Journal of Ethnopharmacology 100 (2005) 114-117 Perspective paper

Journal of Ethnopharmacology 100 (2005) 114–117

Perspective paper

Chemical diversity of propolis and the problem of standardization

Vassya Bankova

∗

Institute of Organic Chemistry with Centre of Phytochemistry, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, Bulgaria

Received 29 March 2005; received in revised form 29 March 2005; accepted 4 May 2005

Available online 29 June 2005

Abstract

Chemical variability of propolis is discussed with respect to the problem of standardization. Several chemical types of propolis are

formulated, based on their plant source. Reliable criteria for chemical standardization of different propolis types are needed but such generally

accepted criteria do not yet exist. The chemical profile of “poplar” propolis, typical for the temperate zone, can be characterized by the

following parameters: total flavone and flavonol content, total flavanone and dihydroflavonol content, and total phenolics content. These

parameters correlate better with the biological activity and are more informative that the quantification of individual components. There is

still a lot of work to be done to achieve standardization of other propolis types. Working with standardized material will allow scientists

to connect a particular chemical propolis type to a specific type of biological activity and formulate recommendations for mainstream

practitioners.

© 2005 Published by Elsevier Ireland Ltd.

Keywords: Propolis; Plant origin; Biological activity; Standardization

1. Introduction

Propolis (bee glue) is a sticky dark-colored material that

honeybees collect from plants and use it in the hive: they

apply it to seal the walls, to strengthen the borders of combs,

to embalm dead invaders. Propolis is not only a building

material, it is the most important “chemical weapon” of bees

against pathogen microorganisms and has been used as a rem-

edy by humans since ancient times. It is still one of the most

frequently used remedies in the Balkan states (

Wollenweber

et al., 1990

), applied for treatment of wounds and burns, soar

throat, stomach ulcer, etc.

Because of its popularity in folk medicine, propolis has

become the subject of intense pharmacological and chem-

ical studies for the last 30 years. Numerous studies have

proven its versatile pharmacological activities: antibacte-

rial, antifungal, antiviral, antiinflammatory, hepatoprotective,

antioxidant, antitumor, etc. (

Banskota et al., 2001

). A sig-

nificant number of papers dealing with propolis chemistry

were also published and researchers began to understand that

∗

Tel.: [phone]; fax: [phone].

E-mail address: [e-mail].

its chemical composition was highly variable and depended

on the local flora at the site of collection (

Marcucci, 1995;

Bankova et al., 2000

). Although the biological activity of

bee glue and especially its activity against microorganisms

was always present, in samples from different geographic

and climatic zones this activity was the result of completely

different chemical composition (

Kujumgiev et al., 1999

).

It turned out that the term “propolis” is not characteriz-

ing with respect to the chemical composition, unlike the

term “bee venom” for example. The question arouse if there

was any sense in biological studies carried out with just

“propolis” without any chemical characteristic of the material

used. Deliberately, it became clear that comparing propo-

lis samples from different regions of the world (e.g. Bul-

garia and Brazil) might be the same as comparing extracts

of two plants that belong to different plant families. As a

result, recently almost every publication on propolis biolog-

ical activity includes some kind of chemical characterization

of the bee glue used (

Bankova, 2005

). However, in order to

be accepted officially into the main stream of the healthcare

system, propolis needs chemical standardization that guar-

antees its quality, safety, and efficacy. And here comes the

question.

0378-8741/$ – see front matter © 2005 Published by Elsevier Ireland Ltd.

doi:10.1016/j.jep.2005.05.004

V. Bankova / Journal of Ethnopharmacology 100 (2005) 114–117

115

2. Is it possible to standardize something as

inconstant as propolis?

Bee glue is a plant derived product and it has been proved

that bees do not change its chemical composition (

Bankova et

al., 2000

). Therefore, it is completely reasonable to approach

the problem of propolis standardization in the same way as

it is done for medicinal plants. In order to establish rele-

vant quantitative criteria for quality in medicinal plants and

extracts therefrom, different concepts have to be followed

depending on the available knowledge on the active princi-

ple(s) (

Bauer, 1998

). If the active principles are known and

accepted, they have to be quantified using an appropriate ana-

lytical method. If the active compounds are not known or still

under discussion, the total extract is regarded as the “active

principle” and in that case marker compounds must be use

for quality control. In the case of propolis, a lot of knowl-

edge has already been gathered on active components and

one of the most important active principles was found to be

CAPE (caffeic acid phenethyl ester) (

Banskota et al., 2001

).

