Naukowcy złamali kod pieprzu - przydatne do kontroli jakości w przemyśle spożywczym

Pieprz ( Piper nigrum L. ), znany jako „król przypraw”, jest podstawą kuchni na całym świecie i w medycynie tradycyjnej. Dwie najpopularniejsze formy, czarny pieprz i biały pieprz, pochodzą z tej samej rośliny, ale są zbierane w różnym czasie i przetwarzane w różny sposób, co skutkuje wyraźnie różnymi smakami i aromatami. Pieprz czarny powstaje z suszonych, niedojrzałych owoców, co daje charakterystyczną ognistą moc, podczas gdy pieprz biały pochodzi z dojrzałych owoców z usuniętą zewnętrzną warstwą, co daje łagodniejszą ostrość.

Wyraźne smaki i aromaty czarnego i białego pieprzu pochodzą z ich lotnych związków organicznych, w tym terpenów, alkoholi, aldehydów i estrów. Związki te wykazują również działanie przeciwutleniające, przeciwzapalne i przeciwbakteryjne, więc profilowanie lotnych związków organicznych czarnego i białego pieprzu jest interesujące zarówno dla przemysłu spożywczego, jak i farmaceutycznego.

Do badania lotnych związków organicznych w pieprzu zastosowano GC-MS, identyfikując liczne składniki, szczególnie w czarnym pieprzu, ale w literaturze brakowało dokładnej analizy porównawczej rozróżniającej pełne profile lotnych związków organicznych czarnego i białego pieprzu. W niedawnej publikacji naukowcy z Tianjin University of Traditional Chinese Medicine (Chiny) kompleksowo scharakteryzowali i zróżnicowali profile lotnych związków organicznych czarnego i białego pieprzu, stosując dwie uzupełniające się techniki, HS-GC-IMS i HS-SPME-GC-MS. Zbadali również potencjał antybakteryjny związany z tymi lotnymi związkami.

Techniki bliźniacze

Naukowcy uzyskali po 15 partii czarnego i białego pieprzu z całych Chin. Próbki zostały zmielone i przesiane, a następnie umieszczone w butelce do pobierania próbek przestrzeni nad cieczą.

Do analizy HS-GC-IMS autorzy zastosowali system FlavourSpec® GC-IMS wyposażony w autosampler. Po starannej optymalizacji warunków ekstrakcji próbki inkubowano w temperaturze 70 °C przez 15 minut przed wstrzyknięciem fazy nadpowierzchniowej (500 µl w temperaturze 85 °C) na 15-metrową kolumnę kapilarną FS-SE-54-CB-1 (60 °C), używając azotu jako gazu nośnego i dryftowego (przepływ 150 ml/min). Wyniki przetworzono przy użyciu oprogramowania VOCal zawierającego bazy danych NIST i IMS, z n-ketonami (C4–C9) do obliczenia wskaźnika retencji.

Do HS-SPME-GC-MS użyto spektrometru Agilent 7890B-7000D GC-MS. Próbki (10 mg) poddano analizie SPME przestrzeni nad cieczą przy użyciu włókna DVB/CAR/PDMS (inkubacja w 70 °C przez 15 min, ekstrakcja w 240 °C przez 20 min). Anality rozdzielono na 30-metrowej kolumnie HP-5MS, używając helu jako gazu nośnego (1,0 ml/min) i złożonego programu temperaturowego zwiększającego się etapami od 50 °C do 220 °C. Spektrometr MS pracował w trybie EI (70 eV) ze skanowaniem m/z 30–650, z identyfikacją za pomocą biblioteki NIST.17 i indeksami retencji obliczonymi przy użyciu n-alkanów (C8–C20).

Aby zidentyfikować istotne różnice, przeprowadzono wielowymiarową analizę statystyczną, obejmującą ortogonalną analizę dyskryminacyjną najmniejszych kwadratów cząstkowych (OPLS-DA), analizę lasu losowego (RF) i klasteryzację na mapie cieplnej, przy użyciu oprogramowania Simca i MetaboAnalyst.

Wskaźniki pieprzowe

Obie metody GC dobrze się uzupełniały. HS-GC-IMS zidentyfikowała 108 VOC, głównie mniejsze cząsteczki (C4–C10), podczas gdy HS-SPME-GC-MS wykryła 123 VOC, skupiając się bardziej na większych, mniej lotnych związkach (C10–C15). Tylko pięć związków było wspólnych dla obu metod, co podkreśla korzyści płynące z połączonego podejścia.

Wielowymiarowa analiza wyraźnie rozróżniła próbki czarnego i białego pieprzu. OPLS-DA wykazało doskonałą separację, potwierdzając istotne różnice. Wykresy odcisków palców i mapy cieplne zostały wykorzystane do wizualizacji zmian: próbki białego pieprzu zawierały związki związane z łagodniejszymi, owocowymi lub cytrusowymi nutami, takie jak γ-terpinen, limonen, β-ocimen i 1-metylo-4-(1-metyloetylideno)-cykloheksen. Z drugiej strony, czarny pieprz zawierał więcej związków związanych z ostrymi, korzennymi, drzewnymi lub goździkowymi aromatami, takimi jak α-kubeben, L-pinokarweol, metyloeugenol i 4-metylogwajakol. Analiza RF i wyniki VIP ujawniły osiem kluczowych markerów różnicowych (takich jak γ-terpinen i α-kubeben), które skutecznie rozróżniają dwa rodzaje papryki i stanowią podstawę chemiczną dla ich odrębnych cech sensorycznych i kulinarnych.

Olejki eteryczne ekstrahowano z próbek pieprzu za pomocą destylacji parowej, a ich aktywność przeciwbakteryjną testowano za pomocą metody dyfuzji w agarze. Olejki eteryczne zarówno z czarnego, jak i białego pieprzu wykazywały aktywność hamującą wobec bakterii Gram-dodatniej S. aureus i grzyba C. albicans, chociaż wykazywały niewielki wpływ na bakterie Gram-ujemne E. coli. Biały pieprz wykazywał nieco silniejsze hamowanie wobec S. aureus w porównaniu z czarnym.

Połączenie HS-GC-IMS i HS-SPME-GC-MS umożliwiło dokładną charakterystykę i porównanie profili lotnych związków organicznych czarnego i białego pieprzu. Skład chemiczny został skorelowany z różnicami smakowymi, a dane te będą przydatne do kontroli jakości w przemyśle spożywczym. Połączenie ortogonalnych technik analitycznych i chemometrii to potężne podejście do analizy złożonych produktów naturalnych.

Źródło: https://analyticalscience.wiley.com/content/article-do/cracking-pepper-code-hs-gc-ims-and-hs-spme-gc-ms