Bioactive and protective polyphenolics from roots and stumps of conifer trees (Norway spruce and Scots pine)

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3466-0
Title: Bioactive and protective polyphenolics from roots and stumps of conifer trees (Norway spruce and Scots pine)
Author: Latva-Mäenpää, Harri
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry, Orgaaninen kemia
Metsäntutkimuslaitos (nykyään Luonnonvarakeskus)
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2017-06-09
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3466-0
http://hdl.handle.net/10138/186254
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The current era of bioeconomy strives to develop new, innovative products from natural raw materials in a sustainable way. In this PhD thesis, we have searched potential bioactive compounds from different parts of the neglected roots and stumps of conifer trees for high value products. Our aim was to establish deeper knowledge concerning chemical compositions of specified and defined biomass sources (roots and stumps of conifer trees) as well as the chemistry of certain natural polyphenolic compounds in different conditions. Using methods of natural products chemistry, such as solvent extraction and chromatographic separation and analysis techniques (GC-MS, HPLC-DAD/MS), we found that the root bark of Norway spruce is a rich source of stilbenoid glucosides (astringin, isorhapontin and piceid). These have structural similarities with the most studied stilbenoid, resveratrol. We also found that the stumps of Scots pine are a source of stilbenoids, pinosylvin and its derivatives. Stilbenoids are bioactive compounds and they have shown a variety of beneficial activities in studies related for example to human health. They have also shown antimicrobial and protective properties in trees and also in tests against micro-organisms. The highest concentrations of stilbenoid glucosides were found from the inner bark of the root zones closest to the stem of Norway spruce. This study also revealed that the root neck of Norway spruce is a new source of the bioactive lignan hydroxymatairesinol (HMR). Chromatographic and spectroscopic methods were developed to isolate pure stilbenoids from the bark of Norway spruce roots for further experiments. The complete structural elucidation of stilbenoids from Norway spruce was performed by HPLC-DAD-NMR. The HPLC-DAD method was further optimized to isolate stilbenoids in a semipreparative scale. The invividual stilbenoid molecules were isolated from the extracts and their photochemical stabilities (under fluorescent and UV light) were studied by HPLC-DAD, MS and NMR. Naturally-occurring trans stilbenoids undergo photochemical transformations to cis forms. However, the extended UV irradiation caused stilbenoids to form phenanthrene structures by intramolecular cyclisation. This is the first time that these new phenanthrene structures are reported to be derived from stilbenoids of spruce bark. Our results show that that the roots and stumps of conifer trees contain bioactive polyphenolic compounds, such as stilbenoids and lignans. These molecules and the compounds formed thereof may have commercial value and the information gained would offer a base platform for the possible new commercial high-value products developed from forest biomass. Our study has also provided new scientific knowledge of natural compounds and their properties that may lead to new findings and deeper understanding of the physiology and internal protection processes of plants by their bioactive secondary metabolites. Roots and stumps of conifer trees (Norway spruce and Scots pine) are a vast source of biomass containing potentially bioactive polyphenolic extractives as shown in this work, but this biomass is currently used for low-value energy production only. With already existing harvesting techniques, roots and stumps of conifer trees could be used as a source of commercially valuable biochemicals.Suomen biotalousstrategian tavoitteena on luoda uusia innovaatioita