Understanding the bioactivity of plant tannins: developments in analysis methods and structure-activity studies

Tannins, typically segregated into two major groups, the hydrolyzable tannins (HTs) and the proanthocyanidins (PAs), are plant polyphenolic secondary metabolites found throughout the plant kingdom. On one hand, tannins may cause harmful nutritional effects on herbivores, for example insects, and hence they work as plants’ defense against plant-eating animals. On the other hand, they may affect positively some herbivores, such as mammals, for example by their antioxidant, antimicrobial, anti-inflammatory or anticarcinogenic activities. This thesis focuses on understanding the bioactivity of plant tannins, their anthelmintic properties and the tools used for the qualitative and quantitative analysis of this endless source of structural diversity. The first part of the experimental work focused on the development of ultra-high performance liquid chromatography−tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) based methods for the rapid fingerprint analysis of bioactive polyphenols, especially tannins. In the second part of the experimental work the in vitro activity of isolated and purified HTs and their hydrolysis product, gallic acid, was tested against egg hatching and larval motility of two larval developmental stages, L1 and L2, of a common ruminant gastrointestinal parasite, Haemonchus contortus. The results indicated clear relationships between the HT structure and the anthelmintic activity. The activity of the studied compounds depended on many structural features, including size, functional groups present in the structure, and the structural rigidness. To further understand tannin bioactivity on a molecular level, the interaction between bovine serum albumin (BSA), and seven HTs and epigallocatechin gallate was examined. The objective was to define the effect of pH on the formation on tannin–protein complexes and to evaluate the stability of the formed complexes by gel electrophoresis and MALDI-TOF-MS. The results indicated that more basic pH values had a stabilizing effect on the tannin–protein complexes and that the tannin oxidative activity was directly linked with their tendency to form covalently stabilized complexes with BSA at increased pH.

Päällystetyn graafisen kartongin hajuominaisuudet

Diplomityön tavoitteena oli selvittää elintarvikepakkauksiin soveltuvan graafisen kartongin potentiaalinen hajun aiheuttaja. Lisäksi tavoitteena oli vähentää päällystetyn tasakoosteisen (SBS) kolmikerroskartongin hajutasoa keskittyen päällystyspastakomponentteihin sekä massaosaston jälkeen annosteltaviin kemikaaleihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin eri kartonkilajeja, päällystyspastoja ja sen sisältämiä komponentteja, pääpainon ollessa kuitenkin kartongin hajuominaisuuksiin vaikuttavien tekijöiden selvittämisessä. Lisäksi luotiin katsaus kartonkien aistinvaraisiin ja instrumentaalisiin määritysmenetelmiin. Instrumentaalisista määritysmenetelmistä käsiteltiin headspace –kaasukromatografia (HSGC) sekä korkeanerotuskyvyn nestekromatografia yhdistettynä massaspektrometriin (HPLC/MS). Kokeellisen osan alussa kartoitettiin päällystyskemikaalien sekä liima- ja retentioaineiden haihtuvat yhdisteet HSGC- ja HPLC/MS –tekniikoiden avulla. Kaasukromatografisesti analysoidut kokonaishaihtuvien tasot eivät poikenneet normaaleista tasoista, joten jouduttiin siirtymään HPLC/MS –menetelmään. HPLC/MS –tekniikalla on päästy tutkimaan herkästi haihtuvien typpiyhdisteiden amiinipitoisuuksia. Kemikaalimittausten perusteella vaihdettiin potentiaaliset hajua aiheuttavat kemikaalit, kovete ja synteettinen paksuntaja, markkinoilla oleviin vaihtoehtoisiin kemikaaleihin ja suoritettiin pilot -koeajo sekä tehdasmittakaavaiset koeajot. Työssä perehdyttiin myös varastoinnin aiheuttamiin vaikutuksiin eri kartonkilaatujen aistinvaraisissa ominaisuuksissa. Päällystyspastan kemikaaleista suuren hajukuorman aiheuttavat kovete, dispergointiaine, päällystyspigmentit ja lateksit sekä synteettinen paksuntaja. Kovetteen annostelumäärä päällystyspastoihin on alhainen, mutta sen sisältämä ammoniakkipitoisuus on kuitenkin huomattavan suuri. Kovete ohjaakin lopputuotteen ammoniakkipitoisuutta. Merkittävän metyyliamiinikuorman sisältää dispergointiaine. Sen vaikutus lopputuotteeseen voidaan olettaa vähäiseksi johtuen kemikaalin pienestä määrästä pastassa. Päällystyspigmenttien ja lateksien korkea metyyliamiinikuorma voi puolestaan aiheuttaa lopputuotteeseen huomattavan hajukuorman johtuen niiden suurista annostelumääristä. Eri synteettisille paksuntajille tehtyjen tutkimusten mukaan niiden hajukuormat olivat hyvin samankaltaisia ja vaikutus lopputuotteen kokonaishajutasoon jäi pieneksi. Aistinvaraisesti tarkasteltuna eri kartonkilaaduille saadaan eri hajutasoja. Elintarvikepakkauksiin soveltuvan graafisen kartongin hajutasot olivat korkeita muihin kartonkilaatuihin nähden niin tuoreena kuin varastoinnin jälkeen. Erityisesti tuoreen kartonkinäytteen metyyliamiinipitoisuus ylitti hajukynnyksen. Käytetty lateksi, kovete ja synteettinen paksuntaja näyttävät muodostavan niin tiiviin hajua koteloivan päällystekerroksen kartongin pinnalle, että hajua vapautuu pitkällä aikavälillä. Myös varastointi tiiviinä pakkauksena estää amiinien haihtumisen. Tutkimusten mukaan ammoniakkivapaalla PZC –kovetteella saadaan alennettua graafisen kartongin ammoniakkikuormaa huomattavasti. Tämä on vaikuttamassa myös lopputuotteen hajutasoon, jota on mahdollisuus alentaa käyttämällä ammoniakkivapaata kovetetta.

