data reported for other iridoid glycosides [29]. Also theveside was

identified in the sample (compound 4), another iridoid glycoside.

This compound presented fragments at m/z 371, 345 and 209 which

were consistent with the loss of water, CO2 and glucose moiety

respectively (see Fig. 3d). The fragment at m/z 121 corresponded

to the elimination of the 3-oxopropanic acid molecule from the

main fragment [M-glucose]− according to the fragmentation path-

way previously described for gardoside. This was also corroborated

since theveside is present in other plants from genus Lippia [30].

Both compounds showed an UV absorbance band at 234 nm which

is characteristic of these iridoid glycosides [31].

Compound 2 corresponded to verbasoside also known as decaf-

feoylverbascoside. Its MS–MS spectrum showed fragments at m/z

315 and 297 corresponding to the loss of rhamnose moiety fol-

lowed by water elimination, respectively. Other fragments were

detected at m/z 161 and 135. The ion at m/z 161 was consistent

with deoxyhexose group and the fragment at m/z 135 represented

the hydroxytyrosol moiety after the loss of water (see Fig. 3b). This

compound has been detected previously in the genus Lippia [32,33].

Peak 3 MS–MS spectrum gave a fragment at m/z 179 which cor-

responded to caffeic acid (see Fig. 3c). Cistanoside F was proposed as

structure taking into account the molecular formula provided, the

presence of caffeic acid in the structure and the naturally occur-

rence of this compound in Lippia alba [34]. This compound has

Bloque I_______

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R. Quirantes-Piné et al. / J. Chromatogr. A 1216 (2009) 5391–5397 5395

Fig. 3. Most representative MS–MS spectra of compounds. The spectra correspond to: (a) gardoside, (b) verbasoside, (c) cistanoside F, (d) theveside, (e) �-hydroxyverbascoside

or �-hydroxyisoverbascoside, (f) luteolin-7-diglucuronide, (g) campneoside I or isomer, (h) verbascoside, (i) eukovoside, (j) martinoside.

showed previously vasorelaxant activity [35] as well as radical scav-

enging capacity against DPPH [30]. Therefore, it could contribute to

the antioxidant activity of the extract. However, the fact that it is a

minor component in the extract must be taken into account.

It was not possible to identify compounds 5 and 6 since the

molecular formulas and their possible structures did not match any

previous evidence in nature. Moreover, the obtained fragments did

not provide any useful information to propose a tentative identifi-

cation.

Several verbascoside derivatives were present in the extract such

as �-hydroxyverbascoside and �-hydroxyisoverbascoside (com-

pounds 7 and 8). They both showed the same fragmentation pattern

with fragments at m/z 621 and 459 (see Fig. 3e), so it was not pos-

sible to distinguish between them. The ion found at m/z 621 was

consistent with [M−H2O]−, whereas the fragment at m/z 459 cor-

responded to the loss of the caffeic acid moiety. The presence of

these verbascoside derivatives in lemon verbena extracts has been

previously reported in the literature [33,36].

MS–MS fragmentation of compounds 9, 10, 13 and 18 pre-

sented the same ion at m/z 351 which is characteristic of

diglucuronide group after water elimination. As well, all these com-

pounds showed similar UV–visible spectra typical of flavonoids

although hypsochromic shifts were observed by O-glycosylation

[37]. According to their molecular formulas, they were identified as

luteolin-7-diglucuronide, apigenin-7-diglucuronide, chrysoeriol-

7-diglucuronide and acacetin-7-diglucuronide, respectively. In the

______Capítulo 1_______

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5396 R. Quirantes-Piné et al. / J. Chromatogr. A 1216 (2009) 5391–5397

Fig. 4. Proposed fragmentation pathway for gardoside.

case of luteolin-7-diglucuronide, the fragment at m/z 285 cor-

responding to luteolin aglycone was also present (see Fig. 3f).

Luteolin-7-diglucuronide and apigenin-7-diglucuronide have been

previously reported in lemon verbena [33,36].

The software provided the same molecular formula for peaks

11 and 12 and they showed similar absorption spectra. They were

tentatively identified as campneoside I and isomer although it was

not possible to assign what peak corresponded to campneoside I.

They both gave a fragment at m/z 621 which represented the loss

of methoxyl group. Compound 11 also showed an ion at m/z 635

(see Fig. 3g), consistent with water elimination, and another one at

m/z 459 corresponding to the loss of the caffeoyl moiety from the

main fragment (m/z 621). Campneoside I has showed antibacterial

activity in previous works [38].

As expected, the main peak (compound 14) was identified as

verbascoside, according to MS data and by comparison with reten-

tion time and MS–MS spectrum of a standard (see Fig. 3h). Besides,

two verbascoside isomers were found in the lemon verbena extract.

Compound 15 corresponded to isoverbascoside. It was consistent

with its fragmentation pattern, very similar to verbascoside. The

fragments found at m/z 461 and 315 corresponded to the loss of

the caffeoyl moiety and the successive loss of rhamnose, respec-

tively. Peak 16 corresponded to another verbascoside isomer which

showed the same MS–MS profile. It was tentatively identified as

forsythoside A since it is usually present in natural products [39–41]

and it showed UV bands according to the data provided by the

literature [42].

Compound 17 corresponded to eukovoside. Its assignment was

consistent with the presence of fragments found at m/z 491, 461

and 315 which represented the loss of rhamnose moiety, feruloyl

group and their successive elimination (see Fig. 3i). Martynoside

was the proposed structure for compound number 19. In its MS–MS

spectrum, a fragment due to the loss of rhamnose moiety at m/z 505

was observed (see Fig. 3j). Other fragments were detected at m/z

475 and 457 corresponding to the feruloyl unit elimination and the

further loss of water, respectively. These phenylethanoid glycosides

were also corroborated by the data reported in the literature [33,35].

4. Conclusions

A powerful analytical method has been used to carry out the

comprehensive characterization of a lemon verbena extract. The

combined use of HPLC separation with a small particle size col-

umn assisted by UV–vis and mass spectrometric detections with

different mass analyzers, such as TOF or IT, has proved to be an use-

ful tool in the identification of secondary metabolites produced by

plants. The utilized method simultaneously separated a wide range

of iridoid glycosides, flavonoid glycosides and phenylethanoid gly-

cosides and the successfully identification of the major compounds

of this extract was done in less than 30 min.

It is also important to highlight that, to our knowledge,

the compounds gardoside, verbasoside, cistanoside F, theveside,

campneoside I, chrysoeriol-7-diglucuronide, forsythoside A and

acacetin-7-diglucuronide were described for the first time in lemon

verbena.

Acknowledgements

The authors are grateful to the Spanish Ministry of Education

and Science for two projects (AGL2007-62806 and AGL2008-05108-

C03-03) and a grant (FPU, AP2007-03246) and to Andalusian

Regional Government Council of Innovation and Science for the

project P07-AGR-02619. This investigation has been partially sup-

ported too by private funds from Monteloeder, S.L. The authors also

thank Monteloeder, S.L. for providing the lemon verbena extract.

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______Capítulo 1_______

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Characterization of phenolic and other polar compounds in a

lemon verbena extract by capillary electrophoresis electrospray

ionization mass spectrometry

Caracterización de los compuestos fenólicos y otros

compuestos polares de un extracto de Lippia citriodora

mediante CE ESI MS

Capítulo 2

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Research Article

Characterization of phenolic and other polarcompounds in a lemon verbena extract bycapillary electrophoresis-electrosprayionization-mass spectrometry

In this study, a CE-MS method has been developed to carry out the qualitative charac-

terization of a lemon verbena (Lippia citriodora) extract for the first time. The CE and ESI-

MS parameters were optimized with respect to resolution, analysis time and peak shape in

order to maximize the number of compounds detected and the sensitivity of their

determination. The use of two different MS analyzers, TOF-MS and IT-MS, enabled the

tentative identification of the major components of this extract. Thus, using this method,

16 compounds were determined. Some of them have been previously identified by HPLC

methods, although four compounds were also found for the first time in lemon verbena

such as asperuloside, tuberonic acid glucoside or 50-hydroxyjasmonic acid 50-O-glucoside,shanzhiside and ixoside. These results demonstrate that CE-MS generates data comple-

mentary to those obtainable by HPLC-MS and it is particularly suited to the analysis of

plant metabolites.

Keywords: CE / ESI / Lemon verbena / MS / Phenolic compoundsDOI 10.1002/jssc.201000228

1 Introduction

Lippia citriodora, commonly known as lemon verbena, is a

shrub from genus Lippia native of South America although

it is also cultivated in Southern Europe and North Africa.

Lemon verbena leaves are used to add a lemony flavor to

foods and beverages, as well as in folk medicine. In this way,

they have traditionally been used for the treatment of

asthma, fever, gastrointestinal disorders and skin diseases

[1]. Due to these pharmacological properties, this plant has

been the subject of a large number of studies. Several

researchers have demonstrated that lemon verbena

possesses digestive [2], antispasmodic [3], diuretic [4], anti-

inflammatory [5] and analgesic [6] activities. The chemical

composition of lemon verbena leaves has also been widely

studied [7–13]. They are rich in an essential oil whose main

components are neral, citral, geranial and limonene. More-

over, they contain a large number of polar compounds such

as phenylpropanoids, flavonoids, phenolic acids and iridoid

glycosides. The most abundant compound in lemon verbena

is verbascoside, which has been previously reported to have

relevant biological activity [14–17].

The medicinal use of extracts from this plant makes

essential the comprehensive knowledge of their composi-

tion. In this sense, the characterization of polyphenols and

other polar compounds from lemon verbena have been

successfully carried out by RP-HPLC with spectro-

photometric detection [7–9] and coupled with MS [10, 12,

13]. Nevertheless, to our knowledge, CE has not been

previously applied to lemon verbena analysis.

In the last decade, CE has gained widespread interest as

a valuable tool for the determination of bioactive

compounds in plant matrices [18–24]. This increasing

interest is due to its attractive advantages such as high speed

of analysis, the small sample amounts required and extre-

mely limited solvent waste [25]. However, CE can be not

only a worthy alternative to chromatographic techniques but

also a powerful complement. Separation in CZE is based on

the differences in mass to charge ratios of the compounds,

whereas separation in RP-HPLC is based on the differences

in polarity of the compounds. Therefore, since both

separation techniques are based on different principles, they

can provide complementary information. For this reason, as

a continuation of our studies on lemon verbena extracts by

HPLC [13], now we have developed a new method for the

characterization of these extracts using CZE coupled to MS.

Rosa Quirantes-Pine�

David Arraez-RomanAntonio Segura-CarreteroAlberto Fernandez-Gutierrez

Department of AnalyticalChemistry, Faculty of Sciences,University of Granada,Granada, Spain

Received April 6, 2010Revised June 24, 2010Accepted June 25, 2010

Abbreviations: BPE, base peak electropherogram; EIE,

extracted ion electropherogram; TEA, triethylamine; IT, iontrap

�Additional correspondence: Rosa Quirantes-Pine

E-mail: [email protected]

Correspondence: Dr. Antonio Segura Carretero, Research GroupFQM-297, Department of Analytical Chemistry, Faculty ofSciences, University of Granada, C/Fuentenueva s/n, E-18071Granada, SpainE-mail: [email protected]: 134958249510

& 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.jss-journal.com

J. Sep. Sci. 2010, 33, 2818–28272818

Capítulo 2_______

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In general, if a separation technique is coupled with MS,

the interpretation of the analytical results can be more

straightforward [26–28]. TOF-MS can provide excellent mass

accuracy over a wide dynamic range and allow measure-

ments of the isotopic pattern, providing important additional

information for the determination of the elemental compo-

sition. Furthermore, an IT mass analyzer (IT-MS) can be

used to obtain fragmentation patterns which enable the

determination of compound structures in complex matrices.

Thus, the combined use of both analyzers provides enough

structural information which enables to identify the likeliest

compound when standards are not available.

The aim of this study has been to develop a CE-ESI-MS

method to determine phenolic and other related polar

compounds in a lemon verbena extract. This method has

enabled to determine new compounds, which our previous

HPLC method could not find in the same extract.

2 Materials and methods

2.1 Chemicals

All chemicals were of analytical reagent grade and used as

received. Ammonium acetate was purchased from Sigma

(St. Louis, MO, USA), ammonium hydrogen carbonate from

Panreac (Barcelona, Spain) and ammonia from Merck

(Darmstadt, Germany) were used to prepare CE running

buffers at different concentrations and pH values. Buffers

were prepared weighing the appropriate amount of ammo-

nium acetate or ammonium carbonate at the concentrations

indicated and adding ammonia to adjust the pH. The

buffers were prepared with doubly deionized water, stored at

41C and brought to room temperature before use.

Doubly deionized water was obtained with a Milli-Q

water purification system (Millipore, Bedford, MA, USA).

Triethylamine (TEA) used in the sheath flow liquid was

from Aldrich (Steinheim, Germany) and sodium hydroxide

used for capillary conditioning was obtained from Panreac.

2-Propanol and methanol used in the sheath flow liquids

and on the buffer were of HPLC grade and purchased from

Labscan (Dublin, Ireland). All solutions were filtered

through a 0.45 mm Millipore membrane filter before injec-

tion into the capillary.

2.2 Sample

Lemon verbena commercial extract was kindly provided by

Monteloeder (Elche, Spain). Briefly, the manufacture

procedure consisted of lemon verbena aerial part drying

and subsequent extraction in an overheated water extractor

(PILZ, Heraus-Witmann, Heidelberg, Germany) through

maceration/percolation by exhaustive recirculation of water

(r801C) to solvent saturation. Then, the aqueous solution

was concentrated by high vacuum at low temperature up to

201C Brix and filtered through a silica-cellulose press filter

(1 mm) to eliminate insoluble materials. Concentration

process was continued by vacuum up to 701C Brix and the

final syrup was dried by using an industrial hot plate

vacuum oven system. Final ratio of extract to raw material

was approximately 1:7.

The commercial extract manufactured according to the

above-described procedure was dissolved in methanol/water

(50:50, v/v) to obtain a final concentration of 20 mg/mL.

This solution was filtered through a 0.25 mm filter before the

CE analysis.

2.3 CE

The analyses were made in a Prince CE system (Prince

Technologies, Emmen, The Netherlands). Bare fused silica

capillary of 50 mm id and 100 cm total length (corresponding

to the MS detection length) was purchased from Beckman

Coulter (Fullerton, CA, USA).

Before first use, the bare capillaries were conditioned

with 0.1 M sodium hydroxide during 20 min followed by a

water rinse for other 10 min. At the end of the day, the

capillary was flushed with water for 10 min.

Capillary conditioning of the columns was done by

flushing for 2 min sodium hydroxide, 4 min with water and

then for 10 min with the separation buffer (a pressure of

1000 mbar was used during all the capillary conditioning).

After thorough optimization (Section 3), a running

buffer of 60 mM ammonium acetate at pH 9.25 and 5%v/v

2-propanol was used. The separation voltage was set to

30 kV at the inlet of the capillary. Injection was performed

hydrodynamically using a N2 pressure at 65 mbar during

5 s, corresponding to about 15 nL injected (0.76% of the

capillary length). Every analysis was run at room tempera-

ture.

2.4 ESI-TOF-MS

The CE system was coupled to a micrOTOF (Bruker

Daltonics, Bremen, Germany), an orthogonal-accelerated

TOF mass spectrometer, equipped with an orthogonal

coaxial sheath-flow ESI interface (Agilent Technologies,

Palo Alto, CA, USA). For the connection between the CE

system and the electrospray ion source of the mass

spectrometer, the outlet of the separation capillary was

fitted into the electrospray needle of the ion source and a

flow of conductive sheath liquid established the electrical

contact between capillary effluent and the electrospray

needle. 2-Propanol/water (60:40, v/v) with 0.01% v/v TEA

was applied as sheath liquid at a flow rate of 0.24 mL/h

delivered by a 5 mL gas-tight syringe (Hamilton, Reno, NV,

USA) using a 74900-00-05 syringe pump Cole-Parmer

(Vernon Hill, IL, USA).

The ESI-voltage of the TOF was applied at the end cap

of the transfer capillary to the MS with the spray needle

being grounded. An electrospray potential of 14.5 kV was

J. Sep. Sci. 2010, 33, 2818–2827 Electrodriven Separations 2819

& 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.jss-journal.com

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applied at the inlet of the MS (negative mode). The opti-

mum ESI conditions (Section 3) were a nebulizer gas (N2)

pressure of 5 psi applied to assist the spraying, a dry gas

temperature set to 1901C at a dry gas flow of 6 L/min.

The accurate mass data of the molecular ions were

processed through the software DataAnalysis 3.4 (Bruker

Daltonik GmgH, Bremen, Germany), which provided a list

of possible elemental formulas by using the Generate-

MolecularFormulaTM Editor. The GenerateMolecular-

FormulaTM Editor uses a CHNO algorithm, which provides

standard functionalities such as minimum/maximum

elemental range, electron configuration and ring-plus

double bonds equivalents, as well as a sophisticated

comparison of the theoretical with the measured isotopic

pattern (Sigma-ValueTM) for increased confidence in the

suggested molecular formula (Bruker Daltonics Technical

Note 008, Molecular formula determination under auto-

mation). Even with very high mass accuracy (o1 ppm),

many chemically possible formulas are obtained depending

on the mass regions considered. Hence, high mass accuracy

(o1 ppm) alone is not enough to exclude enough candi-

dates with complex elemental compositions. The use of

isotopic abundance patterns as a single further constraint

removes 495% of false candidates. This orthogonal filter

can condense several thousand candidates down to only a

small number of molecular formulas.

During the development of the CE method, external

instrument calibration was performed using a Cole Palmer

syringe pump directly connected to the interface, passing a

solution of sodium formate cluster, in a 5 mL gas-tight

syringe (Hamilton), containing 5 mM sodium hydroxide

and 0.2% v/v formic acid in 2-propanol/water (1:1, v/v).