But how could CAPE possibly be used for standardization if

most tropical samples do not contain even traces of it? The

same is true for many other active propolis constituents. In

such case, is universal chemical standardization possible for a

product as changeable as propolis? The obvious answer is no.

Is any standardization of propolis possible at all? The answer

is yes, if we formulate different propolis types according to

their plant source and the corresponding chemical profile.

3. Propolis chemical types, determined by its plant

origin

The materials available to bees for “manufacturing” of

propolis are substances actively secreted by plants as well as

substances exuded from wounds in plants: lipophilic materi-

als on leaves and leaf buds, resins, mucilages, gums, lattices,

etc. (

Crane, 1988

). The composition of the plant source deter-

mines the chemical composition of bee glue. Combined with

the knowledge of active principles, it gives clues to stan-

dardization and quality control, allowing the specification

of propolis types that have distinct chemical composition.

The present knowledge on most important biologically active

chemical constituents of propolis from different geographic

locations and the corresponding plant sources is represented

in

Table 1

. This table defines chemical types of propolis which

have to be regarded as distinct entities in the process of stan-

dardization and quality control. It is important to remember

that conclusions concerning the biological activity of one of

these propolis types can by no means be automatically trans-

ferred to another one.

In

Table 1

, the most studied propolis types are mentioned.

Of course, there are many other propolis source plants and

corresponding chemical types of propolis. For example, the

one found in some Mediterranean regions (Sicily, the Adriatic

coast) has as main components diterpenic acids (

Trusheva et

T

able

1

Propolis

types

according

to

their

plant

origin

and

their

chemical

composition

Propolis

type

Geographic

origin

Plant

source

Main

biologically

acti

v

e

substances

References

Poplar

propolis

Europe,

North

America,

non-tropic

re

gions

of

Asia

P

opulus

spp.

of

section

Aig

eir

os

,

most

often

P

.

nigr

a

L.

Fla

v

ones,

fla

v

anones,

cinnamic

acids

and

their

esters

Nagy

et

al.

(1986)

,

Greena

w

ay

et

al.

(1990)

,

Bank

o

v

a

et

al.

(2000)

Birch

propolis

Russia

Betula

verrucosa

Ehrh.

Fla

v

ones

and

fla

v

onols

(not

the

same

as

in

poplar

propolis)

Popra

vk

o

and

Sok

olo

v

(1980)

Green

(alecrim)

propolis

Brazil

Bacc

haris

spp.,

predominantly

B.

dr

acunculifolia

DC.

Pren

ylated

p

-coumaric

acids,

diterpenic

acids

Marcucci

and

Bank

o

v

a

(1999)

Red

(Clusia)

propolis

Cuba,

V

enezuela

Clusia

spp.

Polypren

ylated

benzophenones

Cuesta

Rubio

et

al.

(2002)

,

T

rushe

v

a

et

al.

(2004)

“P

acific”

propolis

P

acific

re

gion

(Okina

w

a,

T

aiw

an)

Unkno

wn

C-pren

ylfla

v

anones

Chen

et

al.

(2003)

,

K

umaza

w

a

et

al.

(2004)

“Canarian”

propolis

Canary

Islands

Unkno

wn

Furofuran

lignans

Christo

v

et

al.

(1999)

116

V. Bankova / Journal of Ethnopharmacology 100 (2005) 114–117

al., 2003

); in Brazil, 11 propolis types other than Alecrim

(green) propolis have been described, but their occurrence is

much more restricted (

Park et al., 2002

), etc.

Anyway, it is important for researchers studying biological

activity of propolis to be aware of the existence of the problem

and to be able to distinguish between different propolis types.

It is essential to have detailed and reliable comparative data

on every type of biological activity, combined with chemical

data, in order to decide if some specific areas of application

of a particular propolis type can be formulated as preferable.

The biological tests have to be performed with chemically

well characterized, and if possible, chemically standardized

propolis. Reliable criteria for chemical standardization of dif-

ferent propolis types are needed. However, such generally

accepted criteria do not yet exist for any propolis type. Our

recent studies were directed towards the possibilities to stan-

dardize poplar type propolis.

4. Standardization of poplar type propolis based on

biologically active substances

Undoubtedly, poplar type propolis is the most profoundly

studied and the best known type of bee glue, both from chem-

ical and pharmacological point of view. It is important for

propolis users, such as companies producing propolis prepa-

rations, or scientists performing any type of biological studies

on propolis, to be able to recognize this propolis type. In

our laboratory we developed a simple test for identification

of poplar type propolis. Based on present knowledge of the

chemical composition of poplar bud exudates (

Nagy et al.,

1986; Greenaway et al., 1990; Bankova et al., 2000

), we chose

seven phenolic compounds as markers and developed a rapid

TLC procedure allowing us to tell the poplar samples from

all the other ones (

Popova et al., 2003

).