Composition of Hawthorn (Crataegus spp.) Fruits and Leaves and emblic Leafflower (Phyllanthus emblica) Fruits

Hawthorn (Crataegus sp.) is widely distributed in the northern hemisphere (Asia, Europe and North America). It has been used as a medicinal material and food for hundreds of years both in Europe and in China. Clinical investigations and other research suggest that extracts of hawthorn fruits and leaves have multiple health effects including hypolipidaemic, anti-atherosclerotic, hypotensive, cardioprotective and blood vessel relaxing activities. Hawthorn fruit extracts have also displayed antioxidant and radical scavenging activities. Emblic leafflower fruit (Phyllanthus emblica) is widely used in Chinese and Indian traditional medicine. It has been found to have anti-cancer, hypoglycaemic and hypolipidaemic activities as well as cardioprotective effects and antioxidant activity. The fruit is currently used as a functional food targeted at obese people in China. Phenolic compounds, procyanidins (PCs), flavonols and C-glycosyl flavones in hawthorn and hydrolysable tannins in emblic leafflower fruits are considered among the major bioactive compounds in these berries. Moreover, hawthorn and emblic leafflower fruits are rich in vitamin C, triterpenoids, fruit acids, sugar alcohols and some other components with beneficial effects on the health of human beings. The aim of the thesis work was to characterise the major phenolic compounds in hawthorn fruits and leaves and emblic leafflower fruits as well as other components contributing to the nutritional profile and sensory properties of hawthorn fruits. Differences in the content and compositional profile of the major phenolic compounds, sugars, acids and sugar alcohols within various origins and species of hawthorn were also investigated. Acids, sugars and sugar alcohols in the fruits of different origins/cultivars belonging to three species (C. pinnatifida, C. brettschneideri and C. scabrifolia) of hawthorn were analysed by gas chromatography (GC-FID) and mass spectrometry (Publication I). Citric acid, quinic acid, malic acid, fructose, glucose, sorbitol and myo-inositol were found in all the subspecies. Sucrose was present only in C. scabrifolia and three cultivars of C. pinnatifida var. major. Forty-two phenolic compounds were identified/tentatively identified in fruits of C. pinnatifida var. major by polyamide column chromatography combined with high-performance liquid chromatograph-electrospray ionisation mass spectrometry (HPLC-ESI-MS) (Publication II). Ideain, chlorogenic acid, procyanidin (PC) B2, (-)-epicatechin, hyperoside and isoquercitrin were the major phenolic components identified. In addition, 35 phenolic compounds were tentatively identified based on UV and mass spectra. Eleven major phenolic compounds (hyperoside, isoquercitrin, chlorogenic acid, ideain, (-)-epicatechin, two PC dimers, three PC trimers and a PC dimer-hexoside) were quantified in the fruits of 22 cultivars/origins of three species of Chinese hawthorn by HPLC-ESI-MS with single ion recording function (SIR) (Publication III). The fruits of the hawthorn cultivars/origins investigated fell into two groups, one rich in sugars and flavonols, the other rich in acids and procyanidins. Based on the compositional features, different biological activities and sensory properties may be expected between cultivars/origins of the two groups. The