헤드스페이스 고체-위상 미세 추출을 사용하여 블랙커런트 과일의 휘발성 화합물 프로파일링
Summary
헤드스페이스 고형 미세 추출 가스 크로마토그래피 플랫폼은 잘 익은 블랙커런트 과일의 빠르고 신뢰할 수 있으며 반자동 휘발성 식별 및 정량화를 위해 여기에 설명되어 있습니다. 이 기술은 과일 향에 대한 지식을 높이고 번식을 목적으로 향상된 맛으로 품종을 선택하는 데 사용할 수 있습니다.
Abstract
강화된 유기성 특성을 가진 품종 이나 품종을 사육하기 위해 잘 익은 과일에 의해 방출되는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 측정하는 데 관심이 증가하고 있으며, 따라서 소비자수용을 증가시키고 있다. 고처리량 메타볼로믹 플랫폼은 최근 과일 맛과 아로마 품질(volatilomics)을 담당하는 주요 화합물을 포함하여 다양한 식물 조직에서 다양한 대사산물을 정량화하기 위해 개발되었습니다. 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS)과 결합된 헤드스페이스 고형미생물추출(HS-SPME)을 사용하는 방법은 잘 익은 블랙커런트 과일에 의해 방출되는 VOC의 식별 및 정량화를 위해 여기에 설명되어 있으며, 베리는 맛과 건강에 매우 높은 평가를 받고 있다.
블랙커런트 식물(갈비 니그럼)의 잘 익은 열매를 수확하고 액체 질소로 직접 냉동하였다. 미세 한 분말을 생산 하는 조직 균질화 후, 샘플을 해동 하 고 즉시 염화 나트륨 용액과 혼합 했다. 원심분리후, 상피제는 염화나트륨을 함유한 헤드스페이스 유리 유리병으로 옮겨졌다. VOC는 그 때 이온 트랩 질량 분광계에 결합된 고체 위상 마이크로추출(SPME) 섬유및 가스 크로마토그래프를 사용하여 추출하였다. 휘발성 정량화는 피크 영역을 통합하여 결과 이온 크로마토그램에서 수행되었으며, 각 VOC에 대한 특정 m/z 이온을 사용하여 정확한 VOC 음표는 샘플과 동일한 조건하에서 실행되는 순수 상용 표준의 보존 시간 및 질량 스펙트럼을 비교하여 확인하였다. 60개 이상의 VOC가 유럽의 대조적인 지역에서 자란 잘 익은 블랙커런트 과일에서 확인되었습니다. 확인된 VOC 중테페노이드 및 C6 휘발성 물질과 같은 주요 아로마 화합물은 블랙커런트 과일 품질을 위한 바이오마커로 사용될 수 있습니다. 또한, 미래의 개선을 포함하여 방법의 장점과 단점이 논의된다. 또한, 배치 보정 및 드리프트 강도 최소화를 위한 컨트롤의 사용이 강조되고 있다.
Introduction
맛은 모든 과일에 필수적인 품질의 특성으로 소비자의 수용에 영향을 미치므로 시장성에 큰 영향을 미칩니다. 맛 지각은 맛과 후각 시스템의 조합을 포함하고 식용 식물 부품에 축적 되는 화합물의 광범위한 의 존재와 농도에 화학적으로 의존, 또는 VOC의 경우, 잘 익은 과일에 의해 방출1,2. 전통적인 사육은 수율 과 해충 저항과 같은 농업 특성에 초점을 맞추고 있지만, 맛을 포함한 과일 품질 특성 개선은 오랫동안 유전적 복잡성과 이러한 특성을 적절하게 표현하기 어려운 것으로 인해 무시되어 소비자 불만3,4로 이어지고 있습니다. 메타볼로믹 플랫폼의 최근 발전은 과일 맛과 아로마5,6,7,8을 담당하는 주요 화합물을 식별하고 정량화하는 데 성공했습니다. 더욱이, 게놈 또는 전사 도구와 대사 산물 프로파일링의 조합은 차례로 향상된 조직특성2,4,9,10,11,12,13,14와 함께 새로운 품종을 개발하는 데 도움이 되는 과일 맛의 유전학의 해명성을 가능하게 합니다.
