Ensuring the reliability of spectroscopy for rapid and nondestructive assessment: an approach from NMR metabolomics
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18H02161
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 38050:Food sciences-related
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| Research Institution | National Agriculture and Food Research Organization |
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Principal Investigator |
池羽田 晶文 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 食品研究部門, ユニット長 (40342745)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関山 恭代 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 食品研究部門, 上級研究員 (60342804)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2018: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
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| Keywords | メタボローム解析 / 量子化学計算 / 近赤外分光法 / リアルタイム計測 / NMR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
食品や農産物の非破壊迅速評価法として知られる近赤外分光法は，PLS回帰などの機械的学習手法の助けもあり，生産現場に広く普及している．しかし，それらは定量原理が不明なまま使い続けられているため，有害物質の検出や医療応用など，高い信頼性が求められる分野への進展が滞っている．したがって，非破壊・迅速分光分析の信頼性担保のため，検量モデルが成立するメカニズムの理解が急務である．本研究では，その理解を困難にしてきた理由は対象が生物由来，すなわち複雑な代謝混合物であるためと考え，網羅的代謝解析を活用することでこれを解明する．具体的には主にNMR法を用いたメタボローム解析と量子化学計算によって，非破壊・迅速分光分析されるシグナルがどの代謝物（群）に由来するかを紐解く．したがって本研究の内容は，近赤外分光法等の非破壊・迅速分光分析法を単なるポストハーベスト評価技術に留めず，メタボロミクスのためのリアルタイム計測手法に昇格するための基礎研究である．具体的には以下の5つの課題：①果実の非破壊糖度選別の原理解明，②穀類の主成分および灰分の推定原理解明，③非侵襲血糖値推定の原理解明，④モデル系でのリアルタイム計測実験，⑤紫外吸収分光・蛍光分光への適用，を設定する．
H30年度は①の課題について，リンゴや桃の近赤外分光法による非破壊糖度選別のメカニズムについて，同測定部位の果汁の1H NMRスペクトルとの比較から考察を進めた．その結果，これまで経験的に選択されてきた有効波長が，単糖に関連するものや，ペクチンの加水分解に関連するものなど，品目によって様々であることが明らかとなった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は①果実の非破壊糖度選別の原理解明を集中的に実施した．よく知られている果実糖度の検量モデル（可視－短波長近赤外領域）における有効波長と関連する成分を調べ，そのモデル構造と背景にある代謝との関連を明らかにした．試料には糖度に十分なバラツキのある国内外産リンゴ及び桃を用いた．具体的には実際に現場で使用される可視－短波長近赤外帯域（500-1100 nm）を用いて非破壊糖度検量モデルを作成した．一方で非破壊計測を実施した部位の果汁を用いて1H NMRスペクトルの計測を行った．共通の果実の可視－近赤外スペクトルと1H NMRスペクトルとの異種相関解析（Statistical Heterospectroscopy (SHY)）を実施した．代謝経路データベースとの比較から非破壊計測に有効な代謝物群を特定した結果，これまで経験的に選択されてきた有効波長の要因を明らかにするなどの成果を得た．リンゴでは単糖に関連する限定された波長が主であり，一方，追熟が顕著な桃では，ペクチンの加水分解に関連する成分が比較的広い近赤外帯に影響することが示唆された．しかしリンゴでは種々の単糖が単一の波長に縮退しており，この原因についてはさらに考察を深める必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
①果実の非破壊糖度選別の原理解明に関しては，1H NMRスペクトルとの比較により，有効波長との関連物質が明確となった．しかし近赤外スペクトルの直接的な帰属には至っていないため，モデル物質系での再現実験から，相互作用種（溶質への水和等で振動モードが変化した水等）を考慮して議論する．また，昨年度実施に至らなかった量子化学計算による説明についても連携研究者と実施する．量子化学計算は，比較的再現しやすい低次の倍音と結合音からなる帯域を対象とする本課題から開始する．密度汎関数（DFT）計算において二次の振動摂動理論（GVPT2）によるアプローチを採用し，振動の非調和性に基づくスペクトルシミュレーションを行う．令和元年度は②穀類の主成分および灰分の推定原理解明について国産のコメを試料とし，長波長近赤外帯域（1700-2500 nm）を用いた灰分の検量モデル構造を理解する．また，前倒しで結果を得るため順序を変更し，④モデル系でのリアルタイム計測実験，即ち，酵母分散液の糖代謝のリアルタイムモニタリングを他の課題と並行して実施する．
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