results suggest that the contents of phenolic compounds, acids, sugars and sugar alcohols may be used as chemotaxonomic information distinguishing the hawthorn species from each other. Phenolic compounds in fruits and leaves of C. grayana and their changes during fruit ripening/harvesting were investigated using HPLC-UV-ESI-MS (Publication IV). (-)-Epicatechin, PC B2 and C1, hyperoside and a quercetin-pentoside were the major phenolic compounds in both fruits and leaves. Three C-glycosyl flavones (a luteolin-C-hexoside, a methyl luteolin-C-hexoside and an apigenin-C-hexoside) were present in leaves in abundance, but only at trace levels in fruits. Ideain and 5-O-caffeoylquinic acid were found in fruits only. Additionally, eleven phenolic compounds were identified/tentatively identified in both leaves and fruits (three B-type PC trimers, two B-type PC tetramers, a quercetin-rhamnosylhexoside, a quercetin-pentoside, a methoxykaempferol-methylpentosylhexoside, a quercetin-hexoside acetate, a methoxykaempferol-pentoside, chlorogenic acid and an unknown hydroxycinnamic acid derivative). The total content of phenolic compounds reached the highest level by the end of August in fruits and by the end of September in leaves. The compositional profiles of phenolic compounds in fruits and leaves of C. grayana were different from those of C. pinnatifida, C. brettschneideri, C. scabrifolia, C. pinnatifida. var. major, C. monogyna, C. laevigata and C. pentagyna. Phenolic compounds in emblic leafflower fruits were characterised by Sephadex LH-20 column chromatography combined with HPLC-ESI-MS (Publication V). A mucic acid gallate, three isomers of mucic acid lactone gallate, a galloylglucose, gallic acid, a digalloylglucose, putranjivain A, a galloyl-HHDP-glucose, elaeocarpusin and chebulagic acid represented the major phenolic compounds in fruits of emblic leafflower. In conclusion, results of this study significantly increase the current knowledge on the key bioactive and nutritional components of hawthorn and emblic leafflower fruits. These results provide important information for research on the mechanism responsible for the health benefits of these fruits.

Effects of Fabrication Processes on the Behavior of S960 Ultra High Strength Steel (UHSS)

Strenx® 960 MC is a direct quenched type of Ultra High Strength Steel (UHSS) with low carbon content. Although this material combines high strength and good ductility, it is highly sensitive towards fabrication processes. The presence of stress concentration due to structural discontinuity or notch will highlight the role of these fabrication effects on the deformation capacity of the material. Due to this, a series of tensile tests are done on both pure base material (BM) and when it has been subjected to Heat Input (HI) and Cold Forming (CF). The surface of the material was dressed by laser beam with a certain speed to study the effect of HI while the CF is done by bending the specimen to a certain angle prior to tensile test. The generated results illustrate the impact of these processes on the deformation capacity of the material, specially, when the material has HI experience due to welding or similar processes. In order to compare the results with those of numerical simulation, LS-DYNA explicit commercial package has been utilized. The generated results show an acceptable agreement between experimental and numerical simulation outcomes.

