No Job Name



Yüklə 177,22 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix30.04.2018
ölçüsü177,22 Kb.
#40527


Antimutagenic and Antioxidant Properties of Phenolic Fractions

from Andean Purple Corn (

Zea mays

L.)

R

OMINA



P

EDRESCHI


AND


L

UIS


C

ISNEROS


-Z

EVALLOS


*

Department of Horticultural Sciences, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-2133

The antimutagenic and antioxidant properties of various phenolic fractions obtained from Andean

purple corn were examined by the Ames test and the DPPH antiradical assay. An anthocyanin-rich

water fraction (WF) and an ethyl acetate fraction (EAF) showed a dose-dependent antimutagenic

behavior against the food mutagen Trp-P-1 with IC

50

values of 321.7



(

21.36 and 95.2

(

10.95


µ

g

of chlorogenic acid equiv/plate, respectively, indicating that EAF was a more potent antimutagen.



The antioxidant activities for WF and EAF were 1.019

(

0.05 and 0.838



(

0.11


µ

g of Trolox equiv/

µ

g of phenolics, respectively. Further fractionation of WF and EAF revealed an ethyl acetate



subfraction, EA-IV, with high antimutagen potency that contained a quercetin derivative. The

mechanism of antimutagenic action of the WF is predominantly a blocking effect on the S-9 Mix

activation system of the mutagen, whereas for the EAF, it is a dual mechanism involving blocking of

the S-9 Mix and a scavenging action on Trp-P-1 electrophiles.



KEYWORDS:

Purple corn extract; phenolic compounds; antimutagenic activity; antioxidant activity;

mechanism of antimutagenic action

INTRODUCTION

The generation of heterocyclic aromatic amines that are highly

mutagenic in the salmonella/reversion assay or Ames test during

cooking of proteinaceous foods is very well documented (1),

including IQ (2 amino-3-methylimidazo [4,5-f] quinoline), MeIQx

(2 amino-3,8-dimethylimidazo [4,5-f] quinoxaline), PhIP (2-

amino-1-methyl-6-phenylimidazo [4,5-b] pyridine), and Trp-

P-1 (3-amino-1,4-dimethyl-5h-pyrido[4,3-b]indole). The het-

erocyclic amine Trp-P-1 has been involved in several types of

DNA damage that lead to genetic alterations. The accumulation

of genetic alterations can lead normal cells to become cancer

cells (3). Trp-P-1 is a direct acting mutagen toward Salmonella

Typhimurium. The N-hydroxy form of Trp-P-1 is metabolically

activated to N-O-acetyl-Trp-P-1, which damages DNA by the

formation of DNA adducts that can end up in genetic mutations.

Trp-P-1 can also produce reactive oxygen species (ROS) that

can cause oxidative DNA damage (4).

Food is a complex mixture of different components, some

of which act as antimutagens (5). The ability of different

vegetable and fruit juices to act as antimutagens has been tested

(15), and phenolic compounds present in such juices were

considered responsible for the antimutagenic activity (6-8). The

antimutagenic action of phenolic compounds against the food

mutagen Trp-P-1 has been reported for sweet potato (9).

Purple corn (maiz morado in Spanish) has been used by

people from the Andes to color foods and beverages for

centuries. In addition, a refreshing drink called “chicha morada”

is prepared by immersing the cobs in boiling water. The already-

known antioxidant and anticarcinogenic properties of purple

corn, in addition to its coloring attributes, make it an attractive

crop for the Nutraceutical and Functional Food Market (10-

12). More recently, purple corn extracts were tested for anti-

obesity activity and amelioration of hyperglycemia (13). In

addition, purple corn color did not show any hepatotoxicity or

nephrotoxicity in mice depleted of glutathione by pretreatment

with buthionine sulfoximine at a dose of 4500 mg/kg (14).

Previous investigations of purple corn bioactivities have

mainly been focused on its anthocyanins. A purple corn color

extract has been shown to inhibit colorectal carcinogenesis in

male F344 rats pretreated with 1,2-dimethylhydrazine and PhIP

(10). The inhibition was attributed only to anthocyanins present

in the purple corn color. However, purple corn has a significant

amount of phenolic compounds other than anthocyanins, includ-

ing mainly phenolic acids and flavonols (15). The roles of other

phenolic compounds present in the purple corn color extract

have been ignored up to now.

The objective of this study was to fractionate the different

phenolic compounds present in Andean purple corn and to

determine their specific roles as antimutagens and antioxidants.

The results from this work will provide important information

for the food industry with respect to the use of the purple corn

extracts not only as a colorant but also as a source of health-

promoting compounds.



MATERIALS AND METHODS

Sample Material, Standards, and Reagents. Purple corn extract

(PCE) was kindly provided by Fitofarma (Lima, Peru). The PCE was

* To whom correspondence should be addressed. Tel.: 979-8453244.

Fax: 979-8450627. E-mail: lcisnero@taexgw.tamu.edu.

Present address: Katholieke Universiteit Leuven, Belgium.



J. Agric. Food Chem. 2006, 54, 4557

4567



4557

10.1021/jf0531050 CCC: $33.50

© 2006 American Chemical Society

Published on Web 06/02/2006




obtained from purple corn grown in Arequipa, Peru. The powder extract

was prepared by extraction of ground cobs (mesh 60) in a 60% aqueous

ethanol solution at room temperature for 48 h (1 kg of cobs/7 L of

solvent). The obtained extract was filtered and spray-dried (180

°

C

inlet and 85



°

C outlet temperatures) using maltodextrins as carrier (0.5

kg of maltodextrin/100 L of extract). One kilogram of dried PCE

contained

∼40% maltodextrin.

For the spectrophotometric procedures, Folin-Ciocalteu reagent,

sodium carbonate (Na

2

CO



3

), chlorogenic acid, Trolox, and 2,2-diphenyl-

1-picrylhydrazyl (DPPH) were purchased from Sigma Chemical Co.

