Determination of important phytonutrients in processing tomato using visible and near-infrared reflectance spectroscopy

Átírás

1 Szuvandzsiev Péter 1 - Daood Hussein 2 - Neményi András 3 - Pék Zoltán 4 Az ipari paradicsom fontosabb fitonutrienseinek meghatározása látható- és közeli infravörös spektroszkópiával Determination of important phytonutrients in processing tomato using visible and near-infrared reflectance spectroscopy Szuvandzsiev.Peter@mkk.szie.hu 1 Szent István Egyetem, Kertészeti Intézet, PhD. hallgató 2 Szent István Egyetem, Regionális Egyetemi Tudásközpont, Tudományos munkatárs 3 Szent István Egyetem, Kertészeti Intézet, Egyetemi Adjunktus 4 Szent István Egyetem, Kertészeti Intézet, Egyetemi Docens A zöldségnövények között a paradicsom jelentősége óriási, világviszonylatban az elmúlt időszakban a termésmennyisége rendszeresen meghaladta az évi 150 millió tonnát. Ennek a mennyiségnek jelentős részét teszi ki az ipari célra termelt paradicsom, melynek fontossága a feldolgozott formában, hosszabb távon való tárolásban rejlik, a beltartalmi értékek nagymértékű csökkenése nélkül. A még nyers termés, fontos minőségi jellemzői az vízoldható szárazanyag tartalom (ºBrix), a piros színt adó likopin tartalom és más jelentékeny antioxidáns tartalom, mint például a polifenolok. Ezeknek az anyagoknak az emberi szervezet számára nagy a jelentősége, az analitikai meghatározásuk azonban rendkívül idő és munkaigényes folyamat. Ezért a kutatók folyamatosan próbálnak fejleszteni gyors és roncsolásmentes módszereket, amelyek alkalmasak a főbb beltartalmi paraméterek meghatározására. Kísérletünkben, egy, a látható és közeli infravörös tartományban mérő, hordozható hiperspektrális képalkotó eszköz (FieldSpec HandHeld 2 Portable Spectroradiometer), ilyen irányú felhasználhatóságát vizsgáltuk. A spektrális mérési tartomány nm között volt, amellyel a közvetlenül megszedett bogyótermések püréjét mértük öt különböző ipari paradicsomfajtán. A mérés után a mintákat analitikai vizsgálatnak vetettük alá, hogy megállapíthassuk az vízoldható szárazanyag-, a likopin-, és polifenoltartalmat. A spektrális reflektancia és az analitikai adatok összefüggését, részleges legkisebb négyzetek modellszámítással próbáltuk kimutatni. A modellszámítás eredményessége a kalibrációs egyenlet korrelációs koefficiensével (R 2 ) és a kalibráció standard hibájával jellemezhető. Ezek alapján a legszorosabb összefüggést az oldható szárazanyag-tartalom, likopin és összes polifenol-tartalom tekintetében mutattunk ki, R 2 = 0,96; 0,96; 0,95 a vizsgált anyagok sorrendjében. A kalibrációk standard hibája pedig 0,20; 0,86 és 3,23 volt sorrendben. Az 92