Marjojen antosyaanien erottaminen ja väkevöinti

Antosyaanit ovat luonnossa esiintyvien flavonoidien suurin ryhmä. Niitä on tunnistettu yli 600 erilaista, mutta kuitenkin vain kuusi on luonnossa yleisesti esiintyviä. Eniten antosyaaneja on tummissa marjoissa kuten mustikassa, marja-aroniassa sekä variksenmarjassa. Antosyaaneilla on havaittu monia positiivisiaterveysvaikutuksia kuten antioksidatiivisia, antikarsinogeenisia, sekä antimikrobiaalisia vaikutuksia. Tässä työssä tutkittiin marjojen antosyaanien talteenottoa uuttamalla sekä niiden väkevöintiä. Tavoitteena oli saada mahdollisimman korkea antosyaanien saanto ja hyvä säilyvyys. Antosyaanien analysointi tehtiin nestekromatografisesti käyttäen ODS-2 kolonnia sekä nopeampaa spektrofotometristä pH-eromenetelmää. Tulokset laskettiin syanidiini-3-glukosidina. Antosyaanien väkevöintiä tutkittiin käyttäen erityyppisiä polymeerisiä makrohuokoisia adsorptiohartseja. Väkevöintiä kokeiltiin myös erottamalla epäpuhtauksia antosyaaniuutteesta sekä esikäsittelemällä puristejäännös eri olosuhteissa ennen antosyaanien uuttoa. Kuiva antosyaaniuute sisälsi ennen väkevöintiä noin 50 mg/g antosyaaneja ja väkevöinnin jälkeen yli 300 mg/g. Antosyaanien säilyvyyttä tutkittiin eri lämpötiloissa sekä kuivana että uutteena. Riippumatta säilytysolosuhteista kuivan puhdistetun antosyaanin havaittiin säilyvän hyvin.

UHPLC-epäpuhtausmenetelmän kehittäminen ja validointi inhalaatiovalmisteelle

Tämän diplomityön tarkoituksena on kehittää menetelmä, jolla voidaan seurata inhalaatiovalmisteen sisältämiä epäpuhtauksia. Menetelmä kehitetään erittäin korkean suorituskyvyn kromatografialaitteistolle (Ultra High Performance Liquid Chromatography, UHPLC) jo olemassa olevan HPLC-epäpuhtausmenetelmän pohjalta. Uusi menetelmä kehitetään analyysiajan lyhentämiseksi ja erotuksen resoluution parantamiseksi. Työn kirjallisuusosa esittelee lyhyesti inhalaatiovalmisteet sekä nestekromatografian perusteet. Korkean erotuskyvyn nestekromatografia ja analysoinnin apuna käytettävät parametrit selvitetään laskukaavoineen. Kirjallisuusosa keskittyy epäpuhtausmenetelmän kehittämisen kulkuun ja menetelmän validoinnissa suoritettaviin kokeisiin. Soveltavassa osassa Orion Oyj:n kehitteillä olevalle kahden vaikuttavan aineen inhalaatiovalmisteelle kehitetään UHPLC-epäpuhtausmenetelmä kirjallisuusosiossa esitellyn menetelmäkehitysrungon pohjalta. Menetelmäkehityksen kulku ja analyysin olosuhteiden valinta esitellään pääpiirteittäin, jonka jälkeen kehitetty menetelmä validoidaan sille tehdyn validointisuunnitelman mukaisesti. Kehitetystä UHPLC-epäpuhtausmenetelmästä saatiin 16 minuuttia lyhyempi kuin vastaava HPLC-epäpuhtausmenetelmä. Myös analyysin resoluutio parantui merkittävästi. Toistuvien injektioiden jälkeen kromatogrammissa esiintyi kuitenkin häntimistä, joka johti merkittävään resoluution heikkenemiseen. Häntimisen syyksi epäiltiin toisen vaikuttavan aineen kiinnittymistä kolonnimateriaaliin, mutta sen estämiseksi ehdotetut toimenpiteet eivät sopineet kehitettyyn menetelmään.