Using this method, an exact calibration curve based on

numerous cluster masses each differing by 68 Da (NaCHO2)

was obtained. Due to the compensation of temperature drift

in the micrOTOF, this external calibration provided accurate

mass values (better than 5 ppm) for a complete run without

the need for a dual sprayer setup for internal mass cali-

bration.

2.5 ESI-IT-MS

MS and MS/MS experiments were performed on a Bruker

Daltonics Esquire 2000TM IT mass spectrometer (Bruker

Daltonik GmgH) equipped with an orthogonal coaxial

sheath flow ESI interface (Agilent Technologies). In this

case 2-propanol/water (50:50, v/v) with 0.01% v/v TEA was

applied as sheath liquid at a flow rate of 0.24 mL/h delivered

by a 5 mL gas-tight syringe (Hamilton) using a 74900-00-05

Cole Palmer syringe pump.

The mass spectrometer was run in the negative ion

mode and the capillary voltage was set at 13.2 kV. The IT

scanned at m/z 50–1000 range at 13 000 m/s during the

separation and detection. The maximum accumulation time

for the IT was set at 110.00 ms, the target count at 20 000

and the compound stability was set at 25%. ESI operating

conditions (described in Section 3) were a nebulizing gas

pressure (N2) of 5 psi, drying gas temperature was set to

2501C at a drying gas flow of 6.0 L/min. MS/MS spectra

were acquired on the most intense ions using selected ions

mode. The instrument was controlled by a PC running the

Esquire NT software from Bruker Daltonics.

3 Results and discussion

3.1 Development of CE-ESI-MS method

Optimization of the electrophoretic conditions was carried

out with IT-MS detection, using the methanol/water extract

of lemon verbena obtained as described in Section 2.2.

Initially, the separation parameters were optimized before

the MS conditions in order to obtain the best resolution,

sensitivity, analysis time and peak shape. Therefore, the

parameters tested were type, concentration and pH of the

buffer, as well as voltage and injection time. Temperature

cannot be optimized since in the coupling between CE

instrument and MS, the capillary is out of the cartridge and

exposed to the air. Therefore, every analysis was run at room

temperature.

First, different BGEs were studied. The commonly used

buffers for a conventional electrophoretic method in plant

extracts such as borate, phosphate and SDS are not suitable

for the CE coupled with ESI-MS because of their non-vola-

tility and the risk of MS source contamination. More

suitable buffers such as formic acid, acetic acid, ammonium

carbonate and ammonium acetate are compatible with a

CE-MS interface and/or with MS instrument [29]. Since

phenylpropanoids and flavonoids are weak acids with ioni-

zation constants (pKa) from 9 to 12 due to the presence of

phenolic hydroxyl group, an alkaline buffer was used to

ensure at least partial dissociation (negative net charge) of

these compounds. Therefore ammonium acetate and

ammonium carbonate at a concentration of 50 mM and pH

9.5 were evaluated. Best resolution, peak shape, baseline

and analysis time were obtained using ammonium acetate

as BGE.

The pH value and concentration of the BGE play an

important role in CE for its effect on zeta potential (x) andEOF, as well as the overall charge of every analyte, affecting

the migration time and the separation of the compounds.

Therefore, it is important to study their influences on CE to

obtain optimum separations. First, the effect of the BGE

ionic strength was studied, testing ammonium acetate

concentrations from 20 to 80 mM (in steps of 20). As

expected, the best resolution was obtained with 80 mM

although a broadening of peaks was observed. Furthermore,

the analysis time was quite shorter with 60 mM ammonium

acetate and the resolution was acceptable. Next, different pH

values adjusted with ammonia were evaluated from 8.5 to 10

(in steps of 0.25). Typical pKa value of phenols is about 9

and that of characteristic 4-carboxylated iridoids of Verbe-

naceae family is near to 4 [30]. Thus, the main analytes

J. Sep. Sci. 2010, 33, 2818–28272820 R. Quirantes-Pine et al.

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migrated in the dissociated forms in the pH range tested,

whereas EOF increased as pH became higher, which

resulted in the gradual decrease of migration times with

increasing pH values (Fig. 1). At pH 8.5, an excessive peak

broadening was observed causing decreasing sensitivity and

loss of resolution. A good separation was achieved at pH 9

and 9.25, whereas higher values led to peaks overlaps.

Therefore, the best compromise in terms of resolution and

analysis time was found for pH 9.25 which also provided

good peak shapes (Fig. 1C).

Addition of organic modifiers into BGE slowed down

the EOF by increasing the viscosity of the buffer system,

improving resolution in this way. Thus, the presence of

2-propanol in the BGE was tested, adding concentrations in

the range of 0–10% v/v in 2.5% intervals. The addition of

2-propanol as organic modifier improved the resolution

although the migration time increased. When 5%v/v of

2-propanol is added, a better resolution was achieved;

however, using higher amounts of 2-propanol, the peak

shape got worse.

The voltage applied was varied between 15 and 30 kV,

and a voltage of 30 kV was finally chosen to achieve

the shortest analysis time, good resolution together

with satisfactory current, below 40 mA. The injections

were made at the anodic end using a N2 pressure of 65 mbar

for 5, 10 and 20 s, selecting 5 s as optimum injection time

due to the improvement of resolution with little loss of

sensitivity.

The ESI-IT-MS operating conditions were optimized by

adjusting the sheath liquid composition and flow rate,

nebulizer pressure, dry gas flow rate and ESI chamber

temperature. For the optimization of these parameters,

signals corresponding to the main peaks were used as

optimization criterion.

According to the previous studies [31, 32], the nature,

composition and flow rate of the sheath liquid have a critical

effect on the performance of CE-ESI interface [33]. The

organic solvents investigated were methanol and 2-propa-

nol, with 2-propanol giving the most stable and highest MS

signal. In addition, different 2-propanol/water compositions

were tested for the sensitivity and stability of the IT-MS

signals: 2-propanol/water 80:20, 60:40 and 50:50 v/v.

Generally, small amounts of volatile TEA or ammonium

hydroxide can be used to improve ionization for ESI-nega-

tive detection [34]. For this reason, different percentages of

TEA were added, from 0.01 to 0.1% v/v. Finally, the use of a

sheath liquid consisting of 2-propanol/water (50:50, v/v)

plus 0.01% v/v TEA provided higher current stability and

MS signal for IT. A value of 0.24 mL/h was selected as the

optimum sheath liquid flow because lower flows reduced

the ionization yield due to the instability of the spray,

whereas at higher flow rates dilution of the electrophoretic

bands was too high and the intensity of the MS signal for

these compounds was reduced.

Next, other ESI-IT-MS parameters were optimized, such

as nebulizing gas pressure as well as drying gas flow rate

and temperature, studying the signal-to-noise ratio. The

selected values for each parameter were nebulizing gas

pressure at 5 psi and a drying gas flow of 6 L/min at 2501C,providing good MS signals.

Figure 1. CE-ESI-IT-MS condi-tions using a bare fused silicacapillary of 50 mm id and100 cm total length and asBGE 60mM ammonium acet-ate at different pH values: (A)8.5, (B) 9.0, (C) 9.25, (D) 9.5, (E)9.75, (F) 10. The rest of CEconditions: voltage, 25 kV;injection, time 12 s; roomtemperature.

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Under the optimized conditions, CE-ESI-IT-MS

separations such as the one shown in Fig. 2 were obtained

for the lemon verbena extract. The prolonged analysis time

with respect to CE-UV separations is a consequence of the

long capillary lengths which are needed to couple a CE

instrument to MS. This is not a problem as such, but it

counteracts one of the main advantages of CE, namely its

speed.

After carrying out the optimization of this CE-ESI-IT-

MS method, CE system was coupled to TOF-MS analyzer in

Figure 2. Base peak electropherogram obtained by CE-ESI-IT-MS for lemon verbena extract under optimized conditions, and extractedion electropherograms of found compounds. Optimized conditions: running buffer 60mM ammonium acetate15%v/v 2-propanol, pH9.25; voltage, 30 kV; injection time, 5 s; sheath liquid 2-propanol/water (50:50, v/v)10.01%v/v TEA at a flow rate of 0.24mL/h, drying flowrate of 6 L/min, at 2501C using a nebulizing gas pressure of 5 psi.

J. Sep. Sci. 2010, 33, 2818–28272822 R. Quirantes-Pine et al.

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Capítulo 2_______

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Table

1.Compoundsidentifiedin

thelemonverbenaextract

Peak

Migration

time

(min)

m/z

Expe

rimen

tal

m/z

Calculated

Error

(ppm

)

Sigma

value

Molec

ular

form

ula

Classifica

tion

orde

r

considering

othe

r

possibilities

Tolerance

(ppm

)

MS/M

S

frag

men

ts

Proposedco

mpoun

d

111.4

461.1656

461.1664

1.8

0.02

C20H29O12

1st(2)

10401,315,161,135

Verba

soside

211.8

651.2293

651.2294

0.2

0.03

C31H39O15

1st(2)

5505,475

Martyno

side

312.5

487.1449

487.1457

1.7

0.02

C21H27O13

1st(3)

10179

Cistano

side

F

412.6

637.2125

637.2138

2.1

0.05

C30H37O15

1st(2)

5621,487,461,322

Eukovoside

512.9

623.1951

623.1981

4.8

0.02

C29H35O15

1st(3)

5461,315

Verba

scoside

613.8

413.1098

413.1089

�2.1

0.02

C18H21O11

1st(2)

15411,395,353,251,161

Asperuloside

714.0

387.1664

387.1661

�0.9

0.03

C18H27O9

1st(2)

15369,225,207,163

Tube

ronicac

idgluc

oside/

50-Hydroxyjasm

onicac

id

50-O-gluco

side

814.1

391.1244

391.1246

0.4

0.02

C16H23O11

1st(2)

15331,229,211,185,167,149,123

Shanzhiside

914.2

373.1139

373.1140

0.4

0.04

C16H21O10

1st(2)

20211,167,149,123

Gardoside

1017.1

635.1270

635.1254

�2.6

0.04

C28H27O17

1st(3)

5501,351,193

Aca

cetin-7-diglucu

ronide

1117.6

195.0520

195.0510

�5.0

0.01

C6H

11O7

1st(1)

20177,159,129

Unknown

1218.1

651.1181

651.1203

3.3

0.04

C28H27O18

1st(3)

5395,351

Chrysoe

riol-7-diglucu

ro-

nide

1318.9

329.0665

329.0667

0.6

0.03

C17H13O7

1st(3)

20313,293

Jaceosidin

1420.0

389.1093

389.1089

�0.8

0.01

C16H21O11

1st(2)

15245,209,165

Theveside

1520.7

387.0943

387.0933

�2.7

0.04

C16H19O11

1st(2)

15343,223,205,181,161,137

Ixoside

1621.4

637.1067

637.1046

�3.2

0.04

C27H25O18

1st(3)

5381,351,285,193

Luteolin-7-diglucu

ronide

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order to obtain molecular formulas of the compounds found

in the lemon verbena extract. Hence, ESI-MS parameters

previously selected for IT-MS were checked with TOF-MS.

As a result, the sheath liquid composition was changed to

60:40 v/v 2-propanol/water with 0.01% v/v TEA since TOF-

MS cannot raise as high temperature as IT-MS so a greater

percentage of organic solvent is needed. Drying gas

temperature was also modified to 1901C. The rest of ESI-MS

conditions were the same.

3.2 Characterization of polar compounds from

lemon verbena by CE-ESI-TOF/IT-MS

The optimum conditions were applied to the separation and

determination of the phenolic compounds and other polar

components in the lemon verbena extract. The base peak

electropherogram obtained from CE-ESI-IT-MS analysis of

lemon verbena extract is shown in Fig. 2, as well as the

extracted ion electropherogram of the 16 compounds found.

All the compounds were identified by the interpretation

of their mass spectra obtained by the TOF-MS and the

MS/MS spectra acquired with the IT-MS. In this way,

generated molecular formulas by TOF analysis were

checked and MS/MS fragments were also studied to corro-

borate structures, bearing in mind the data provided by the

literature. Data corresponding to these compounds are

summarized in Table 1. This table includes migration time,

calculated and experimental m/z, error, sigma value, mole-

cular formula, classification order considering other possi-

bilities (sorted with respect to sigma value), tolerance, MS/

MS fragments and proposed compounds.

Most of the compounds found in this study have been

previously described in lemon verbena leaves. Peaks 5 and

16 corresponded with verbascoside and luteolin-7-diglucuro-

nide, respectively, which are well-known compounds of this

plant [8, 10, 35]. The phenylpropanoids martynoside and

eukovoside (peaks 2 and 4) have also been identified in

lemon verbena by other authors [10, 11]. Furthermore,

verbasoside, cistanoside F, gardoside, acacetin-7-diglucuro-

nide, chrysoeriol-7-diglucuronide and theveside, corres-

ponding to peaks 1, 3, 9, 10, 12 and 14, respectively, have

been found in our previous study about this lemon verbena

extract by HPLC-DAD-ESI-MS [13]. However, some

compounds not found by HPLC have been identified by CE,

mainly iridoid glycosides, showing that both techniques can

provide complementary information. Figure 3 shows the

structures of these proposed compounds.

Peak 6, at m/z 413.1098, corresponded to the formula

[C18H22O11�H]�. Its MS/MS spectrum showed a main

fragment at 353, which was consistent with the loss of acetic

acid. Other minor fragments found at m/z 395, 251 and 161

were yielded by elimination of water, loss of glucose and

dehydration of glucose moiety, respectively. Asperuloside

Figure 3. Structure of compoundsfound for the first time in lemonverbena.

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Capítulo 2_______

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was proposed as compound taking into account the mole-

cular formula provided by TOF-MS, the presence of glucose

and one acetoxy group in the structure and the natural

occurrence of this compound in plants belonging to the

order Lamiales like lemon verbena which has been reported

[36–38].

The MS/MS spectrum of compound 7 showed a mole-

cular ion [M�H]� at m/z 387 and fragments at 369, 225, 207

and 163. Fragment 369 corresponded to [M�H�H2O]�,

whereas ions at m/z 225, 207 and 163 were consistent with

the loss of glucose moiety followed by successive dehydra-

tion and decarboxylation, respectively. According to these

data, it was proposed as tuberonic acid glucoside or 50-hydroxyjasmonic acid 50-O-glucoside, since it was not

possible to distinguish between these diastereomers. They

have been previously reported in Elsholtzia rugulosa [39] and

thyme leaf [40], respectively.

Compound 8 was identified as shanzhiside, taking

into account the molecular formula provided for its

accurate mass. MS/MS spectrum of this compound

showed fragments at m/z 229, 211, 185, 167 and 149

corresponding to [M�H�glucose]� (229) and the successive

losses of water (211) and CO2 (185), as well as subsequent

decarboxylation (167) and dehydration (149) from fragment

211. Another fragment was found at m/z 141, correspond-

ing to [M�glucose�88]�, which was obtained by the loss

of the 3-oxopropanic acid molecule according to the frag-

mentation pathway shown in Fig. 4. This fragmentation

pattern is consistent with data provided by the literature

[41, 42]. This compound has been previously reported in

other species from genus Lippia as shanzhiside methyl

ester [43], as well as in Eremostachys laciniata, from order

Lamiales [44].

Compound found at 17.6 min (peak 11) could not be

identified since the provided molecular formula did not

match any common structure in plant matrices. It presented

fragments at m/z 177 and 159 characteristic of two succes-

sive dehydrations.

Peak 13 corresponded to jaceosidin, which presented a

fragment at 313 due to the loss of a methyl group. This

flavone has been previously identified in lemon verbena by

other authors [9, 11], although our previous HPLC method

could not find it in the same extract.

Compound 15 was proposed as another iridoid

glycoside, ixoside. MS/MS fragmentation presented

fragments at m/z 343, 181 and 137 consistent with a

decarboxylation (343) followed by a loss of a glucose

moiety (181) and further elimination of another CO2

molecule. In this way, the presence of two carboxylic groups

and glucose in the molecule is confirmed. This compound

has been reported in other species from order Lamiales

[45, 46].

4 Concluding remarks

This study presents the first application of CE-ESI-MS to the

qualitative characterization of a lemon verbena extract. This

method enables the tentative identification of 16

compounds including phenylpropanoid glycosides, flavo-

noid glycosides and iridoid glycosides. Furthermore, to our

knowledge, asperuloside, tuberonic acid glucoside or

Figure 4. Proposed fragmentation pathway for shanzhiside.

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50-hydroxyjasmonic acid 50-O-glucoside, shanziside and

ixoside have been described for the first time in lemon

verbena. We can conclude that CE-ESI-MS is a valuable tool

in the study of polar constituents in plant matrices and a

complementary technique to HPLC.

The authors are grateful to the Spanish Ministry ofEducation and Science for the project AGL2008-05108-C03-03and a grant (FPU, AP2007-03246) and to Andalusian Regio-nal Government Council of Innovation and Science for theprojects P07-AGR-02619 and P09-CTS-4564. The authors alsothank Monteloeder, S. L. for providing the lemon verbenaextract.

The authors have declared no conflict of interest.

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HPLC ESI QTOF MS as a powerful analytical tool for

characterizing phenolic compounds in olive leaf extracts

HPLC ESI QTOF MS como una potente herramienta analítica

para caracterizar los compuestos fenólicos de extractos de hoja

de olivo

CAPÍTULO 3

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Capítulo 3

155

HPLC-ESI-QTOF-MS as a powerful analytical tool for characterizing phenolic

compounds in olive leaf extracts

Rosa Quirantes-Piné1,2, Jesús Lozano-Sánchez1,2, Miguel Herrero3, Elena Ibáñez3,

Antonio Segura-Carretero1,2, Alberto Fernández-Gutiérrez1,2.

1Department of Analytical Chemistry, Faculty of Sciences, University of Granada, c/

Fuentenueva s/n, 18071 Granada, Spain.