블랙커런트(Ribes nigrum) 베리는 유럽, 아시아 및 뉴질랜드15의 온대 구역에서 널리 재배되는 맛과 영양특성으로 높이 평가받고 있습니다. 생산의 대부분은 주로 열매의 조직 성 특성으로 인해 북유럽 국가에서 매우 인기있는 식품 및 음료에 대해 가공됩니다. 과일의 강렬한 색상과 맛은 잘 익은 과일16,17,18에 존재하는 안토시아닌, 설탕, 산 및 VOC의 조합의 결과입니다. 블랙커런트 휘발성 물질의 분석은 1960년대19,20,21로 거슬러 올라갑니다. 최근에는 블랙커런트 VOC에 초점을 맞추고 과일 향 인식에 중요한 화합물을 식별하고 VOC 콘텐츠5,17,18,22,23에 대한 유전자형, 환경 또는 저장 및 처리 조건의 영향을 평가했습니다.
수많은 장점 때문에 고처리량 휘발성 프로파일링을 선택하는 기술은 HS-SPME/GC-MS24,25입니다. 폴리머 상으로 코팅된 실리카 섬유는 주사기 장치에 장착되어 평형 상에 도달할 때까지 섬유내의 휘발성 물질의 흡착을 허용합니다. 헤드스페이스 추출은 matrix24에 존재하는 비휘발성 화합물로부터 섬유를 보호합니다. SPME는 고가농축(10억분의 1~100만 개당 부품)에 존재하는 많은 VOC를 성공적으로 격리할 수 있습니다(100만 개당 부품). 또한, 제한된 시료 처리를 요구하는 용매가 없는 기술이다. HS-SPME의 다른 장점은 자동화의 용이성과 상대적으로 저렴한 비용입니다.
그러나, 그 성공은 VOC의 화학적 특성, 추출 프로토콜(시간, 온도 및 소금 농도 포함), 샘플 안정성 및 충분한 과일 조직의 가용성에 따라 제한될 수 있다26,27. 이 논문은 HS-SPME에 의해 격리되고 이온 트랩 질량 분광계와 결합된 가스 크로마토그래피에 의해 분석된 블랙커런트 VOC에 대한 프로토콜을 제시합니다. 식물 재료의 양, 샘플 안정성 및 추출 및 크로마토그래피 의 지속 시간 사이의 균형은 블랙 커런트 샘플의 높은 숫자를 처리 할 수 있도록 달성되었다, 그들 중 일부는이 연구에서 제시. 특히 5개의 품종(‘안데가’, ‘벤 트론’, ‘벤 게른’, ‘벤 티란’, ‘티호프’의 VOC 프로필 및/또는 크로마토그램)을 예로 들 며소개하고 논의할 예정이다. 또한 딸기(프라가리아 x 아나나사), 라즈베리(루비시다우스), 블루베리(Vaccinium spp)와 같은 다른 과일 베리 종에서 VOC 측정을 위한 동일한 프로토콜이 성공적으로 시행되고 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
과일 향을 위한 사육은 휘발성 화합물의 합성및 적당한 현상조에 대한 기술의 부족의 근본적인 복잡한 유전학 및 생화학에 의해 오랫동안 방해되었습니다. 그러나, 유전체 도구와 결합 된 메타 볼로믹 플랫폼의 최근 발전은 마침내 소비자 선호도에 대한 책임이있는 대사 산물의 식별을 허용하고 개선 된 맛3로 작물을 사육합니다. 대부분의 발전은 모델 과일에서 달성되었지만, <…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 HS-SPME / GC-MS 측정에 대한 말라가 대학에서 세르비시오 센트럴 드 아포요 라 Investigación 감사합니다. 우리는 휘발성 정량화에서 사라 페르난데스 – 팔라시오스 캄포스의 도움을 인정합니다. 우리는 또한 과일 재료를 제공 굿 베리의 컨소시엄 구성원에게 감사드립니다.