If a particular sample has been identified as one of poplar

origin, its main active components are known. However, any

attempt to measure the concentration of the active princi-

ples faces the fact that more than 25 individual phenolics

in poplar propolis were found to possess different types of

biological activities (

Marcucci, 1995; Banskota et al., 2001

).

Moreover, as is evident from the literature (especially con-

cerning antimicrobial activity) it is not possible to ascribe

the activity solely to one individual component (

Kujumgiev

et al., 1999

). Attempts to correlate the concentrations of

individual constituents with the biological activity of poplar

propolis failed:

Bonvehi et al. (1994)

, while studying the

correlation between antibacterial activity (expressed as min-

imum inhibitory concentration, MIC, against S. aureus) and

percentage of various active constituents, found that no indi-

vidual compound surpassed Pearson–Lee value. We assume,

therefore, that quantification of active compounds into groups

having the same or close chemical structure is more promis-

ing.

The chemical profile of poplar propolis can be charac-

terized by the three parameters: total flavone and flavonol

content, total flavanone and dihydroflavonol content, and

total phenolics content. We developed and validated rapid,

low-cost spectrophotometric procedures for quantification of

the three main groups of bioactive substances in poplar type

propolis (

Popova et al., 2004

). The spectrophotometric assay

based on the formation of aluminium chloride complex was

applied for quantification of total flavones/flavonols. Because

of the high amount of flavanones and dihydroflavonols

in “poplar” propolis, the introduction of a distinct pro-

cedure for their quantification was considered of special

significance and the colorimetric method with DNP (2,4-

dinitrophenylhydrazine) was applied for the purpose. Total

phenolics content was measured by the Folin–Ciocalteu pro-

cedure. The procedures were validated by using a model

mixture of 14 compounds representing the poplar propo-

lis composition as found in previous studies. The accu-

racy (recovery) varied in the range 84–109%, and the

relative standard deviation was 0.5–6.2%. The developed

spectrophotometric procedures were applied to real poplar

propolis samples. The results were verified independently

by a HPLC procedure. The two sets of results agreed

satisfactory, as proven by Student’s t-test (

Popova et al.,

2004

).

Having these validated methods, we analyzed a rela-

tively large number of poplar propolis samples from dif-

ferent regions of Europe and the Middle East—a total of

114 (

Popova et al., 2005

), and tested the samples also for

their antibacterial activity (MIC against S. aureus). The

large number of analyzed samples gives us the opportu-

nity to formulate the characteristics of a “typical poplar

sample”, based on statistics: flavones/flavonols 8

± 4%, fla-

vanones/dihydroflavonols 6

± 2%, total phenolics 28 ± 9%,

MIC 211

± 132 ␮g/ml.

Processing the data, we found a significant negative corre-

lation between the concentration of total phenolics in propolis

balsam and MIC: the greater the concentration, the lower the

MIC (P = 0.003). Obviously, the percentage of total phenolics

correlates better with the biological activity and is more infor-

mative that the quantification of individual components. This

fact supports our concept that measuring the concentrations

of groups of active compounds instead of that of individual

components is the right approach in the case of propolis.

5. Conclusion

Evidently, the approach based on typification according

to the plant source gives good results in the field of propo-

lis standardization. There is still a lot of work to be done

by researchers to achieve a reliable standardization of propo-

lis types other than poplar type. This is especially important

with respect to the reliability of the results obtained in studies

on propolis biological activities. Working with standardized

material will allow scientists to connect a particular chemical

propolis type to a specific type of biological activity and for-

mulate recommendations for mainstream practitioners. This

V. Bankova / Journal of Ethnopharmacology 100 (2005) 114–117

117

could help the general public to make more efficient use of

the beneficial properties of propolis.

References

Bankova, V., 2005. Recent trends and important developments in propolis

research. Evidence Based Complementary and Alternative Medicine

2, 29–32.

Bankova, V., de Castro, S.L., Marcucci, M.C., 2000. Propolis: recent

advances in chemistry and plant origin. Apidologie 31, 3–15.

Banskota, A.H., Tezuka, Y., Kadota, Sh., 2001. Recent progress in phar-

macological research of propolis. Phytotherapy Research 15, 561–571.

Bauer, R., 1998. Quality criteria and standardization of phytopharmaceu-

ticals: can acceptable drug standards be achieved. Drug Information

Journal 32, 101–110.

Bonvehi, J.S., Coll, F.V., Jorda, R.E., 1994. The composition, active com-

ponents and bacteriostatic activity of propolis in dietetics. Journal of

the American Oil Chemists Society 71, 529–532.

Chen, Ch., Wu, Chi., Shy, H., Lin, J., 2003. Cytotoxic prenylflavones

from Taiwanese propolis. Journal of Natural Products 66, 503–506.

Christov, R., Bankova, V., Tsvetkova, I., Kujumgiev, A., Delgado Tejera,

A., 1999. Antibacterial furofuran lignans from Canary Islands propo-

lis. Fitoterapia 70, 89–92.

Crane, E., 1988. Beekeeping: Science, Practice and World Resources.

Heinemann, London.

Cuesta Rubio, O., Frontana-Uriba, B.A., Ramirez-Apan, T., Cardenas, J.,

2002. Polyisoprenylated benzophenones in Cuban propolis; biological

activity of nemorosone. Zeitschrift fuer Naturforschung 57c, 372–378.

Greenaway, W., Scaysbrook, T., Whately, F.R., 1990. The composition

and plant origin of propolis: a report of work at Oxford. Bee World

71, 107–118.

Kujumgiev, A., Tsvetkova, I., Serkedjieva, Yu., Bankova, V., Christov,

R., Popov, S., 1999. Antibacterial, antifungal and antiviral activity of

propolis from different geographic origin. Journal of Ethnopharma-

cology 64, 235–240.

Kumazawa, Sh., Goto, H., Hamasaka, T., Fukumoto, S., Fujimoto, T.,

Nakayama, Ts., 2004. A new prenylated flavonoid from propolis col-

lected in Okinawa, Japan. Biosciences, Biotechnology, Biochemistry

68, 260–262.

Marcucci, M.C., 1995. Propolis: chemical composition, biological prop-

erties and therapeutic activity. Apidologie 26, 83–99.

Marcucci, M.C., Bankova, V.S., 1999. Chemical composition, plant ori-

gin and biological activity of Brazilian propolis. Current Topics in

Phytochemistry 2, 115–123.

Nagy, E., Papay, V., Litkei, G., Dinya, Z., 1986. Investigation of the chem-

ical constituents, particularly the flavonoid components, of propolis

and Populi gemma by the GC/MS method. Studies in Organic Chem-

istry (Amsterdam) 23, 223–232.

Park, Y.K., Alenkar, S.M., Aguiar, C.L., 2002. Botanical origin and chem-

ical composition of Brazilian propolis. Journal of Agricultural and

Food Chemistry 50, 2502–2506.

Popova, M., Bankova, V., Butovska, D., Petkov, V., Damyanova, B., Saba-

tini, A.G., Marcazzan, G.L., Bogdanov, S., 2003. Poplar type propolis

and analysis of its biologically active components. Honeybee Science

24, 61–66.

Popova, M., Bankova, V., Butovska, D., Petkov, V., Nikolova-Damyanova,

B., Sabatini, A.G., Marcazzan, G.L., Bogdanov, S., 2004. Vali-

dated methods for quantification of biologically active constituents

of “poplar type” propolis. Phytochemical Analysis 15, 235–240.

Popova, M., Bankova, V., Sabatini, A.G., Marcazzan, G.L., Bogdanov, S.,

in preparation.

Popravko, S.A., Sokolov, M.V., 1980. Plant sources of propolis. Pche-

lovodstvo 28/29 (in Russian).

Trusheva, B., Popova, M., Bankova, V., Tsvetkova, I., Naydensky, C.,

Sabatini, A.G., 2003. A new type of European propolis, containing

bioactive labdabes. Rivista Italiana E.P.P.O.S. 36, 3–7.

Trusheva, B., Popova, M., Naydenski, H., Tsvetkova, I., Rodriguez,

J.G., Bankova, V., 2004. New polyisoprenylated benzophenones from

Venezuelan propolis. Fitoterapia 75, 683–689.

Wollenweber, E., Hausen, B.M., Greenaway, W., 1990. Phenolic con-

stituents and sensitizing properties of propolis, poplar balsam and

balsam of Peru. Bulletin de Groupe Polyphenols 15, 112–120.

---

Document Outline

• Chemical diversity of propolis and the problem of standardization
  • Introduction
  • Is it possible to standardize something as inconstant as propolis?
  • Propolis chemical types, determined by its plant origin
  • Standardization of poplar type propolis based on biologically active substances
  • Conclusion
  • References