High Throughput Purification of Combinatorial Libraries by Preparative LC/MS

Viime vuosien nopea kehitys on kiihdyttänyt uusien lääkkeiden kehittämisprosessia. Kombinatorinen kemia on tehnyt mahdolliseksi syntetisoida suuria kokoelmia rakenteeltaan toisistaan poikkeavia molekyylejä, nk. kombinatorisia kirjastoja, biologista seulontaa varten. Siinä molekyylien rakenteeseen liittyvä aktiivisuus tutkitaan useilla erilaisilla biologisilla testeillä mahdollisten "osumien" löytämiseksi, joista osasta saatetaan myöhemmin kehittää uusia lääkeaineita. Jotta biologisten tutkimusten tulokset olisivat luotettavia, on syntetisoitujen komponenttien oltava mahdollisimman puhtaita. Tämän vuoksi tarvitaan HTP-puhdistusta korkealaatuisten komponenttien ja luotettavan biologisen tiedon takaamiseksi. Jatkuvasti kasvavat tuotantovaatimukset ovat johtaneet näiden puhdistustekniikoiden automatisointiin ja rinnakkaistamiseen. Preparatiivinen LC/MS soveltuu kombinatoristen kirjastojen nopeaan ja tehokkaaseen puhdistamiseen. Monet tekijät, esimerkiksi erotuskolonnin ominaisuudet sekä virtausgradientti, vaikuttavat preparatiivisen LC/MS puhdistusprosessin tehokkuuteen. Nämä parametrit on optimoitava parhaan tuloksen saamiseksi. Tässä työssä tutkittiin emäksisiä komponentteja erilaisissa virtausolosuhteissa. Menetelmä kombinatoristen kirjastojen puhtaustason määrittämiseksi LC/MS-puhdistuksen jälkeen optimoitiin ja määritettiin puhtaus joillekin komponenteille eri kirjastoista ennen puhdistusta.

Ionic liquid mediated biomass deconstruction: from analysis challenges to fermentable sugars

Ionic liquids, ILs, have recently been studied with accelerating interest to be used for a deconstruction/fractionation, dissolution or pretreatment processing method of lignocellulosic biomass. ILs are usually utilized combined with heat. Regarding lignocellulosic recalcitrance toward fractionation and IL utilization, most of the studies concern IL utilization in the biomass fermentation process prior to the enzymatic hydrolysis step. It has been demonstrated that IL-pretreatment gives more efficient hydrolysis of the biomass polysaccharides than enzymatic hydrolysis alone. Both cellulose (especially cellulose) and lignin are very resistant towards fractionation and even dissolution methods. As an example, it can be mentioned that softwood, hardwood and grass-type plant species have different types of lignin structures leading to the fact that softwood lignin (guaiacyl lignin dominates) is the most difficult to solubilize or chemically disrupt. In addition to the known conventional biomass processing methods, several ILs have also been found to efficiently dissolve either cellulose and/or wood samples – different ILs are suitable for different purposes. An IL treatment of wood usually results in non-fibrous pulp, where lignin is not efficiently separated and wood components are selectively precipitated, as cellulose is not soluble or degradable in ionic liquids under mild conditions. Nevertheless, new ILs capable of rather good fractionation performance have recently emerged. The capability of the IL to dissolve or deconstruct wood or cellulose depends on several factors, (e.g. sample origin, the particle size of the biomass, mechanical treatments as pulverization, initial biomassto-IL ratio, water content of the biomass, possible impurities of IL, reaction conditions, temperature etc). The aim of this study was to obtain (fermentable) saccharides and other valuable chemicals from wood by a combined heat and IL-treatment. Thermal treatments alone contribute to the degradation of polysaccharides (e.g. 150 °C alone is said to cause the degradation of polysaccharides), thus temperatures below that should be used, if the research interest lies on the IL effectiveness. On the other hand, the efficiency of the IL-treatment can also be enhanced to combine other treatment methods, (e.g. microwave heating). The samples of spruce, pine and birch sawdust were treated with either 1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, Emim Cl, or 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate, Emim Ac, (or with ionized water for comparison) at various temperatures (where focus was between 80 and 120 °C). The samples were withdrawn at fixed time intervals (the main interest treatment time area lied between 0 and 100 hours). Double experiments were executed. The selected mono- and disaccharides, as well as their known degradation products, 5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF, and furfural were analyzed with capillary electrophoresis, CE, and high-performance liquid chromatography, HPLC. Initially, even GC and GC-MS were utilized. Galactose, glucose, mannose and xylose were the main monosaccharides that were present in the wood samples exposed to ILs at elevated temperatures; in addition, furfural and 5-HMF were detected; moreover, the quantitative amount of the two latter ones were naturally increasing in line with the heating time or the IL:wood ratio.