(St. Louis, MO). Methanol was reagent grade, and Nanopure water

was used. For the Ames test, Salmonella Typhimurium TA98 (TA98)

and the S-9 Mix activation system were purchased from Molecular

Toxicology Inc. (Boone, NC). The S-9 Mix was composed of liophilized

Aroclor 1254 induced-male Sprague Dawley rat liver fraction S9 (40

mg of protein/mL) at a concentration of 0.04 mL of fraction S9/mL of

S-9 Mix, NADPH Regenesys A (composed of 5 mM glucose-6-

phosphate, 8 mM MgCl

2

, and 33 mM KCl in 100 mM sodium



phosphate buffer, pH 7.4), and NADPH Regenesys B (composed of 4

mM NAD). MgSO

4

‚7H


2

O, citric acid‚H

2

O, K


2

HPO


4

, NaNH


4

HPO


4

4H



2

O, sodium chloride, ampicillin, and glucose were purchased from

Fisher Scientific (Fair Lawn, NJ).

D

-Biotin and



L

-histidine‚HCl‚H

2

O

were obtained from Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO). Agar was



purchased from Difco (Kansas, MO), and Oxoid no. 2 nutrient broth

was obtained from Oxoid (Ogdensburg, NY). Reagent-grade DMSO

was used. The food mutagen Trp-P-1 was purchased from Toronto

Research Chemicals Inc. (Downsview, Canada).

For the phenolic compound fractionation, Toyopearl HW-40 and

Sephadex LH-20 were purchased from Sigma Chemical Co. (St. Louis,

MO). Reagent-grade methanol and ethyl acetate were used. For the

HPLC procedure, cyanidin-3-glucoside, pelargonidin-3-glucoside, pe-

onidin-3-glucoside, delphinidin-3-glucoside, petunidin-3-glucoside, and

malvidin-3-glucoside were purchased from Polyphenols Laboratories

AS (Sandnes, Norway). Cyanidin, pelargonidin, and peonidin were

obtained from ChromaDex (Santa Clara, CA). Phenolic acids (vanillic,



p-coumaric, protocatechuic, ferulic, and benzoic acids), flavonols

(quercetin, rutin, myricetin, kaempferol), flavanone (hesperidin), and

flavones (apigenin, luteolin) were purchased from Sigma Chemical Co.

(St. Louis, MO).



Isolation of a Total Phenolic Fraction (TPF). A TPF from a PCE

was obtained by using reverse-phase C

18

cartridges (Sep-Pak cartridges)



(Waters Corp., Milford, MA). A 0.2-g sample of PCE was dissolved

in 500 mL of distilled water. The Sep-Pak cartridge was conditioned

with 50 mL of methanol followed by the addition of 50 mL of distilled

water. The sample was loaded, and the phenolic compounds already

attached in the matrix were eluted with 100 mL of methanol containing

0.1% TFA. Water-soluble impurities were eluted during loading of the

cartridge. Methanol was evaporated in a rotoevaporator (Bu¨chi,

Switzerland) under vacuum at 40

°

C and 240 mbar of pressure and



then resuspended in distilled water, frozen at -80

°

C, and freeze-dried



in a freeze-dryer from FTS Systems, Inc. (Stone Ridge, NY) at -50

°

C and 200



µmHg of pressure.

Fractionation of Phenolic Compounds. A detailed diagram of the

fractionation of the PCE phenolic compounds is presented in Figure



1. Fractionation of 0.5 g of powder PCE was accomplished following

dissolution in 100 mL of distilled water. The PCE solution was

combined with 400 mL of ethyl acetate in a separation funnel. The

mixture was agitated and left to stand until two phases were observed.

The anthocyanin-rich phase was freeze-dried (at -50

°

C and 200



µmHg

of pressure), and the ethyl acetate phase was concentrated under vacuum

(at 40

°

C and 240 mbar of pressure) and resuspended in DMSO or



methanol.

The anthocyanin-rich water fraction (WF) was further fractionated

using a 50 cm

× 2.5 cm Toyopearl HW40 gel permeation column

preequilibrated with 20% methanol containing 0.1% TFA (20 h at 2

mL/min). A total of 0.1 g of the powdered WF was dissolved in 5 mL

of 20% methanol containing 0.1% TFA. Compounds present on the

column were eluted with 300 mL of 20% methanol, 600 mL of 40%

methanol, 300 mL of 60% methanol, 300 mL of 80% methanol, and

750 mL of 100% methanol at a flow rate of 1 mL/min, and 180 fractions

(12.5 mL/each) were collected. Compound elution was monitored at

280 nm and 520 nm using a Hewlett-Packard 8452A diode-array

spectrophotometer. The subfractions obtained were concentrated to

evaporate the solvent and then resuspended in water and freeze-dried.

Following solvent removal, the ethyl acetate fraction (EAF) was

resuspended in methanol and loaded on a 50

× 2.5 cm Sephadex LH-

20 column previously equilibrated with methanol for 12-20 h at 1.0

mL/min. Individual compounds were eluted at a flow rate of 0.5 mL/

min, and 200 fractions (5 mL/each) were collected. Compound elution

was monitored in each individual fraction at several wavelengths,

namely, 280, 320, 360, and 520 nm, using a Hewlett-Packard 8452A

diode-array spectrophotometer. The subfractions obtained were con-

centrated by evaporating the solvent and were then resuspended in

DMSO. Total phenolics were quantified in each fraction by an

adaptation of the Folin-Ciocalteau method and are expressed as

chlorogenic equivalents (16). Antioxidant activity was quantified by

Figure 1.

Fractionation of phenolic compounds from a purple corn crude extract (PCE).



4558

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

Pedreschi and Cisneros-Zevallos



the 2,2

-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging method



and are expressed as Trolox equivalents (17). The Folin-Ciocalteau

phenolic contents of PCE and the C-18-purified TPF were 21.3 ( 0.5

and 51.7 ( 0.9 g of chlorogenic acid equiv/100 g of PCE or TPF

powder, respectively, and the phenolic contents of WF and EAF

obtained from a purified TPF were 59.7 ( 0.8 and 34.0 ( 0.3 g of

chlorogenic acid equiv/100 g of WF or EAF fraction, respectively.



