Propolis: chemical composition, biological properties and therapeutic activity

Propolis: chemical composition, biological properties

and therapeutic activity

Mc Marcucci

To cite this version:

Mc Marcucci. Propolis: chemical composition, biological properties and therapeutic activity.

Apidologie, Springer Verlag, 1995, 26 (2), pp.83-99.

HAL Id: hal-00891249

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00891249

Submitted on 1 Jan 1995

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of sci-

entific research documents, whether they are pub-

lished or not.

The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destin´

ee au d´

epˆ

ot et `

a la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publi´

es ou non,

´

emanant des ´

etablissements d’enseignement et de

recherche fran¸cais ou ´

etrangers, des laboratoires

publics ou priv´

es.

Review article

Propolis: 

chemical 

composition, biological

properties 

and 

therapeutic activity

MC 

Marcucci

Biological 

Chemistry Laboratory, 

Chemical 

Institute of Universidade Estadual de 

Campinas,

CP 6154, 

cep 

13081-970, 

Campinas, 

SP, 

Brazil

(Received 

23 

June 

1994; 

accepted 

30 

November 

1994)

Summary — 

The 

plant 

sources 

and chemical 

composition 

of 

propolis 

are 

reviewed. The chemical

constituents that may 

be relevant to its 

biological 

and 

therapeutic activity 

are 

discussed. 

The 

cyto-

toxic 

activity 

and antimicrobial and 

pharmacological 

properties 

of 

propolis 

are 

presented. Propolis

components, 

which 

cause 

allergy 

and 

are 

responsible 

for anticancer 

activity, 

eg, caffeic acid 

derivatives,

are 

reported. 

The 

therapeutic efficacy 

of 

propolis 

in 

treating 

diseases caused 

by microorganisms 

is

described. Some recent 

concepts 

about 

propolis 

and its 

use 

in medicine 

are 

presented.

propolis 

/ 

phenolics 

/ 

antimicrobial 

activity 

/ 

toxicity 

/ 

therapeutical activity

INTRODUCTION

In 

recent 

years there has been renewed

interest 

in 

the 

composition 

of 

propolis, 

a

substance that 

can 

be 

regarded 

as a 

poten-

tial  natural 

source 

in  folk medicine and in

the chemical 

industry. 

This article describes

the 

composition, biological 

and 

pharmaco-

logical  properties, therapeutic activity 

and

uses 

of 

propolis 

in 

pharmaceutical 

and 

cos-

metic 

products.

COMPOSITION OF PROPOLIS

Propolis 

is 

a 

natural resinous substance col-

lected 

by 

bees from 

parts 

of 

plants, 

buds

and exudates 

(Ghisalberti, 1979). 

Bees 

use

it 

as a 

sealer 

for their hives 

(García-Viguera

et al, 

1992) 

and, 

more 

importantly, 

to 

pre-

vent 

the 

decomposition 

of 

creatures 

which

have been killed 

by 

bees after 

an 

invasion of

the 

hive 

(Brumfitt 

et al, 

1990). 

Characteris-

tically, 

it  is 

a 

lipophilic 

material, 

hard and

brittle when cold but 

soft, 

pliable, 

and very

sticky 

when 

warm, 

hence the 

name 

bee-

glue (Hausen 

et al, 

1987a). 

It  possesses 

a

pleasant 

aromatic 

smell, 

and varys in 

color,

depending 

on 

its 

source 

and age 

(Brown,

1989). Among 

the 

types 

of chemical sub-

stances 

found in 

propolis 

are 

waxes, 

resins,

balsams, 

aromatic and ethereal 

oils, 

pollen

and other 

organic 

matter 

(Ghisalberti 

et al,

1978). 

The 

proportion 

of these 

types 

of sub-

stances 

varies and 

depends 

on 

the 

place

and time of collection 

(Ghisalberti 

et 

al,

1978; 

Bankova 

et al, 

1992b). 

The 

com-

pounds 

identified in 

propolis 

resin 

originate

from 3 

sources: 

plant 

exudate 

collected 

by

bees; 

secreted  substances from  bee

metabolism; 

and materials which 

are 

intro-

duced 

during 

propolis 

elaboration 

(Ghis-

alberti, 

1979; 

Marcucci 

et al,  1994b).

