Curcuminoids: Analytical chemistry, biochemistry, and potential applications

Abstract

Natural plant products have been utilized for various purposes throughout human history. Many of plants have taken the initial form of crude medicine as being tinctures, teas, and powders. An oral history had been created for certain plants used and their application methods for specific ailments. After all, a cultural knowledge base has been recorded regarding medicinal plants. In more recent history, natural plant products have opened a new research area in modern medicine. Bioactive constituents isolated and characterized have been focused for pharmaceutical drug discovery and drug design. Turmeric (Curcuma longa Linn., family Zingiberaceae), is one of the most popular herb used as spice due to its fragrance and yellowish colour worldwide. Except the uses as a spice, it has been used as traditional medicine due to its beneficial properties on gastrointestinal diseases, diabetic wounds, inflammation, cough, and rheumatism. Modern researches have authenticated turmeric as antioxidant, antimicrobial, anticancer, antidiabetic, anti-inflammatory, anti-HIV etc. Wide spectrum of pharmacological activities made turmeric a highly considerable spice as a universal panacea. One of the essential component of turmeric is curcumin that provides the color and bioactivity to this plant. Extensive researches have revealed that commercial turmeric powder is combined of naturally occuring curcumin, demethoxycurcumin (DMC), and bisdemethoxycurcumin (BDMC). Curcuminoid is a collective name, covering these three compounds that only vary in methoxy substitution on the aromatic ring. These structural differences provide different pharmaceutical properties. Individual curcuminoids should be taken into account for the accurate and repetable clinical studies based on the contents of bioactive components. Despite recent progresses in analytical techniques, curcuminoids suffer from poor separation and broad peaks. Therefore, there is a necessity to develop a reliable separation and determination technique to express the individual quantities of curcuminoids in real samples. Comparisons of the individual curcuminoid bioactivities are promising approaches for development into a modern drug. In addition, curcuminoids are also known as natural antibacterial agents. This potency of turmeric can be converted into an application such as food packaging. This thesis aims a series of investigations on curcuminoids to contribute to the large research pool on this subject. To achieve this aim, an isolation method has been developed for turmeric plant. Three curcuminoids were isolated purely by column chromatography and subsequent thin layer chromatography, the structures were determined by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. A capillary electrophoresis-laser induced fluorescence technique was developed for the separation and determination of individual curcuminoids. Both the isolation and analysis method were used for curcuminoids to be used at all levels of the scope of thesis in order to determine of their quantity and purity. In the first part, the amount of three curcuminoids in turmeric powder and herbal supplements was determined by capillary electrophoresis technique. Capillary electrophoresis (CE) is a separation and analysis technique which is well-known for its short analysis time, high sensitivity, and low sample and solvent consumption. The developed CE technique was combined with laser induced fluorescent detector (LIF) taking advantage of floresence nature of curcuminoids. LIF detection presents high sensitivity due to the great intensity of the incidental light. Borate buffer (pH: 9.6) was chosen as suitable separation medium. Hydrolytic degradation of curcuminoids in the basic medium is prevented by the addition