2Functional Food Research and Development Center, Health-Science Technological

Park, Avd. del Conocimiento, 3, 18100 Granada, Spain.

3Department of Bioactivity and Food Analysis, Institute of Food Science Research

(CIAL-CSIC), Nicolás Cabrera 9, Campus Cantoblanco, 28049, Madrid, Spain.

Author for correspondence: Dr. A. Segura Carretero, Department of Analytical

Chemistry, Faculty of Sciences, University of Granada, c/ Fuentenueva s/n, 18071

Granada, Spain.

E-mail: [email protected]

Fax: +34 958 637083

Keywords: olive leaves; phenolic compounds; high-performance liquid

chromatography; electrospray ionization; quadrupole time of flight.

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Bloque I

156

SHORT ABSTRACT

HPLC-ESI-QTOF was used to characterize the phenolic compounds from two olive

leaves extracts obtained by pressurized liquid extraction using water and ethanol as

extracting solvents. The information provided by QTOF mass spectrometer enabled the

in-depth characterization of both olive leaf extracts, allowing the tentative identification

of 31 different phenolic compounds in these extracts including secoiridoids, simple

phenols, flavonoids, cinnamic-acid derivatives and benzoic acids. A new compound in

olive leaves, lucidumoside C, was also identified.

Page 158: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 3

157

ABSTRACT

Introduction – Olea europaea L. leaves may be considered a cheap, easily available

natural source of phenolic compounds. In a previous study we evaluated the possibility

of obtaining bioactive phenolic compounds from olive leaves by pressurized liquid

extraction (PLE) for their use as natural antioxidants. The alimentary use of these kinds

of extract makes a comprehensive knowledge of their composition essential.

Objective – To undertake a comprehensive characterization of two olive leaf extracts

obtained by PLE using high-performance liquid chromatography coupled to

electrospray ionization-quadrupole time of flight mass spectrometry (HPLC-ESI-

QTOF-MS).

Methodology – Olive leaves were extracted by PLE using ethanol and water as

extraction solvents at 150ºC and 200°C respectively. Separation was carried out in a

HPLC system equipped with a C18 column working in a gradient elution program

coupled to ESI-QTOF-MS operating in negative ion mode.

Results – This analytical platform was able to detect 48 compounds and tentatively

identify 31 different phenolic ones in these extracts, including secoiridoids, simple

phenols, flavonoids, cinnamic-acid derivatives and benzoic acids. Lucidumoside C, a

new compound in olive leaves, was also identified.

Conclusion – The coupling HPLC-ESI-QTOF-MS led to the in-depth characterization

of the olive leaf extracts on the basis of mass accuracy, true isotopic pattern and tandem

mass spectrometry (MS/MS) spectra. We may conclude therefore that this analytical

tool is very valuable in the study of phenolic compounds in plant matrices.

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Bloque I

158

INTRODUCTION

The last decade has witnessed an ever increasing interest in phenolic compounds

because of their health-giving properties with regard to the prevention of degenerative

diseases. Phenolic compounds in general show a broad spectrum of bioactive properties,

including antioxidant, anti-inflammatory, antimicrobial, antiproliferative, anti-

arrhythmic, platelet anti-aggregant and vasodilatory effects (Scalbert et al., 2005). As a

result there has been growing interest in the use of these phytochemicals as natural

antioxidants in the food industry as a way of providing additional value to common

foodstuffs.

Olea europaea L. leaves are a significant by-product in olive oil production, containing

as they do high quantities of phenolic compounds, and may be considered a cheap,

easily available natural source of these phytochemicals. As far as their antioxidant

activity is concerned, several studies have described how exert hypoglycaemic,

antihypertensive, antimicrobial, antiviral and anti-atherosclerotic effects (El et al.,

2009).

In a previous study we evaluated the possibility of obtaining bioactive phenolic

compounds from olive leaves by PLE for their use as natural antioxidants (Herrero et

al., 2011). The alimentary use of these kinds of extract makes a comprehensive

knowledge of their composition essential. Therefore, as a continuation of our previous

study, we have undertaken a further, more detailed characterization of the most

promising olive leaf extracts obtained.

The precise identification of phenolic compounds can be a complex task as they contain

a wide variety of structures. Within this context, HPLC–MS has proved to be a very

Page 160: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 3

159

useful tool in the characterization of natural products (Careri et al., 1998; Xing et al.,

2007). ESI in particular, has been widely applied as it is a mild ionization technique

resulting in both protonated and deprotonated molecules. Accurate mass measurement

of small molecules is used to determine elemental formulas, thus enabling the

identification of unknown substances. Sometimes, because compounds in real samples

co-elute or MS is unable to distinguish between isobaric substances, structural

information may be needed and this can be obtained via MS/MS by means of collision-

induced dissociation (CID). QTOF-MS combines high sensitivity and mass accuracy for

both precursor and product ions, providing the elemental composition of the parent and

fragment ions. This feature helps to identify compounds thoroughly and to differentiate

between isobaric compounds. The potential of HPLC-ESI-QTOF-MS for qualitative

purposes has been highlighted in several studies (Rodríguez-Medina et al. 2009;

Gómez-Romero et al., 2011).

The aim of our work here was to undertake a comprehensive characterization of two

olive leaf extracts by HPLC-ESI-QTOF-MS and thus arrive at an in-depth knowledge of

their composition.

EXPERIMENTAL

Chemicals

All chemicals were of analytical reagent grade and used as received. Acetic acid and

acetonitrile for HPLC were from Fluka, Sigma-Aldrich (Steinheim, Germany) and Lab-

Scan (Gliwice, Sowinskiego, Poland) respectively. Water was purified by a Milli-Q

system from Millipore (Bedford, MA, USA). All the standard compounds were from

Sigma-Aldrich (St. Louis, MO). The stock solutions containing these analytes were

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Bloque I

160

prepared in methanol (Lab-Scan, Gliwice, Sowinskiego, Poland) and stored at -20ºC

until use.

Samples

Dried olive leaves (Olea europaea L., variety Hojiblanca), generated as by-products

from the olive oil industry, were provided by “Cooperativa Sor Angela de la Cruz”

(Sevilla, Spain). The leaves were dried following a traditional procedure: once the

leaves were separated from the rest of plant materials they were covered to avoid direct

light and left ventilated at ambient temperature to remove humidity for about 50 days,

depending upon the relative humidity of the air. The dried leaves were then ground up

under liquid nitrogen and stored in darkness at 4ºC until use.

Pressurized Liquid Extraction (PLE)

The phenolic compounds were extracted from olive leaves as described by Herrero et

al., 2011. In brief, an accelerated solvent extractor (ASE 200, Dionex, Sunnyvale, CA,

USA) was used with ethanol or water as extracting solvents. The ethanol and water

extracts were obtained at 150ºC and 200°C respectively, with a static time equal to 20

min.

HPLC-ESI-QTOF-MS analyses

Analyses were made using an Agilent 1100 Liquid Chromatography system (Agilent

Technologies, Palo Alto, CA, USA) equipped with a standard autosampler. The HPLC

column was a Phenomenex Gemini C18 (3 μm, 2 x 150 mm). Separation was carried

out at 25ºC with a gradient elution program at a flow rate of 0.2 ml/min. The mobile

phases consisted of water plus 0.5% acetic acid (A) and acetonitrile (B). The following

Page 162: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 3

161

multi-step linear gradient was applied: 0 min, 5% B; 5 min, 15% B; 25 min, 30% B; 35

min, 95% B; 40 min, 5% B. The initial conditions were maintained for 5 min. The

injection volume in the HPLC system was 1 μl.

The HPLC system was coupled to a micrOTOF-Q II mass spectrometer (Bruker

Daltoniks, Bremen, Germany) equipped with an ESI interface (Bruker Daltoniks,

Bremen, Germany) operating in negative ion mode using a capillary voltage of +4 kV.

The other optimum values of the ESI-QTOF-MS parameters were drying gas

temperature, 210ºC; drying gas flow, 8 l/min; and nebulizing gas pressure, 2 bar.

Detection was carried out within a mass range of 50-1100 m/z. Collision energy values

for MS/MS experiments were adjusted as follows: m/z 100, 20 eV; m/z 500, 30 eV; m/z

1000, 35 eV. Nitrogen was used as drying, nebulizing and collision gas.

The accurate mass data of the molecular ions were processed using DataAnalysis 4.0

software (Bruker Daltoniks), which provided a list of possible elemental formulas via

the GenerateMolecularFormula Editor. The GenerateMolecularFormula Editor uses a

CHNO algorithm, which provides standard functionalities such as minimum/maximum

elemental range, electron configuration and ring-plus double-bond equivalents, as well

as a sophisticated comparison of the theoretical with the measured isotope pattern

(Sigma Value) for increased confidence in the suggested molecular formula. The widely

accepted accuracy threshold for confirmation of elemental compositions was established

at 5 ppm (Bringmann et al., 2005). It is important to point out that even with very high

mass accuracy (<1ppm) many chemically possible formulas may be obtained,

depending upon the mass regions considered and so high mass accuracy alone is not

enough to exclude enough candidates with complex elemental compositions. The use of

isotopic abundance patterns as a single further constraint, however, removes >95% of

Page 163: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Bloque I

162

the false candidates. This orthogonal filter can reduce several thousand candidates down

to only a small number of molecular formulas.

During the development of the HPLC method, the instrument was calibrated externally

with a 74900-00-05 Cole Palmer syringe pump (Vernon Hills, Illinois, USA) directly

connected to the interface and injected with a sodium acetate cluster solution containing

5 mM sodium hydroxide and 0.2% acetic acid in water:isopropanol (1:1, v/v). The

calibration solution was injected at the beginning of each run and all the spectra were

calibrated prior to compound identification. By using this method, an exact calibration

curve based on numerous cluster masses, each differing by 82 Da (NaC2H3O2), was

obtained. Due to the compensation of temperature drift in the micrOTOF-Q II, this

external calibration provided accurate mass values of better than 5 ppm for a complete

run without the need for a dual sprayer setup for internal mass calibration.

RESULTS AND DISCUSSION

Figure 1 shows the base peak chromatograms (BPC) of both olive leaf extracts obtained

by PLE using ethanol at 150ºC (OL150ET) and water at 200ºC (OL200W) as extracting

solvents.

The compounds were identified by comparing their retention times and MS/MS spectra

provided by QTOF-MS with those of authentic standards whenever available. The

remaining compounds were identified by interpretation of their MS and MS/MS spectra

obtained by QTOF-MS combined with the data provided in the literature. Table 1

summarizes the MS data of the identified compounds, including experimental and

calculated m/z for the molecular formulas provided, error, sigma value and the main

Page 164: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 3

163

fragments obtained by MS/MS, as well as the proposed compound for each peak. As

can be seen from these data, the phenolic compounds identified belong to different

classes such as secoiridoids, simple phenols, flavonoids, cinnamic acid derivatives and

benzoic acids.

Figure 1. BPC (50–1100 m/z) of OL150ET extract (a) and OL200W extract (b), in which the

peaks are identified with numbers 1-48 according to the order of elution.

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Bloque I_______

Page 166: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

29

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Capítulo 3_______

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Bloque I

166

Secoiridoids

Olea europaea L. is rich in secoiridoids, especially in oleosides, which are oleaceae-

specific secoiridoids commonly esterified to a phenolic moiety. In fact one of the major

compounds found in both extracts was oleuropein (compound 38), which was

confirmed by comparison with the authentic standard. This compound has been

described previously as being the main component of olive leaves (Benavente-García et

al., 2000; Briante et al., 2002; Chiou et al., 2007; Pererira et al., 2007; Salta et al., 2007;

Altiok et al., 2008; Mylonaki et al., 2008; Goulas et al., 2009, 2010; Laguerre et al.,

2009; Fu et al., 2010). Two other oleuropein isomers with a similar fragmentation

pattern (39 and 41) were present in the extracts. Oleuropein has traditionally been found

in olive leaves together with its isomer oleuroside, which has been proposed as

compound 41 on the basis of its elution order. Other oleuropein derivatives such as

hydroxyoleuropein (23) and several oleuropein diglucoside isomers (30, 31 and 37),

were also found in both extracts.

Peak 6 has been identified as oleoside or secologanoside, both of which have been

reported before in olive leaves (Di Donna et al., 2010; Kiritsakis et al., 2010; Poudyal et

al., 2010). Because of the identical fragmentation pattern of these analytes (Fu et al.,

2010), it was impossible to distinguish between them.

Oleoside methyl ester has been proposed as compound 14. The presence of this oleoside

derivative in the olive fruit has been reported before, together with its main fragments at

m/z 119.0345 and 89.0231 (Bianco et al., 2003; Di Donna et al., 2007), and it has

recently been identified in olive leaves by Di Donna et al., 2010. Peak 18 showed the

same molecular formula as oleoside methyl ester but its MS/MS spectrum presented a

fragment at m/z 223.0607, which corresponds to dehydrated elenolic acid and so this

Page 168: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 3

167

compound was proposed as being elenolic acid glucoside, which has been identified in

the same matrix by Fu et al., 2010. The diglucosidic form of elenolic acid has also been

found in the ethanolic extract (10).

Compound 17 has been characterized as 7-epiloganin, an intermediate in the

biosynthesis of oleoside-type secoiridoids (Jensen et al., 2002) that has been reported

previously in olive leaves (Rovellini and Cortesi, 1998). This assignment was consistent

with the presence in the MS/MS spectrum of a fragment at 169.0885, representing the

loss of the glucose moiety and the methylester group, as shown in Figure 2. Subsequent

dehydration was responsible for producing the major product ion at 151.0760. Another

fragment was detected at 357.1194, corresponding to the elimination of the methoxyl

group from the precursor ion.

Figure 2. Proposed fragmentation pathway for 7-epiloganin (compound 17).

The software provided the same molecular formula for peaks 42, 43 and 46 and they

also showed a similar fragmentation pattern. They were tentatively identified as

lucidumoside C and its isomers although it was impossible to assign any specific peak

Page 169: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Bloque I

168

to lucidumoside C itself. The structure of this secoiridoid closely resembles that of

oleuropein and it has been reported previously in other species belonging to the

Oleaceae family, such as Ligustrum lucidum (He et al., 2001; Guo et al., 2011). The

proposed fragmentation pathway is depicted in Figure 3. The intense fragment at

403.1235 was due to cleavage of the phenolic moiety, after which it could undergo

elimination of the methoxyl group (corresponding to fragment 371.0973) or glucose

moiety (fragment 223.0601). The ion at 537.1603 could be attributed to the loss of the

ethoxyl group from the precursor ion whilst the fragment at 351.1085 arose from the

cleavage of the elenolic ring as described for oleuropein (Japón-Luján et al., 2008). The

main fragment at 151.0389 matched with the elimination of the ethoxyl group from the

phenolic moiety.

Compound 44 corresponded to 6´-O-[2,6-dimethyl-8-hydroxy-2-

octenoyloxy]secologanoside, the structure and fragmentation pathway of which are

shown in Figure 4. Its assignment was consistent with the presence of fragments found

at m/z 227.0550 and 183.0652, representing the loss of the glucose moiety and its

subsequent decarboxylation. This compound has been described in the past in olive

leaves with boron deficiency (Karioti et al., 2006).

Compound 45 was proposed as being ligstroside since its molecular formula and

fragmentation pattern agreed with the data reported in the literature and it has also been

widely described in olive leaves (Briante et al., 2002; Laguerre et al., 2009; Fu et al.,

2010).

Page 170: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

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Capítulo 3_______

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Bloque I

170

Figure 4. Structure and fragmentation pathway of 6´-O-[2,6-Dimethyl-8-hydroxy-2-

octenoyloxy]secologanoside (compound 44).

Simple phenols

Hydroxytyrosol has been widely described as one of the main components of olive

leaves (Benavente-García et al. 2000; Briante et al., 2002; Chiou et al., 2007; Salta et al.;

Altiok et al., 2008; Goulas et al., 2009, 2010; Fu et al., 2010) and it has been found in both

extracts (7), identifying it by comparison with commercial standards. Its acetate

derivative has also been identified (28).

Flavonoids

Flavonoids are another important group of phenolic compounds widely represented in

olive leaves. Among these, luteolin-7-O-glucoside (29), rutin (26), apigenin-7-O-

glucoside (35) and luteolin (48) are the most cited in the literature (Benavente-García et

al. 2000; Meirinhos et al., 2005; Pereira et al., 2007; Altiok et al., 2008; Mylonaki et al.,

2008; Goulas et al., 2009, 2010; Laguerre et al., 2009; Fu et al., 2010) and all of them were

identified in the extracts by comparing their molecular formulas and fragmentation

patterns with those reported in the literature and databases.

Page 172: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 3

171

Other flavonoids found in the extracts were luteolin-7,4-O-diglucoside (19), luteolin-7-

O-rutinoside (25), apigenin-7-O-rutinoside (32) and luteolin-4-O-glucoside or luteolin-

3-O-glucoside (36). The latter compounds have also been reported in previous studies

although with a narrower spread (Meirinhos et al., 2005; Pereira et al., 2007; Mylonaki et

al., 2008; Goulas et al., 2009, 2010; Laguerre et al., 2009).

Cinnamic acids and derivatives

Compound 27 was identified as verbascoside according to the MS data and by

comparison with the retention time and MS/MS spectrum of the standard. This cinnamic

acid derivative is commonly present in all the derivates of the olive tree (Benavente-

García et al. 2000; Pereira et al., 2007; Altiok et al., 2008; Laguerre et al., 2009; Fu et al.,

2010).

The aqueous extract also contained p-coumaric acid (11). The molecular ion of p-

coumaric acid (m/z 163.0401) produced the major fragment ion at m/z 119.0497,

corresponding to the loss of carbon dioxide from the precursor ion.