Simple 

fractionation of 

propolis 

to 

obtain

compounds 

is 

difficult 

due 

to 

its 

complex

composition. 

The usual 

manner was 

to

extract the 

fraction 

soluble in 

alcohol, 

called

’propolis 

balsam’, 

leaving 

the  alcohol-

insoluble 

or wax 

fraction 

(Ghisalberti, 1979).

Although 

ethanol 

extract 

of 

propolis (EEP) 

is

the 

most common, extracts 

with other sol-

vents 

have been carried 

out 

(Villanueva 

et

al,  1964; 

Cizmárik and 

Matel, 1970; 

Hladón

et al,  1980; 

Bankova 

et al,  1983, 1988, 1989;

Manolova et al, 

1985; Cortani, 

1987, 1991;

Grunberger 

et al,  1988; 

Andrich 

et al,  1987;

Neychev 

et al, 1988; Ross, 

1990) 

for iden-

tification of many constituents. 

Many 

ana-

lytical 

methods have been used 

for 

sepa-

ration  and  identification  of 

propolis

constituents 

(Bankova 

et 

al 1982,  1988,

1989, 1992a, 1994; 

König, 

1986; 

Cortani,

1987; 

Pápay et al, 

1987; 

Grenaway 

et al,

1988, 1989, 1991; 

Walker and 

Crane, 1987;

Nagy 

et al,  1989a, 1989b; 

Campos 

et al,

1990; 

Christov 

and 

Bankova, 1992; 

Tomás-

Barberán 

et al, 

1993 

). 

The known compo-

nents 

of 

propolis 

resin 

are 

listed in table 

I.

Vitamins 

B

1

, 

B

2

, 

B

6

, 

C, 

E, 

and mineral

elements 

silver,  cesium, 

mercury, lan-

thanum, 

antimony, 

copper, 

manganese,

iron, calcium, aluminium, 

vanadium and sil-

icon have all been 

identified 

in 

propolis 

sam-

ples (Deblock-Bostyn, 

1982; 

Debuyser,

1983).

The 

plant origin 

of 

propolis 

has been

studied 

by 

many researchers. Bankova 

et

al 

(1992b) 

showed that 

propolis composi-

tion is very similar 

to 

bud exudates. 

Quali-

tative 

composition 

of many 

compounds, 

eg,

flavonoids 

aglycones 

in 

propolis 

of different

tree 

species 

has indicated that 

propolis 

has

been collected 

from 

Populus 

fremontii

(USA), 

P 

x 

euramericana 

(UK),

Dalechampia 

spp and 

Clusia 

spp 

(Equator)

(Greenaway 

et al, 

1990); P nigra, 

P italica,

P tremula 

(Bulgaria) 

and P suaveolens

(Mongolia) (Bankova 

et al,  1992b; 

1994);

Betula, 

Populus, 

Pinus, Prunus, Acacia,

Aesculus 

hypocastane 

(Hungary) (Nagy 

et

al, 

1985), Clusia minor (Venezuela) (Tomás-

Barberán 

et al, 

1993), 

Plumeria acuminata

and P acutifolia 

(Hawaiian Islands) 

(König,

1985) 

and Betula and Alnus 

(Polish 

regions)

(Warakomska and Maciejewicz, 1992).

BIOLOGICAL AND PHARMACOLOGICAL

PROPERTIES

Antibacterial 

activity

The in vitro 

activity 

of 

propolis against 

sev-

eral bacterial strains has been 

reported

(Ghisalberti, 

1979; 

Vanhaelen and Van-

haelen, 1979b; 

Pepeljnjak et al, 

1981, 1982;

Pápay 

et al,  1985b; 

Kawai and 

Konishi,

1987; 

Toth and 

Papay, 

1987; 

Okonenko,

1988; 

Petri 

et al, 

1988; 

Rosenthal 

et al,

1989; 

Brumfitt 

et al,  1990; 

Cuéllar 

et al,

1990; 

Soboleva 

et al, 

1990; 

Dimov 

et al,

1991; 

Dobrowolski 

et al,  1991; 

Kujumgiev

et al,  1993; 

Ventura 

Coll 

et al,  1993; 

Lan-

goni 

et al,  1994; 

Woisky 

et al, 

1994).