Toxicity and Mutagenic and Antimutagenic Activities. The Ames

test (18) was used to test the mutagenic and antimutagenic activities

of the PCE, TPF, WF, and EAF and their respective subfractions.

Salmonella Typhimurium TA98, “S-9 Mix activation system”, and the

Trp-P-1 food mutagen were included in the test. Toxicity assays under

the same conditions as used for the Ames test were performed to

determine the maximum concentrations of chemical compounds

(expressed as micrograms of chlorogenic acid equivalents per plate)

that could be added without exerting any toxic effect on the bacteria

used in the Ames test. A lyophilized disk of TA98 was added to 25

mL of nutrient broth (Oxoid no. 2) and incubated for 10-16 h at 37

°

C and under agitation at 200 rpm in a shaking incubator. Optimal



assay conditions existed when the cultures exhibited optical densities

of 1.2-1.4 at 660 nm. The procedure included incubation in a sterile

12

× 75 mm tube with 0.1 mL of DMSO, 0.1 mL of extract or chemical



substance to be tested, 0.5 mL of S-9 Mix activation system (20

µL/


plate), and 0.1 mL of TA98. The mix was shaken gently and incubated

for 20 min at 37

°

C. Then, 2 mL of top agar was added with thorough



mixing and serially diluted with peptone water to create logarithmic

differences in cell concentrations. Diluted test suspensions were plated

on nutrient agar plates using the drop surface technique and incubated

for 12-15 h at 37

°

C. Well-separated colonies on 20



µL drops were

counted having colonies between 3 and 30 using a magnifier. Results

are expressed as cfu/mL.

To test mutagenic activity, 0.1 mL of DMSO (mutagen solvent),

0.1 mL of compound to be tested, 0.5 mL of S-9 Mix activation system,

and 0.1 mL of TA98 were incubated together for 20 min at 37

°

C.

Then, 2 mL of top agar was added, and the whole solution thoroughly



mixed. The solution was poured on minimal-glucose agar plates,

allowed to harden, and incubated at 37

°

C for 48 h. Under these



conditions, the Salmonella Typhimurium TA98, which carries a

defective or mutant gene making it unable to synthesize histidine, can

regain its gene function, and revertant cells will grow in the histidine-

lacking medium. An assay blank was formed by combining 0.1 mL of

DMSO with 0.1 mL of extract solvent (water or DMSO) prior to

addition of 0.5 mL of S-9 Mix activation system and 0.1 mL TA98.

Blank incubations were used to determine the spontaneous rate of

bacterial mutation (revertants). Reversion rates in blank incubations

were used as negative controls for the assay. The number of spontaneous

revertants was expected to be between 20 and 60 colonies per plate.

The spontaneous reversion rate was subtracted from the raw treatment

values prior to statistical analysis. Mutagenic activity was tested for

the PCE, TPF, WF, EAF and their respective subfractions.

To test antimutagenic activity, 0.1 mL of Trp-P-1 (0.75

µg/mL

solution), 0.1 mL of the compound to be tested, 0.5 mL of S-9 Mix



activation system, and 0.1 mL of TA98 were placed in a sterile 12

×

75 mm tube and preincubated for 20 min at 37



°

C. Then, 2 mL of

molten top agar was added, and the solution was thoroughly mixed

and poured on minimal-glucose agar plates and incubated at 37

°

C for


48 h, after which revertants were counted. A positive control consisting

of 0.1 mL of Trp-P-1, 0.1 mL of extract solvent, 0.5 mL of S-9 Mix,

and 0.1 mL of TA98 treated as above was included in the test. A control

used 0.075

µg of Trp-P-1 per plate and normally showed 794 ( 189

revertants per plate.

Antimutagenic activity was calculated as percentage inhibition of

mutagenic activity

For PCE, TPF, WF, and EAF, antimutagenic activity was tested in

the range 0-850

µg of chlorogenic acid equiv/plate. However, for the

WF and EAF subfractions, antimutagenic activity was assayed only at

a specific concentration determined from the dose-response curves

for the WF and EAF. IC

50

values were determined from dose-response



curves and corresponded to the concentration of the tested compound

(micrograms of chlorogenic acid equivalents per plate) required for

50% inhibition of mutagenic activity.

Mechanism of Antimutagenic Action. To account for the mech-

anism of antimutagenic action, the approach described by Hour and

others (19) was utilized for the WF, EAF, and the subfraction that

showed the highest antimutagenic activity. The treatments tested were

as follows:

(I) Blank. 0.1 mL Trp-P-1 (0.75

µg/mL) was incubated with 0.5

mL of S-9 Mix, 0.1 mL of TA 98, and 0.1 mL of DMSO at 37

°

C for



30 min without the antimutagen.

(II) Mutagen and Then Antimutagen. S-9 Mix (0.5 mL) and TA98

(0.1 mL) were mixed with 0.1 mL of Trp-P-1 (0.75

µg/mL) at 37

°

C



for 15 min, and then 0.1 mL of tested compound was added and

incubated at 37

°

C for an additional 15 min.



(III) Antimutagen and Then Mutagen. S-9 Mix (0.5 mL) and TA98

(0.1 mL) were preincubated with 0.1 mL of tested compound at 37

°

C

for 15 min, and then 0.1 mL of Trp-P-1 (0.75



µg/mL) was added and

incubated for an additional 15 min at the same temperature.



(IV) All Components and Then Bacteria. Trp-P-1 (0.1 mL), the tested

compound (0.1 mL), and S-9 Mix (0.5 mL) were incubated for 15 min

at 37

°

C, and then 0.1 mL of TA98 was added and incubated at the



same temperature for an additional 15 min.

(V) All Components Simultaneously. Trp-P-1 (0.1 mL), the tested

compound (0.1 mL), TA98 (0.1 mL), and S-9 Mix (0.5 mL) were

incubated at 37

°

C for 30 min.



The WF was tested at a concentration equivalent to 200

µg of


chlorogenic acid/plate. The EAF was tested at a concentration equivalent

to 90


µg of chlorogenic acid/plate. The subfraction with the highest

antimutagenic activity was tested at a concentration equivalent to 50

µg of chlorogenic acid/plate.