2 eredmények alapján a módszert alkalmasnak találtuk felsorolt anyagok meghatározására, feltételezve, hogy további mérésekkel a modell még pontosabbá tehető. BEVEZETÉS ÉS IRODALMI ÁTTEKINTÉS A humán populáció létszáma napjainkra meghaladta a 7 milliárd főt, ahhoz hogy ezt az embermennyiséget el lehessen látni élelemmel a kertészeti termelésre és azon belül a zöldségtermesztésre is óriási feladat hárul. Jelenleg a globális zöldségtermelés meghaladja az 1 milliárd tonnát évente, ennek a mennyiségnek több mint 15%-át a paradicsomtermelés adja. A teljes paradicsomtermelési vertikum 30%-át az ipari paradicsomtermelés teszik ki, ami globálisan eléri az évi 50 millió tonnát. Hazánkban a paradicsomtermelése megközelítőleg hektáron zajlik és ezer tonna termést takarítunk be évente (FAOSTAT 2013). A gazdaságos termelés szempontjából a termésmennyiség rendkívül lényeges, ugyanakkor egyre inkább kulcsfontosságúvá kezd válni a termések beltartalmi éréke, íz- és zamatanyag tartalma is. Ilyen fontos sarokpont a paradicsom ízét tekintve a termés cukortartalma, amely szoros összefüggésben van az összes vízoldható szárazanyag mennyiségével. Az vízoldható szárazanyagtartalom, vagy más néven ºBrix, melynek átlagosan 65 %-a szacharóz és hexóz, tehát cukor, 13%-a pedig citrát és malát azaz sav, ezen felül fenolok, aminósavak, oldható pektin, aszkorbinsav és ásványi anyagok találhatok a paradicsomban (Beckles., 2012). A paradicsom termesztését tekintve a növények számára hasznosítható öntözővíz pozitívan befolyásolja a termésmennyiséget és negatívan hat a termések oldható szárazanyag tartalmára (Helyes et al., 2013b). A paradicsom piros színét egy likopin nevű, zsírban oldódó karotinoid adja (Brandt et al., 2006). A gyümölcsök közül kisebb mennyiség jelen lehet a sárgabarackban, a rózsaszín húsú guavában és a piros húsú grapefruitban, de a nyugati táplálkozási kultúrában a paradicsom és a görögdinnye képezi jelentős rezervoárját (Collins et al., 2006). A likopin koncentrációja a vörös húsú, magvas görögdinnyefajtákban átlagosan alacsonyabb, megközelítőleg 12 mg/kg, míg bizonyos, magas likopin tartalmú, mag nélküli fajtáknál ez elérheti akár a 100 mg/kg mennyiséget is. A paradicsom esetében ez az értek mg/kg között változhat (Helyes et al., 2013a), amelyre nagy befolyással lehet a növény fajtája, az érettségi stádium illetve a termés érése során, az abiotikus tényezők közül a hőmérséklet (Pék et al., 2011). Mindezek mellett fontos szem előtt tartani, hogy a humán táplálkozásban a paradicsom és a paradicsom alapú termékek adják a fő forrását ennek a karotinoidnak, mivel folyamatosan a fogyasztók rendelkezésére állnak. A likopinon kívül a paradicsombogyó és a belőle készült termékek egyéb fontos, antioxidáns hatású anyagban is gazdagok. A legújabb epidemiológiai vizsgálatok kimutatták, hogy rendszeres fogyasztásával olyan súlyos és gyakran bekövetkező halálokok előzhetők meg, 93

3 mint a szív- és érrendszeri betegségek kapcsán létrejövő stroke és szívinfarktus, valamint néhány típusa a rákos elváltozásoknak, mint például a prosztatarák (Kamiloglu et al., 2013). A likopin molekulának a fontossága szervezetünkben, azon tulajdonságaiban rejlik, hogy az egyik legnagyobb szabadgyök dezaktiváló sebességgel rendelkező, biológiai úton képződő anyag. Valamint, hogy a másik, paradicsomban nagyobb mennyiségben előforduló antioxidáns hatású fitonutriensnél, a β-karotinnál is nagyobb mennyiségben és hosszabb távon lehet jelen a humán plazmában (Di Mascio et al.,1989). Faller és munkatársainak (2010) kutatásai szerint, a szintén magas antioxidáns kapacitással rendelkező, nagyszámú természetes eredetű fenolgyűrűt tartalmazó polifenolok, a növények esetében egyfajta 'vele születtet védelmi rendszer' részeként fogható fel. Ezt a védelmi mechanizmust különböző stressz tényezők stimulálják, amilyen például az UVsugárzás, az extrém magas vagy alacsony hőmérséklet és a patogének támadásai. A polifenolokat eddig több mint 8000 anyagban azonosították, széles körben elterjedt a növényi eredetű élelmiszerekben, mint a gabonafélék, a tea vagy a csokoládé. A legtöbb növényfajnál a termések héjában általában nagyobb mennyiségben halmozódik fel mint a terméshúsban, de a paradicsom ez alól kivétel. Megközelítőleg 50 %-al magassabb az összes polifenoltartalma a paradicsom termés húsában mint a héjában (Chandra et al., 2012). A karotinoidok és más antioxidáns hatású vegyület meghatározására és elemzésére eddig leggyakrabban alkalmazott módszer volt a nagy teljesítményű folyadék kromatográfia (HPLC). A kromatográfiás módszerek megbízhatóak, ugyanakkor hosszú munkaidőt, drága laboratóriumi berendezéseket, képzett szakembert, veszélyes szerves oldószereket és a minta roncsolását igénylik. Ezzel ellentétben a spektroszkópiás módszerek gyorsak, mobilizálhatóak, nem igényelnek oldószereket és nem utolsó sorban, roncsolás mentesen, valós időben végzik el a termésekre vonatkozó beltartalmi méréseket (Davis et al., 2003). ANYAG ÉS MÓDSZER A kísérletet 2012-ben végeztük a gödöllői Szent István Egyetem Kertészeti Tanüzemének területén, amely talajtípus szempontjából, barna erdőtalajjal és vályogos homokkal rendelkezik. Öt méternél mélyebben helyezkedik el a talajvíz, amely a növények számára már hozzáférhetetlen, így a kísérleti eredményekbe nem okoz semmilyen típusú változást. A kísérletben az Uno Rosso F1, Heinz 9663 F1, Triple Red F1 és Ug Red F1 hibrideket vizsgáltuk és értékeltük. A magvetés április 2-án történt növényházban, a palántákat, pedig május 10-én ültettük ki ikersoros elrendezésben. A sortávolság cm, a tőtávolság 30cm, így a négyzetméterenkénti növényszám 4,2 darab volt. A növényállományok azonosan, optimális víz- és tápanyag ellátásúak voltak. A 2012-es év vegetációs időszakában az időjárása a paradicsom ökológiai igényeinek megfelelő volt, tehát a fajtára jellemző termés beltartalmat a növények produkálni tudták. A szedést 4 ismétlésben, randomizáltan végeztük augusztus 14-én. A szedést követően került sor az osztályozásra, a méréshez ipari felhasználásra alkalmas, piacképes, érett piros bogyókat használtunk. Ezeket a bogyókat 94

4 pépesítettük majd elvégeztük a spektroszkópiás mérést. A méréshez kézi ASD FieldSpec HandHeld2 hordozható spektroradiométert használtunk, melynek felbontása 1nm-es pontosságú, mérési tartománya pedig nm között volt. A műszer 25º-os látómezővel rendelkezik, amely kistávolságú és kontakt mérések esetén is alkalmas arra, hogy a valós idejű, roncsolás mentes mérést minél több spektrális információ begyűjtése mellett hajtsa végre. A spektroszkópiás mérést követően a mintákat megvizsgálták oldható szárazanyag-, likopin- és antioxidáns tartalom szempontjából. A vízben oldható szárazanyag-tartalom refrakció (Brix ) meghatározása AST 1230 (Japán) típusú refraktométerrel történt MSZ EN szabvány szerint. A karotinoidok meghatározás HPLC módszerrel történt (Daood et al., 2013). Az összes polifenol-tartalmat 1%-os sósavas metanollal történt extrakciót követően spektrofotometriásan mértük AOAC módszer szerint történt, standardként katechint használtunk (Pék et al., 2013). Az analitikai vizsgálatok után Az Unscrambler szoftver PLSR (Partial Least Square Regression) moduljának segítségével, az analitikai és a spektrális mérési eredmények közötti összefüggéseket állapítottuk meg. EREDMÉNYEK A paradicsom termések reflektancia átlagai szignifikáns különbséget mutattak, a mérőműszer által rögzített spektrum jelentős hányadában (1. ábra). Az ábrán különösen a közeli infravörös tartományban ( nm) látható különbségek szembetűnőek. 95

5 Reflektancia (%) Hullámhossz (nm) Heinz 9663 Triple Red Ug Red Uno Rosso 1. ábra Az ipari paradicsomfajták érett terméseinek átlagos reflektancia értékei a nm-es hullámhossztartományban én, (n=4; ±SzD 5%). Ezek után került sor a minták statisztikai elemzésére, melynek során megpróbáltuk leszűkíteni a mért spektrális adatok tartományát az analizált anyagokkal nagyobb összefüggésben lévő hullámhossztartományra. Az ipari paradicsom feldolgozása szempontjából legfontosabb mérőszám az oldható szárazanyag-tartalom ( Brix) esetében a látható hullámhossztartományban találtuk a legszorosabb összefüggést a reflektancia értékekkel (2. ábra). Az oldható szárazanyag és spektrális adatok összefüggését, a többváltozós függvényvizsgálat eredményeként kapott modell, R 2 = 0.96, korrelációs koefficienssel jellemezte, melynek kalibrációs standard hibája 0,20 Brix volt. Mivel a különböző ipari paradicsom fajták oldható szárazanyag-tartalma 4-7 Brix között változik, a kapott hiba értéke megfelelőnek tűnik arra, hogy tovább pontosítva alkalmas legyen ennek a paraméternek a meghatározására. 96

6 Reflektancia (%) Hullámhossz (nm) Heinz 9663 Triple Red Ug Red Uno Rosso 2. ábra Az ipari paradicsomfajták érett terméseinek átlagos reflektancia értékei a nm-es hullámhossztartományban én, (n=4; ±SzD 5%). A spektrális adatok további elemzése a likopintartalom esetében, a nm-es tartományban eredményezett szoros összefüggést, R 2 = 0,96 értékkel (3. ábra). A kalibráció standard hibája pedig 0,86 mg/kg volt, ami a paradicsom átlagos likopintartalmához ( mg/kg) képest is alig 1%-os hibának felel meg. 97

7 Reflektancia (%) Hullámhossz (nm) Heinz 9663 Triple Red Ug Red Uno Rosso 3. ábra Az ipari paradicsomfajták érett terméseinek átlagos reflektancia értékei a nm-es hullámhossztartományban én, (n=4; ±SzD 5%). Az összes polifenol-tartalom szempontjából, a közeli infravörös spektrum szűkebb tartománya ( nm) hozta a legszorosabb összefüggést R 2 = 0.95 értékkel (4. ábra), melynek kalibrációs hibája 3,23 mg/kg volt. Az ipari paradicsomok átlagos összes polifenoltartalmához ( mg/kg) képest, ennek a hibának a mértéke szintén nem éri el az 1%-ot. Összességében megállapítható, hogy a mintaként vizsgált ipari paradicsom püré közeli infravörös tartományban ( nm) mért reflektanciája, költséghatékony és gyors beltartalom meghatározást tesz lehetővé. A legkisebb négyzetek elvén alapuló regresszió számítás alapján kapott modellek, alkalmasak a vizsgált paraméterek becslésére 1%-on belüli hibával. Ez a hibahatár a mérések számának növelésével, pedig tovább csökkenthető, melynek eredményeképpen a modell tovább tökéletesíthető paradicsomra, illetve más anyagok kimutatására is alkalmassá válhat. 98

8 Reflektancia (%) Hullámhossz (nm) Heinz 9663 Triple Red Ug Red Uno Rosso 4. ábra Az ipari paradicsomfajták érett terméseinek átlagos reflektancia értékei a nm-es hullámhossztartományban én, (n=4; ±SzD 5%). IRODALOMJEGYZÉK 1. Beckles D. M., Factors affecting the postharvest soluble solids and sugar content of tomato (Solanum lycopersicum L.) fruit, Postharvest Biology and Technology, 63: Brandt S, Pék Z, Barna É, Lugasi A, Helyes L, (2006) Lycopene content and colour of ripening tomatoes as affected by environmental conditions. J Sci Food Agric 86: Collins, J.K., Perkins-Veazie, P., Roberts, W. (2006): Lycopene: From plants to humans. HortScience, 41: Chandra, H.M., Shanmugaraj, B.M., Srinivasan, B., Ramalingam, S. (2012): Influence of Genotypic Variations on Antioxidant Properties in Different Fractions of Tomato. Journal of Food Science, 77: C1174-C

9 5. Daood H.G., Z. Pék, G. Palotás, A. Sidikov and L. Helyes (2013): Separation of carotenoids from tomatoes by HPLC using cross-linked C18 column and MS detection. Journal of Chromatography Science (in press). 6. Davis, A. R. Fish, W. W. Perkins-Veazie, P. (2003): A rapid spectrophotometric method for analyzing lycopene content in tomato and tomato products, Postharvest Biology and Technology, 28: Di Mascio, P., Kaiser, S., Sies, H. (1989): Lycopene as the most efficient biological carotenoid singlet oxygen quencher. Archives of Biochemistry and Biophysics, 274: Faller, A.L.K. Fialho, E. (2010): Polyphenol content and antioxidant capacity in organic and conventional plant foods, Journal of Food Composition and Analysis, 23: FAOSTAT (2010): Production crops. FAOSTAT Agricultural production database. (2013 augusztus 12.) 10. Helyes, L., Neményi, A., Pék, Z., Berki, M., Daood, H.G. (2013a): Effect of variety and water supply on phytochemical (phenolics and carotenoids) content and composition of processing tomato. Acta Horticulturae, 971: Helyes, L., Szuvandzsiev, P., Neményi, A., Pék, Z., Lugasi, A. (2013b): Different water supply and stomatal conductance correlates with yield quantity and quality parameters Acta Horticulturae, 971: Kamiloglu S., Boyacioglu D. Capanoglu E. (2013): The effect of food processing on bioavailability of tomato antioxidants. Journal of Berry Research 3: MSZ EN (1998): Gyümölcs- és zöldséglevek. Az oldható szárazanyagtartalom becslése. Refraktometriás módszer. 14. Pék, Z., H. Daood, M.G. Nagyné, A. Neményi, and L. Helyes, Effect of environmental conditions and water status on the bioactive compounds of broccoli. Central European Journal of Biology, 8: Pék. Z., P. Szuvandzsiev, A. Neményi, L. Helyes and A. Lugasi. (2011): The effect of natural light on changes in antioxidant content and color parameters of vine-ripened tomato (Solanum lycopersicum L.) fruits. HortScience 46: