Chemical characterization of herbal products with advanced high resolution mass spectrometric methods

Abstract

The importance of herbal products is paramount for all the aspects of human life including health, materials science, or even aesthetics and inspiration for art. Their properties have been the subject of intense research including their composition and molecular structure. A specialized chemistry discipline i.e. natural products chemistry has been devoted to their study. In this context this study focuses to herbal products, comprising of three parts, i.e. the comprehensive chemical characterization of Pelargonium sidoides root, crocus sativus stigmas and onion-based/ mushroom-based compost products.The first part is referred to HRMS-based characterization of Pelargonium sidoides, a member of the Geraniaceae family has been subjected to several surveys due to its health benefits. The Pelargonium sidoides root was extracted by a mixture of methanol: water in the proportion of 80:2 and analyzed, employing ultra-high-pressure liquid chromatography-quadruple time-of-flight mass spectrometry. Overall, 33 compounds were identified in the root using suspect and non-target screening. These compounds were originated from different classes of compounds such as amino acids, phenolic acids, α-hydroxy-acids, vitamins, polyphenols, flavonoids, coumarins, coumarins glucosides, coumarin sulphates and nucleotides. Quantitative results were provided for the identified compounds, where their reference standards were available. Some important compounds were elucidated, belonging to different classes of compounds such as antioxidants (coumarins and phenolic compounds), amino acids, nucleotides and vitamins revealing the importance of the bioactive content of this root.The second part is devoted on the characterization of two compost products, specifically one onion and one mushroom-based. Since the increasing demands of agriculture and the food market have resulted in intensive agricultural practices using synthetic fertilizers to maximize production, significant efforts have been made to implement more environmentally friendly procedures, such as composting, to overcome the adverse impact of these invasive practices. In the terms of this research, composting was applied to the production of two biofertilizers, using onion and mushroom by-products as raw materials respectively. The main purposes of this work were to identify the compounds that pass from the raw materials to the final products (onion-based and mushroom-based), as well as the characterization of the chemical profile of these final products following suspect and non-target screening workflows via UPLC-qToF-MS. Overall, 14 common compounds were identified in the onion and its final product, while 12 compounds were found in the mushroom and its corresponding product. These compounds belong to fatty acids, organic acids, and flavonoids, which could be beneficial to plant health. The determination of parameters, such as the pH, conductivity, organic matter, nitrogen content, and elemental analysis, were conducted for the overall characterization of the aforementioned products.The third part is devoted to saffron, a spice derived from Crocus sativus plant, which in Iran is subjected to different trimming, is known for its beneficial health effects and high market value. Authentication studies related to geographical origin and adulterants presence mainly exist in literature, however fraud due to trimming has not been reported. In the current research, chemical characterization of six saffron trims, namely Sargol, Negin, Pushal, Bunch, Style, and Powder, was accomplished through suspect and non-target screening employing UPLC-qToF-MS in both electrospray ionization modes. The samples were extracted using methanol:water (50:50,v:v) and 62 compounds were identified, including amino acids, vitamins, flavonoids, phenolics, carotenoids, cyclohexenones. A clear discrimination among the red trims (Pushal, Sargol and Negin), as well as between Style and Bunch using Multivariate Chemometrics techniques was achieved. Proline and isophorone were highlighted as authenticity markers. Finally, the effect of three harvesting year on the most contributing compounds for trimming discrimination has been evaluated.