HPLC Analysis. Phenolic compounds were separated using a binary

Waters 515 HPLC system, a Waters 717 plus autosampler automated

gradient controller, an SP8792 temperature controller, and a Waters

996 photodiode-array detector. For peak integration, Millenium

32

software from Waters (Milford, MA) was used. An Atlantis C



18

5-

µm,



4.6 mm

× 150 mm column and a 4.6 mm × 20 mm guard column

were used for the separation of phenolic compounds. The mobile phase

was composed of solvent A (Nanopure water adjusted to pH 2.3 with

2 N HCl) and solvent B (HPLC-grade acetonitrile). The elution was as

follows: isocratic conditions from 0 to 5 min with 85% A and 15% B;

linear gradient conditions from 5 to 30 min starting with 85% A and

ending with 0% and starting with 15% B and ending with 100%; and

then, isocratic conditions from 30 to 35 min with 0% A and 100% B.

The flow rate was 1 mL/min, and a 10-

µL sample was injected (20).

The temperature of the column was kept at 35

°

C. Phenolic compounds



were identified on the basis of retention time and UV-visible spectral

data compared to known standards as described by Pedreschi and

Cisneros-Zevallos (15). Acylated forms were deduced by performing

basic hydrolysis according to the method described by Pedreschi and

Cisneros-Zevallos (15).

Statistical Analysis. In all cases, five replicates were used to test

mutagenic and antimutagenic activities. For the other assays, six

replicates were used. Replicates were obtained from several fraction-

ations of the PCE. Results were processed by using the one-way

variance analysis (ANOVA). Differences at < 0.05 were considered

to be significant. A Tukey for comparison of multiple means and a

χ

2

test for comparison of dose-response curves were used. SPSS software



(SPSS Inc., 2002) was used to run all specific statistical analysis.

RESULTS AND DISCUSSION

Purple Corn Extract (PCE) and the C-18 Purified

Phenolic Fraction (TPF). The purple corn extract (PCE) and

the C-18-purified phenolic fraction (TPF) showed antimutagenic

activities with similar trends of dose-response inhibitions

against the activated mutagen Trp-P-1 for a range of phenolic

concentrations of 0-850

µg/plate (Figure 2a). The curves were

Inhibition (%) )

100


×

[

1 -



(

treatment - negative control

positive control - negative control

)

]



Purple Corn Antioxidant and Antimutagenic Properties

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006



4559


slightly different (

χ

2



test, < 0.05), and the gap observed could

be due to a slight inhibitory effect of other compounds present

in the PCE such as maltodextrins. The antimutagenic activities

of PCE and TPF reached maxima of 96.02 ( 1.2% and 97.2 (

0.2%, respectively, for a phenolic concentration of 850

µg/plate.

No mutagenic (

∼20-35 revertants/plate) or cell toxicity effects

(

∼10


6

-10


7

cfu/mL microbial growth) were observed in the

range of concentrations tested. The antimutagenic activity of

phenolic compounds has been extensively reported (7-921-



24); however, antimutagenic properties of purple corn due to

Figure 2.

Inhibition of mutagenic activity on TA98 against the food mutagen Trp-P-1 by (a) PCE and TPF and (b) WF and EAF in the range 0

850


µ

g

of chlorogenic acid equiv/plate. (c) IC



50

and antioxidant values for PCE, TPF, WF, and EAF.



4560

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

Pedreschi and Cisneros-Zevallos



phenolic compounds have not been characterized before. Ad-

ditionally, the specific antioxidant activities for PCE and TPF

were determined as 0.954 ( 0.05 and 1.107 ( 0.016

µg of


Trolox equiv/

µg of phenolics, respectively. These antioxidant

activities on a phenolic basis are similar to or higher than those

of blueberries (11). There is a need to determine whether the

antioxidant activity plays a role in the observed antimutagenic

properties.



Water and Ethyl Acetate Phenolic Fractions from PCE.

The two main fractions obtained by partition, the anthocyanin-

rich WF and the EAF, showed dose-dependent antimutagenic

activities in the range of concentrations used (Figure 2b). No

mutagenic effects were observed for either fraction (

∼20-50


revertants/plate); however, toxic effects were seen for the EAF

only at concentrations >320

µg/plate (a decrease from 10

7

to



10

5

cfu/mL). These results will restrict the use of the Ames



test to a certain concentration range for the EAF, but they also

suggest the possibility of investigating the type of phenolics

present in the EAF as natural antimicrobials. Inhibitions of

mutagenic activity against the food mutagen Trp-P-1 for WF

and EAF were 92.09 ( 1.8% and 89.5 ( 1.6% for phenolic

concentrations of 850 and 320

µg/plate, respectively.

The antioxidant activities for the WF and EAF was deter-

mined as 1.019 ( 0.05 and 0.838 ( 0.11

µg of Trolox/µg of

phenolics, respectively. A higher antioxidant activity of the WF

was expected, as this fraction is rich in anthocyanins and these

types of phenolic compounds have been reported to have higher

antioxidant activities than phenolic acids and flavonols mainly

present in EAF (2526).

The EAF seemed to contain the most bioactive antimutagens,

requiring the lowest phenolic concentration to obtain a 50%

inhibition in mutagenic activity (IC

50

value of 95.2 ( 10.95



µg/plate) compared to PCE, TPF, and WF (Figure 2c). However,

there was no clear relationship between antioxidant and anti-

mutagenic activities. Further fractionation of the WF and EAF

was performed to determine the specific phenolic compounds

in the PCE associated with the responses.

WF Subfractionations. Fractionation of the anthocyanin-rich

WF on a Toyopearl HW40 column yielded five subfractions

(W-I, W-II, W-III, W-IV, and W-V), which were characterized

at 280 and 520 nm (Figure 3a). The five subfractions showed

no toxicity (

∼10


6

cfu/mL microbial growth) or mutagenic effects

(

∼20-25 revertants/plate) when tested at 200 µg/plate. It was



reported previously that anthocyanins do not exert toxic effects

in the Ames test (27).

All of the water subfractions showed antimutagenic activities.