Meresta and Meresta 

(1985) 

examined

the 

sensitivity 

of 

75 

bacterial strains 

to

propolis 

extracts. 

Of 

these, 

69 

were 

identi-

fied 

as 

Staphylococcus 

spp and 

Strepto-

coccus 

spp. 

All 

strains exhibited 

a 

high 

sen-

sitivity 

to 

propolis 

extracts. 

The antibacterial

activity 

of 

propolis 

against 

S 

aureus 

209P

had minimum 

inhibitory 

concentration 

(MIC)

and  minimum  bactericidal concentration

(MBC) 

values of 10 and 120 

mg/ml, 

respec-

tively (Meresta 

and 

Meresta, 1980). 

Valdez

Gonzalez 

et al (1985) 

observed that EEP

inhibited the 

growth 

of various bacteria

including 

strains 

of 

Streptococcus 

and Bacil-

lus. 

Grange 

and 

Davey (1990) 

related that

preparations 

of EEP 

(3 mg/ml) completely

inhibited the 

growth 

of Pseudomonas aerug-

inosa and Escherichia 

coli, 

but had 

no 

effect

on 

Klebsiella 

pneumoniae. 

Fuentes and Her-

nandez 

(1990) 

showed that EEP had 

a 

pro-

nounced 

activity against Gram-positive 

bac-

teria, 

including 

S 

aureus, 

E 

coli, 

P

aeruginosa, 

B 

subtilis, 

S 

epidermidis 

and

Streptococcus sp (B hemolytic). 

The results

of Fuentes and Hernandez 

were 

confirmed

by 

Marcucci 

et 

al 

(1994c) 

with the 

same 

E

coli strain.

Besides 

aerobic 

bacteria, 

the anti-

microbial effects of EEP have been tested

against 

a 

total  number 

of 

267 

anaerobic

strains. The 

cultures of bacteria 

generally

showed the 

highest sensitivity 

to 

1 

mg/ml

of EEP (Kedzia, 1986, 1990).

Extracts 

of 

propolis 

have been shown 

to

potentiate 

the 

effect of certain antibiotics

(Ghisalberti, 

1979; 

Kedzia and 

Holderna,

1986; 

Hernandez and 

Bernal, 1990; 

Krol 

et

al, 

1993). 

The antibiotic action 

against 

S

aureus 

(various strains) 

and E coli 

was

increased 

by 

the addition 

of 

propolis 

to 

nutri-

ent 

medium. The presence of 

propolis 

pre-

vented 

or 

reduced any 

gradual build-up 

in

tolerance 

of 

Staphylococci to 

antibiotics

(Ibragimova 

and 

Pankratova, 1983; 

Mer-

esta 

and 

Meresta, 

1985).

The antibacterial 

activity 

of 

propolis 

is

reportedly 

due 

to 

flavonoids and aromatic

acids and 

esters 

present 

in 

resin 

(Debuyser,

1983; 

Meresta and 

Meresta, 

1985/1986).

Galangin, 

pinocembrin 

and 

pinostrobin 

have

been 

recognized 

as 

the 

most 

effective

flavonoid 

agents against 

bacteria 

(Dimov 

et

al, 

1992). 

Ferulic and 

caffeic acid also 

con-

tributes 

to 

bactericidal action 

of 

propolis

(Debuyser, 1983).

Kedzia 

et 

al 

(1990) reported 

that the

mechanism 

of antimicrobial 

activity 

is 

com-

plicated 

and could be attributed 

to 

a 

syner-

gism 

between 

flavonoids, 

hydroxyacids 

and

sesquiterpenes. 

Scheller 

et al (1977b) 

and

Krol 

et 

al 

(1993) 

also 

observed this 

effect .

Antiviral 

activity

There 

are 

few data from studies 

of 

the anti-

viral effects of 

propolis (Esanu 

et al,  1981;

König, 

1986; 

Bankova 

et al, 

1988; 

Neychev

et al,  1988; 

Debiaggi 

et al,  1990; 

Vachy 

et al,

1990; 

Amoros 

et al 1994; 

Serkedjieva 

et al,

1992). 

In 

virological 

studies carried 

out 

with

extracts 

obtained with various 

solvents,

some 

fractions affected the 

reproduction 

of

influenza viruses 

A 

and 

B, 

vaccinia virus

and Newcastle disease virus in 

different 

bio-

logical testing systems 

(Maksimova-Todor-

ova 

et al, 

1985; 

Manolova 

et al, 

1985). 

The

action 

of these active fractions 

was 

similar

both in  strain 

spectrum 

and in  the 

degree

of antiinfluenza 

activity 

of 

propolis 

concen-

trations from 0.2-3.0 

mg/ml.

Amoros 

et al (1992a,  1992b) 

investi-

gated 

the in vitro 

effect of 

propolis 

on 

several

DNA 

and RNA 

viruses, 

including herpes

simplex 

type 

1, 

an 

acyclovir 

resistant 

mutant,

herpes 

simplex type 

2, 

adenovirus 

type 

2,

vesicular stomatitis 

virus and 

poliovirus type

2. 

The inhibition 

of 

poliovirus propagation

was 

clearly 

observed. 

At 

a 

concentration 

of

30 

μg/ml, 

propolis 

reduced the titer of 

herpes

simplex 

virus 

by 

1 

000, 

whereas 

vesicular

stomatitis and adenovirus 

were 

less 

sus-

ceptible. 

In addition 

to 

its effect 

on 

virus mul-

tiplication, propolis 

was 

found 

to exert 

a 

viri-

cidal action 

on 

the 

enveloped 

viruses 

herpes

simplex 

(HSV) 

and vesicular stomatitis virus

(VSV).

Flavonoids and aromatic acid deriva-

tives 

exhibit antiviral 

activity 

(Helbig 

and

Thiel,  1982; 

Ishitsuka 

et al,  1982; Mucsi,

1984; 

Mucsi 

and 

Pragai, 

1985; 

Kaul 

et al,

1985; 

Tsuchiya 

et al,  1985; 

Vanden 

Berghe

et al,  1986; 

Vrijien 

et al,  1988; 

Wleklik 

et al,

1988; 

Serkedjieva 

et al, 

1992; 

Amoros 

et

al, 

1994). König 

and Dustmann 

(1985) 

ver-

ified  that 

luteolin 

was more 

active than

quercetin, 

but 

remarkably 

less than caffeic

acid, 

in the 

inhibition of Amazon 

parrot 

her-

pes virus 

(strain KS144/70) 

at 

range 

con-

centration of 

12.5-200.0 

mg/ml. 

Phenolics

such 

as 

caffeic acid 

were 

found 

to 

have 

a

weak 

activity against 

influenza 

although 

vac-

cinia and adenovirus 

were more 

sensitive

than 

polio 

and 

parainfluenza 

virus 

(Vanden

Berge 

et al, 

1986). Debiaggi et al (1990)

studied 

the effect of 

propolis 

flavonoids 

on

the 

infectivity 

and 

replication 

of 

some 

herpes

virus, adenovirus, 

coronavirus and rotavirus

strains. The 

cytotoxicity 

of 

flavonoids, 

includ-

ing chrysine, kaempferol, 

acacetin, 

galan-

gin 

and 

quercetin 

was 

evaluated.

The antiviral 

activity 

of constituents of

propolis, 

such 

as 

esters 

of substituted cin-

namic 

acids, 

have been studied in vitro. One

of 

them, 

isopentyl 

ferulate, 

significantly 

inhib-

ited the 

infectious 

activity 

of influenza virus

A 

(Hong 

Kong strain) 

at 

50 

mg/ml 

(Serked-

jieva 

et al, 

1992). 

Similar results 

were 

found

by 

Amoros 

et 

al 

(1994) 

when the in  vitro

activity 

of 

3-methylbut-2-enyl 

caffeate iden-

tified in 

propolis samples 

was 

tested 

against

herpes simplex 

virus 

type 

1 

(HSV-1). 

The

same 

synthetic compound 

showed 

strong

inhibition of HSV-1 

growth 

at 

a 

concentration

of 25 

mg/ml. 

Some authors 

suggested 

that

the antiviral 

activity 

of 

propolis 

is due 

to 

both

the main constituents and the minor 

com-

ponents 

like