Rapid, Simple, and High-Throughput Nutritional Phenotyping of Pulse Crops

Význam tématu

Pulse crops (čočka, hrách, cizrna) představují významný zdroj rostlinných bílkovin, vlákniny a esenciálních živin. Rychlé a přesné stanovení těchto parametrů je klíčové pro šlechtitelské programy usilující o zlepšení nutriční kvality a zkrácení doby mezi generacemi. Tradiční metody (GC/MS, enzymatické testy) jsou náročné na čas, zdroje a personál, zatímco FTIR spektroskopie nabízí vysokou propustnost, minimální přípravu vzorku a sníženou destrukci materiálu.

Cíle a přehled studie

Technické shrnutí demonstruje využití kompaktního FTIR přístroje Agilent Cary 630 s diamantovým ATR modulem a softwarovou sadou MicroLab Expert pro vysokoprůchodové fenotypování nutričních parametrů luštěnin. Hlavním cílem bylo ověřit schopnost predikce kvality bílkovin, stravitelnosti, složení mastných kyselin a obsahu škrobu v čočce, hrachu a cizrně.

Použitá metodika a instrumentace

Minimalizovaná příprava: mletí zrna na prášek bez dalších chemikálií. Spektroskopie FTIR-ATR (Cary 630) s diamantovou destičkou. Data z FTIR byla zpracována v MicroLab Expert pomocí PLSR (kalibrace, křížová validace, testování). Referenční hodnoty pro modelování pocházely z následujících tradičních metod:

• bílkoviny: spalovací analyzátor dusíku, HPLC, PDCAAS enzymatický test
• mastné kyseliny: GC-MS na systémech Agilent 8860/5977B
• škrob: modifikovaný Megazyme odolný škrobový test

Hlavní výsledky a diskuse

FTIR modely dosáhly vysoké přesnosti (R2 ≥ 0,81 až 0,97).

• Proteinová analýza a stravitelnost: R2 mezi 0,88–0,95, bez významných odchylek mezi skutečnými a predikovanými hodnotami.
• Mastné kyseliny v cizrně: predikce celkových, nasycených a nenasycených MK s R2 ≥ 0,91.
• Odolný a celkový škrob: R2 = 0,83–0,96 pro čočku, hrách i cizrnu.

Modely vykázaly nízkou chybu kalibrace (RMSEC) i predikce (RMSEP) a verifikované statistickými testy (t-test, F-test).

Přínosy a praktické využití metody

FTIR fenotypování při použití Cary 630 přístroje umožňuje:

• zkrácení doby analýzy na 1–2 minuty na vzorek
• nízké provozní náklady a malou spotřebu energie
• jednoduchou obsluhu s obrazovým návodem a barevným vyhodnocením výsledků
• možnost víceparametrické analýzy v jediném běhu
• snadné opakování měření díky minimální destrukci vzorku

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozvoj integrace FTIR dat s genomickými a fenotypickými databázemi, využití strojového učení pro pokročilé predikční modely a přenos technologie do terénu (mobilní FTIR jednotky). Potenciál pro rozšíření o další moduly (polyfenoly, fytáty, přirozené aromatické složky) a aplikace v kontrolách kvality potravinářského průmyslu.

Závěr

Agilent Cary 630 FTIR spektrometr představuje efektivní a cenově dostupnou alternativu k tradičním nutričním analýzám luštěnin. Kombinace rychlosti, jednoduchosti a spolehlivosti modelů umožňuje urychlení šlechtitelských programů a zlepšení výživové kvality pulse crops.

Použitá instrumentace

• Agilent Cary 630 FTIR spektrometr s diamantovým ATR modulem
• Agilent MicroLab Expert software pro chemometrické modelování
• Agilent MicroLab software pro rutinní analýzu

Reference

1. Johnson N.; Johnson C.R.; Thavarajah P.; Kumar S.; Thavarajah D. The Roles and Potential of Lentil Prebiotic Carbohydrates in Human and Plant Health. Plants 2020, DOI:10.1002/ppp3.10103
2. Foyer C.H. et al. Neglecting Legumes Has Compromised Human Health and Sustainable Food Production. Nature Plants 2016, 2, 16112
3. Liu X. et al. Genome-Wide Association Study Identifies Candidate Genes Related to Oleic Acid Content in Soybean Seeds. BMC Plant Biol. 2020, 20, 1–14
4. Sab S. et al. Genome-Wide SNP Discovery and Mapping QTLs for Seed Iron and Zinc Concentrations in Chickpea. Front. Nutr. 2020, 7, 559120
5. Madurapperumage A. et al. FT-MIR Spectroscopy as a High-Throughput Phenotyping Tool for Total Fatty Acids in Chickpea Flour. ACS Food Sci. Technol. 2023, 3(9), 1568–1576
6. Johnson N. et al. FTIR Spectroscopy: An Inexpensive, Rapid, and Less-Destructive Tool for Starch and Resistant Starch Analysis from Pulse Flour. Plant Phenome J. 2023, 6(1), 1
7. Madurapperumage A. et al. FTIR as a High-Throughput Phenotyping Tool for Quantifying Protein Quality in Pulse Crops. Plant Phenome J. 2022, 5, e20047
8. Madurapperumage A. et al. FT-MIR Spectroscopy for In Vitro Protein Digestibility Measurement of Pulse Crops. Crop Sci. 2024, DOI:10.1002/csc2.21300
9. Boye J.; Wijesinha-Bettoni R.; Burlingame B. Protein Quality Evaluation Twenty Years After the Introduction of the Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score Method. Br. J. Nutr. 2012, 108 (S2), S183–S211
10. Carbonaro M.; Maselli P.; Nucara A. Relationship Between Digestibility and Secondary Structure of Legume Proteins: FT-IR Study. Amino Acids 2012, 43(2), 911–921
11. USDA Food Data Central. https://fdc.nal.usda.gov/ (accessed 2023-06-01)
12. Ren Y. et al. Structure, Functional Properties, and Industrial Applications of Pulse Starches. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2021, 20(3), 3061–3092