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

Význam tématu

Pulse crops představují klíčový zdroj rostlinné výživy s vysokým obsahem proteinů, vlákniny a dalších živin. Rychlá a spolehlivá fenotypizace nutričních parametrů usnadňuje šlechtitelské programy a umožňuje efektivnější výběr genotypů s lepší nutriční kvalitou. Tradiční metody jsou časově náročné, nákladné a vyžadují složité přípravy vzorků.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem přehledu bylo ověřit využitelnost FTIR spektrometru Agilent Cary 630 s diamantovým ATR modulem pro vysokokapacitní fenotypizaci čočky, hrachu a cizrny. Studie hodnotila schopnost predikce kvality proteinů, trávení, složení mastných kyselin a obsahu škrobu ve srovnání s referenčními metodami (HPLC, GC/MS, enzymatické testy).

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky byly zpracovány jednoduchým mletím a přímo analyzovány FTIR spektrometrem bez dalších chemických příprav. Spektrální data byla modelována pomocí parciálních nejmenších čtverců (PLSR) v softwaru Agilent MicroLab Expert. Referenční metody zahrnovaly ultranízkotlakou HPLC Agilent 1100, spalovací analyzátor dusíku, enzymatický PDCAAS test, GC-MS Agilent 8860 s detektorem 5977B a enzymatické stanovení rezistentního škrobu.

Použitá instrumentace

• Agilent Cary 630 FTIR spektrometr s diamantovým ATR modulem
• Agilent MicroLab Expert software pro vývoj chemometrických modelů
• Agilent MicroLab software pro rutinní FTIR analýzu
• HPLC Agilent 1100, GC-MS Agilent 8860/5977B, spalovací analyzátor dusíku, enzymatické soupravy Megazyme

Hlavní výsledky a diskuse

FTIR modely vykázaly vysokou přesnost predikce nutričních parametrů:

• Proteinová kvalita a trávení: R2 0,88–0,90, absence významných odchylek oproti PDCAAS
• Sulfur obsahující aminokyseliny: R2 ≥0,81, RMSEC i RMSEP pod 0,02 g/100 g
• Celkové a nenasycené mastné kyseliny v cizrně: R2 ≥0,91, t-test nepotvrdil rozdíl mezi skutečnými a predikovanými hodnotami
• Rezistentní škrob a celkový škrob: R2 0,93–0,96 respektive 0,91–0,95, nízké SEP

Modely byly validovány křížovou validací a t-testy nepotvrdily statisticky významné rozdíly mezi FTIR a referenčními daty, což potvrzuje robustnost metody.

Přínosy a praktické využití metody

• Minimální příprava vzorků a nízká destrukce materiálu
• Rychlá analýza (~2 minuty na vzorek) oproti hodinám či dnům u tradičních metod
• Snížení provozních nákladů a zátěže školením obsluhy
• Simultánní měření více nutričních parametrů v jednom běhu
• Snadná integrace do šlechtitelských a QA/QC laboratoří

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření FTIR modelů o další živiny (polyfenoly, vlákninu, fytáty), nasazení přenosných spektrometrů pro polní měření, propojování s genomickými daty a využití umělé inteligence pro automatizaci kalibrací a interpretaci spekter.

Závěr

Agilent Cary 630 FTIR spektrometr s chemometrickými modely představuje rychlý, cenově efektivní a spolehlivý nástroj pro nutriční fenotypizaci pulse crops. Technologie významně zkracuje dobu analýzy, snižuje náklady a otevírá nové možnosti pro moderní šlechtitelské programy i potravinářskou analytiku.

Reference

• Johnson N. et al. The Roles and Potential of Lentil Prebiotic Carbohydrates in Human and Plant Health. Plants 2020.
• Foyer C.H. et al. Neglecting Legumes Has Compromised Human Health and Sustainable Food Production. Nature Plants 2016.
• Liu X. et al. Genome-Wide Association Study Identifies Candidate Genes Related to Oleic Acid Content in Soybean Seeds. BMC Plant Biol. 2020.
• Sab S. et al. Genome-Wide SNP Discovery and Mapping QTLs for Seed Iron and Zinc Concentrations in Chickpea. Front. Nutr. 2020.
• Madurapperumage A. et al. FTIR Spectroscopy as a High-Throughput Phenotyping Tool for Total Fatty Acids in Chickpea Flour. ACS Food Sci. Technol. 2023.
• Johnson N. et al. FTIR Spectroscopy: An Alternative for Starch and RS Analysis from Pulse Flour. Plant Phenome J. 2023.
• Madurapperumage A. et al. FTIR as a Tool for Quantifying Protein Quality in Pulse Crops. Plant Phenome J. 2022.
• Madurapperumage A. et al. FTIR for In Vitro Protein Digestibility of Pulse Crops. Crop Sci. 2024.
• Boye J. et al. Protein Quality Evaluation Twenty Years After the Introduction of the PDCAAS Method. Br. J. Nutr. 2012.
• Carbonaro M. et al. Relationship Between Digestibility and Secondary Structure of Legume Proteins. Amino Acids 2012.
• USDA Food Data Central, 2023.
• Ren Y. et al. Review of Structure, Functional Properties, and Applications of Pulse Starches. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2021.