of 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (2-HP-β-CD) to the borate buffer. Presence of 2-HP-β-CD in the separation medium provided also the increasement of fluoresence intensities of curcuminoids. Three curcuminoids of turmeric were completely separated and determined quantitatively in 4.5 min. The method was well-validated and applied to powdered and rhizome turmeric samples and a turmeric herbal supplement in order to find the curcuminoid amounts. Being the first part of the thesis, it was published on a peer-reviewed SCI indexed journal (Electrophoresis 36 (2015) 2516-2521). In the second part, antioxidant, anticholinesterase, and antidiabetic activities of the curcuminoids were determined and compared. The antioxidant potential of curcuminoids were evaluated using 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazil (DPPH) radical scavenging activity and ferric-reducing antioxidant power (FRAP) assays. Curcumin showed the highest antioxidant activity with both assays. Antioxidant activities of DMC and BDMC came after those of curcumin, respectively. In order to test the anti-Alzheimer activity, acetylcholinesterase (AChE) and butyrlcholinesterase (BChE) inhibition powers of curcuminoids were evaluated. Since AChE and BChE ezymes have been proven to be the most viable therapeutic target for symptomatic improvement in Alzheimer disease (AD), inhibition of these enzymes are considered to be the most accepted approach for the treatment of AD. BDMC showed substantial inhibitory activity, even better than the activity of galantamine that is a medication used to treat symptoms of Alzheimer's disease. The activity of DMC came after BDMC, whereas curcumin showed very little acetylcholinesterase inhibition activity. BDMC showed inhibitory activity against butrylcholinesterase enzyme, while curcumin and DMC did not show activity. Curcumin and DMC showed no inhibitory activity against butrylcholinesterase enzyme. However, BDMC was active. Antidiabetic activities were determined via their α-glucosidase inhibitory activities. The method of inhibition of α-glucosidase enzyme is one of the most useful way for the control of hyperglycemia in patient with type 2. All curcuminoids showed α-glucosidase inhibitory activities with decreasing order as BDMC > curcumin > DMC. In this context, a manuscript was published on a peer-reviewed SCI indexed journal (Natural Product Research 36 (2017) 2914-2917). In the third part, mechanically stable and antibacterial turmeric incorporated chitosan food packaging films were prepared using solvent-casting method and cross-linked with sodium sulfate. Mechanical, optical, thermal properties, water vapor permeabilities and antimicrobial activities of the films were measured. Tensile strength and the ultraviolet-visible (UV) light barrier of the films were improved with the addition of turmeric extract. Furthermore, turmeric incorporated chitosan film showed a significant antimicrobial effect on two common food pathogens; Salmonella and Staphylococcus aureus. As a result, turmeric extract incorporation into chitosan film improve the functional properties. Thereby, it can be suggested as a strong candidate to be used in food packaging industry. This study was published on a peer-reviewed SCI indexed journal (International Journal of Biological Macromolecules 101 (2017) 882-888). Taking into consideration all of the studies conducted in the present thesis, we report here a systematic study describing chemical and physical properties of turmeric based on curcuminoids which could in turn help develop innovative therapeutic strategies. The developed CE technique is important for the rapid and fully separation and determination of individual curcuminoids in the quality control of herbal tablets and turmeric samples. Each curcuminoid has different biochemical