Benzoic acids

As far as benzoic acids are concerned, vanillin (12) and p-hydroxybezoic acid (9) were

identified in the extracts. These compounds have been described previously in the

literature (Benavente-García et al., 2000; Chiou et al., 2007; Salta et al., 2007; Altiok et

al., 2008). These assignments were supported by the fragment ions produced in MS/MS

spectra. In the case of vanillin, just one ion, at m/z 123.0449, was yielded from the loss

of the carbonyl group, whilst the p-hydroxybenzoic acid spectrum showed an ion at

119.0318, resulting from dehydration of the parent ion.

Page 173: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Bloque I

172

Unknown compounds

Table 2 shows a list of compounds for which it was impossible to elucidate a structure

due to a lack of sufficient evidence. The table includes retention times, experimental

m/z, molecular formulas, errors, sigma values and MS/MS fragments.

In summary, a powerful analytical method has been used to characterize

comprehensively two olive leaf extracts obtained by PLE using ethanol and water as

solvents. The coupling HPLC-ESI-QTOF-MS enabled us to characterize tentatively

more than 30 different phenolic compounds, including secoiridoids, simple phenols,

flavonoids, cinnamic acid derivatives and benzoic acids. We may conclude therefore

that this analytical tool is very valuable in the study of phenolic compounds in plant

matrices. It is also important to highlight that, to the best of our knowledge, this is the

first time that lucidumoside C has been detected in olive leaves.

ACKNOWLEDGEMENTS

This work was supported by the projects AGL2008-05108-C03-03/01 and AGL2011-

29857-C03-02 of the Spanish Ministry of Science and Innovation; P09-CTS-4564, P10-

FQM-6563 and P11-CTS-7625 of the Andalusian Regional Government Council of

Innovation and Science, and GREIB.PT.2011.18. The authors are grateful to the

Spanish Ministry of Science and Innovation for FPU grant AP2007-03246 and a

“Ramón y Cajal” research contract. The authors thank “Cooperativa Sor Angela de la

Cruz” for providing the olive leaves.

Page 174: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

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O 6

24

5.10

31

-0.5

10

.9

111.

0818

(100

), 13

7.06

06 (7

), 15

5.07

20 (4

8.5)

, 20

1.11

27 (5

3.4)

, 227

.088

4 (6

.6)

OL1

50ET

33

19.4

9 49

1.17

66

C 2

1 H

31

O 1

3 49

1.17

70

0.7

26.9

10

1.02

32 (1

0.9)

, 167

.070

3 (1

4.5)

, 199

.060

3 (1

00),

269.

1010

(13.

2)

OL1

50ET

34

19.8

5 18

7.09

72

C 9

H 1

5 O

4

187.

0976

2.

1 12

.2

97.0

658

(6.8

), 12

3.07

88 (8

.8),

125.

0964

(1

00.0

),169

.089

8 (5

.0)

OL1

50ET

O

L200

W

40

23.2

7 53

7.16

14

C 2

5 H

29

O 1

3 53

7.16

14

-0.1

31

.9

151.

0399

(100

), 22

3.06

15 (1

7.4)

, 275

.090

0 (1

5.6)

O

L150

ET

47

27.0

7 62

3.14

16

C 3

1 H

27

O 1

4 62

3.14

06

-1.5

43

.6

161.

0225

(6.2

), 28

5.03

83 (8

1.1)

, 299

.055

8 (1

6),

323.

0772

(22.

8)

OL1

50ET

Capítulo 3_______

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Bloque I

174

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Capítulo 3

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BLOQUE II. ESTUDIOS

METABOLÓMICOS DE COMPUESTOS

FENÓLICOS BIOACTIVOS

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Evaluation of different extraction approaches for the

determination of phenolic compounds and their metabolites in

plasma by nanoLC ESI TOF MS

Evaluación de diferentes estrategias de extracción para la

determinación de compuestos fenólicos y sus metabolitos en

plasma mediante nanoLC ESI TOF MS

CAPÍTULO 4

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Capítulo 4

183

Evaluation of different extraction approaches for the determination of phenolic

compounds and their metabolites in plasma by nanoLC-ESI-TOF-MS

R. Quirantes-Piné1,2, V. Verardo3,4, D. Arráez-Román1,2, S. Fernández-Arroyo1,2, V.

Micol5, M. F. Caboni3,4, A. Segura-Carretero1,2, A. Fernández-Gutiérrez1,2

1Department of Analytical Chemistry, Faculty of Sciences, University of Granada, Avd.

Fuentenueva s/n, 18071, Granada, Spain.

2Functional Food Research and Development Center, Health Science Technological

Park, Avd. del Conocimiento, 3, 18100, Granada, Spain.

3Department of Food Science, University of Bologna, Piazza Goidanich 60, 47521

Cesena (FC), Italy.

4Inter-departmental Centre for Agri-Food Industrial Research (CIRI Agroalimentare),

University of Bologna, Piazza Goidanich 60, 47521 Cesena (FC), Italy.

5Instituto de Biología Molecular y Celular, Universidad Miguel Hernández, Avenida de

la Universidad s/n, 03202 Elche, Alicante, Spain

Corresponding author: Dr. A. Segura Carretero, Department of Analytical Chemistry,

Faculty of Sciences, University of Granada, c/ Fuentenueva s/n, 18071 Granada, Spain.

E-mail: [email protected]

Fax: +34 958 637083

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Bloque II

184

ABSTRACT

Sample preparation is an important step for the determination of phenolic compounds in

biological samples. Different extraction methods have been tested to determine phenolic

compounds and their metabolites in plasma by nano-liquid chromatography coupled to

electrospray ionization-time of flight mass spectrometry (nanoLC-ESI-TOF-MS). The

sample treatment optimisation was performed using commercial foetal bovine serum

spiked with representative phenolic standards, namely naringenin, luteolin,

verbascoside, apigenin, rutin, syringic acid and catechin. Different protein-precipitation

conditions were evaluated as well as enzymatic digestion with trypsin and solid-phase

extraction using different phases such as C-18, ABN and ENV+, working at different

pH values. The optimum extraction procedure consisted of a previous protein-

precipitation step using HCl 200 mM in methanol for 2.5 h at 50ºC followed by a solid-

phase extraction using C-18 cartridges at pH 2.5. This procedure was finally applied to

the plasma of rats overfed with a phenolic-rich Lippia citriodora extract. These samples

were analysed by nanoLC-ESI-TOF-MS, enabling the identification of five compounds

previously found in the administered Lippia citriodora extract and one metabolite.

Keywords: phenolic compounds, extraction procedure, plasma, nanoLC-ESI-TOF-MS.

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Capítulo 4

185

1. Introduction

Over the last decade interest surged in phenolic compounds, mainly for the healthy

properties of these compounds related to the prevention of degenerative diseases. Plant

phenolic compounds have been associated with numerous beneficial properties

including antioxidant, anti-inflammatory, anticancer, and anti-atherosclerotic activities

[1]. In this sense, the study of the bioavailability, pharmacokinetic and metabolism of

phenolic compounds is necessary to understand their effects on health. However, the

information on the bioavailability and metabolism of polyphenols is scarce and

contradictory. This scarcity of data has resulted from a lack of sensitive, convenient

methods for measuring an extended spectrum of polyphenols in plasma and body fluids,

compared to the number of methods developed for their investigation in food [2, 3].

Phenolic compounds in biological samples have been studied primarily by conventional

liquid chromatography followed by DAD [4, 5], MS [6, 7] or NMR [8]. Meanwhile,

nanoLC has been less often applied to analyse phenolic compounds in biological

samples [9], despite that a large number of applications have been reported in

proteomics [10, 11] and other fields such as pharmaceutical [12], environmental [13],

enantiomeric [14], and food analysis [15, 16]. From a theoretical standpoint, it has been

demonstrated that the sensitivity heightens on shrinking the column internal diameter

(i.d.). This effect can be ascribed to both a lower analyte chromatographic dilution [17]

and higher efficiency [18]. A complementary approach used to intensify the sensitivity

in nanoLC, involves coupling with mass spectrometry. Hyphenation is easy to achieve

due to the relatively low flow rate involved in the separation process. Indeed, when the

electrospray ionization (ESI) is used as the continuous-flow ionization technique, a

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Bloque II

186

slower flow rate will boost the number of ions in the gas phase, heightening sensitivity

[19]. Due to these features, nanoLC-MS may be considered a potential tool in

applications which demand high sensitivity, such as metabolomics.

Sample preparation, a crucial step in any analytical procedure, usually serves several

purposes, such as the extraction of the analytes from the matrix, bringing them into a

compatible format with the analytical technique used, and the removal of matrix

components, which can interfere with the analysis. This extraction procedure can

include a pre-concentration step to extend the detection limits of the analytical

technique applied. Sample preparation for the analysis of phenolic compounds in

plasma can include, but is not limited to, protein precipitation [20], liquid-liquid

extraction (LLE) [6], or solid-phase extraction (SPE) [21]. The choice of a particular

sample-treatment procedure is determined by the analytical technique. Despite the

availability of many sample-preparation protocols for analysing phenolic compounds in

plasma by LC, none have been devised for use at the nano-scale.

The aim of the present work was to develop an efficient procedure for extracting a

broad range of phenolic compounds from complex biological matrices for subsequence

analysis by nanoLC-ESI-TOF-MS. The procedure developed was applied for the

identification of phenolic compounds in the plasma of rats overfed with a phenolic-rich

Lippia citriodora extract previously characterized by HPLC-MS and CE-MS [22, 23].

2. Materials and methods

2.1. Chemicals

All chemicals were of analytical reagent grade and used as received. (±)-Naringenin,

luteolin, verbascoside, apigenin, rutin, syringic acid, and (+)-catechin were from Sigma

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Capítulo 4

187

Aldrich (St. Louis, MO, USA). The stock solution containing these analytes was

prepared in ethanol at a concentration of 2 mg/mL of each compound and stored at -

20°C until used. Foetal bovine serum used as simulated sample was also from Sigma

Aldrich.

For the extraction procedures, methanol, ethanol, and ammonia were from Panreac

(Barcelona, Spain), hydrochloric acid from Scharlau (Barcelona, Spain) and acetic acid,

ammonium bicarbonate and trypsin from Sigma Aldrich.

Formic acid and acetonitrile used as nano-LC mobiles phases were from Sigma Aldrich

and Lab-Scan (Gliwice, Sowinskiego, Poland), respectively. Water was purified by a

Milli-Q system from Millipore (Bedford, MA, USA).

2.2. NanoLC system

NanoLC experiments were performed in a commercially available instrument EASY-

nLC (Bruker Daltonik, Bremen, Germany). The chromatographic separation was

performed in a C18 BioSphere capillary column (100 mm x 75 μm i.d., particle size 5

μm). An online C18 BioSphere trapping column (20 mm x 100 μm i.d., particle size 5

μm) was used before the analytical column.

The separation was carried out at room temperature with a gradient elution program at a

flow rate of 300 nl/min. The mobile phases consisted of water:acetonitrile (90:10, v/v)

with formic acid 0.1% (A) and acetonitrile (B). The following multi-step linear gradient

was applied: 0 min, 5% B; 35 min, 20% B; 45 min, 40% B; 70 min, 95% B; 75 min, 5%

B. The initial conditions were maintained for 10min. The injection volume was 1μl.

All nanoLC components were controlled by Hystar 3.1 software (Bruker Daltonik,

Bremen, Germany).

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Bloque II

188

2.3. ESI-TOF-MS detection

The nanoLC column was interfaced to MS using a commercial sheathless nano-spray

interface with a tapered fused silica sprayer tip. The key parameters of this nano-ESI

operating in negative mode were adjusted for the flow rate used (300 nL/min) to achieve

stable spray across the entire gradient range: nebulising gas pressure 0.4 bar, dry gas

flow 4 L/min and dry gas temperature 140ºC. The detection was conducted considering

a mass range of 50-1000 m/z.

The accurate mass data of the molecular ions were processed through the software Data

Analysis 4.0 (Bruker Daltonik, Bremen, Germany), which provided a list of possible

elemental formulas by using the Smart Formula Editor. The Editor uses a CHNO

algorithm, which provides standard functionalities such as minimum/maximum

elemental range, electron configuration, and ring-plus double-bond equivalents, as well

as a sophisticated comparison of the theoretical with the measured isotope pattern

(sigma value) for increased confidence in the suggested molecular formula.

External instrument calibration was performed using a 74900-00-05 Cole Palmer

syringe pump (Vernon Hills, IL, USA) directly connected to the interface, with a

sodium formate cluster solution passing through containing 5 mM sodium hydroxide

and 0.2% formic acid in water:isopropanol (1/1, v/v). The calibration solution was

injected before each run and the instrument was calibrated prior to each analysis. This

method gave an exact calibration curve based on numerous cluster masses each

differing by 68 Da (NaCHO2). Due to the compensation of temperature drift in the

TOF-MS, this external calibration provided accurate mass values for a complete run.

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Capítulo 4

189

2.4. Extraction procedures tested

Seventeen extraction procedures were tested using spiked serum (SS) containing 100

μg/mL of each phenolic standard, as described in simple terms in Figure 1.

Figure 1. Simplified scheme of the extraction procedures tested.

P1 and P5 procedures: 100 l of SS were treated with 500 l of HCl 200 mM in

methanol, vortex-mixed, kept for 2.5 h at -20ºC (P1) or at 50ºC (P5) and centrifuged at

14800 g for 5 min. The supernatants were evaporated in a vacuum concentrator and then

dissolved in 100 l of mobile phase A.

P2 and P6 procedures: P2 was like P1 and P6 like P5 but the supernatants were

neutralized at pH 7 by ammonia addition before the evaporation step.

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Bloque II

190

P3 and P7 procedures: P3 was like P2 and P7 like P6 but the dried residues after the

evaporation step were dissolved in 100 l of aqueous formic acid 0.1% (v/v) and then, a

SPE of phenolic compounds was carried out on a Discovery DSC-18 cartridge (50 mg,

1 ml) from Supelco (Sigma Aldrich, Bellefonte, PA, USA). Prior to use, the SPE

cartridge was conditioned with 200 l of methanol/formic acid 0.1% (v/v) followed by

equilibration with 200 l of water/formic acid 0.1% (v/v). The serum solution

previously prepared was loaded into the cartridge, followed by a washing with 100 l of

water/formic acid 0.1% (v/v). The phenolic fraction was eluted with 100 l of methanol,

dried in a vacuum concentrator and then resolved in 100 l of mobile phase A.

P4 and P8 procedures: P4 was like P2 and P8 like P6, but the dried residues after the

evaporation step were dissolved in 50 l of aqueous ammonium bicarbonate 100 mM.

Afterwards, for enzymatic digestion with trypsin, the solution was mixed with 5 l of

trypsin at 0.3 g/ l in 50 mM ammonium bicarbonate buffer and incubated at 37ºC

overnight. The next day, 5 l of 5 mM acetic acid were added to stop the enzymatic

digestion. The mixture was dried in a vacuum concentrator and then resolved in 100 l

of mobile phase A.

P9, P10, and P11 procedures: 100 l of SS were treated with 500 l of HCl 200 mM in

methanol, vortex-mixed, kept for 2.5 h at 50ºC and centrifuged at 14800 g for 5 min.

The supernatants were neutralized at pH 7 by ammonia addition, evaporated in a

vacuum concentrator and then dissolved in 100 l of aqueous formic acid 1% (v/v) at

pH 2. Subsequently, a SPE of phenolic compounds was performed on Discovery DSC-

18 cartridges, Evolute ABN cartridges (25 mg, 1 ml) from Biotage (Uppsala, Sweden)

and Isolute ENV+ cartridges (50 mg, 1 ml) from Biotage (Uppsala, Sweden) in P9, P10,

and P11 procedures, respectively. Prior to use, the cartridges were conditioned with 200

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Capítulo 4

191

l of methanol/formic acid 1% (v/v) followed by equilibration with 200 l of

water/formic acid 1% (v/v). The serum solutions previously prepared were loaded into

the cartridges and washing with 100 l of water/formic acid 1% (v/v). Finally, the

phenolic fraction was eluted with 100 l of methanol, dried in a vacuum concentrator,

and then resolved in 100 l of mobile phase A.

P12, P13, and P14 procedures: P12 was like P9, P13 like P10, and P14 like P11, but the

SPE was performed using aqueous formic acid 0.5% (v/v) at pH 2.5 as equilibration and

washing solution as well as sample solvent prior to SPE.

P15, P16, and P17 procedures: P15 was like P9, P16 like P10, and P17 like P11, but the

SPE was performed using aqueous formic acid 0.05% (v/v) at pH 3 as equilibration and

washing solution as well as sample solvent prior to SPE.

2.5. Study design and sample collection

Nine male wistar rats with a mean weight of 250 g were housed in standard cages at

room temperature with free access to food and water for two weeks. Throughout the

experiments, animals were processed according to the suggested ethical guidelines for

the care of laboratory animals [24].

Six rats were orally treated with Lippia citriodora extract (1440 mg/kg) via gastric

gavage. For the administration, the extract was suspended in saline serum (3 ml). The

control group consisted of three rats which received only saline serum. Rats were

subjected to ketamine/xylazine anaesthesia and the blood samples were withdrawn via

cardiac puncture into heparinized tubes at 20 min post dosing. All blood samples were

centrifuged at 1000g for 15 min at, 4ºC and then plasma was stored at -80ºC.

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Bloque II

192

2.6. Statistical analysis

The significance of the differences (p<0.05) were evaluated with a one-way ANOVA

coupled with Tukey’s honest significant difference, using the Statistica 6.0 software

(StatSoft, Tulsa, OK, USA).

3. Results and discussion

3.1. Evaluation of extraction procedures of phenolic compounds from plasma

The prior extraction of phenolic compounds from plasma is a critical step due to the

complexity of this biological matrix. Therefore, different cleanup procedures were

tested for simulated samples similar to plasma. Samples of commercial foetal bovine

serum spiked with representative phenolic standards, namely naringenin, luteolin,

verbascoside, apigenin, rutin, syringic acid, and catechin, were used to evaluate the

recovery of the different extraction procedures and their applicability for their

subsequent nanoLC-ESI-TOF-MS analysis.