ja tuotteita perustuen uusiutuvien luonnonvarojen kestävään hyödyntämiseen. Puubiomassasta jalostettavat tuotteet, kuten sellu ja puutuotteet, ovat usein tuotantomääriltään suurivolyymisiä ja kg-hinnaltaan melko alhaisia. Näiden perinteisten tuotteiden lisäksi puuteollisuudesta syntyy erilaisia sivuvirtoja, kuten kuorta ja erilaisia hakkuutähteitä, joita hyödynnetään nykyisin pääosin matalan jalostusarvon energiatuotannossa. Puubiomassa ja erityisesti mainitut sivuvirrat sisältävät selluloosakuitujen lisäksi erilaisia uuteaineiksi kutsuttuja yhdisteitä, joilla on todettu erilaisia mielenkiintoisia ominaisuuksia. Näitä yhdisteitä olisi mahdollistaa hyödyntää kehitettäessä uusia korkeamman jalostusarvon tuotteita esimerkiksi lääke-, elintarvike-, kosmetiikka- tai materiaaliteollisuuden tarpeisiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli selvittää kotimaisten havupuiden (kuusi ja mänty) kantojen ja juurten uuteainekoostumusta ja kehittää menetelmiä potentiaalisten yhdisteiden uuttoon, eristämiseen ja analysointiin biomassasta. Työssä hyödynnettiin orgaanisen ja luonnontuotekemian menetelmiä; uuteaineet eristettiin biomassasta uuttamalla ja yksittäiset yhdisteet eristettiin ja analysoitiin hyödyntämällä kromatografisia (GC, HPLC) ja spektrometrisiä (UV, MS, NMR) menetelmiä. Työn aikana kehitettiin myös uusia menetelmiä ja tapoja uuteaineiden analysointiin puubiomassasta. Tässä työssä keskityttiin erityisesti polyfenolisiin uuteaineisiin, jotka toimivat puun omina suoja-aineina ja bioaktiivisina yhdisteinä. Tutkimuksissa havaittiin, että kuusen kuori ja erityisesti runkoa lähimmät suurimmat juuret sisältävät melko suuria määriä polyfenolisia stilbeeniglukosideja (astringin, isorhapontin, piceid). Myös männyn kannoista löydettiin stilbeeni-yhdisteitä (pinosylvin). Löydetyt stilbeeni-yhdisteet ovat rakenteeltaan hyvin samankaltaisia kuin kaikkein tunnetuin stilbeeni-yhdiste, resveratroli, jonka on esitetty olevan esimerkiksi yksi punaviinin bioaktiivisista komponenteista. Näiden stilbeeni-yhdisteiden on osoitettu omaavan erilaisia bioaktiivisia ominaisuuksia esimerkiksi oksidatiivista stressiä vastaan, joten näillä yhdisteillä voisi olla potentiaalista käyttöä esimerkiksi hyvinvointia edistävissä tuotteissa (lääkkeet, lisäravinteet ja kosmetiikka). Antioksidatiivisten ominaisuuksien lisäksi stilbeeneillä on havaittu myös antimikrobisia ominaisuuksia, minkä vuoksi niitä olisi mahdollista hyödyntää erilaisina suoja-aineina. Stilbeenien lisäksi tässä työssä havaittiin, että kuusen juuren niska (kannon ja juurien välissä) on erittäin rikas lähde polyfenolisille lignaani-yhdisteille (hydroksimatairesinoli), jolla on jo nykyään käyttöä erilaisissa terveyttä edistävissä lisäravinnesovelluksissa. Väitöskirjatyössä kehitettiin myös menetelmiä yksittäisten stilbeeni-yhdisteiden eristämiseen biomassasta puhtaina yhdisteinä ja näiden yhdisteiden stabiilisuutta tutkittiin esimerkiksi eri varastointiolosuhteissa ja UV-valon alla. Näissä tutkimuksissa havaittiin, että tutkitut stilbeeni-yhdisteet ovat melko stabiileja uutteessa, mutta muuttavat muotoaan erityisesti UV-valon vaikutuksesta (esim. trans/cis-isomeria). Työssä havaittiin, että stilbeeneistä muodostuu uusia yhdisteitä jatkuvan UV-säteilytyksen seurauksena. Syntyneiden stilbeeni-/fenantreeni-yhdisteiden bioaktiivisista ominaisuuksista ei ole vielä tällä hetkellä tarkempaa tietoa, joten niiden ominaisuudet luovat mielenkiintoisia aihioita jatkotutkimuksille. Näiden tutkimustulosten toivotaan luovan tieteellistä pohjaa biomassasta uutettujen ja eristettävien aktiivisten yhdisteiden jatkokehitykselle uusiksi tuotteiksi. Kaupallistamispotentiaalin lisäksi tämä työ tarjoaa uutta tietoa ymmärtää puiden uuteaineiden kasvifysiologisesta näkökulmasta. Lopuksi voidaan todeta, että havupuiden kannot ja juuret sisältävät yhdisteitä, joista on mahdollista jalostaa uusia funktionaalisia ja korkeamman jalostusarvon tuotteiksi.
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
BIOACTIV.pdf 1.739Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record