Characterization of bioactive compounds in the skin of different hazelnut varieties using mass spectrometry analysis
Author(s)
Lelli, Veronica
Date Issued
June 25, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
This research aimed to identify, at first, the skin’s phenolic profiles and total antioxidant activities of
two local (Viterbo) hazelnut cultivars (Giffoni and Romana). Comparison between hazelnut skin of
Giffoni and Romana varieties has shown that there were not significant differences in total phenolics
content and in total antioxidant capacity. Then we used UHPLC-MS to profile these two hazelnut’s
skins varieties, in triplicate. The metabolomics data revealed significant differences between these
two species. In fact, the principal component analysis (PCA) showed a clear separation of Romana
from Giffoni. To identified the most relevant pathways we used the bioinformatics Metabolomics
Pathway Analysis (MetPA) by MetaboAnalyst 4.0 which combines results from the pathway
enrichment analysis with the pathway topology analysis. Due to results demonstrated that the most
altered metabolic pathways were relative to Flavonol and Phenylpropanoid Biosynthesis, we focused
and discussed these pathways. Data showed that Flavone, and Phenylpropanoid Biosynthesis
pathways are significantly higher in Romana rather than in Giffoni variety, whereas Myricetin and
Syringetin compounds are more representative in Giffoni cultivar. Therefore, the Romana cultivar is
of greater interest. The higher concentration of Flavonoid in the Romana variety, makes these species
potentially available as an ingredient in functional foods.
Finally, appropriate model validation is therefore a crucial step to assess reliability for quantitative
or confirmatory purposes, based on these results we move from untargeted to targeted mass
spectrometric methods and we quantified the principal phenolic compounds of phenylpropanoid
pathways using authentic standards to demonstrate if they were effectively present in quantities such
as to consider hazelnut skin a beneficial food for health, although the quantity of the flavonoids
detected is remarkably high to be considered useful as an antioxidant. The concentration of Quercetin
is higher in the Giffoni, while the concentration of Rutin is higher in the Romana. In particular, the antioxidant capacity of various nuts and their byproducts has been widely investigated, and several works have acknowledged that nut byproducts are especially rich sources of natural phenolic compounds with potential bioactivities. For this reason, in a third phase of this project, it seemed interesting to us to determine the lipid profile of these two varieties of hazelnut peel to highlight whether even in this case there were differences between the species.
The lipidomic analysis detected a total of 5 classes of lipids: diglycerides (DG), monoacylglycerol (MG), monogalactosyldiacylglycerol (MGDG), phosphatidylethanolamine (PE), and triglycerides (TG). The results show that the main membrane phospholipids were found in the Romana variety. These results agree with those obtained from metabolomics, confirming a better nutritional profile of the Romana species compared to the Giffoni.
Lo scopo di questo studio è stato identificare, in primo luogo, il profilo fenolico e l’attività
antiossidante della cuticola di due cultivar di nocciole locali (Viterbo) (Tonda di Giffoni e Tonda
Gentile Romana). Il confronto tra la cuticola di nocciola della varietà Giffoni e quella Romana ha
mostrato che non vi erano differenze significative nel contenuto fenolico totale e nella capacità
antiossidante totale. Quindi abbiamo utilizzato un metodo UHPLC-MS per profilare dal punto di vista
metabolomico queste due varietà di cuticole di nocciola. I dati di metabolomica hanno rivelato
differenze significative tra queste due specie. Infatti, l'analisi delle componenti principali (PCA) ha
mostrato una netta separazione della specie Romana dalla Giffoni. Per identificare i pathways più
rilevanti abbiamo utilizzato il tool Metabolomics Pathway Analysis (MetPA) del softwere
MetaboAnalyst 4.0. I risultati hanno dimostrato che le vie metaboliche più alterate erano relative alla
biosintesi di flavonoli e fenilpropanoidi, ci siamo, dunque, concentrati su queste vie. I dati hanno
mostrato che le vie di biosintesi del flavone e dei fenilpropanoidi sono significativamente più elevate
nella varietà Romana piuttosto che nella varietà Giffoni, mentre i composti Miricetina e Siringetina
sono più rappresentativi nella cultivar Giffoni. Pertanto, la cultivar Romana è di maggiore interesse.
La maggiore concentrazione di Flavonoidi nella varietà Romana, rende questa specie potenzialmente
disponibile come ingrediente per alimenti funzionali.
Infine, un passaggio cruciale, ai fini quantitativi e di conferma è stato l’analisi quantitativa. Si passa,
dunque, da metodi di spettrometria di massa untarget a metodi di spettrometria di massa target.
Abbiamo quantificato i principali composti fenolici utilizzando standard per dimostrare se fossero
presenti effettivamente in quantità tali da considerare la cuticola di nocciola un alimento benefico per
la salute. I risultati dell’analisi quantitativa mostrano che la concentrazione di Quercetina è maggiore
nella Giffoni, mentre la concentrazione di Rutina è maggiore nella Romana.
La capacità antiossidante di varie nocciole e dei loro sottoprodotti è stata ampiamente studiata e
diversi lavori hanno riconosciuto che i sottoprodotti delle nocciole sono fonti particolarmente ricche
di composti fenolici naturali con potenziali bioattività. Per questo, in una terza fase di questo progetto,
ci è sembrato interessante determinare il profilo lipidico di queste due varietà di buccia di nocciola
per evidenziare se anche in questo caso vi fossero differenze tra le specie.
L'analisi lipidomica ha rilevato un totale di 5 classi di lipidi: digliceridi (DG), monoacilgliceroli
(MG), monogalattosildiacilgliceroli (MGDG), fosfatidiletanolamine (PE) e trigliceridi (TG). I
risultati mostrano che i principali fosfolipidi di membrana sono stati trovati nella varietà Romana.
Questi risultati concordano con quelli ottenuti dall’analisi metabolomica, confermando un migliore
profilo nutrizionale della specie Tonda Gentile Romana rispetto alla Tonda di Giffoni.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, tecnologie e biotecnologie per la sostenibilità
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