Plasma and serum are characterized by the presence of large amounts of proteins, which

may interfere in the final nanoLC-MS analysis. Therefore, protein removal is an

unavoidable step. However, phenolic compounds can be non-covalently bound to

proteins [25], so the development of efficient procedures for deproteinization with an

acceptable recovery of phenolic compounds is a challenging task. Different methods to

remove the proteins from plasma samples have been previously reported. Basically,

these methods consist of precipitating proteins by treating plasma with hydrochloric or

phosphoric acids [26-28]. Other authors combine the use of enzymes with ethyl-acetate

to remove the proteins [20, 29]. Due to the high variability of the methods, different

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Capítulo 4

193

procedures with hydrochloric and phosphoric acid at different concentrations and

serum:solvent ratio were conducted in a preliminary experiment. The methanolic

solution of hydrochloric acid at 200 mM showed the highest recovery at a ratio of 1:5

for the serum:precipitation solution. Moreover, the amount of precipitated protein

increased with the time, so that different precipitation times were tested (30, 60, 90,

120, 150, 180, and 240 min). Differences in the amount of precipitated protein were

appreciable up to 150 min, but no substantial change was noted between 150 and 240

min.

Once the appropriate deproteinization method was established, several procedures using

the methanolic solution of hydrochloric acid were performed to evaluate the highest

recovery, as summarized in Figure 1A. Briefly, procedures P1-P4 consisted of a prior

step of protein-precipitation, adding 500 l of HCl 200 mM in methanol to 100 l of SS,

vortex-mixing and keeping for 2.5 h at -20ºC and later centrifugation (14800 g for 5

min) followed by supernatant collection. Subsequently, evaporation of the supernatants

with or without a previous neutralization step using ammonia (P1 and P2, respectively)

was performed, as well as a cleaning step using SPE C18 cartridges (P3) or an

enzymatic digestion with trypsin to break up the possible remains of proteins (P4). On

the other hand, P5-P8 procedures were carried out following the same procedures P1-

P4, where only the precipitation temperature was changed to 50°C. The recovery results

(Figure 2) showed that procedures P2 and P6 provided higher recovery values than did

P1 and P5, presumably due to the degradation of phenolic compounds during the

evaporation step because of the progressive rise in pH when methanol evaporates and

the hydrochloric acid became more concentrated. Accordingly, the rest of the

procedures included a neutralization step before the supernatant evaporation.

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Bloque II

194

Figure 2. Recovery data corresponding to nanoLC-ESI-TOF-MS of phenolic compounds in

spiked serum for extraction procedures from P1 to P8 where di erent letters in the same column

indicate signi cantly di erent values (p < 0.05).

The methods in which trypsin digestion was performed (P4 and P8) registered poor

recovery values. Despite that the trypsin digestion guarantees the absence of large

proteins that otherwise could damage the column or block thin tubes used in the nanoLC

system, the temperature and long incubation time may assist in polyphenol degradation.

Therefore, the highest recovery rates were attained with procedures P2, P3, P6, and P7.

Procedures P2, P3, and P6 showed no significant differences (p<0.05), but displayed

different selectivity for single phenolics. In fact, P6 showed the highest recovery of

naringenin and luteolin but lower recovery of catechin and the absence of syringic acid

compared to P2 and P3.

Procedure P7 registered the best recovery data; indeed, it allowed the highest extraction

of total phenolics and the highest values of syringic acid, verbascoside, rutin, apigenin

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Capítulo 4

195

and naringenin content. Moreover, it showed a recovery of luteolin and catechin

comparable to that of P2 and P3 and higher than that of all the other procedures. This

improvement in recovery could be due to a reduction of matrix components in the final

extract leading to minimum ion-suppression effects during nanoLC-ESI-TOF-MS

analysis.

These preliminary results highlighted that the protein-precipitation with methanolic

solution of hydrochloric acid (200 mM) at 50°C for 2.5 h followed by the C18-SPE

purification gave the best results.

Given these results, the next step was the study of different solid phases and the sample

pH, since it is well known that SPE efficiency depends on such factors as: the nature of

stationary phase, solvent and sample volume, solvent pH, and modifier content if

present. Figure 1B shows the different extraction procedures tested with different

stationary phases: C18, ABN (a water-wettable polymer-based sorbent) and ENV+ (a

hydroxylated polystyrene divinylbenzene co-polymer). In addition, the acidity of the

sample solution as well as conditioning and washing solutions was changed from pH

2.0 to 3.0 (with increments of 0.5).

Table 1 lists the recovery data with the solid phases at the different pH values.

Procedures P10, P11, P12, and P16 showed the highest recovery values of the phenolic

compounds. Therefore, all the stationary phases showed similar affinity for the analytes

and the pH was the deciding factor in the recovery percentages. In this sense, C18

cartridges showed an optimum selectivity for phenolic compounds at pH 2.5 while

ENV+ presented better recovery at pH 2.0. Regarding ABN cartridges, the pH value did

not appreciably affect the recovery of the analytes under study.

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Tabl

e 1.

Rec

over

y da

ta (%

) obt

aine

d by

nan

oLC

-ESI

-TO

F-M

S of

phe

nolic

com

poun

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spi

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seru

m. D

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ette

rs in

the

sam

e co

lum

n in

dica

te

sign

ifica

ntly

diff

eren

t val

ues (

p <

0.05

).

C

atec

hin

Syri

ngic

ac

id

Ver

basc

osid

e R

utin

p-

coum

aric

ac

id

Lute

olin

N

arin

geni

n A

pige

nin

P9

%

66.8

(a)

56.5

(a,b

,c)

38.4

(b)

69.0

(a,b

) 56

.6 (a

,b)

45.7

(c,d

,e,f)

78

.6 (a

,b,c

) 47

.3 (d

,e)

RSD

1.

53

6.63

12

.16

5.18

4.

22

3.14

6.

80

6.47

P10

%

66.6

(a)

61.8

(a,b

) 37

.8 (b

) 70

.1 (a

,b)

59.4

(a,b

) 44

.3 (d

,e,f)

75

.4 (a

,b,c

,d)

69.6

(a,b

,c)

RSD

6.

93

2.33

13

.02

2.12

11

.42

4.32

8.

50

7.47

P11

%

70.1

(a)

62.7

(a,b

) 40

.0 (a

,b)

60.9

(a,b

,c)

64.6

(a)

52.4

(c,d

) 65

.6 (d

,e,f)

68

.9 (a

,b,c

) R

SD

6.47

9.

59

6.38

10

.38

8.96

2.

58

5.55

3.

72

P12

%

73.5

(a)

64.4

(a)

45.3

(a)

70.4

(a,b

) 65

.0 (a

) 55

.9 (c

) 86

.4 (a

) 52

.2 (c

,d)

RSD

4.

67

4.72

0.

61

2.57

3.

90

4.76

2.

49

4.74

P13

%

69.2

(a)

60.9

(a,b

) 17

.3 (d

) 70

.5 (a

) 65

.2 (a

) 80

.1 (b

) 73

.3 (b

,c,d

) 78

.3 (a

) R

SD

3.76

2.

44

16.3

9 8.

49

5.39

0.

11

6.79

4.

72

P14

%

65.1

(a)

52.7

(b,c

) 13

.2 (d

) 60

.2 (b

,c)

50.9

(b)

43.7

(d,e

,f)

54.3

(f)

44.5

(d,e

) R

SD

11.0

4 12

.44

7.41

7.

58

11.8

3 12

.28

11.5

2 18

.28

P15

%

65.6

(a)

62.1

(a,b

) 25

.9 (c

) 65

.4 (a

,b)

58.8

(a,b

) 50

.8 (c

,d,e

) 82

.4 (a

,b)

44.4

(d,e

) R

SD

9.88

1.

02

12.7

5 4.

86

3.14

6.

78

4.66

6.

55

P16

%

69.4

(a)

61.5

(a,b

) 39

.6 (a

,b)

61.7

(a,b

) 57

.0 (a

,b)

102.

1 (a

) 68

.7 (c

,d,e

) 57

.7 (b

,c,d

) R

SD

2.12

2.

34

2.33

2.

23

6.21

6.

74

0.74

27

.33

P17

%

64.2

(a)

49.1

(c)

30.2

(c)

50.8

(c)

48.3

(b)

36.9

(f)

55.8

(f)

30.3

(e)

RSD

6.

87

4.13

1.

845.

483.

25

9.43

2.91

2.87

Bloque II_______

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Capítulo 4

197

However, procedure P12 was the only one that registered RSDs lower than 5%.

Therefore, this procedure was selected as the best to extract phenolic compounds in

serum for subsequent analysis by nanoLC-ESI-TOF-MS.

3.2. Plasma analysis

The plasma of nine rats was analysed 20 min after oral administration of a phenol-rich

Lippia citriodora extract or saline serum in the case of control group in order to

demonstrate the applicability of the proposed extraction procedure in real samples. This

method enabled the detection, in the treated group, of the compounds shown in Table 2

together with their retention time and MS data, including experimental and calculated

m/z for the molecular formulas provided, error and sigma value.

Table 2. Compounds identified in plasma of rats after oral administration of a phenol-

rich Lippia citriodora extract.

Peak tR

(min) m/z exp.

Molecular

formula m/z cal.

Error

(ppm) mSigma Proposed compound

1 16.84 389.1131 C16H21O11 389.1089 -10.8 9.9 Theveside

2 18.76 387.1865 C18H27O9 387.1661 -11.2 36.4

Tuberonic acid glucoside/

5´-hydroxyjasmonic acid 5´-O-glucoside

3 24.06 623.2049 C29H35O15 623.1981 -10.9 7.3 Verbascoside

4 24.21 193.0523 C10H9O4 193.0506 -8.7 48.9 Ferulic acid

5 25.69 623.2047 C29H35O15 623.1981 -10.6 10.4 Isoverbascoside

6 34.70 487.1500 C21H27O13 487.1457 -37.4 82.0 Cistanoside F

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Bloque II

198

The compounds were identified by comparison of retention times from plasma samples

and Lippia citriodora extract, in the case of the compounds previously detected in the

extract, as well as by using molecular formulas provided by the software according to

the accurate mass and isotopic pattern. The extracted ion chromatograms of these

compounds are shown in Figure 3.

Figure 3. Extracted ion chromatograms of the compounds found in the plasma of rats after oral

administration of a phenol-rich Lippia citriodora extract.

Most of the compounds detected in plasma samples have been previously identified in

the extract administered to the rats [22, 23]. Thus, verbascoside and isoverbascoside, the

main compounds from the extract, were found in most of the plasma samples of the

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Capítulo 4

199

treated group, together with cistanoside F and the iridoid derivative theveside.

Furthermore, tuberonic acid glucoside or its diastereomer 5´-hydroxyjasmonic acid 5´-

O-glucoside was detected only in two plasma samples.

Apart from these intact compounds, ferulic acid was also found in the treated group,

probably formed by methylation of caffeic acid after hydrolysis of the glucosidic bond

of verbascoside and isoverbascoside. Polyphenol glycosides are absorbed mainly

through the gut barrier after deglycosylation [30] and the catechol-like structure of

caffeic acid makes it predictably prone to O-methylation by soluble catechol-O-

methyltransferase (COMT), resulting in ferulic acid structure. Indeed, ferulic acid has

been described as a metabolite of caffeic acid after coffee ingestion by humans [31].

Conclusions

This work reports the first approach to the analysis of phenolic compounds in plasma by

nanoLC-ESI-TOF-MS. For this purpose, different extraction procedures have been

tested using commercial foetal bovine serum spiked with representative phenolic

compounds, including different protein precipitation agents, enzymatic digestion and

SPE using different solid phases and pH values. The best recoveries were found when a

previous protein-precipitation step with HCl 200 mM in methanol for 2.5 h at 50ºC was

followed by a SPE using C-18 cartridges at pH 2.5. This extraction procedure was

verified for the extraction of phenolic compounds from rat plasma after oral

administration of a Lippia citriodora extract. The subsequent analysis of those plasma

samples by nanoLC-ESI-TOF-MS allowed the identification of five compounds

previously found in the administered Lippia citriodora extract and one metabolite

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Bloque II

200

coming from verbascoside and isoverbascoside. In this way, the sample-treatment

procedure developed has proved to be a good solution to analyse the phenolic

compounds in a complex biological matrix as plasma with nanoLC-ESI-TOF-MS

equipment, without problems for the life of the capillary column.

4. Acknowledgements

This work was supported by the project AGL2011-29857-C03-02 (Spanish Ministry of

Science and Innovation), as well as P09-CTS-4564, P10-FQM-6563 and P11-CTS-7625

(Andalusian Regional Government Council of Innovation and Science). The authors are

grateful to the Spanish Ministry of Science and Innovation for a grant FPU (AP2007-

03246).

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[31] Stalmach A, Mullen W, Barron D, Uchida K, Yokota T, Cavin C, Steiling H,

Williamson G, Crozier A (2009) Metabolite Profiling of Hydroxycinnamate Derivatives

in Plasma and Urine after the Ingestion of Coffee by Humans: Identification of

Biomarkers of Coffee Consumption. Drug Metab Dispos 37:1749–1758.

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Phenylpropanoids and their metabolites are the major

compounds responsible for blood cell protection against

oxidative stress after lemon verbena administration in rats

Los fenilpropanoides y sus metabolitos son los principales

compuestos responsables de la protección de las células

sanguíneas contra el estrés oxidativo tras la administración de

un extracto de Lippia citriodora

CAPÍTULO 5

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Capítulo 5

207

Phenylpropanoids and their metabolites are the major compounds responsible for

blood cell protection against oxidative stress after lemon verbena administration in

rats

R. Quirantes-Piné1,2, M. Herranz-López3, V. Micol3, A. Segura-Carretero1,2, A.

Fernández-Gutiérrez1,2

1Department of Analytical Chemistry, Faculty of Sciences, University of Granada, Avd.

Fuentenueva s/n, 18071, Granada, Spain.

2Functional Food Research and Development Center, Health Science Technological

Park, Avd. del Conocimiento, 3, 18100, Granada, Spain.

3Instituto de Biología Molecular y Celular, Universidad Miguel Hernández, Avenida de

la Universidad s/n, 03202 Elche, Alicante, Spain

Corresponding author: Dr. A. Segura Carretero, Department of Analytical Chemistry,

Faculty of Sciences, University of Granada, c/ Fuentenueva s/n, 18071 Granada, Spain.

E-mail: [email protected]

Fax: +34 958 637083

Abbreviations: ROS, reactive oxygen species; SOD, superoxide dismutase; CAT,

catalase; GRed, glutathione reductase; GPx, glutathione peroxidise; MPO,

myeloperoxidase

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Bloque II

208

ABSTRACT

Lemon verbena (Lippia citriodora) has been widely used in folk medicine for its

pharmacological properties, usually attributed to its main compound verbascoside. The

protective effects of this plant have been attributed, among several factors, to its

antioxidant activity. The purpose of this study was to test the effect of lemon verbena

extract intake on blood cells antioxidant response and to correlate it with the phenolic

metabolites found in plasma. For this purpose, catalase (CAT), glutathione peroxidase

(GPx), and glutathione reductase (GRed) activities were determined in lymphocytes,

erythrocytes and neutrophils of rats after acute intake of lemon verbena extract, and

phenolic metabolites were analysed in plasma by HPLC-ESI-TOF-MS.

Myeloperoxidase (MPO) activity in neutrophils, which has been proposed as a marker

for inflammatory vascular damage, was also determined. After lemon verbena

administration, the antioxidant enzymes activities significantly increased (p < 0.05)

while MPO activity decreased, indicating that the extract protects blood cells against

oxidative damage and it has potential antiinflammatory and antiatherogenic activities.

The main compounds found in plasma were verbascoside and isoverbascoside at a

concentration of 80 ± 10 and 57 ± 4 ng/ml, respectively. Five metabolites deriving from

verbascoside and isoverbacoside were also found in plasma due to the metabolism of

the rats, namely, hydroxytyrosol, caffeic acid, ferulic acid, ferulic acid glucuronide and

homoprotocatechuic acid, together with other eight phenolic compounds. Therefore, the

phenylpropanoids verbascoside and isoverbascoside, as well as their metabolites seem

to be the responsible for the above mentioned effects although the post-transcriptional

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Capítulo 5

209

activation mechanism of blood cells antioxidant enzymes by these compounds should

be further investigated.

Keywords: Lemon verbena, antioxidant enzymes, phenolic compounds

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Bloque II

210

1. INTRODUCTION

Lemon verbena (Lippia citriodora) is a shrub indigenous to South America that was

introduced into Europe at the end of the 17th century. It has been widely used in

infusion for its antispasmodic, antipyretic, sedative and digestive properties [1-3].

Lemon verbena leaves contain a large number of polar compounds such as

phenylpropanoids, flavonoids, phenolic acids and iridoid glycosides, being verbascoside

the most abundant one [4]. Several properties have been described for this compound

such as antiinflammatory [5, 6], antimicrobial [7] and antitumor [8]. These protective

effects have been attributed, among several factors, to its antioxidant activity [9, 10].

Reactive oxygen species (ROS) have been implicated in the mediations of several

pathological processes such as inflammatory diseases, cancer, and atherosclerosis.

Phenolic compounds can help to limit the oxidative damage caused by ROS either

acting directly on ROS or stimulating endogenous defence systems. These defence

systems include antioxidant enzymes, namely superoxide dismutase (SOD), catalase

(CAT), glutathione reductase (GRed), and glutathione peroxidase (GPx), that act as

scavengers of the ROS. SOD catalyzes the dismutation of superoxide to H2O2, CAT

catalyzes the conversion of H2O2 to water, preventing the generation of hydroxyl

radicals, GRed reduces glutathione disulfide to the sulfhydryl form, and GPx reduces

lipid hydroperoxides to their corresponding alcohols and free hydrogen peroxide to

water [11].

A previous study has reported an increased SOD activity in rat plasma after acute lemon

verbena administration [12]. This effect was attributed to verbascoside since it was the

only compound found in plasma. Other studies in humans have reported that

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Capítulo 5

211

consumption of lemon verbena extract promote protection of blood cells by activation

of GRed and CAT in erythrocytes and lymphocytes and decrease sport-induced

oxidative damage in neutrophils [13, 14]. Nevertheless, these studies were not able to

find any metabolite deriving from lemon verbena in human volunteers’ plasma.

Therefore, there is a lack of knowledge about the effects of lemon verbena metabolites

on white and red blood cells’ antioxidant defences.

The in vivo antioxidant activity of lemon verbena, like every biological property,

depends on the absorption of its components in the gut and on their metabolism. The

pharmacokinetic of verbascoside has been previously investigated [12, 15], however,

little is known about its metabolism as well as the bioavailability of the other

compounds present in this plant.

Therefore, the aim of this study was to test the effect of lemon verbena extract intake on

lymphocytes, erythrocytes and neutrophils antioxidant response, and to correlate it with

the phenolic metabolites found in plasma. In this way, the compound or compounds

responsible of the blood cell protection against oxidative stress shown by lemon verbena

could be determined.

2. MATERIALS AND METHODS

2.1. Chemicals

All chemicals were of analytical reagent grade and used as received. Verbascoside and

taxifolin were from Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA). The stock solutions

containing these analytes were prepared in methanol at a concentration of 100 μg/mL

and stored at -20°C until used. Acetonitrile, methanol and ammonia were from Panreac

(Barcelona, Spain), hydrochloric acid from Scharlau (Barcelona, Spain) and formic acid

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Bloque II

212

from Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA). The Ficoll reagent was obtained from GE

Healthcare, Sweden. All other reagents or chemicals were obtained from Sigma-

Aldrich. Water was purified by a Milli-Q system from Millipore (Bedford, MA, USA).

The lemon verbena extract (Lippia citriodora) (20% verbascoside, w/w) was kindly

provided by Monteloeder (Elche, Spain).

2.2. Animals and Experimental Design

Nine male Wistar rats (250–300 g) from ten to twelve-week-old were housed in

standard cages at room temperature with free access to food and water for two weeks.

Throughout the experiments, animals were processed according to the suggested ethical

guidelines for the care of laboratory animals [16].

Rats were orally treated with lemon verbena extract (1440 mg/kg, corresponding to 360

mg/kg of verbascoside) via gastric gavage (n=6). For the administration, the extract was

dissolved in saline serum (2.5 mL). The control group (n=3) received only saline serum.

Rats were subjected to ketamine/xylazine anaesthesia.

2.3. Erythrocytes, lymphocytes and neutrophils purification

Blood samples were withdrawn via cardiac puncture into heparinized tubes at 20 min

post dosing and were used to purify erythrocytes, lymphocytes and neutrophils

following an adaptation of the method described by Boyum [17], and plasma was stored

at -80 ºC for further analysis of metabolites.

2.4. Enzymatic determinations

CAT activity was measured by the spectrophotometric method of Aebi [18] based on

the decomposition of H2O2. GRed activity was measured by a modification of the

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Capítulo 5

213

Goldberg and Spooner spectrophotometric method [19]. This assay required oxidized

glutathione as the substrate. GPx activity was measured by an adaptation of the

spectrophotometric method of Flohé and Gunzler using H2O2 as the substrate [20].

Myeloperoxidase (MPO) activity of neutrophils was measured by guaiacol oxidation

[21]. All activities were determined with a SPECTROstar Omega microplate reader at

37ºC.

2.5. Plasma treatment for HPLC-ESI-TOF-MS analysis

1 ml of plasma was spiked with 10 μl of the taxifolin stock solution used as internal

standard. Afterwards, the plasma was treated with 5 ml of HCl 200 mmol/L in

methanol, vortex-mixed, kept for 2.5 hours at 50 ºC and centrifuged at 14800 g for 5

min. The supernatant was neutralized at pH 7 by ammonia addition, evaporated in a

vacuum concentrator and then dissolved in 1 ml of aqueous formic acid 0.5% (v/v) at

pH 2.5. Subsequently, a solid phase extraction of phenolic compounds was performed

on Discovery DSC-18 cartridges (50 mg, 1 ml) Supelco, Sigma Aldrich (Bellefonte,

PA, USA). Prior to use, the cartridge was conditioned with 2 ml of methanol/formic

acid 0.5% (v/v) followed by equilibration with 2 ml of water/formic acid 0.5% (v/v).

The plasma solution previously prepared was loaded into the cartridge, followed by a

washing with 1 ml of water/formic acid 0.5% (v/v). Finally, the phenolic fraction was

eluted with 1 ml of methanol, dried in a vacuum concentrator, and then, resolved in 100

l of mobile phase A.

2.6. HPLC-ESI-TOF-MS analyses

Analyses were performed out using an Agilent 1200 Series Rapid Resolution Liquid

Chromatography system (Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA), including a

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Bloque II

214

standard autosampler and a diode array detector. The HPLC column used was a

Phenomenex Gemini C18 (5 μm, 4.6 x 250 mm). The separation was carried out at

room temperature with a gradient elution program at a flow rate of 0.2 ml/min. The

mobile phases consisted in water:acetonitrile (90:10, v/v) with 1% of formic acid (A)

and acetonitrile (B). The following multi-step linear gradient was applied: 0 min, 5% B;

35 min, 20% B; 45 min, 40% B; 50 min, 5% B. The initial conditions were held for 10

min. The injection volume in the HPLC system was 10 μl.

The HPLC system was coupled to a microTOF mass spectrometer (Bruker Daltonik,

Bremen, Germany) equipped with an ESI interface operating in negative ion mode

using a capillary voltage of +4 kV. The other optimum values of the ESI-TOF-MS

parameters were drying gas temperature, 190 ºC; drying gas flow, 7 l/min, and

nebulizing gas pressure, 1.5 bar. The detection was conducted considering a mass range

of 50-1000 m/z.

The accurate mass data of the molecular ions were processed through the software Data

Analysis 4.0 (Bruker Daltonik, Bremen, Germany), which provided a list of possible

elemental formulas by using the Smart Formula Editor. This editor uses a CHNO

algorithm, which provides standard functionalities such as minimum/maximum

elemental range, electron configuration, and ring-plus double-bond equivalents, as well

as a sophisticated comparison of the theoretical with the measured isotope pattern

(sigma value) for increased confidence in the suggested molecular formula.

During the development of the HPLC method, the instrument was externally calibrated

with a 74900-00-05 Cole Palmer syringe pump (Vernon Hills, IL, USA) directly

connected to the interface and injected with a sodium formate cluster solution

containing 5 mM sodium hydroxide and 0.2% formic acid in water:isopropanol (1:1,

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Capítulo 5

215

v/v). The calibration solution was injected at the beginning of each run and all the

spectra were calibrated prior to compound identification. This method gave an exact

calibration curve based on numerous cluster masses each differing by 68 Da (NaCHO2).

Due to the compensation of temperature drift in the TOF-MS, this external calibration

provided accurate mass values for a complete run.

2.7. Validation of HPLC-ESI-TOF-MS method

The accuracy of the method was further assessed with recovery studies by spiking

verbascoside into control plasma in triplicates. The linearity range of the method was

determined on five concentration levels from 0.5 to 10 μg/ml with three injections for

each level. Limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) were respectively set at

S/N = 3 and S/N = 10 where S/N is the signal-to-noise ratio. Repeatability of the

method was measured as relative standard deviation (RSD %) in terms of concentration.

A plasma sample was injected (n=3) on the same day (intraday precision) and 3 times

on the 2 consecutive days (interday precision, n=9).

2.8. Statistical analysis

Statistical analysis was performed using the software OriginPro v 7.5. The results were

expressed as the mean and standard deviation (Mean ± SD). The means of quantitative

variables were analyzed using one way ANOVA test. All determinations were

performed in triplicate. Differences between the groups were compared using non-

parametric tests and were considered statistically significant when p < 0.05.

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Bloque II

216

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Blood cells antioxidant response in rats after oral administration of lemon

verbena extract

The ex vivo activity of several antioxidant enzymes (CAT, GPx and GRed) was

determined in erythrocytes, lymphocytes and neutrophils of rats 20 min after the acute

intake of lemon verbena extract since previous studies in rats showed the maximum

plasma antioxidant capacity at 20 min [12]. Myeloperoxidase activity, which has been

proposed as a marker for inflammatory vascular damage [22, 23], was also determined

in neutrophils of the same animals. Mean values of antioxidant enzyme activities and

MPO in different circulating cell types are shown in Figure 1.

Figure 1. Effect of lemon verbena administration on the activity of antioxidant enzymes of several blood cells and myeloperoxidase activity in neutrophyls. *Significant difference between control group and lemon verbena administered rats (p < 0.05). As shown, CAT activity was enhanced in lymphocytes and erythrocytes, although no

significant effect was observed in neutrophils. GPx activity underwent a considerably

increase in all three cell fractions studied. The results also showed a significant

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Capítulo 5

217

activation of GRed in both lymphocytes and neutrophils, being this increase especially

significant in neutrophils. Finally, a significant decrease of the MPO activity was

observed in neutrophils, which indicates a reduction in the release of damaging ROS in

this cell type [23].

3.2. Characterization of metabolites by HPLC-ESI-TOF-MS

In order to understand how the phenolic compounds from the lemon verbena extract

affect the antioxidant and antiinflammatory processes, it is necessary to determine

which compounds from the extract effectively reach the target tissues and whether they

do in their native form or as metabolites. Therefore, plasma samples were analysed by

HPLC-ESI-TOF-MS to determine the phenolic compounds and their metabolites

present in plasma.

The applied method was previously validated and its analytical parameters are shown in

Table 1. The verbascoside recovery was established at 76 ± 8%, and LOD and LOQ

were 7.5 and 25 ng/ml, respectively. Intraday repeatability of the developed method was

1.95%, whereas the interday repeatability was 4.04%.

Table 1. Analytical parameters of the HPLC-ESI-TOF-MS method

Analyte Verbascoside

Recovery 76 ± 8 %

Calibration range (ng/ml) 500 - 10000

Calibration equation y = 0.062x – 0.030

r2 0.991

LOD (ng/ml) 7.5

LOQ (ng/ml) 25

RSD intraday (n=3) 1.95%

RSD interday (n=9) 4.04%

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Bloque II

218

This validated method enabled the identification in plasma samples of the compounds

shown in Table 2 together with their retention time and MS data, including

experimental and calculated m/z for the molecular formulas provided, error and sigma

value. The compounds were identified by comparison of retention times from plasma

samples and lemon verbena extract, in the case of the compounds previously detected in

the extract, as well as by using molecular formulas provided by the software according

to the accurate mass and isotopic pattern. Figure 2 shows the extracted ion

chromatograms (EIC) of some of the compounds detected in plasma.

Figure 2. Extracted ion chromatograms of the main compounds found in rat plasma 20 min

after lemon verbena acute intake.

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Tabl

e 2.

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O10

37

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10.9

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46

1.16

64

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25

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baso

side

12.5

48

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48

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side

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36

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19.9

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cid

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33.1

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65

1.22

94

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178.

5 M

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nosi

de

Capítulo 5_______

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Bloque II

220

The main compounds found in plasma were verbascoside and isoverbascoside. These

compounds were quantified showing a mean concentration of 80 ± 10 and 57 ± 4 ng/ml,

respectively. The detection of high levels of intact verbascoside and isoverbascoside in

plasma proved that they may be absorbed in their native forms which is in agreement

with previous studies where verbascoside was found in plasma after oral administration

of verbascoside-rich extracts [12, 15].

Five metabolites deriving from verbascoside and isoverbacoside were also found in

plasma due to the metabolism of the rats, namely, hydroxytyrosol, caffeic acid, ferulic

acid, ferulic acid glucuronide and homoprotocatechuic acid. Polyphenol glycosides are

mainly absorbed through the gut barrier after deglycosilation by action of lactase

phloridzin hydrolase in the brush-border of the small intestine epithelial cells, cytosolic

ß-glucosidase within the epithelial cells or colonic microbiota in the large intestine [24].

Therefore, hydroxytyrosol and caffeic acid may be formed by hydrolysis of the

glycosidic bonds of verbascoside and isoverbascoside. Caffeic acid may come from the

hydrolysis of other complex polyphenols from the extract such as cistanoside F,

campneoside I and forsythoside A, which have in their structures a caffeoyl group

bound to glycoside moieties. In the same way, hydroxytyrosol may be formed by

hydrolysis of verbasoside, forsythoside A and eukovoside.

The catechol-like structure of caffeic acid makes it predictably prone to O-methylation

by soluble catechol-O-methyltransferase, resulting in ferulic acid structure, which may

suffer subsequent glucuronidation due to the action of uridine-5´-diphosphate

glucuronosyltransferases. Indeed, ferulic acid has been described as a metabolite of

caffeic acid after the ingestion of coffee by humans [25]. Furthermore, the hydrolysis of

eukovoside and martynoside may contribute to the formation of ferulic acid.

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Capítulo 5

221

Homoprotocatechuic acid has been also described as a metabolite of caffeic acid [26,

27].

Furthermore, flavone derivatives have been detected in the plasma samples, mainly,

acacetin diacetate, luteolin diglucuronide and chrysoeriol diglucuronide. Acacetin

diacetate probably arises from the metabolism of acacetin diglucuronide, which may

cleavage the glucuronic bond and then, conjugate with two acetate groups as a result of

the phase II metabolism. Whereas luteolin diglucuronide and chrysoeriol diglucuronide

may come from the absorption of the intact compounds from the extract as well as the

further conjugation with two glucuronic moieties after absorption of the free flavones in

the gut.

Other compounds from the extract have been detected intact in plasma, such as

gardoside, cistanoside F, theveside, eukovoside and martynoside. As above mentioned,

polyphenol glycosides are mainly absorbed through the gut barrier after deglycosilation

and subsequently, they are conjugated to form O-glucuronides, sulphate esters and O-

methyl ethers [28]. However, some studies have suggested that intact glycosides of

quercetin may be absorbed from the small intestine by a mechanism involving the

glucose transport pathway [29, 30] and non-conjugated polyphenols have been also

detected in studies in which pharmacological doses were administered, indicating a

possible saturation of the conjugation pathways [31].

3.3. Correlation between plasmatic phenolic metabolites and antioxidant enzymes

modulation

The major metabolites found in the plasma of rats were the phenylpropanoids

verbascoside and isoverbascoside. Some other metabolites, probably deriving from

verbascoside and/or isoverbascoside metabolism, were also found in plasma but at much

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Bloque II

222

lower concentration, mainly hydroxytyrosol and phenolic acids derivatives such as

caffeic, ferulic and homoprotocatechuic acids. In previous studies, the antioxidant effect

of lemon verbena extracts has been totally attributed to verbascoside. However, isolated

phenolic acids such as gentisic, gallic, ferulic, and p-coumaric acids, as well as coffee

rich in caffeic, ferulic, and p-coumaric acids have shown to increase hepatic SOD, GPx,

and CAT activities [32, 33]. Likewise, other study has reported increased CAT and

SOD activities in the liver after hydroxytyrosol supplementation in rats [34]. Therefore,

the enhancement of the antioxidant defences may not be exclusively due to the direct

modulation of enzymes activity by verbascoside but the combined action of its

metabolites.

Moreover, low concentrations of flavone derivatives (acacetin, luteolin and chrysoeriol)

and phenylpropanoids different from verbascoside were also found. Many flavonoids,

including flavones, have been shown to modulate CAT activity by binding to the heme

group or a protein region of CAT structure contributing to enhancement of activity [35].

However little is known about the effect of the other phenylpropanoids found in plasma

on antioxidant enzymes.

Therefore, verbascoside, isoverbascoside and their metabolites seem to be the best

candidate compounds to be responsible for the observed enzymatic activation in the

different blood cells. At this moment, the precise mechanism by which antioxidant

enzymes are activated after the administration of the extract is unknown, although the

gene expression regulation must be discarded due to the short time of the observed

effect.

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Capítulo 5

223

4. CONCLUSIONS

In conclusion, these findings demonstrate that the consumption of lemon verbena

extract protects blood cells by powering endogenous antioxidant defences of the

different cell types, especially in lymphocytes, and shows potential antiinflammatory

and antiatherogenic activities through the inhibition of MPO in neutrophils. As derived

from the metabolites detected in plasma by HPLC-ESI-TOF-MS, the phenylpropanoids

verbascoside and isoverbascoside, as well as their metabolites seem to be the

responsible for the above mentioned effects. Anyhow, further research may be required

to elucidate the post-transcriptional activation mechanism of blood cells antioxidant

enzymes.

5. ACKNOWLEDGEMENTS

This work was supported by the project AGL2011-29857-C03-02 (Spanish Ministry of

Science and Innovation), as well as P09-CTS-4564, P10-FQM-6563 and P11-CTS-7625

(Andalusian Regional Government Council of Innovation and Science). The authors are

grateful to the Spanish Ministry of Science and Innovation for a grant FPU (AP2007-

03246).

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Bloque II

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A metabolite profiling approach to assess the uptake and

metabolism of phenolic compounds from olive leaves in SKBR3

cells by HPLC ESI QTOF MS

Evaluación de la absorción y metabolismo de compuestos

fenólicos de hojas de olivo en células SKBR3 mediante perfilado

metabólico con HPLC ESI QTOF MS

Capítulo 6

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Capítulo 6

231

A metabolite profiling approach to assess the uptake and metabolism of phenolic

compounds from olive leaves in SKBR3 cells by HPLC-ESI-QTOF-MS

R. Quirantes-Piné1,2, G. Zurek3, E. Barrajón-Catalán4, C. Bäßmann3, V. Micol4, A.

Segura-Carretero1,2, A. Fernández-Gutiérrez1,2

1Department of Analytical Chemistry, Faculty of Sciences, University of Granada, Avd.