The antimutagenic activities of subfractions W-I to W-IV were

in similar ranges (

∼35-46%, not significantly different, >

0.05) with fractions W-III and W-IV having slightly lower

values. On the other hand, subfraction W-V was significantly

lower (< 0.05) and the least efficient antimutagen compared

to the other subfractions (

∼17%, < 0.05) (Figure 3b). The

antimutagenic activity of anthocyanins using the Ames test has

been reported previously for different crops and mutagens (22,

Figure 3.

(a) Fractionation of the anthocyanin-rich WF on a Toyopearl HW-40 column and (b) antioxidant and percent inhibition of mutagenic activity for

the water subfractions on TA98 against the food mutagen Trp-P-1. Antimutagenic activity was tested at a concentration of 200

µ

g of chlorogenic acid



equiv/plate.

Purple Corn Antioxidant and Antimutagenic Properties

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

4561



24). In general, all five water subfractions showed similar

antioxidant activities, ranging from

∼0.880 to 1.050 µg of

Trolox/


µg of phenolics (Figure 3b), indicating that there was

no clear relationship between anthocyanin antioxidant activities

and antimutagenic properties.

The HPLC-DAD characterization revealed the presence of

glucoside forms of cyanindin, peonidin, pelargonidin, and their

respective acylated counterparts (Figure 4). Two or four

anthocyanins were present in each subfraction with the exception

of WF-V, which had only one type. WF subfractions showed

mainly peonidin-3-glucoside in W-I (

∼81% relative A

520nm

),

cyanidin-3-glucoside in W-II (



∼95% relative A

520nm


), peonidin-

3-glucoside and acylated cyanidin-3-glucoside in W-III (

∼38%

and 36% relative A



520nm

, respectively), acylated cyanidin-3-

glucoside in W-IV (

∼76% relative A

520nm

), and acylated



peonidin-3-glucoside in W-V (

∼100% relative A

520nm

) (Table


1). These results suggest that the presence of acylated antho-

cyanins alone or in larger amounts in a mixture (e.g., 100%

and 83% for W-V and W-IV, respectively) reduces the anti-

mutagenic efficiency of the water subfractions in purple corn.

On the other hand, the presence of only anthocyanin glucosides

in a mixture (e.g., 100% for both W-I and W-II) can enhance

the antimutagenic potency of the water subfractions. This

enhanced potency is independent of the type of aglycons present

in the glucoside forms of the W-I and W-II mixtures.

The obtained results differ from those reported for cyanidin-

and peonidin-derived anthocyanins from purple-fleshed sweet

potato (9). In that study, acylated anthocyanins showed similar

or higher antimutagenic potencies compared to deacylated

anthocyanins, relating them to the aglycons present and the

acylating groups. For example, cyanindin-derived anthocyanins

had a stronger potency than peonidin-derived anthocyanins, and

the acylating groups, caffeic and ferulic acid, showed high

antimutagenicity effects as well. It is likely that the observed



Figure 4.

HPLC profile for the water subfractions at 520 nm. Samples were injected at a concentration of 200

µ

g of chlorogenic acid equiv/mL.



Table 1.

Relative Percentage Contributions of the Different Peaks Obtained in the Water Subfractions

subfraction

peak


no.

retention

time (min)

λ

max



(nm)

relative


A

520nm


a

(%)


compound

W-I


1

5.45


202.4, 279.1, 515.8

18.93


cyanidin-3-glucoside

3

8.033



198.9, 279.1, 515.8

81.07


peonidin-3-glucoside

W-II


1

5.45


202.4, 279.1, 515.8

95.49


cyanidin-3-glucoside

2

6.891



201.3, 275.5, 508.5

4.51


pelargonidin3-glucoside

W-III


1

5.483


202.4, 279.1, 515.8

17.49


cyanidin-3-glucoside

2

7.002



201.3, 275.5, 508.5

8.18


pelargonidin-3-glucoside

3

8.335



198.9, 279.1, 515.8

37.89


peonidin-3-glucoside

4

14.822



203.4, 279.1, 515.8

36.44


acylated cyanidin-3-glucoside

W-IV


1

5.478


202.4, 279.1, 515.8

12.49


cyanidin-3-glucoside

3

9.114



198.9, 279.1, 515.8

4.41


peonidin-3-glucoside

4

12.944



203.4, 279.1, 515.8

75.92


acylated cyanidin-3-glucoside

5

14.476



202.4, 276.7, 508.5

7.18


acylated pelargonidin-3-glucoside

W-V


6

14.929


202.0, 279.1, 515.8

100


acylated peonidin-3-glucoside

a

Percentage area is defined as the integrated area of a single peak divided by the total area of all integrated peaks.



4562

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

Pedreschi and Cisneros-Zevallos



differences are related to the structural forms of the anthocyanins

in sweet potato, which have more complex glycoside groups

and the presence of acylating phenolic acids, whereas purple

corn anthocyanins have simple glucose attached and malonic

acid as acylating groups (162829).

More work is needed to understand the structure-bioactive

property relationship of anthocyanins. Some features such as

molecule polarity by the introduction of hydroxyl groups can

reduce antimutagenic activity (21) while enhancing antioxidant

activity (3031).



EAF Subfractionations. Fractionation of EAF on a Sephadex

LH-20 column yielded four subfractions (EA-I, EA-II, EA-III,

and EA-IV), which were characterized at 280, 320, 360, and

520 nm (Figure 5a). The four subfractions showed no toxicity

effects (

∼10


7

cfu/mL microbial growth) or mutagenic effects

(

∼20-45 revertants/plate) at a phenolic concentration of 90 µg/



plate. In general, all four EAF subfractions showed antimu-

tagenic activity against the food mutagen Trp-P-1 (Figure 4b).

The antimutagenic activities of the EAF subfractions were in

the range of

∼24-81% and presented the following descending

order: EAF-IV > EAF-III

≈ EAF-I > EAF-II. Subfraction EA-

IV was the most potent antimutagen compared to the other

subfractions (< 0.05), followed by EAF-III, and they showed

inhibition of mutagenic activities of 81.0 ( 4.8% and 38.1 (

11.6%, respectively.

The antioxidant activities for the EAF subfractions were in

the range of

∼0.530-1.330 µg of Trolox/µg of phenolics and

decreased as follows: EAF-IV > EAF-III

≈ EAF-II > EAF-I.

Once again, subfraction EA-IV was the highest in antioxidant

activity among the different EAF subfractions (< 0.05),

followed by EAF-III, with values of 1.330 ( 0.104 and 1.020

( 0.180 µg of Trolox/µg of phenolics, respectively.

The HPLC-DAD characterization revealed the presence of

simple phenolic acids, flavonols, a flavanone, and bound

hydroxycinnamic acid forms. These phenolic compounds were

present in mixtures of three or six phenolic compounds in each

subfraction with the exception of EAF-IV, which had only one

type of phenolic compound (Figure 6). Results revealed the

presence of mainly bound hydroxycinnamic acid forms in EA-I

(100% relative A

280nm

), phenolic acids in EA-II (



∼53% relative

A

280nm


), quercetin derivatives in EA-III (

∼80% relative A

280nm

),

and a quercetin derivative in W-IV (100% relative A



280nm

) (Table


2). These results suggest that the presence of quercetin deriva-

tives alone or in larger amounts in a mixture (e.g., 80-100%

in EA-III and EA-IV) enhances the antimutagenic efficiency

of the ethyl acetate subfractions from purple corn extracts. On



Figure 5.

(a) Fractionation of the ethyl acetate fraction EAF on a Sephadex LH-20 column and (b) antioxidant and percent inhibition of mutagenic activity

for the ethyl acetate subfractions on TA98 against the food mutagen Trp-P-1. Antimutagenic activity was tested at a concentration of 90

µ

g of chlorogenic



acid equiv/plate.

Purple Corn Antioxidant and Antimutagenic Properties

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

4563



the other hand, the presence of phenolic acids in a mixture (e.g.,

53-100% in EA-II and EA-I) reduces the antimutagenic potency

of the ethyl acetate subfractions. EA-IV, the most bioactive

subfraction, shows a quercetin derivative similar to a rutin-like

molecule as determined from UV-visible spectral data (Figure

6, Table 2). Rutin has been reported as an excellent antimutagen

against the mutagens IQ (2-amino-3-methyl-imidazo[4,5-f]-

quinoline) and a type of benzo[a] pyrene (2132). Furthermore,

quercetin has been shown to have a higher DPPH antioxidant

activity than several anthocyanidins and phenolic acids (30).

The quercetin derivative in the present study showed both high

antioxidant and antimutagenic properties.

To account for the relative contributions of the EAF and WF

in terms of bioactivity, it is important to know the relative

contribution of each fraction to the total phenolics present in

the PCE. In this study, the C-18-purified TPF represented

∼21.86% of PCE by weight after recovery from the Sep-Pak

cartridge. This TPF was partitioned in water/ethyl acetate,

yielding purified WF and EAF that represented

∼74.6% and

22.3% of TPF by weight. According to this result, PCE is an

important source of nonanthocyanin phenolic compounds that

had been ignored in previous studies in that bioactivity was

tested and attributed only to the anthocyanins (1013).



Mechanism of Antimutagenic Action. The TA98 cells were

subjected to five different treatments to determine the antimu-

tagenic mechanism of action of the anthocyanin-rich WF, EAF,

and EA-IV (Figure 7). Several mechanisms have been proposed

for the action of phenolic compounds as antimutagens; however,

two main mechanisms in the Ames test include the inhibition

of enzyme systems such as the cytochrome-P450-dependent

bioactivation of the various mutagens and the scavenging of

metabolically generated mutagenic electrophiles (26). In addi-

tion, a third proposed mechanism might include the blocking

of the mutagen transfer into the cytosol by phenolic binding or

insertion into the transporters of the outer membrane of the cell

(19).

The controls, which included a preincubation of bacteria

TA98 cells and the activated mutagen Trp-P-1, showed mu-

tagenic effects of

∼600 revertants/plate for all three experiments

(treatment I). The WF showed antimutagenic activity when it

was supplied after the preincubation of bacteria and the activated

Trp-P-1 (treatment II), suggesting a scavenging action of the

anthocyanins against the generated mutagenic electrophiles

(Figure 7a). The WF also showed a higher antimutagenic effect

(< 0.05) when it was preincubated with the bacteria and the

S-9 Mix before exposure to Trp-P-1, suggesting that anthocya-

nins can interfere with the S-9 Mix enzymes responsible for

the mutagen activation (treatment III). A similar response was

obtained (> 0.05) when the WF, S-9 Mix, and Trp-P-1 were

preincubated together before exposure to the bateria cells

(treatment IV), indicating this time that anthocyanins might

preferentially act on the enzyme systems. Treatment V, which

corresponded to a 30-min incubation of all of the components

together showed mutagenic suppression comparable to those



Figure 6.

HPLC profile for the ethyl acetate subfractions at 280 nm. Samples were injected at a concentration of 90

µ

g of chlorogenic acid equiv/mL.



Table 2.

Relative Percentage Contribution of the Different Peaks

Obtained in the ethyl acetate subfractions

subfrac-


tion

peak


no.

retention

time (min)

λ

max



(nm)

relative


A

280nm


a

(%)


compound

EA-I


1

20.658



198.9, 324.3

16.28


hydroxycinnamic derivative

b

2



21.367


200.1, 315.9

5.36


hydroxycinnamic derivative

b

3



22.495


198.9, 310

78.36


hydroxycinnamic derivative

b

EA-II



4

4.394



204.8, 259, 293.3

21.21


protocatechuic acid

5



13.78

202.4, 224.8, 308.8

15.79

p-coumaric acid



6

18.269



197.8, 288.6

14.43


hesperitin derivative

7



18.489

197.8, 291, 315.9

31.98

unknown


3

22.150



198.9, 310

11.35


hydroxycinnamic derivative

b

8



22.538


197.8, 326.7

5.24


hydroxycinnamic derivative

b

EA-III



9

5.273



202.4, 279.1, 515.8

19.68


cyanidin-3-glucoside

10



15.278

202.4, 254.2, 353

16.15

quercetin derivative



11

16.409



198.9, 253.1, 351.8

64.18


quercetin derivative

EA-IV


10

15.302



202.4, 254.2, 353

100


quercetin derivative

a

Percentage area is defined as the integrated area of a single peak divided by



the total area of all integrated peaks. Peak absorbances at other wavelengths

were also measured but were not presented to simplify the analysis.

b

Bound


hydroxycinnamic forms composed of ferulic and

p

-coumaric derivatives (



12

).

4564

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

Pedreschi and Cisneros-Zevallos




Figure 7.

Mechanisms of antimutagenic action for (a) WF, (b) EAF, and (c) EA-IV. The concentrations used were 200, 90, and 50

µ

g of chlorogenic



acid equiv/plate.

Purple Corn Antioxidant and Antimutagenic Properties

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

4565



of treatments III and IV (> 0.05). The latter treatment would

confirm that the predominant mechanism of antimutagenic

action by the WF is due to inhibition of the S-9 Mix enzymes

responsible for the mutagen activation of Trp-P-1. This pre-

dominant mechanism would explain the lack of correlation

between the antioxidant and antimutagenic activities observed

before for purple corn anthocyanins.

On the other hand, both the EAF and the subfraction EA-IV

showed similar trend behaviors in the inhibition of the mutagenic

activity of Trp-P-1 (Figure 7b,c). Results for treatments II, III,

and IV showed trends similar to those obtained for the WF.

However, treatment V resulted in a further reduction of

mutagenic activity (< 0.05), indicating that the nonanthocya-

nin phenolic compounds in EAF and EA-IV were involved in

further scavenging of mutagen electrophiles due most likely to

the longer period of incubation of the different components of

the assay. These results suggest that nonanthocyanin compounds

from the EAF and EA-IV show a dual antimutagenic mechanism

of action involving both enzyme inactivation and the scavenging

of reactive electrophiles that take place in different proportions

compared to the WF. In addition, this dual mechanism would

also explain the enhanced antioxidant and antimutagenic activi-

ties observed before for the EA-IV subfraction.

The predominant mechanism of action would be dependent

not only on the phenolic structures but also on the reaction

kinetics taking place among the different components of the

Ames test. This will include the reaction kinetics of Trp-P-1

and the S-9 Mix, the antimutagen with the S-9 Mix, the

antimutagen and the generated electrophiles, and these with the

cells. Further studies are needed to determine the real impact

of reaction kinetics.

In general, this study has shown that phenolic compounds

present in Andean purple corn have antimutagenic properties.

The phenolic compounds present in the ethyl acetate fractions

were mainly composed of phenolic acids and flavonols and were

more potent antimutagens than the anthocyanins present in the

water fraction. Quercetin derivatives are responsible for this

enhanced activity. No toxic effects were seen at doses lower

than 350

µg of chlorogenic acid equiv/plate. The antimutagenic

mechanism of action of purple corn phenolic compounds

involved enzyme inactivation and scavenging of electrophiles

and depended on the phenolic fraction. This work states the

importance of considering the phenolic compounds other than

anthocyanins in biological studies when using Andean purple

corn extracts.



LITERATURE CITED

(1) Edenharder, R.; Kurz, P.; Burgad, S.; Seeger, K. In vitro effect

of vegetable and fruit juices on the mutagenicity of 2-amino-3-

methylimidazo[4,5-f]quinoline, 2-amino-3,4-dimethylimidazo-

[4,5-f]quinoline and 2-amino-3,8-dimethylimidazo[4,5-f] qui-

noxaline. Chem. Toxicol199432 (5), 443-459.

(2) Felton, J. S.; Knize, M. G. Occurrence, identification and bacterial

mutagenicity of heterocyclic amines in cooked food. Mutat. Res.



1991259, 205-217.

(3) Shiotani, B.; Ashida, H. 3-Amino-1,4-dimethyl-5H-pyrido[4,3-

b]indole (Trp-P-1) triggers apoptosis by DNA double-strand

breaks caused by inhibition of topoisomerase I. Carcinogenesis



200425 (7), 1149-1155.

(4) Wakata, A.; Oka, N.; Hiramoto, K.; Yoshiota, A.; Negishi, K.;

Wataya, Y.; Hayatsu, H. DNA strand cleavage in Vitro by

3-hydroxyamino-1-methyl-5H-pyrido[4,3-b]indole, a direct actino

mutagen formed in the metabolism of carcinogenic 3-amino-1-

methyl-5H-pyrido[4,3-b]indole. Cancer Res198545, 5867-

5871.

(5) Munzner, R. Modifying action of vegetable juice on the



mutagenicity of beef extract and nitrosated beef extract. Chem.

Toxicol198624 (8), 847-849.

(6) Stich, H. F.; Rosin, M. P. Naturally occurring phenolics as

antimutagenic and anticarcinogenic agents. Exp. Med. Biol. 1984,

177, 1-29.

(7) Steele, C. M.; Lalies, M.; Ioannides, C. Inhibition of mutagenicity

of aromatic amines by the plant flavonoid (+)-catechin. Cancer

Res198545, 3573-3577.

(8) Mitscher, L. A.; Telikepalli, H.; Wang, P. B.; Kuo, S.; Shankel,

D. M.; Stewart, G. Antimutagenicity of secondary metabolites

from higher plants. Mutat. Res. 1992267, 229-241.

(9) Yoshimoto, M.; Okuno, S.; Yamaguchi, M.; Yamakawa, O.

Antimutagenicity of deacylated anthocyanins in purple-fleshed

sweet potato. Biosci. Biotechnol. Biochem200165, 1652-

1655.


(10) Hagiwara, A.; Miyashita, K.; Nakanishi, T.; Sano, M.; Tamano,

S.; Kadota, T.; Koda, T.; Nakamura, M.; Imaida, K.; Ito, N.;

Shirai, T. Pronounced inhibition by a natural anthocyanin, purple

corn color, of 2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine

(PhIP)-associated colorectal carcinogenesis in male F344 rats

pretreated with1,2-dimethylhydrazine. Cancer Lett2001171,

17-25.

(11) Cevallos-Casals, B. A.; Cisneros-Zevallos, L. Stoichiometric and



kinetic studies of phenolic antioxidants from andean purple corn

and red-fleshed sweet potato. J. Agric. Food Chem. 200351,

3313-3319.

(12) Cevallos-Casals, B. A.; Cisneros-Zevallos, L. Stability of an-

thocyanin-based aqueous extracts of andean purple corn and red-

fleshed sweet potato compared to synthetic and natural colorants.



Food Chem200486, 69-77.

(13) Tsuda, T.; Horio, F.; Uchida, K.; Aoki, H.; Osawa, T. Dietary

Cyanidin 3-O-

β-

D



-glucoside-rich purple corn color prevents

obesity and ameliorates hyperglycemia in mice. J. Nutr. 2003,



133, 2125-2130.

(14) Kawazoe, S.; Hojo, Y.; Mizutani, T. Evaluation of hepatotoxicity

and nephrotoxicity of natural food colorants in mice depleted

of glutathione by

D

,

L



-buthionine sulfoximine. J. Health Sci. 2000,

46, 56-58.

(15) Pedreschi, R.; Cisneros-Zevallos, L. Phenolic profiles of andean

purple corn (Zea mays L.). Food Chem., in press.

(16) Swain, T.; Hillis, W. E. The phenolic constituents of Prunus



domestica I.sThe quantitative analysis of phenolic constituents.

J. Sci. Food Agric. 195910, 63-68.

(17) Brand-Williams, W.; Cuvelier, M. E.; Berset, C. Use of a Free

Radical method to evaluate antioxidant activity. Lebensm. Wiss.

Technol. 199528, 25-30.

(18) Maron, D. M.; Ames, B. N. Revised methods for the Salmonella

mutagenicity test. Mutat. Res1983113, 173-215.

(19) Hour, T.; Liang, Y.; Chu, I.; Lin, J. Inhibition of eleven mutagens

by various tea extracts, (-)-epigallocatechin-3-gallate, gallic acid

and caffeine. Food Chem. Toxicol. 199937, 569-579.

(20) Hale, A. Screening potato genotypes for antioxidant activity,

identification of the responsible compounds and differentiating

Russet Norkotah strains using AFLP and microsatellite marker

analysis. Ph.D. Thesis, Texas A&M University, College Station,

TX, 2003.

(21) Edenharper, R.; von Petersdoff, I.; Rauscher, R. Antimutagenic

effects of flavonoids, chalcones and structurally related com-

pounds on the activity of 2-amino-3-methylimidazo[4,5-f]quino-

line (IQ) and, other heterocyclic amine mutagens from cooked

food. Mutat. Res1993287, 261-274.

(22) Deguchi, T.; Yoshimoto, M.; Ohda, R.; Ueda, S. Antimutage-

nicity of the purple pigment, Hordeumin, from uncooked barley

bran-fermented broth. Biosci. Biotechnol. Biochem. 200064,

414-416.


(23) Ren, H.; Endo, H.; Hayashi, T. Antioxidative and antimutagenic

activities and polyphenol content of pesticide-free and organically

cultivated green vegetables using water-soluble chitosan as a soil

modifier and leaf surface spray. J. Sci. Food Agric. 200181,

1426-1432.

4566

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006

Pedreschi and Cisneros-Zevallos



(24) Cardador-Martinez, A.; Castan˜o-Tostado, E.; Loarca-Pin˜a, G.

Antimutagenic activity of natural phenolic compounds present

in the common bean (Phaseolus Vulgaris) against aflatoxin B

1

.



Food Addit. Contam200219, 62-69.

(25) Rice-Evans, C. A.; Miller, N. J.; Paganga, G. Structure-

antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic

acids. Free Radical Biol. Med199620, 933-956.

(26) Del Pozo-Insfran, D.; Brenes, C. H.; Talcott, S. T. Phytochemical

composition and pigment stability of ac¸ai (Euterpe oleracea

Mart.). J. Agric. Food Chem200452, 1539-1545.

(27) Gasiorowski, K.; Szyba, K.; Brokos, B.; Kolaczynska, B.;

Jankowiak-Wlodarczk, M.; Oszmianski, J. Antimutagenic activity

of anthocyanins isolated from Aronia melanocarpa fruits. Cancer



Lett1997199, 37-46.

(28) Aoki, H.; Kuze, N.; Kato, Y. Anthocyanins isolated from purple

corn (Zea mays L.), 2001. Available at http://www.ffcr.or.jp/

zaidan/FFCRHOME.nsf/7bd44c20b0dc562649256502001b65e9/

c6698773361b42b249256ba60018e581/$FILE/anthocyanin-

FFIJ199.pdf (accessed Oct 10, 2003).

(29) Pascual-Teresa, S.; Santos-Buelga, C.; Rivas-Gonzalo, J. C. LC-

MS analysis of anthocyanins from purple corn cob. J. Sci. Food



Agric. 200282, 1003-1006.

(30) Rice-Evans, C. A.; Miller, N. J.; Paganga, G. Antioxidant

properties of phenolic compounds. Trends Plant Sci. 19972,

152-159.


(31) Czeczot, H.; Tudek, B.; Kusztelak, J.; Szymczyk, B.; Dobro-

wolska, B.; Glinkowska, G.; Malinowski, J.; Strzelecka, H.

Isolation and studies of the mutagenic activity in the Ames test

of flavonoids naturally occurring in medical herbs. Mutat. Res.



1990240, 209-216.

(32) Shahidi, F.; Naczk, M. In Food Phenolics: An OVerView;

Technomic Publishing Co. Inc.: Lancaster, PA, 1995; Chapter

I, pp 3-4.



Received for review December 12, 2005. Revised manuscript received

March 30, 2006. Accepted April 3, 2006.

JF0531050

Purple Corn Antioxidant and Antimutagenic Properties

J. Agric. Food Chem., Vol. 54, No. 13, 2006



4567

Yüklə 177,22 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə