Plant metabolomics for increased knowledge on the behaviour of phytochemicals in fruits and vegetables (209755)

Hovedmålet med prosjektet har vært å etablere og anvende en analytisk plattform basert på væskekromatografi med massepektrometri for metabolomics studier med hovedfokus på helserelaterte plantestoffer i grønnsaker og bær. Dette er teknologi som internasjonale forskningsmiljøer i økende grad tar i bruk for å studere ulike typer problemstillinger som involverer metabolske endringer i matplanter. Delmålene i prosjektet har vært: -Etablere eksakt masse Quadrupole Time-of-Flight (Q-TOF) LC/MS basert metabolomics metodologi (WP 1). -Undersøke effekter av preharvest- og postharvestforhold (lys og temperatur) på plantestoffer ved bruk av metabolomicsmetodikk (WP 2). -Undersøke effekter av prosessering på plantestoffer ved bruk av metabolomicsmetodikk (WP 3). Størst fokus har vært på selve etablering av en UHPLC-qTOF MS basert metabolomics plattform for primære og sekundære plantemetabolitter, og på data analysemetodikk for de enormt store datamengder som genereres fra metabolomics analyse. Målsettingen om å tilegne oss kompetanse, ekspertise og etablere metabolomics metodikk er oppnådd i prosjektet. Metabolomics metodikk ble videre anvendt på problemstillinger der plantemateriale ble innhentet fra allerede gjennomførte studier, eller studier som pågikk i andre prosjekter. Det har vært jobbet med både «metabolomic fingerprinting» (komparative analyser uten kvantifisering og identifisering) og «metabolomic profiling» (kvantifisering og identifisering av alle eller et utvalg av metabolitter), der identifisering av innholdsstoffer som hadde størst betydning for forskjellene mellom prøvene har vært en omfattende del av det å interpretere og få ny kunnskap. Resultatene fra de ulike applikasjonene som ble gjennomført viste at metabolomics metodikken var godt egnet til studier av både preharvest-, postharvest- og prosesseringseffekter. Prøvene var fra samarbeidsprosjektene «Effect of northern climate and post-harvest conditions on health-related properties of selected Brassica vegetables in Norway» (Pr.nr 185017) og strategisk program «Phytochemicals» (Pr nr. 224892). Resultatene fra metabolomicsanalysene av preharvest studien viste forskjeller mellom ulike europeiske dyrkingssted basert på variasjonen i type og mengde plantestoffer (profil). Brokkoli dyrket ved to ulike varme klima hadde tydelig forskjellig metabolittprofil, og disse var i sin tur forskjellige fra brokkoli dyrket ved tre kalde dyrkingsforhold. Av ca 40000 innholdsstoffer påvist i prøvene, så bidro ca 400 ulike plantestoffer sterkest til å gruppere brokkoli, dvs endret konsentrasjonen med en faktor på 2 eller mer, fra ulike dyrkingsforhold, og ca 130 av disse har blitt identifisert så langt, og stoffgruppene omfatter kanelsyre-glukosider, flavonoid-glukosider og tripeptider, innholdsstoffer som både er helserelaterte og kan være relatert til smak, og noe som åpner for nye applikasjoner av metabolomicsplattformen. Metabolomics ble benyttet på prøver fra et postharvest forsøk på lagring av brokkoli under ulike lys og temperaturbetingelser. Det ble funnet at ca 850 unike forbindelser bidro til å skille brokkoli i ulike grupper etter hvordan de var lagret. Brokkoli fikk en klar endring i innholdet av plantestoffer med økende lagringstid i mørke. Videre ble innholdet i sterk grad påvirket av økende lagringstemperatur. Synlig lys påvirket kvaliteten noe, men temperaturen hadde større effekt på innholdet av plantestoffer. Et tilskudd med UVB belysning ga økt innhold av flere helse-relaterte innholdsstoffer, som kanelsyre- og flavonol-glukosider. Ved bruk av metabolomics kunne man avdekke at flere hundre plantestoffer i brokkoli ble påvirket av lagringsforholdene, og det viser klart at grønnsaker har en pågående metabolisme som påvirker både primære og sekundære plantestoffer, mange av dem knyttet til deres helserelaterte kvalitet. Innholdet av plantestoffer påvirkes av ulike prosesseringsbetingelser, og metabolomics metodikken ble brukt for å undersøke hvilke metabolitter som ble påvirket av ulike behandlinger som blansjering, frysing, tining, sous-vide varmebehandling i damp, koking i vann, lagring og oppvarming, og varmholding, sammenliknet med ubehandlede grønnsaker, der grønnkål ble brukt som modellråvare pga sitt rike innhold av helserelaterte innholdsstoffer. Det ble funnet en klar forskjell mellom sous-vide varmebehandling og tradisjonell kokemetodikk. En ny oppvarming endret profilen av plantestoffene ytterligere. Varmholding, som er vanlig i storhusholdning, påvirket innholdet ytterligere. Applikasjonene som ble gjennomført parallelt med metodeetableringen viste tydelig at metabolomics er lovende og vil ha nytteverdi som et generisk analyseverktøy for å studere komplekse metabolske sammenhenger for å få ny kunnskap om hvilke innholdsstoffer i mat som påvirkes gjennom verdikjeden.

Health and sensory related quality of vegetables and fruits, including berries (F&V) is mainly determined by the phytochemicals, including both nutrients and secondary plant metabolites, present in the plant food. The content of these metabolites is, in a ddition to genetic background, greatly influenced by growth conditions, postharvest factors and processing, and their concentration and composition may be decisive for several food plant quality traits, such as flavour, odour, colour, shelf life and healt h value. Up to now, the main focus has usually been to study selected phytochemicals identified as important for sensory and health related quality of F&V. However, in the last few years, development of novel analytical technology combined with available plant metabolite data bases and advanced data analysis has made high-throughput metabolomics analysis for simultaneous measurement of a wide range of phytochemicals in F&V feasible. Metabolomics aim to measure all metabolites or as many compounds as possi ble in a sample, and is now accepted internationally as a useful means both in plant science as well in medical and nutritional sciences. The establishment of metabolomics at Nofima Mat AS is strategically important for future research in the area of F&V. This project will focus on the metabolomics establishment, but will also, with the use of plant materials from on-going funded projects, investigate the effects of preharvest and postharvest conditions (light and temperature) and processing on the behavi our of phytochemicals in Brassica vegetables and different cultivars of strawberry and raspberry using a metabolomics approach.