Characteristics of bioactive molecules with antioxidant and biological activities of some medicinal and edible plants

Abstract

The present work has focused on the study of two edible plants, with attributable medicinal values, named Anthyllis vulneraria L. (A.vulneraria) and Azadirachta indica L. (A.indica) collected in Tunisia and India, respectively. The aim of the work was to determine the chemical composition of A.vulneraria leaf and flower extracts and A.indica leaf extract and to investigate their antioxidant, antibacterial and anti-proliferative (against specific cancer cell lines) activities to design formulations for use in the food, pharmaceutical and cosmetic industries. The chemical composition of the extracts was estimated by spectrophotometric assays and quantified by High Performance Liquid Chromatography coupled to Mass Spectrometry (HPLC­ MS) and diode array (HPLC-DAD). The radical scavenging activity of the extracts was evaluated in vitro by different analytical methods. The antioxidant capacity of A.vulneraria and A.indica samples in oil-in-water emulsions and in raw minced beef was also studied to evaluate their preservative and quality evolution effect, in general, and the shelf life of these food products during the storage period. In addition, the antibacterial activity of the different extracts was tested against pathogenic microorganisms causing food poisoning and the antiproliferative activity was evaluated against several human cancer cell lines. The results obtained revealed that: (1) aqueous EtOH extracts of A.vulneraria and A.indica showed better extraction yields, higher content of phenolic compounds and higher anti-radical activity than pure EtOH extracts. (2) A. vulneraria flowers showed higher biological activities than leaves. (3) In Model Food System, at 0.25% (v/v), A.vulneraria flowers extracted in 50%­ aqueous EtOH protected oil-in-water emulsions against oxidation and prolonged shelf life better than leaf extract and even better than the sample with gallic acid (under the same conditions). Moreover, freeze-dried A.vulneraria flower sample, added at 0.5% (w/w) to minced beef, showed better results in protecting against lipid oxidation and in maintaining its organoleptic properties than freeze-dried leaf sample. The preservative effect of freeze-dried A.vulneraria leaf and flower was slightly lower than that of the synthetic preservative (0.5%, w/w). Furthermore, the combination of A.indica and Capsicum baccatum showed a strong synergistic effect against the spoilage of meat products even better than the synthetic preservative (0. 7%, w/w). (4) In the study of the antibacterial activity of the extracts, it was found that, on the one hand, the flower extract of A.vulneraria (100 µg/ml) showed better inhibition of the growth of most of the tested bacterial strains than leaf extract. On the other hand, leaf extract of A.indica (100 µg/mL) had better antibacterial activity than penicillin. (5) The study of the antiproliferative activity of extracts against human cancer cells showed that, at 1% (v/v), A.vulneraria leaf extract was more effective in preventing the proliferation of cancer cells than A.vulneraria flower extract, especially HepG2 cells. At 5% (v/v), both extracts (leaf and flower) showed potent antiproliferative activity against the three cancer cell lines tested. Moreover, A.indica leaf extract at 7% (v/v) showed a more potent reduction of breast and cervical adenocarcinoma-derived cell lines viability (MCF-7 and Hela) than hepatocellular carcinoma derived cells (HepG2). Different compounds that could be responsible for the antioxidant, antibacterial and antiproliferative activities of the different extracts investigated, belonging to the phenolic acid and flavonoid families, were identified and quantified by HPLC-MS.

El presente trabajo se ha centrado en el estudio de dos plantas comestibles, con valores medicinales atribuibles, denominadas Anthyllis vulneraria L. (A.vu/neraria) y Azadirachta indica L. (A.indica) recolectadas en Túnez e India, respectivamente. El objetivo del trabajo fue determinar la composición química de los extractos de hojas y flores de A.vulneraria y del extracto de hojas de A.indica e investigar sus actividades antioxidantes, antibacterianas y anti­ proliferativas (frente a específicas líneas celulares cancerígenas) para diseñar formulaciones que permitan su uso en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética. La composición química de los extractos se estimó mediante ensayos espectrofotométricos y se cuantificó per cromatografía líquida de alta resolución acoplada a espectrometría de masas (HPLC-MS) y diodo array (HPLC-DAD). La actividad de eliminación de radicales de los extractos se evaluó in vitro mediante diferentes métodos analíticos. También se estudió la capacidad antioxidante de los extractos en emulsiones de aceite en agua y en carne de vacuno cruda picada para evaluar tanto el efecto conservador y de evolución de la calidad, en general, como la vida útil de estos productos alimentarios durante el periodo de almacenamiento. Además, se probó la actividad antibacteriana de los extractos frente a microorganismos patógenos causantes de intoxicaciones alimentarias. La actividad anti-proliferativa se evaluó frente a varias líneas celulares cancerosas humanas. Los resultados obtenidos revelaron que: (1) los extractos acuosos de EtOH de A.vulneraria y A.indica muestran mejores rendimientos de extracción, mayor contenido de compuestos fenólicos y mayor actividad antiradicalaria que los extractos de EtOH puro. (2) las flores de A. vulneraria presentan actividades biológicas mejor que las hojas. (3) en emulsiones de aceite en agua, el extracto floral de A.vulneraria al 50% de EtOH y concentración 0.25% (v/v) protege frente a la oxidación y prolonga la vida útil mejor que el extracto de hojas e, incluso, mejor que la muestra con ácido gálico. Por otra parte, el extracto de flores de A. vulneraria liofilizado y añadido al 0.5% (w/w) en carne de ternera picada presentó mejores resultados en la protección frente a la oxidación de los lípidos y en mantener sus propiedades organolépticas que el extracto de hojas liofilizado. En ambos casos el efecto conservante fue ligeramente inferior al del conservante sintético (0.5%, w/w). Además, la combinación de A.indica y Capsicum baccatum mostró un potente efecto sinérgico frente al deterioro de los productos cárnicos incluso con mejores resultados que el conservante sintético (07%, w/w)(4)En el estudio de la actividad anti-bacteriana de los extractos se comprobó que con el extracto de flores de A.vulneraria (100 µg/ml) se obtiene más inhibición del crecimiento de la mayoría de las cepas bacterianas ensayadas que con el de hojas de A.vulneraria. Asimismo, el extracto de hoja de A.indica (100 µg/ml) tuvo mejor actividad anti-bacteriana que la penicilina. (5) En el estudio de la actividad anti-proliferativa, el extracto de hoja de A.vulneraria al 1% (v/v) fue más eficaz para impedir el crecimiento de las células cancerosas que el extracto de flor de A.vulneraria, especialmente las células HepG2. A concentración 5% (v/v) ambos extractos (hoja y flor) mostraron una actividad anti-proliferativa en las tres líneas celulares cancerosas ensayadas. Por otra parte, el extracto de hoja de A.indica al 7% (v/v) mostró una potente reducción de las líneas celulares derivadas de adenocarcinoma de mama y cuello uterino (MCF-7 y Hela) mayor que frente a las células derivadas de carcinoma hepatocelular (HepG2). Se identificaron y cuantificaron por HPLC-MS diferentes compuestos que podrán ser responsables de dichas actividades antioxidantes, antibacterianas y anti-proliferativas de los extractos investigados, perteneciente a las familias de los ácidos fenólicos y de los flavonoides.