Proteiner er viktige næringsstoffer, og etter hvert som befolkningen vokser, trenger vi mer mat og fôr med høyt proteininnhold og god kvalitet. Teknologien spektroskopi kan hjelpe oss med å måle kvaliteten på proteinene raskere og mer effektivt.
Den økende etterspørselen etter proteiner i mat og fôr krever presis proteinanalyse for å sikre matkvalitet. Effektiv proteinutnyttelse og reduksjon av matavfall er avgjørende for å oppnå matbærekraft. Matindustrien er imidlertid ofte avhengig av langsomme og kostbare laboratoriebaserte metoder for kvalitetsanalyse av maten. Nå jobber forskere med å finne raske og kostnadseffektive sensorer som kan gi nøyaktige og pålitelige målinger av kvaliteten på maten vår.
En egnet metode er Fourier Transform Infrared (FTIR) spektroskopi. FTIR-sensorer er raskere og krever mindre forberedelse av prøvene. Utfordringen med denne metoden er at vann i prøvene kan forstyrre målingene fordi vann absorberer stråling på samme måte som proteiner, spesielt under måling av proteiner i flytende matriser. I sitt doktorgradsarbeid har Bijay Kafle prøvd å løse dette ved å bruke tørrfilmprøvetaking. Ved hjelp av tørrfilm FTIR-metoden, fjernes vannet fysisk før analysen. Da minimeres vannforstyrringen slik at man får mer nøyaktige målinger.
– Denne innovasjonen er avgjørende for å møte industriens behov, optimalisere proteinressurser og støtte bærekraftige matproduksjonspraksiser, sier Bijay Kafle, stipendiat ved NMBUs Fakultet for realfag og teknologi.
Gir gode og nøyaktige resultater
Hovedmålet med avhandlingen hans var å studere potensialet for tørrfilm FTIR spektroskopi for industrimålinger av matkvalitet. Avhandlingen fokuserte på å bruke tørrfilm FTIR for å analysere industrielt produserte proteinhydrolysater fra enzymatisk proteinhydrolyse (EPH), utforske denne industrielle prosessen videre med FTIR spektroskopi, designe og utvikle et bærbart tørrfilm FTIR-system skreddersydd for industriell bruk, og å utvikle nye applikasjoner som er relevante for industrien. Det er mye næringsstoffer igjen i restråvarene som kommer som sidestrømmer fra fiske- og fjærfeforedlingsindustrien. Disse restene blir enzymatisk hydrolysert for å oppnå verdistøttede peptider og aminosyrer.
– Vi brukte tørrfilm FTIR spektroskopi til å studere proteinhydrolysater, som er proteiner som er brutt ned ved hjelp av enzymer. Vannfasen i prøven inneholder peptider og frie aminosyrer, og karakteriseringen av dem er veldig viktig for kvalitetskontroll. Vi fant ut at tørrfilm FTIR-metoden ga bedre resultater og kunne forutsi viktige kvalitetsparametere som gjennomsnittlig molekylvekt, lavmolekylære bestanddeler og kollageninnhold. Vi brukte også metoden til å forstå variasjoner i prosessen med enzymatisk hydrolyse, sier Bijay Kafle.
Forskjeller på FTIR-ATR og tørrfilm FTIR
I studien sammenligner Kafle to prøvetakingsstrategier, FTIR-ATR og tørrfilm FTIR, og testet dem på laboratoriebaserte laksehydrolysater og industrielt produserte fjærfehydrolysater (restråstoff fra laks og fjærefe som er brutt ned ved hjelp av enzymer).
Tørrfilm FTIR viste seg å gi bedre kjemisk oppløsningsevne, sannsynligvis fordi vannet ble fjernet, og mer nøyaktige prediksjoner av nøkkelkvalitetsparametere, som gjennomsnittlig molekylvekt (AMW). Tørrfilm FTIR ga også en mer pålitelig analyse av prøvene med en mer kompleks proteinsammensetning, som fjærfehydrolysater, der informasjon fra amid I-båndet i FTIR-spekteret er avgjørende.