Materials
| 10 mL screw top headspace vials | Thermo Scientific | 10-HSV | |
| 18 mm screw cap Silicone/PTFE | Thermo Scientific | 18-MSC | |
| 5 mL Tube with HDPE screw cap | VWR | 216-0153 | |
| Centrifuge | Thermo Scientific | 75002415 | |
| Methanol for HPLC | Merck | 34860-1L-R | |
| N-pentadecane (D32, 98%) | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-1283-1 | |
| Sodium chloride | Merck | S9888 | |
| SPME fiber PDMS/DVB | Merck | 57345-U | |
| Stainless grinding jars for TissueLyser | Qiagen | 69985 | |
| TissueLyser II | Qiagen | 85300 | Can be subsituted by mortar and pestle or cryogenic mill |
| Trace GC gas chromatograph-ITQ900 ion trap mass spectrometer | Thermo Scientific | ||
| Triplus RSH autosampler with automated SPME device | Thermo Scientific | 1R77010-0450 | |
| Water for HPLC | Merck | 270733-1L | |
| Xcalibur 4.2 SP1 | Thermo Scientific | software |
Referências
- Klee, H. J. Improving the flavor of fresh fruits: Genomics, biochemistry, and biotechnology. New Phytologist. 187 (1), 44-56 (2010).
- Ferrão, L. F. V., et al. Genome-wide association of volatiles reveals candidate loci for blueberry flavor. New Phytologist. 226 (6), 1725-1737 (2020).
- Klee, H. J., Tieman, D. M. The genetics of fruit flavour preferences. Nature Reviews Genetics. 19, 347-356 (2018).
- Vallarino, J. G., et al. Identification of quantitative trait loci and candidate genes for primary metabolite content in strawberry fruit. Horticulture Research. 6, 4 (2019).
- Jung, K., Fastowski, O., Poplacean, I., Engel, K. H. Analysis and sensory evaluation of volatile constituents of fresh blackcurrant (Ribes nigrum L.) fruits. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 65 (43), 9475-9487 (2017).
- Vallarino, J. G., et al. Genetic diversity of strawberry germplasm using metabolomic biomarkers. Scientific Reports. 8, 14386 (2018).
- Zhang, W., et al. Insights into the major aroma-active compounds in clear red raspberry juice (Rubus idaeus L. cv. Heritage) by molecular sensory science approaches. Food Chemistry. 336, 127721 (2021).
- Farneti, B., et al. Exploring blueberry aroma complexity by chromatographic and direct-injection spectrometric techniques. Frontiers in Plant Science. 8, 617 (2017).
- Tikunov, Y., et al. The genetic and functional analysis of flavor in commercial tomato: the FLORAL4 gene underlies a QTL for floral aroma volatiles in tomato fruit. The Plant Journal. 103 (3), 1189-1204 (2020).
- Tieman, D., et al. A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor. Science. 355 (6323), 391-394 (2017).
- Sánchez-Sevilla, J. F., Cruz-Rus, E., Valpuesta, V., Botella, M. A., Amaya, I. Deciphering gamma-decalactone biosynthesis in strawberry fruit using a combination of genetic mapping, RNA-Seq and eQTL analyses. BMC Genomics. 15, 218 (2014).
- Kumar, S., et al. Genome-wide scans reveal genetic architecture of apple flavour volatiles. Molecular Breeding. 35, 118 (2015).
- Bauchet, G., et al. Identification of major loci and genomic regions controlling acid and volatile content in tomato fruit: implications for flavor improvement. New Phytologist. 215 (2), 624-641 (2017).
- Sánchez, G., et al. An integrative ‘ omics’ approach identifies new candidate genes to impact aroma volatiles in peach fruit. BMC Genomics. 14, 343 (2013).
- Hummer, K. E., Dale, A. Horticulture of Ribes. Forest Pathology. 40 (3-4), 251-263 (2010).
- Vagiri, M., et al. Phenols and ascorbic acid in black currants (Ribes nigrum L.): Variation due to genotype, location, and year. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 61 (39), 9298-9306 (2013).
- Marsol-Vall, A., Kortesniemi, M., Karhu, S. T., Kallio, H., Yang, B. Profiles of volatile compounds in blackcurrant (Ribes nigrum) cultivars with a special focus on the influence of growth latitude and weather conditions. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (28), 7485-7495 (2018).
- Varming, C., Petersen, M. A., Poll, L. Comparison of isolation methods for the determination of important aroma compounds in black currant (Ribes nigrum L.) juice, using nasal impact frequency profiling. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 52 (6), 1647-1652 (2004).