potentials. Inspired by this phenomenon, the differences of antioxidant, anti-Alzheimer, and antidiabetic activities of individiual curcuminoids were revealed and compared. The results may contribute the literature survey dealing with an area of current resarch interest in designing new drugs. All of these properties make turmeric not only as a part of clinical studies but also an important candidate in the ranges of application areas. Food packaging technology has gained a great development since the packaging has an important issue on the conservation and marketing of foodstuffs. There is an increasing interest on films produced by biopolymers. Besides having excellent biodegradability and biocompatibility, biopolymers serve as carriers of many functional ingredients. At this point, utilizing turmeric as natural additive enables the development of film properties.

Tarih boyunca insanlar bitkisel ürünleri çeşitli amaçlarla kullanmıştır. Bitkilerin çoğundan ilaç olarak tentür, çay ve toz halinde yararlanılmıştır. Belirli hastalıklar için kullanılan bitkiler ve bitkilerin uygulama metodları nesilden nesile aktarılmıştır. Sonuç olarak şifalı bitkiler için kültürel bir veritabanı kaydedilmiştir. Yakın tarihte doğal bitki ürünleri modern tıpta yeni bir araştırma alanı açmıştır. Bu konudaki çalışmalar, farmasötik ilaç keşfi ve ilaç tasarımı için tıbbi bitkilerden aktif bileşenlerin izolasyonu ve karakterizasyonuna odaklanmıştır. Zerdeçal, zencefil familyasından lifli bir bitki olan Kurkuma longa bitkisinin kökünden elde edilmektedir. Kokusu, aroması ve sarı rengi nedeniyle dünya çapında baharat olarak kullanılan en popüler bitkilerden biridir. Baharat olarak kullanılması dışında, gastrointestinal hastalıklar, diyabetik yaralar, iltihaplanma, öksürük ve romatizma üzerindeki faydalı etkileri nedeniyle geleneksel ilaç olarak kullanılmıştır. Modern araştırmalar, zerdeçalın antioksidan, antimikrobiyal, antikanser, antidiyabetik, antienflamatuar, anti-HIV özelliklere sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Geniş spektrumdaki farmakolojik aktiviteleri, zerdeçalı evrensel her derde deva olan önemli bir baharat haline getirmiştir. Zerdeçala kendine özgü sarı rengini veren madde kurkumindir. Kurkumin, zerdeçalın temel biyoaktif bileşiği olarak bilinir. Kapsamlı araştırmalar zerdeçalın doğal olarak kurkumin, demetoksikurkumin (DMC) ve bisdemetoksikurkumin (BDMC)'nin bir karışımı olduğunu ortaya koymuştur. Aromatik halka üzerinde sadece metoksi sübstitüsyonu farklılık gösteren bu üç bileşik toplu olarak kurkuminoidler olarak adlandırılır. Çok yakın bir zamana kadar bunlardan sadece kurkumin yüksek fiyatlarda ticari olarak saf olarak temin edilebilmekte, diğer iki kurkuminoidin ticari satışı bulunmamaktaydı. Günümüzde ise çok düşük miktarlarına yüksek fiyatlarla ulaşılabilmektedir. Literatürdeki çalışmalar kurkuminin farmakolojik özellikleri, antioksidan, antiseptik, antimikrobiyal, antienflamatuvar ve antikanserojen etkileri üzerinde olumlu sonuçlar alınan tıbbi çalışmalar ve bu bileşiğin ilaç olarak kullanımı için çözünürlüğünü ve vücut tarafından kullanılabilme etkinliğini arttırıcı araştırmalar üzerinde yoğulaşmaktadır. Ancak, yeni ilaç tasarımının yolunu açacak bilgi birikiminin sağlanması için yapısal değişikliklerin neden olduğu biyoaktivite farklılıklarının incelenmesi göz ardı edilmemelidir. Ayrıca, biyoaktif bileşenlerin içeriğine dayanan klinik çalışmaların doğru ve tekrarlanabilir bir şekilde yürütülebilmesi için her bir kurkuminoidin tek tek ele alınması gerekir. Analitik yöntemlerdeki son gelişmelere rağmen, kurkuminoidlerin ayırım etkinliği düşük olabilmektedir. Bu nedenle, gerçek numunelerde kurkuminoidlerin ayrı ayrı miktarlarını belirlemek için güvenilir bir ayırma ve analiz metodunun geliştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca, kurkuminoidlerin biyoaktivitelerinin karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesi de modern ilaç tasarımı konusunda umut verici bir yaklaşımdır. Kurkuminoidler doğal antibakteriyel ajanlar olarak bilinir. Zerdeçal ekstraktının bu özelliğinden gıda ambalaj maddesi katkısı olarak yararlanılabilir. Böyle bir çalışmanın uygulamaya geçirilmesi halinde, ucuz ve kolay ulaşılabilir olan zerdeçalın, gıda ambalaj endüstrisine katılması sağlanabilecektir. Bu tez çalışması, bu konudaki büyük araştırma havuzuna katkıda bulunmak için kurkuminoidler üzerine bir dizi araştırmayı amaçlamaktadır. Bu amaç doğrultusunda, zerdeçal bitkisi için bir izolasyon yöntemi uygulanmıştır. Kolon kromatografisi ve takip eden ince tabaka kromatografisi ile 3 kurkuminoid (kurkumin, DMC ve BDMC) saf olarak izole edilmiş, yapıları nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ile belirlenmiştir. Kurkuminoidlerin ayrım ve analizi için bir kapiler elektroforez-lazer indüklenmiş floresans yöntemi geliştirilmiştir. Bu tez kapsamının her kademesinde, saf kurkuminoidlerin izolasyonu, miktarlarının ve saflıklarının tayini için bu izolasyon ve analiz yöntemi kullanılmıştır. Birinci bölümde üç kurkuminoidin zerdeçal tozu ve bitkisel takviyelerdeki miktarının belirlenmesi lazer indüklenmiş floresans (LIF) dedektör ile birleştirilmiş kapiler elektroforez tekniği ile gerçekleştirilmiştir. Kapiler elektroforez yüksek bir elektrik alan altında, silika kapiler kolon içinde analitlerin ayrımlarının gerçekleştiği bir ayırma ve analiz metodudur. Bu yöntemin başlıca avantajları kısa analiz süresi, güçlü ayırma etkinliği ve az miktarda solvent ve örnek tüketimidir. Kapiler elektroforez sistemine LIF dedektörün bağlanması floresans özellik gösteren maddelerin eser miktar tayinini mümkün kılmaktadır. Kurkuminoidlerin doğal floresans özelliğinden yararlanarak, kapiler elektroforezle ayrılan kurkuminoidler lazer indüklenmiş floresans dedektör ile dedekte edilmiştir. Borat tamponu (pH:9.6) uygun ayırma olarak belirlenmiş, ayırma ortamına 2-hidroksipropil-β-siklodekstrin (2-HP-β-CD) ilave edilmiştir. Kurkuminoidlerin bazik ortamdaki hidrolitik ayrışması, 2-HP-β-CD ilavesi ile önlenmiştir. Aynı zamanda bu sayede kurkuminoidlerin floresans şiddetleri artırılmıştır. Üç kurkuminoid 4.5 dakikadan daha kısa bir sürede birbirinden tamamen ayrılmıştır. Yöntem kesinlik ve doğruluk parametreleri açısından valide edilmiştir. Ticari toz ve kök zerdeçal örnekler ile takviye edici kurkumin bitkisel kapsüle uygulanmıştır. Bu çalışma bir SCI dergisinde yayınlanmıştır (Electrophoresis 36 (2015) 2516-2521). İkinci bölümde, zerdeçaldan izole edilen üç kurkuminoidin antioksidan, anti-Alzheimer ve antidiyabetik aktiviteleri çeşitli in vitro yöntemlerle incelenmiştir. Antioksidan aktiviteleri; 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil (DPPH) radikal yakalama kapasitesi yöntemi ve demir (II) indirgeyici antioksidan kapasite yöntemi (FRAP) ile tayin edilmiştir. Her iki yöntemle de kurkuminin, antioksidan aktivitesi en yüksek olan kurkuminoid olduğu tespit edilmiştir. Kurkumini sırasıyla DMC ve BDMC takip etmiştir. Alzheimer hastalığının tedavisi için asetilkolin ve butirilkolin hidrolizinden sorumlu olan asetilkolinesteraz (AChE) ve butirilkolinesteraz (BChE) enziminin inhibisyonu yöntemi en çok kabul gören yaklaşımdır. Bu yaklaşım göz önünde bulundurularak antikolinesteraz aktivite testleri asetilkolinesteraz ve butirilkolinesteraz enzimlerinin inhibisyonu odaklı gerçekleştirilmiştir ve sonuçlar günümüzde Alzhemier tedavisinde kullanılan galantaminin aktivitesi ile karşılaştırılmıştır. BDMC galantaminin AChE inhibisyon aktivitesinden bile daha iyi bir inhibisyon aktivitesi göstermiştir. BDMC'yi sırasıyla DMC ve kurkumin takip etmiştir. BChE inhibisyon aktiviteleri karşılaştırıldığında kurkumin ve DMC'nin aktiflik göstermediği, BDMC'nin ise düşük de olsa aktivite