FTIR-ATR viste seg å være velegnet for å predikere AMW og Brix-verdier i prøver med en enklere proteinsammensetning, som i laksehydrolysater. Her var kalibreringsmodellene mer avhengige av FTIR-bånd som var minimalt påvirket av vannet i prøvene.
Kafle utforsket også tørrfilm FTIR som et verktøy for å forstå industrielle prosesser i et enzymatisk hydrolyseanlegg. Proteinhydrolysater produsert fra enzymatisk nedbrytning av fjærferestråvarer, ble karakterisert med tanke på kvalitet og videre undersøkt for å gi en forståelse av prosessvariasjoner.
– Kalibreringsmodellene som ble utviklet basert på regresjon ved bruk av FTIR-spektra av proteinhydrolysatene, viste en god evne til å predikere nøkkelkvalitetsparametere som AMW, lavmolekylære komponenter og kollageninnhold, sier Kafle.
Tørrfilm FTIR skilte effektivt ut store variasjoner i råmaterialer (dvs. kalkun- og kyllingskrog) og den betydelige effekten forskjellige enzymer har på de viktigste kvalitetsparameterne.
– Dette viser hvilket potensial tørrfilm FTIR har til å karakterisere kvalitet på industrielle proteinhydrolysater og for å overvåke og kontrollere hydrolyseprosessen, sier Kafle.
Lagde bærbart system for industrien
En sentral del av Bijay Kafles avhandling har vært å utvikle et bærbart FTIR-system som gjør det mulig å gjøre tørrfilmmålinger på samlebåndet i industrielle miljøer. Etter vellykkede laboratorietester og sammenligninger med et kommersielt FTIR-system ved bruk av industrielt produserte proteinhydrolysater, ble det portable tørrfilm FTIR-systemet testet i et enzymatisk hydrolyseanlegg for å måle proteinhydrolysater på samlebåndet.
– Kalibreringsmodellen viste god evne til å predikere gjennomsnittlig molekylvekt (AMW) på industrielle prøver. Det var ingen signifikante forskjeller i prediksjonsevnen mellom det portable tørrfilm FTIR-systemet og det kommeriselle laboratoriesystemet, sier Kafle.
Det portable tørrfilm FTIR-systemet ble også brukt til å analysere laktatinnholdet i cellekulturmedier. Dette indikerer at det er stor bredde i mulige anvendelser for bioprosessovervåking.
– Tørrfilm FTIR-systemet bør nå benyttes for å utvikle nye industrielle applikasjoner for protein- og matanalyser. Et viktig område vil være proteinsammensetning i melk, sier Kafle.
Tørrfilm FTIR-spektroskopi har stort potensial for å analysere proteinhydrolysatorer
Sett under ett har denne avhandlingen belyst potensialet til tørrfilm FTIR-spektroskopi for å analysere proteinhydrolysater. Tørrfilm FTIR ga bedre kjemisk oppløsning, lovende resultater i å forutsi nøkkelkvalitetsparametere for proteinhydrolysater og økt forståelse av prosessvariasjoner under industriell enzymatisk hydrolyse. Utviklingen av et portabelt tørrfilm FTIR-system gjør det mulig å innlemme systemet i prosesslinjer for potensielle in-line målinger etter videre automatisering av prøveforbehandling og tørkeprosess. Tørrfilm FTIR spektroskopi viser seg derfor å være et pålitelig verktøy med stort potensial for rask prøveanalyse, kvalitetskontroll og prosessovervåkning i industrielle miljøer.
Bijay Kafle forsvarer sin doktorgradsavhandling «Tørrfilm FTIR spektroskopi for industrimålinger av matkvalitet» 28. juni 2024. Se disputasoppslaget her.