Fuentenueva s/n, 18071, Granada, Spain.

2Functional Food Research and Development Center, Health Science Technological

Park, Avd. del Conocimiento, 3, 18100, Granada, Spain.

3Bruker Daltonik GmbH, Fahrenheitstr. 4, 28359 Bremen, Germany.

4Instituto de Biología Molecular y Celular, Universidad Miguel Hernández, Avenida de

la Universidad s/n, 03202 Elche, Alicante, Spain

Corresponding author: Dr. A. Segura Carretero, Department of Analytical Chemistry,

Faculty of Sciences, University of Granada, c/ Fuentenueva s/n, 18071 Granada, Spain.

E-mail: [email protected]

Fax: +34 958 637083

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Bloque II

232

ABSTRACT

Olive leaves, an easily available natural material of low cost, have shown an important

antitumor activity inhibiting cell proliferation in breast cancer cell lines MCF-7, SKBR3

and JIMT-1. In this work, a metabolite profiling approach has been used to assess the

uptake and metabolism of phenolic compounds from an olive-leaf extract in the breast

cancer cell line SKBR3 to evaluate the compound or compounds responsible for its

cytotoxic activity. For this aim, firstly, the olive-leaf extract under study was

quantitatively characterized by high-performance liquid chromatography coupled to

electrospray ionization-quadrupole time of flight mass spectrometry (HPLC-ESI-

QTOF-MS). Then, SKBR3 cells were incubated with 200 μg/ml of the olive-leaf extract

for different times (15 min, 1, 2, 24 and 48 h). A metabolite profiling approach based on

HPLC-ESI-QTOF-MS was used to determine the intracellular phenolic compounds,

enabling the identification of sixteen intact phenolic compounds from the extract and

four metabolites derived from these compounds in the cells cytoplasm. The major

compounds found within the cells were oleuropein, luteolin-7-O-glucoside and its

metabolites luteolin aglycone and methyl-luteolin glucoside, as well as apigenin, and

verbascoside. Neither hydroxytyrosol nor any of its metabolites were found within the

cells at any incubation time. These findings suggest that the major responsible

compounds for the cytotoxic activity of the olive-leaf extract in SKBR3 cells could be

oleuropein and the flavones luteolin and apigenin, since these compounds showed a

high uptake and they have previously reported antitumor activity.

Keywords: Olive leaves, phenolic compounds, breast cancer, SKBR3 cell line, HPLC-

MS

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Capítulo 6

233

1. INTRODUCTION

Recently, Olea europea L. leaves have gained the rising interest of the scientific

community. In the cultivation of the olive tree, the pruning step generates a considerable

volume of leaves, therefore, they may be considered an abundant, easily available and

low cost by-product. Hence, important scientific and technical efforts have been made

to determine the value of this agricultural residue.

Historically, olive leaves have been used as a folk remedy for combating fevers and

other diseases, such as malaria. These medicinal properties have been mainly attributed

to oleuropein and related derivatives. Several studies have reported antioxidant,

hypoglycemic, antihypertensive, antimicrobial, antiatherosclerotic and antiviral,

including anti-HIV, properties of olive leaves [1-4]. Furthermore, recent studies have

highlighted the antitumor activity of olive-leaf extracts, inhibiting cell proliferation in

breast cancer cell lines MCF-7, SKBR3 and JIMT-1 [5-7]. However, the molecular

mechanism as well as which specific compound or mixture of compounds is responsible

for this bioactivity is not yet known in detail.

The aim of this study was to investigate the uptake and metabolism of phenolic

compounds from an olive-leaf extract by SKBR3 cells as a first approach to the

assessment of which compound or compounds may be accounted for the antitumor

activity of this extract. For this purpose, a metabolite profiling method based on high-

performance liquid chromatography coupled to electrospray ionization-quadrupole time

of flight mass spectrometry (HPLC-ESI-QTOF-MS) has been developed for the analysis

of cytoplasm from lysed cells incubated with an olive-leaf extract to determine which

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Bloque II

234

compounds from the extract are able to enter through the cell membrane and which

metabolites they gave rise.

2. MATERIALS AND METHODS

2.1. Chemicals

All Chemicals were of analytical reagent grade and used as received. Acetic acid and

acetonitrile for HPLC were from Fluka, Sigma-Aldrich (Steinheim, Germany) and Lab-

Scan (Gliwice, Sowinskiego, Poland), respectively. Methanol and ethanol used for

protein precipitation were from Lab-Scan (Gliwice, Sowinskiego, Poland). Water was

purified by a Milli-Q system from Millipore (Bedford, MA, USA). Standards of

hydroxytyrosol, verbascoside, luteolin-7-O-glucoside, apigenin, and 3-

hydroxycoumarin were from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO), and oleuropein was from

Extrasynthese (Lyon, France). Stock solutions containing these analytes were prepared

in methanol at a concentration of 50 μg/mL and stored at -20ºC until use.

2.2. Olive-leaf extract

Olive-leaf commercial extract powder was provided by New Developments in

Nutraceuticals (Spain). This extract was dissolved in dimethylsulfoxide in a stock

solution of 300 mg/ml.

2.3. Cell cultures

The human breast carcinoma cell line SKBR3 was obtained from the American Type

Culture Collection (ATCC, Manassas, VA). Cells were routinely grown in

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Capítulo 6

235

DMEM+GlutaMAX medium supplemented with 10% of heat-inactivated fetal bovine

serum (GIBCO-Life) and 50 U/ml of penicillin and 50 mg/mL of streptomycin

(GIBCO-Life). Cells were incubated at 37ºC in a humidified 5% CO2 air atmosphere.

2.4. Cell treatment

SKBR3 cells were plated in 6-well plate at a density yielding 70-80% confluence,

followed by a serum starvation for 12 hours to synchronize the culture before starting

the assay. The olive-leaf extract stock solution was added to the cells at a final

concentration of 200 μg/ml and incubated for different times (15 min, 1, 2, 24 and 48 h)

in presence of 0.1% of fetal bovine serum. At the different times, firstly, cells were

washed with phosphate-buffered saline solution (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) and

sedimented. Then, the pellets were lysed with a lysis buffer containing 50 mM Tris pH

7.4, 1% Igepal CA-630, 150 mM NaCl, 5 mM EDTA and 10 mg/ml of protease

inhibitor cocktail (Sigma-Aldrich, Europe). Cells were kept on ice for 20 minutes and,

after a freezing/thawing cycle, they were centrifuged at 12000 rpm for 5 minutes at 4ºC.

The cell extracts (supernatant) were collected for analytical purposes and kept frozen at

-80ºC until use.

2.5. Cytoplasm treatment for HPLC-ESI-QTOF-MS analysis

50 l of cytoplasm were treated with 100 l of ethanol:methanol (50:50, v/v), vortex-

mixed, kept at -20 °C for 2 hours to allow protein precipitation, and centrifuged at

14800 g for 5 min. The supernatants were evaporated in a vacuum concentrator and then

dissolved in 50 l of methanol.

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Bloque II

236

2.6. HPLC-ESI-QTOF-MS

Analyses were performed using an Agilent 1100 Liquid Chromatography system

(Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA), including a standard autosampler. The

HPLC column used was a Phenomenex Gemini C18 (3 μm, 2 x 150 mm). The

separation was carried out at 25ºC with a gradient elution program at a flow rate of 0.2

ml/min. The mobile phases consisted in water with 0.5% of acetic acid (A) and

acetonitrile (B). The following multi-step linear gradient was applied: 0 min, 5% B; 5

min, 15% B; 25 min, 30% B; 35 min, 95% B; 40 min, 5% B. The initial conditions were

held for 5 min. The injection volume in the HPLC system was 1 μl.

The HPLC system was coupled to a micrOTOF-Q II mass spectrometer (Bruker

Daltonik, Bremen, Germany) equipped with an ESI interface operating in negative ion

mode using a capillary voltage of +4 kV. The other optimum values of the ESI-QTOF

parameters were: drying gas temperature, 210ºC; drying gas flow, 8 l/min, and

nebulizing gas pressure, 2 bar. The detection was carried out considering a mass range

of 50-1100 m/z and the acquisition rate was 1 Hz. Nitrogen was used as drying and

nebulizing gas.

During the development of the method, external instrument calibration of the mass

spectrometer was performed using a 74900-00-05 Cole Palmer syringe pump (Vernon

Hills, Illinois, USA) directly connected to the interface and a sodium acetate cluster

solution (5 mM sodium hydroxide and 0.2% acetic acid in water:isopropanol (1:1, v/v)).

The calibration solution was injected at the beginning of each run and all the spectra

were calibrated prior to the compound identification. By using this method, an exact

calibration curve based on numerous cluster masses each differing by 82 Da

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Capítulo 6

237

(NaC2H3O2) was obtained. Due to the compensation of temperature drift in the

micrOTOF-Q II, this external calibration provided accurate mass values (better than 5

ppm) for a complete run without the need for a dual sprayer setup for internal mass

calibration.

The accurate mass data of the molecular ions were processed through the software Data

Analysis 4.0 (Bruker Daltonik, Bremen, Germany), which provided a list of possible

elemental formulas by using the Smart Formula algorithm. The Smart Formula

algortihm assumes a CHNO distribution, if no other elements are specified, and

provides standard functionalities such as minimum/maximum elemental range, electron

configuration, and ring-plus double-bond equivalents, as well as a sophisticated

comparison of the theoretical with the measured isotope pattern (sigma value) for

increased confidence in the suggested molecular formula.

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Quantitative characterization of the olive-leaf extract

The olive-leaf extract under study had been qualitatively characterized in a previous

work [7], however, quantitative data were not reported. Therefore, the main compounds

of the extract were quantified before the uptake study. Figure 1 shows the base peak

chromatogram (BPC) of the extract obtained by the described method where the main

peaks have been numbered according to their elution order.

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Bloque II

238

Figure 1. Base peak chromatogram (BPC) of the olive-leaf extract obtained by HPLC-ESI-

QTOF-MS where the main peaks have been numbered according to their elution order.

Standard calibration graphs of hydroxytyrosol, verbascoside, luteolin-7-O-glucoside,

oleuropein and apigenin were prepared using 3-hydroxycoumarin in a concentration of

50 μg/mL as internal standard. All calibration curves showed good linearity between

different concentrations depending on the analytes studied (Table 1). Limits of

detection (LODs) and limits of quantification (LOQs) for individual compounds in

standard solutions were also calculated as S/N = 3 and S/N = 10, respectively, where

S/N is the signal-to-noise ratio.

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Capítulo 6

239

Table 1. Calibration data, where LOD is the limit of detection and LOQ is the limit of

quantification.

The compound concentrations were determined using the corrected area of each

individual compound (three replicates) and by interpolation in the corresponding

calibration curve. Hydroxytyrosol, verbascoside, luteolin-7-O-glucoside, oleuropein,

and apigenin were quantified by the calibration curves obtained from their respective

commercial standards. The other phenolic compounds were tentatively quantified on

basis of other compounds having similar structures. Secoiridoids as oleoside,

secologanoside, elenolic acid glucosides, ligstroside, and oleuropein derivatives were

quantified with oleuropein standard. Apigenin glucoside was expressed as its aglycone,

and isoverbascoside as verbascoside. It has to be taken into account that the response of

the standards can be different from that one of the analytes present in the extract, and

consequently the quantification of these compounds is only an estimation of their actual

concentrations. Anyway, they can be considered as a useful approximation to quantify

the olive-leaf extract.

AnalyteLOD

(μg/ml) LOQ

(μg/ml) Calibration

range (μg/ml) Calibration equations r2

Hydroxytyrosol 0.0446 0.1487 0.1-5 y = 0.1683x – 0.0108 0.9991

Verbascoside 0.0170 0.0566 0.1-5 y = 0.1710x – 0.0198 0.9982

Luteolin-7-O-glucoside 0.0079 0.0264 0.1-5 y = 0.3003x + 0.0327 0.9989

Oleuropein 0.0140 0.0466 0.05-10 y = 0.4105x + 0.0125 0.9995

Apigenin 0.0021 0.0069 0.001-0.5 y = 0.0008x + 0.0090 0.9964

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Bloque II

240

Table 2 summarizes the quantitative results obtained by HPLC-ESI-QTOF-MS for the

extract. As expected, the most abundant compound was oleuropein, with a concentration

around 10-fold higher than the following compound, one of its isomers, the peak 14.

Although the other compounds were present in the extract at a concentration

significantly lower than oleuropein, the hydroxycinnamic acid derivative verbascoside

was more abundant than the other secoiridoids and the flavones. Oleoside,

hydroxytyrosol, luteolin-7-O-glucoside, isoverbascoside, ligstroside and oleuropein

aglycone showed a similiar concentration ranging from 10 to 17 mg/g.

The phenolic content of olive-leaf extracts strongly depends on several factors, mainly

the olive variety [8-10] and the extraction procedure [5]. The olive-leaf extract used in

this study showed a higher amount of oleuropein than the methanolic and aqueous

extracts reported by Goulas et al. [5], but a lower amount of hydroxytyrosol and

luteolin-7-O-glucoside. However, the oleuropein, verbascoside, hydroxytyrosol, and

luteolin-7-O-glucoside contents were higher than those reported for lyophilized extracts

[11] or extracts obtained by microwave-assisted extraction [12].

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Capítulo 6

241

Table 2. Concentration of phenolic compounds in olive-leaf extract used in cultured SKBR3

breast cancer cells. Value = X ± SD

Peak Analyte Concentration (mg/g ext) 1 Oleoside 10.8 ± 0.3 2 Hydroxytyrosol 11.4 ± 0.5 3 Secologanoside 7.3 ± 0.5 4 Eleanolic acid glucoside isomer 1 5.6 ± 0.2 5 Eleanolic acid glucoside isomer 2 2.9 ± 0.2 6 Demethyloleuropein 2.3 ± 0.1 7 Verbascoside 29 ± 1 8 Luteolin-7-O-glucoside 10.5 ± 0.4 9 Isoverbascoside 17.2 ± 0.7 10 Oleuropein diglucoside 6.6 ± 0.5 11 Apigenin glucoside 0.44 ± 0.02 12 Oleuropein 441 ± 7 13 Oleuropein isomer 1 6.9 ± 0.3 14 Oleuropein isomer 2 58 ± 2 15 Ligstroside 12.4 ± 0.7 16 Apigenin 0.48 ± 0.04 17 Oleuropein aglycone 14.8 ± 0.8

3.2. Metabolite profiling of phenolic compounds from olive leaves in SKBR3 cells

In order to assess whether the ability of the olive-leaf extract to decrease breast cancer

cell viability may be associated to some specific compound or compounds, experiments

were performed to determine the intracellular phenolic compounds present at different

incubation times (15 min, 1, 2, 24 and 48 h). As shown in Table 3, several phenolic

compounds from the extract were detected intact in the cells cytoplasm. Furthermore,

some metabolites derived from these compounds were identified by the interpretation of

their mass spectra obtained by the QTOF–MS, elution order and data reported in the

literature, namely, methyl-luteolin glucoside, ligstroside glucuronide, methyloleuropein,

and luteolin. The identification of luteolin was confirmed by comparison with authentic

standard.

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Tab

le 3

. Phe

nolic

com

poun

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live-

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ext

ract

and

thei

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abol

ites i

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E

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Prop

osed

com

poun

d 15

min

1

h 2

h 24

h

48 h

Inta

ct c

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unds

6.57

38

9.10

89

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H21

O11

38

9.10

89

0.1

143.

8 O

leos

ide

X

9.51

38

9.11

13

C16

H21

O11

38

9.10

89

6.1

20.4

Se

colo

gano

side

X

X

X

X

X

10.7

8 40

3.12

52

C17

H23

O11

40

3.12

46

1.6

20.6

El

enol

ic a

cid

gluc

osid

e (is

omer

1)

X

X

X

X

X

12.5

5 40

3.12

41

C17

H23

O11

40

3.12

46

1.3

30.2

El

enol

ic a

cid

gluc

osid

e (is

omer

2)

X

X

X

15.0

1 52

5.15

90

C24

H29

O13

52

5.16

14

4.5

30.4

D

emet

hylo

leur

opei

n X

X

15.2

2 55

5.17

25

C25

H31

O14

55

5.17

19

1.0

38.0

H

ydro

xyol

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pein

X

X

16.6

6 62

3.19

83

C29

H35

O15

62

3.19

81

0.2

41.6

V

erba

scos

ide

X

X

X

17.1

7 44

7.09

36

C21

H19

O11

44

7.09

33

0.8

9.6

Lute

olin

-7-O

-glu

cosi

de

X

X

X

X

X

18.3

1 62

3.19

80

C29

H35

O15

62

3.19

81

0.3

43.8

Is

over

basc

osid

e X

X

X

18.7

0 70

1.23

21

C31

H41

O18

70

1.22

98

3.3

57.7

O

leur

opei

n di

gluc

osid

e X

X

X

21.9

9 53

9.17

79

C25

H31

O13

53

9.17

70

1.7

5.4

Ole

urop

ein

X

X

X

X

X

Bloque II_______

Page 244: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

22.9

1 53

9.17

98

C25

H31

O13

53

9.17

70

5.1

33.5

O

leur

opei

n (is

omer

1)

X

X

X

23.6

7 53

9.17

94

C25

H31

O13

53

9.17

70

4.4

4.3

Ole

urop

ein

(isom

er 2

) X

X

X

25.8

6 52

3.18

27

C25

H31

O12

52

3.18

21

1.1

3.6

Ligs

trosi

de

X

X

X

X

X

31.6

2 26

9.04

67

C15

H9O

5 26

9.04

55

4.4

7.0

Api

geni

n X

X

X

31.9

6 37

7.12

60

C19

H21

O8

377.

1242

4.