gösterdiği görülmüştür. Antidiyabetik aktiviteleri ise kurkuminoidlerin α-glukozidaz enzimini inhibe etmeleri esasına göre değerlendirilmiş, pozitif kontrol olarak genistein kullanılmıştır. α-Glukozidaz enziminin inhibisyonu yöntemi, tip 2 diyabet hastalarda hipergliseminin kontrolünde en yararlı yoldur. Tüm kurkuminoidler, BDMC > kurkumin > DMC olarak azalan sırada α-glukozidaz inhibitör aktiviteleri göstermiştir. DPPH radikal yakalama kapasitesi yöntemi ile AChE, BChE ve α-glukozidaz enzim inhibisyonu çalışmaları 96 kuyucuklu mikroplakalarda spektroskopik yöntemle gerçekleştirilmiştir. FRAP metodu için ultraviyole-görünür bölge (UV-GB) spektrofotometre kullanılmıştır. Bu çalışma bir SCI dergisinde yayınlanmıştır (Natural Product Research 36 (2017) 2914-2917). Üçüncü ve son bölümde, zerdeçal ekstraktı içeren mekanik olarak kararlı ve antibakteriyel özellikte kitosan temelli gıda ambalaj filmi literatürde ilk kez hazırlanmıştır. Kitosan, toksik olmayan, biyobozunur özelliği yanında, doğal anti-bakteriyel özelliği nedeniyle literatürde sıkça araştırılan gıda ambalaj filmleri olarak ön plana çıkmaktadır. Kitosanın içine doğal antibakteriyel ve antioksidan ilavelerle aktif gıda ambalaj maddelerinin ortaya konması güncel bir araştırma konusudur. Kurkuminoidlerin zerdeçal ekstraktlarından izolasyonu çalışmaları esnasında, ekstraktın antibakteriyel özelliğinin olabileceği düşünülmüştür. Bu amaçla ekstrakt, kitosan filmlere katılmış ve zerdeçal ekstraktı ilavesinin kitosan filmlerin fiziksel ve antibakteriyel özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Mukayese amacıyla zerdeçal ekstraktı içermeyen bir kitosan film de hazırlanmıştır. Filmler, çözücü dökme yöntemi ile hazırlanmış ve sodyum sülfat ile çapraz bağlama yapılmıştır. Filmlerin mekanik, optik, termal özellikleri, su buharı geçirgenlikleri ve antibakteriyel aktiviteleri ölçülmüştür. Filmin gerilme mukavemeti ve UV-GB ışık bariyeri, zerdeçal ekstraktı ilavesiyle iyileştirilmiştir. Ayrıca, zerdeçal katkılı kitosan filmi, iki yaygın gıda patojeni olan Salmonella ve Staphylococcus aureus üzerinde önemli bir antibakteriyel etki göstermiştir. Sonuç olarak, kitosan filmlere zerdeçal ekstraktının dahil edilmesi fonksiyonel özelliklerini geliştirmiştir. Zerdeçal gıda ambalaj endüstrisinde kullanılmak üzere güçlü bir aday olarak önerilebilir. Bu çalışma bir SCI dergisinde yayınlanmıştır (International Journal of Biological Macromolecules 101 (2017) 882-888). Bu tezde yapılan tüm çalışmalar göz önünde bulundurulduğunda, zerdeçalın kurkuminoidlere dayanan kimyasal ve fiziksel özelliklerini tanımlayan sistematik bir çalışma rapor edilmektedir. Bu yaklaşım ve tezin çıktıları yenilikçi terapötik stratejilerin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Geliştirilen CE tekniği kurkuminoidlerin hızlı ve etkin bir şekilde ayrım ve analizini sağlaması açısından önemlidir. Çünkü moleküllerdeki yapısal farklılıklar onların biyoaktifliklerinin de farklı olmasına sebep olur. Bu olgudan esinlenerek kurkuminoidlerin antioksidan, anti-Alzheimer ve antidiyabetik aktivitelerinin farklılıkları ortaya çıkarılmış ve karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, yeni ilaç tasarımı gibi güncel bir araştırma alanına katkıda bulunabilir. Bu özelliklerin tümü, zerdeçalı sadece klinik çalışmaların bir parçası olarak değil, aynı zamanda uygulama alanları arasında önemli bir aday haline getirir. Gıda ambalaj teknolojisi, gıda maddelerinin korunması ve pazarlanmasında önemli bir konu haline gelip büyük bir gelişme kaydetmiştir. Son yıllarda biyopolimerler temelli gıda ambalaj filmlerine artan bir ilgi vardır. Mükemmel biyobozunurluğa ve biyouyumluluğa sahip olmanın yanı sıra, biyopolimerler birçok fonksiyonel bileşenin taşıyıcısı olarak işlev görür. Bu noktada, zerdeçalın doğal katkı maddesi olarak kullanılması film özelliklerinin gelişmesini sağlamıştır.