- Andersson, J., von Sydow, E. The aroma of black currants I. Higher boiling compounds. Acta Chemica Scandinavica. 18, 1105-1114 (1964).
- Andersson, J., von Sydow, E. The aroma of black currants. III. Chemical characterization of different varieties and stages of ripeness by gas chromatography. Acta Chemica Scandinavica. 20, 529-535 (1966).
- Andersson, J., von Sydow, E. The aroma of black currants II. Lower boiling compounds. Acta Chemica Scandinavica. 20, 522-528 (1966).
- Marsol-Vall, A., Laaksonen, O., Yang, B. Effects of processing and storage conditions on volatile composition and odor characteristics of blackcurrant (Ribes nigrum) juices. Food Chemistry. 293, 151-160 (2019).
- Del Castillo, M. L. R., Dobson, G. Varietal differences in terpene composition of blackcurrant (Ribes nigrum L) berries by solid phase microextraction/gas chromatography. Journal of the Science of Food and Agriculture. 82 (13), 1510-1515 (2002).
- Azzi-Achkouty, S., Estephan, N., Ouaini, N., Rutledge, D. N. Headspace solid-phase microextraction for wine volatile analysis. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 57 (10), 2009-2020 (2017).
- Vallarino, J. G., Antonio, C., et al. Acquisition of volatiles compounds by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Plant Metabolomics: Methods and Protocols. 1778, 225-239 (2018).
- Moreira, N., Lopes, P., Cabral, M., Guedes de Pinho, P. HS-SPME/GC-MS methodologies for the analysis of volatile compounds in cork material. European Food Research and Technology. 242, 457-466 (2016).
- Rambla, J. L., López-Gresa, M. P., Bellés, J. M., Granell, A., Alonso, J. M., Stepanova, A. N. Metabolomic profiling of plant tissues. Plant Functional Genomics and Protocols, Methods in Molecular Biology. 1284, 221-235 (2015).
- Abbas, F., et al. Volatile terpenoids: multiple functions, biosynthesis, modulation and manipulation by genetic engineering. Planta. 246 (5), 803-816 (2017).
- Kolosova, N., Gorenstein, N., Kish, C. M., Dudareva, N. Regulation of circadian methyl benzoate emission in diurnally and nocturnally emitting plants. Plant Cell. 13 (10), 2333-2347 (2001).
- Dudareva, N., Pichersky, E., Gershenzon, J. Biochemistry of plant volatiles. Plant Physiology. 135 (4), 1893-1902 (2004).
- Borges, R. M., Ranganathan, Y., Krishnan, A., Ghara, M., Pramanik, G. When should fig fruit produce volatiles? Pattern in a ripening process. Acta Oecologica. 37 (6), 611-618 (2011).
- Jarret, D. A., et al. A transcript and metabolite atlas of blackcurrant fruit development highlights hormonal regulation and reveals the role of key transcription factors. Frontiers in Plant Science. 9, 1-22 (2018).
- Li, B., Lecourt, J., Bishop, G. Advances in non-destructive early assessment of fruit ripeness towards defining optimal time of harvest and yield prediction-a review. Plants. 7 (1), 3 (2018).
- Ul-Hassan, M. N., Zainal, Z., Ismail, I. Green leaf volatiles: Biosynthesis, biological functions and their applications in biotechnology. Plant Biotechnology Journal. 13 (6), 727-739 (2015).
- Gaston, A., Osorio, S., Denoyes, B., Rothan, C. Applying the Solanaceae strategies to strawberry crop improvement. Trends in Plant Science. 25 (2), 130-140 (2020).
- Gilbert, J. L., et al. Identifying breeding priorities for blueberry flavor using biochemical, sensory, and genotype by environment analyses. PLoS ONE. 10 (9), 0138494 (2015).
- Bueno, M., Resconi, V. C., Campo, M. M., Ferreira, V., Escudero, A. Development of a robust HS-SPME-GC-MS method for the analysis of solid food samples. Analysis of volatile compounds in fresh raw beef of differing lipid oxidation degrees. Food Chemistry. 281, 49-56 (2019).
- Burzynski-Chang, E. A., et al. HS-SPME-GC-MS analyses of volatiles in plant populations-quantitating compound × individual matrix effects. Molecules. 23 (10), 2436 (2018).