8 25

.9

Ole

urop

ein

agly

cone

X

X

X

Met

abol

ites

20.6

1 46

1.10

95

C22

H21

O11

46

1.10

89

-1.2

12

3.7

Met

hyl-l

uteo

lin g

luco

side

X

X

X

23.3

6 53

7.15

98

C25

H29

O13

53

7.16

14

2.9

93.9

Li

gstro

side

glu

curo

nide

X

X

X

X

X

26.0

3 55

3.19

46

C26

H33

O13

55

3.19

27

-3.6

59

.6

Met

hylo

leur

opei

n

X

X

X

X

X

28.4

3 28

5.04

44

C15

H9O

6 28

5.04

05

-13.

8 94

.6

Lute

olin

X

X

X

Capítulo 6_______

Page 245: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Bloque II

244

Figure 2. Extracted ion chromatograms (EIC) of the main compounds found in the cytoplasm at

the different incubation times.

Figure 2 shows the extracted ion chromatograms (EIC) of the main compounds found

in the cytoplasm samples at the different incubation times. As can be observed, they

exhibit a time-dependent behaviour, with maximum content at 1 h except for apigenin

that presented a maximum uptake at 15 min and methyl-luteolin glucoside that showed

the maximum intensity at 2h. Most of the compounds detected in cytoplasm could not

be quantified since they were below LOQs, solely the main compounds at their

maximum uptake time could be quantified. Oleuropein was the main compound found

Page 246: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Capítulo 6

245

in cytoplasm, with a maximum concentration of 4.3 ± 0.2 μg/ml at 1 h while its

methylated metabolite was present only at trace level. Luteolin-7-O-glucoside also was

present at high intensity, reaching a maximum concentration of 0.26 ± 0.03 μg/ml, but

this compound was further metabolized since its metabolites luteolin aglycone and

methyl-luteolin glucoside showed high intensity, especially the latter, as shown in

Figure 2. Apigenin was one of the major compounds found the cytoplasm samples

despite the fact that it is a minor component of the olive-leaf extract, suggesting a high

uptake rate for this compound. The intensity of other compounds found in cytoplasm

was considerably lower. It is also noteworthy that neither hydroxytyrosol nor any of its

metabolites have been found in cytoplasm although the olive-leaf extract has a similar

concentration of hydroxytyrosol and luteolin-7-O-glucoside, indicating a limited uptake

of hydroxytyrosol by SKBR3 cells.

Several studies have reported that oleuropein and hydroxytyrosol decreased cell

viability, inhibited cell proliferation, and induced cell apoptosis in the breast cancer cell

line MCF-7 [5, 6, 13]. Therefore, the anticarcinogenic activity of olive leaves has been

mainly attributed to these compounds. In agreement with these studies, the main

compound found in cytoplasm was oleuropein; hence it may be considered the major

responsible for this activity. However, the limited uptake of hydroxytyrosol suggested

that this compound is not key to the decrease of cell viability in SKBR3 cell line.

As mentioned above, the anticancer activity of olive-leaf extracts has been usually

attributed to oleuropein and hydroxytyrosol, disregarding the role of flavones

derivatives. However, cytoplasm analysis has shown an important luteolin-7-O-

glucoside uptake and further metabolism, being found among other metabolites, luteolin

aglycone. Apigenin has also been detected with high intensity despite that this flavone

Page 247: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Bloque II

246

was at low concentration in the olive-leaf extract. Several studies have reported that

luteolin may delay or block the development of cancer cells in vitro and in vivo by

protection from carcinogenic stimuli, by inhibition of tumor cell proliferation, by

induction of cell cycle arrest and by induction of apoptosis via intrinsic and extrinsic

signaling pathways [14]. Furthermore, a recent study has shown that dietary flavones

and flavonones, including luteolin and apigenin, might regulate aromatase transcription

and inhibite the enzyme level in the breast cells MCF-7 [15], being the aromatase

inhibition a major strategy in treating breast cancer patients. Therefore, the cytotoxic

activity of olive-leaf extracts against the breast cancer cells SKBR3 could be partly due

to the action of the flavones luteolin and apigenin and their role in these antitumor

effects deserves further research.

4. CONCLUSIONS

This work reports the study of uptake and metabolism of phenolic compounds from an

olive-leaf extract by SKBR3 cells as a first approach to the assessment of which

compound or compounds may be responsible for the cytotoxic activity of this extract.

For this purpose, a metabolite profiling approach based on HPLC-ESI-QTOF-MS has

been used to identify the intracellular phenolic compounds at different incubation times

(15 min, 1, 2, 24 and 48 h). This strategy enabled the identification of sixteen intact

phenolic compounds from the extract and four metabolites derived from these

compounds in the cells cytoplasm. Oleuropein, the main compound from the extract,

was also the major compound found in cytoplasm, together with luteolin-7-O-glucoside

and its metabolites luteolin aglycone and methyl-luteolin glucoside, as well as apigenin.

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Capítulo 6

247

Neither hydroxytyrosol nor any of its metabolites were found within the cells at any

incubation time. These findings suggest that the major responsible for the cytotoxic

activity of the olive-leaf extract could be oleuropein and the flavones luteolin and

apigenin, since these compounds showed a high uptake and they have previously

reported antitumor activity.

5. ACKNOWLEDGEMENTS

This work was supported by the project AGL2011-29857-C03-02 (Spanish Ministry of

Science and Innovation), as well as P09-CTS-4564, P10-FQM-6563 and P11-CTS-7625

(Andalusian Regional Government Council of Innovation and Science). The authors are

grateful to the Spanish Ministry of Science and Innovation for a grant FPU (AP2007-

03246).

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Page 249: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

Bloque II

248

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Capítulo 6

249

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Page 252: UNIVERSIDAD DE GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS · caracterizaciÓn y estudios metabolÓmicos de compuestos fenÓlicos bioactivos mediante tÉcnicas separativas acopladas a espectrometrÍa

CONCLUSIONES

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Conclusiones

253

1. Se han caracterizado de forma cualitativa los compuestos bioactivos de un

extracto de Lippia citriodora de demostrada actividad antioxidante y

antiinflamatoria mediante HPLC DAD ESI TOF/IT MS, demostrando la

complementariedad de la información proporcionada por la espectroscopía

UV/visible y la espectrometría de masas con analizadores de tiempo de

vuelo y trampa de iones para la identificación de compuestos fenólicos en

Lippia citriodora. El método empleado permitió la separación simultánea de

una amplia gama de iridoides, flavonoides y fenilpropanoides glicosados en

menos de 30 min así como la identificación tentativa de los principales

compuestos de este extracto, incluyendo compuestos que no se habían

descritos previamente en Lippia citriodora, como gardósido, verbasósido,

cistanósido F, tevésido, campneósido I, crisoeriol 7 diglucurónido,

forsitósido A y acacetina 7 diglucurónido.

2. Se ha optimizado un método de CE ESI IT/TOF MS para la caracterización

cualitativa del extracto de Lippia citriodora. Para ello se estudiaron de forma

pormenorizada los principales parámetros electroforéticos así como los de

la transferencia al analizador de masas. El método desarrollado ha

permitido la separación e identificación tentativa de 16 compuestos,

incluyendo fenilpropanoides, flavonoides e iridoides glicosados en menos

de 25 min. Aunque algunos de los compuestos identificados eran comunes a

los caracterizados con el método cromatográfico previamente empleado, la

aplicación del método de CE ESI MS desarrollado ha permitido identificar

nuevos compuestos polares que no se habían descrito previamente en

Lippia citriodora, como asperulósido, ácido tuberónico o ácido 5´

hidroxijasmónico 5´ O glucósido, shanzísido e ixósido. De esta forma se ha

demostrado que la CE MS es una potente herramienta en el estudio de

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Conclusiones

254

compuestos polares de las plantas y una técnica complementaria a HPLC

MS.

3. Se ha empleado un método analítico potente mediante el acoplamiento

HPLC ESI QTOF MS para caracterizar exhaustivamente dos extractos de hoja

de olivo obtenidos mediante PLE utilizando etanol y agua como disolventes

de extracción. El analizador de masas QTOF ha demostrado ser un sistema

de detección muy potente para la determinación de compuestos fenólicos

ya que proporciona exactitud de masas y distribución isotópica tanto en los

espectros de masas como de masas/masas. Gracias a este acoplamiento se

han identificado tentativamente más de 30 compuestos fenólicos

diferentes, incluyendo secoiridoides, fenoles simples, flavonoides, derivados

de ácidos cinámicos y ácidos benzoicos. Especialmente destacable es que se

ha identificado por primera vez lucidumósido C en hoja de olivo.

4. Se han evaluado diferentes procedimientos de extracción para el análisis de

compuestos fenólicos en plasma mediante nanoLC ESI TOF MS. Los

procedimientos examinados incluyeron diferentes agentes precipitantes de

proteínas así como condiciones de precipitación, digestión enzimática y SPE

utilizando diferentes fases sólidas y valores de pH. Las mayores

recuperaciones se obtuvieron con un paso previo de precipitación de

proteínas con HCl 200 mM en metanol durante 2,5 horas a 50 °C seguido de

SPE usando cartuchos C 18 a pH 2,5. Este procedimiento de extracción se

aplicó a muestras de plasma de rata tras la administración oral de un

extracto de Lippia citriodora para su posterior análisis mediante nanoLC ESI

TOF MS, que permitió la identificación de 5 compuestos procedentes del

extracto intactos y un metabolito común del verbascósido y/o del

isoverbascósido.

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Conclusiones

255

5. Se ha evaluado el efecto del consumo de un extracto de Lippia citriodora en

la respuesta antioxidante de las células sanguíneas y se ha correlacionado

con los metabolitos fenólicos encontrados en plasma. Para ello, se han

determinado las actividades de las enzimas antioxidantes CAT, GPx y Gred

en linfocitos, eritrocitos y neutrófilos de ratas tras la ingesta aguda del

extracto, y se han analizado los metabolitos fenólicos en plasma mediante

HPLC ESI TOF MS. También se ha determinado la actividad de MPO en los

neutrófilos como marcador del daño vascular inflamatorio. Tras la

administración del extracto, las actividades de las enzimas antioxidantes

aumentaron significativamente mientras que disminuyó la actividad de

MPO, demostrando que el extracto de Lippia citriodora protege las células

sanguíneas mediante la activación de los sistemas de defensa antioxidante

endógenos de los diferentes tipos de células, especialmente en los

linfocitos, y que tiene una potencial actividad antiinflamatoria y

antiaterogénica mediante la inhibición de la MPO de los neutrófilos. Los

principales compuestos encontrados en plasma mediante HPLC ESI TOF MS

fueron verbascósido e isoverbascósido junto con otros 5 metabolitos

derivados de estos compuestos: hidroxitirosol, ácido cafeico, ácido

homoprotocatecuico y ácido ferúlico junto a su forma glucuronidada.

También se identificaron otros 8 compuestos fenólicos del extracto intactos.

Por lo tanto, los fenilpropanoides verbascósido e isoverbascósido, así como

sus metabolitos parecen ser los responsables de estos efectos protectores.

6. Se ha llevado a cabo un estudio de la absorción y metabolismo in vitro de

los compuestos fenólicos de un extracto de hoja de olivo en células de

cáncer de mama SKBR3 como una primera aproximación a la evaluación de

qué compuesto o compuestos pueden ser responsables de la actividad

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Conclusiones

256

citotóxica previamente mostrada por este extracto. Para ello, en primer

lugar, el extracto de hoja de olivo en estudio se ha caracterizado

cuantitativamente mediante HPLC ESI QTOF MS, resultando el compuesto

más abundante la oleuropeína junto con uno de sus isómeros, seguido por

el verbascósido, que se encontró en una concentración significativamente

mayor que los demás secoiridoides y las flavonas. A continuación, se ha

analizado el perfil metabólico mediante HPLC ESI QTOF MS para identificar

los compuestos fenólicos intracelulares a diferentes tiempos de incubación

(15 min, 1, 2, 24 y 48 h). Esta estrategia ha permitido la identificación en el

citoplasma de 16 compuestos fenólicos intactos procedentes del extracto y

4 metabolitos derivados de estos compuestos. La oleuropeína, el

compuesto principal del extracto, fue también el principal compuesto

encontrado en el citoplasma, junto con luteolina 7 O glucósido y sus

metabolitos luteolina aglicona y metil luteolina glucósido, así como

apigenina. Ni el hidroxitirosol, ni ninguno de sus metabolitos se encontraron

en el citoplasma a ningún tiempo de incubación. Estos resultados sugieren

que los principales responsables de la actividad citotóxica del extracto de

hoja de olivo podrían ser la oleuropeína y las flavonas luteolina y apigenina.

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FINAL CONCLUSIONS

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Final conclusions

259

1. Bioactive compounds from a Lippia citriodora extract with proved

antioxidant and anti inflammatory activity have been qualitatively

characterized by HPLC DAD ESI TOF/IT MS, showing the complementarity of

the information provided by UV Vis spectroscopy and mass spectrometry

with time of flight and ion trap analyzers. The used method enabled the

simultaneous separation of a wide range of iridoids, flavonoids and

phenylpropanoids glycosides in less than 30 min, as well as the tentative

identification of the main compounds from this extract, including some of

them which had not been previously reported in Lippia citriodora, such as

gardoside, verbasoside, cistanoside F, theveside, campneoside I,

chrysoeriol 7 diglucuronide, forsythoside A and acacetin 7 diglucuronide.

2. A CE ESI IT/TOF MS method has been optimized to qualitatively

characterize the Lippia citriodora extract. Hence, the main electrophoretic

conditions as well as the ions transfer to the mass analyzer were carefully

studied. The developed method has enabled the separation and tentative

identification of 16 compounds, including phenylpropanoids, flavonoids and

iridoids glycosides in less than 25 min. Although some of the identified

compounds were previously characterized with the former chromatographic

method, the application of the developed CE ESI MS method has enabled to

identify new polar compounds which have not been previously described in

Lippia citriodora, such as asperuloside, tuberonic acid glucoside or 5´

hydroxyjasmonic acid 5´ O glucoside, shanziside, and ixoside. In this way,

CE MS has proved to be a valuable tool in the study of polar constituents in

plant matrices and a complementary technique to HPLC MS.

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Final conclusions

260

3. A powerful analytical method by HPLC ESI QTOF MS has been used to

characterize comprehensively two olive leaf extracts obtained by PLE using

ethanol and water as solvents. The QTOF mass analyzer has proved to be a

valuable detection system for the identification of phenolic compounds,

since it provides mass accuracy and true isotopic pattern in both MS and

MS/MS spectra. This coupling has enabled to characterize tentatively more

than 30 different phenolic compounds, including secoiridoids, simple

phenols, flavonoids, cinnamic acid derivatives and benzoic acids. It is also

important to highlight that lucidumoside C has been identified in olive

leaves for the first time.

4. Different extraction procedures have been assessed to carry out the analysis

of phenolic compounds in plasma by nanoLC ESI TOF MS. The tested

procedures included different protein precipitation agents, enzymatic

digestion and SPE using different solid phases and pH values. The best

recoveries were found when a previous protein precipitation step with HCl

200 mM in methanol for 2.5 h at 50ºC was followed by a SPE using C 18

cartridges at pH 2.5. This extraction procedure was verified for the

extraction of phenolic compounds from rat plasma after oral administration

of a Lippia citriodora extract. The subsequent analysis of those plasma

samples by nanoLC ESI TOF MS allowed the identification of five

compounds previously found in the administered Lippia citriodora extract

and one metabolite coming from verbascoside and/or isoverbascoside.

5. The effect of a Lippia citriodora extract intake on blood cells antioxidant

response has been tested and correlated with the phenolic metabolites

found in plasma. For this purpose, CAT, GPx, and GRed activities were

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Final conclusions

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determined in lymphocytes, erythrocytes and neutrophils of rats after acute

intake of the extract, and phenolic metabolites were analysed in plasma by

HPLC ESI TOF MS. Myeloperoxidase (MPO) activity in neutrophils, which has

been proposed as a marker for inflammatory vascular damage, was also

determined. After extract administration, the antioxidant enzymes activities

significantly increased while MPO activity decreased, indicating that the

Lippia citriodora extract protects blood cells by powering endogenous

antioxidant defences of the different cell types, especially in lymphocytes,

and shows potential antiinflammatory and antiatherogenic activities

through the inhibition of MPO in neutrophils. The main compounds found in

plasma by HPLC ESI TOF MS were verbascoside and isoverbascoside

together with five metabolites deriving from them: hydroxytyrosol, caffeic

acid, ferulic acid, ferulic acid glucuronide and homoprotocatechuic acid.

Other eight phenolic compounds from the extract were also found intact in

plasma. Therefore, the phenylpropanoids verbascoside and isoverbascoside,

as well as their metabolites seem to be the responsible for these protective

effects.

6. A study of in vitro uptake and metabolism of phenolic compounds from an

olive leaf extract by breast cancer SKBR3 cells has been performed as a first

approach to the assessment of which compound or compounds may be

responsible for the cytotoxic activity of this extract. For this aim, firstly, the

olive leaf extract under study was quantitatively characterized by HPLC ESI

QTOF MS, resulting oleuropein the most abundant compound together with

one of its isomers, followed by verbascoside that was found at a significant

higher concentration than the other secoiridoids and the flavones. Then a

metabolite profiling approach based on HPLC ESI QTOF MS has been used

to identify the intracellular phenolic compounds at different incubation

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Final conclusions

262

times (15 min, 1, 2, 24 and 48 h). This strategy enabled the identification of

16 intact phenolic compounds from the extract and 4 metabolites derived

from these compounds in the cells cytoplasm. Oleuropein, the main

compound from the extract, was also the major compound found in

cytoplasm, together with luteolin 7 O glucoside and its metabolites luteolin

aglycone and methyl luteolin glucoside, as well as apigenin. Neither

hydroxytyrosol nor any of its metabolites was found within the cells at any

incubation time. These findings suggest that the major responsible for the

cytotoxic activity of the olive leaf extract could be oleuropein and the

flavones luteolin and apigenin.

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