Η σημασία των φυτικών προϊόντων είναι υψίστης σημασίας για όλες τις πτυχές της ανθρώπινης ζωής, συμπεριλαμβανομένης της υγείας, της επιστήμης των υλικών ή ακόμα και της αισθητικής και της έμπνευσης για την τέχνη. Οι ιδιότητές τους έχουν αποτελέσει αντικείμενο εντατικής έρευνας, συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης και της μοριακής τους δομής. Σε αυτό το πλαίσιο, η μελέτη αυτή εστιάζει σε φυτικά προϊόντα, και αποτελείται από τρία μέρη: τον ενδελεχή χημικό χαρακτηρισμό της ρίζας του Pelargonium sidoides, των στιγμάτων του Crocus sativus και των προϊόντων κομποστοποίησης με βάση τα κρεμμύδια/μανιτάρια.Το πρώτο μέρος αναφέρεται στο HRMS χαρακτηρισμό του Pelargonium sidoides, ένα μέλος της οικογένειας Geraniaceae, το οποίο έχει υποβληθεί σε αρκετές έρευνες λόγω των πλεονεκτημάτων του για την υγεία. Η ρίζα του Pelargonium sidoides εκχυλίστηκε με ένα μείγμα μεθανόλης: νερού σε αναλογία 80:20 και αναλύθηκε με υγροχρωματογραφία συζευγμένη με ανιχνευτή μαζών χρόνου πτήσης (UPLC-q-TOF/MS). Συνολικά, 33 ενώσεις ταυτοποιήθηκαν μέσω ύποπτης και μη-στοχευόμενης σάρωσης. Αυτές οι ενώσεις προέρχονται από διαφορετικές κατηγορίες ενώσεων όπως αμινοξέα, φαινολικά οξέα, α-υδροξυ-οξέα, βιταμίνες, πολυφαινόλες, φλαβονοειδή, κουμαρίνες, γλυκοζίτες κουμαρίνης, θείο-κουμαρίνες και νουκλεοτίδια. Πραγματοποιήθηκε ποσοτικοποίηση των ενώσεων που ταυτοποιήθηκαν και τα πρότυπά τους ήταν διαθέσιμα. Μέσω της ταυτοποίησης σημαντικών ενώσεων που ανήκουν σε διαφορετικές κατηγορίες όπως αντιοξειδωτικά (κουμαρίνες και φαινολικές ενώσεις), αμινοξέα, νουκλεοτίδια και βιταμίνες, αναδείχθηκε το βιοδραστικό περιεχομένου αυτής της ρίζας.Το δεύτερο μέρος αφορά το χαρακτηρισμό δύο προϊόντων κομποστοποίησης, συγκεκριμένα ενός προϊόντος με βάση το κρεμμύδι και ενός προϊόντος με βάση τα μανιτάρια. Καθώς οι αυξανόμενες απαιτήσεις της γεωργίας και της αγοράς τροφίμων οδηγούν σε εντατικές γεωργικές πρακτικές που χρησιμοποιούν συνθετικά λιπάσματα για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής, σημαντικές προσπάθειες γίνονται για την εφαρμογή πιο φιλικών προς το περιβάλλον διαδικασιών, όπως η κομποστοποίηση, ως ανιτιστάθμισμα των αρνητικών επιπτώσεων αυτών των επεμβατικών πρακτικών. Στα πλαίσιο αυτής της μελέτης, η κομποστοποίηση εφαρμόστηκε για την παραγωγή δύο βιολογικών λιπασμάτων, χρησιμοποιώντας ως πρώτες ύλες παραπροϊόντα κρεμμυδιού και μανιταριών αντίστοιχα. Κύριες στοχεύσεις ήταν αφενός ο εντοπισμός των ενώσεων που περνούν από τις πρώτες ύλες στα τελικά προϊόντα (με βάση το κρεμμύδι και το μανιτάρι), αφετέρου ο χαρακτηρισμός του χημικού προφίλ αυτών των τελικών προϊόντων μέσω ύποπτης και μη-στοχευμένης σάρωσης με UPLC-qToF-MS. Συνολικά, 14 κοινές ενώσεις ταυτοποιήθηκαν στο κρεμμύδι και το τελικό προϊόν του, ενώ 12 ενώσεις βρέθηκαν στο μανιτάρι και το αντίστοιχο προϊόν του. Αυτές οι ενώσεις ανήκουν σε κατηγορίες όπως λιπαρά οξέα, οργανικά οξέα και φλαβονοειδή, τα οποία θα μπορούσαν να είναι ευεργετικά για την υγεία των φυτών. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός του pH, της αγωγιμότητας, της οργανική ύλης, του αζώτου καθώς και στοιχειακή ανάλυση για το συνολικό χαρακτηρισμό των μελετηθέντων προϊόντων.Το τρίτο μέρος εστιάζει στο σαφράν, ένα μπαχαρικό που προέρχεται από το φυτό Crocus sativus, το οποίο στο Ιράν υποβάλλεται σε διαφορετικές κοπές, και είναι γνωστό για τις ευεργετικές του στην υγεία ιδιότητες και την υψηλή του εμπορική αξία. Μελέτες αυθεντικότητας που σχετίζονται με τη γεωγραφική προέλευση και τη νοθεία από άλλες ύλες υπάρχουν κυρίως στη βιβλιογραφία, ωστόσο δεν υπάρχουν μελέτες που αφορούν τη νοθεία βάσει του τρόπου κοπής. Στη μελέτη αυτή, ο χημικός χαρακτηρισμός έξι διαφορετικών κοπών του σαφράν, συγκεκριμένα των Sargol, Negin, Pushal, Bunch, Style και Powder, επιτεύχθηκε μέσω ύποπτης και μη-στοχευμένης σάρωσης χρησιμοποιώντας UPLC-qToF-MS τόσο σε θετικό όσο και σε αρνητικό ιοντισμό. Τα δείγματα εκχυλίστηκαν με μεθανόλη:νερό (50:50, ν:ν) και ταυτοποιήθηκαν 62 ενώσεις, συμπεριλαμβανομένων αμινοξέων, βιταμινών, φλαβονοειδών, φαινολικών, καροτενοειδών, κυκλοεξενόνων. Σαφής διαχωρισμός επιτεύχθηκε μεταξύ των διαφορετικών κοπών των κόκκινων στιγμάτων (Pushal, Sargol και Negin), καθώς και μεταξύ Style και Bunch χρησιμοποιώντας πολυπαραμετρικές χημειομετρικές μεθοδολογίες. Αξίζει να σημειωθεί ότι η προλίνη και η ισοφορόνη αναδείχθηκαν ως δείκτες αυθεντικότητας. Τέλος, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της επίδρασης των τριών ετών συγκομιδής για τις ενώσεις που συμβάλλουν περισσότερο στη διαχωρισμό των διαφορετικών κόπων.