手机上的Omega 3

文章内容

    从初级生产到工业加工,再到最终的食品制备,食品供应链体现了一系列具有挑战性的系统研究变量。 一个特殊的挑战是通过加工和烹饪环境跟踪特定分子的命运,然后跟踪体内代谢过程。

    为了克服这一挑战,我们开发了一种独特的研究友好型工作流程(即Fraunhofer-Monash工作流程),该工作流程以放射性同位素14 C开头,置于目标分子内并以低剂量进料。 label permits the detection of degradation compounds produced either on the shelf (in-food), during processing or preparation for eating (in-process), and/or metabolites produced post ingestion (in-body).使用超高灵敏度LC-MS分析, 14 C标签可检测在货架上(食品中),加工过程中或进食时(加工中)产生的降解化合物和/或摄入后产生的代谢产物(体内)。 -labeled metabolites creates powerful second and third horizons of enquiry that can inform processing conditions or formulation design.特定14 C标记代谢物的鉴定创造了强大的第二和第三探究视野,可以为加工条件或制剂设计提供信息。 特别是,该工作流程包括用于代谢物化学合成的选项,从而使您能够深入了解分子营养和食品安全性。

    Fraunhofer-Monash工作流程的关键应用是发现和验证商业“功能性”食品中感兴趣的分子,并验证实际的代谢产物和降解产物,以研究对消费者的潜在利益和风险。 现在,这些方法已经准备好支持更快地解决食品生物活性,安全性和质量方面的不确定性,从而创造出更健康的食品,并加快对复杂食品和健康范式的理解。

    食物与健康

    粮农组织(粮食及农业组织)和世界卫生组织(世界卫生组织)等权威组织清楚地表明,营养(与生活方式,环境等相比)对个人的健康状况产生了重大影响。 因此,近来人们对营养在健康中所起的主导作用的认识不断提高,导致健康益处成为食物选择的重要动力。 结果,食品行业的主要创新重点是开发具有特定健康相关特性的功能性食品,以认识到强劲的市场需求和给消费者带来的好处。

    这种趋势伴随着对符合“清洁”标签的食品成分的需求也以相似的方式增长,并且产品标签的健康声明得到独立且可靠的科学证据的支持。 当前,对于许多生物活性或功能成分,我们对它们在健康和福祉中的作用有基本的了解。 但是,研究通常集中在母体化合物(或化学类别)上,但没有考虑到食品加工或家庭制备过程中形成的降解产物,也不是体内产生的代谢产物。

    除非与特定的食品安全挑战相关联,否则以前将通过这些多种复杂途径形成的化学转化产品视为“太难了”,无法在试图理解消费者利益和风险的整体方法中进行研究。 一方面,消费者在食品中寻求增强健康的功能,另一方面,他们担心“新”配方可能包含形成未知特性产品的添加剂。 众所周知的例子是丙烯酰胺。 在加工食品中意外检测出这种致癌性毒物后,通过可用的最新技术,花了三年时间才破译并验证其化学来源,并制定了避免其的策略(Stadler等人,2004年)。 现在,使用Fraunhofer-Monash工作流程可以完全了解食品/加工过程中的化学途径以及体内产品/代谢物之间的相互作用。

    Fraunhofer-Monash工作流程

    尽管发生化学反应的可能性多种多样,但当前的方法是简单地比较加工前后母体食品成分或化合物的分析回收率。 因此,中间产物或副反应以前被忽略,被视为“黑匣子”,因为大多数食品代表的基质具有极大的复杂性和潜在的化学反应动力学。 到目前为止,这种复杂性使得无法破译单个前体的命运或生成中间或最终化学产品。

    但是,就像通过“组学”研究套件解决了生物异质性和复杂性一样,现在也可以使用技术来解决化学异质性以及在食品基质和应激源中的化学反应动力学问题。 现在,必须将用于跨学科营养生命科学的新型分子研究工具用于理解复杂的食物系统。 如果我们不这样做,那么理解的空白将使错误的信息传给消费者并加剧焦虑。 在缺乏科学事实的情况下,消费者可能容易受到伪科学,虚假甚至对食品供应的谎言的影响。 这个新的工作流程旨在确保对生物活性成分的化学和生化命运有事实了解,解决了消费者信任中的两个关键因素之一。

    在以前的项目中,Fraunhofer IME研究人员成功地证明了不同食品制备步骤对农药化学稳定性的重大影响。 已显示出一些参数,例如基质组成,加热温度,加工时间和物质的个别化学性质,会影响食品加工过程中的降解,挥发和转移过程(Goeckener,Kotthoff和Buecking In Press)。 例如,对选定农药的食品和加工过程中的转化的研究表明,母体化合物降解了约70%,导致首次鉴定出的降解产物> 10,这不能被认为是无害的( Goeckener,Kotthoff和Buecking In Press)。 -radio-labeling of a target compound, and thereby enabling traceability of the fate and bioactivity of all (labeled) degradation products. Fraunhofer-Monash工作流程在食品系统中的应用从这种方法发展而来,主要涉及目标化合物的14 C-放射性标记,从而能够追踪所有(标记的)降解产物的命运和生物活性。

    -labeling to track the metabolism and distribution of food compounds and their metabolites, using the pig model of human digestion.还有其他示例,使用猪的人消化模型,使用14 C标记跟踪食物化合物及其代谢物的代谢和分布。 -labeling of dietary fatty acids has traced their metabolism, oxidation rates, pharmacokinetics and bio-distribution in tissues (Odle, Benevenga, and Crenshaw 1992).特别地,膳食脂肪酸的14 C标记追踪了它们在组织中的代谢,氧化速率,药代动力学和生物分布(Odle,Benevenga和Crenshaw 1992)。 -labeled food bioactives include triglycerides, vitamins, phytonutrients and toxins (Prelusky, Miller, and Trenholm 1996, Schweigert et al. 1995, Wang, Kearns, and Mock 2001, Heo et al. 2002), as limited by the ability to control the chemical localization of the 14 C label, posing an increasing challenge for macronutrients.对14 C标记的食品生物活性物质的其他研究包括甘油三酸酯,维生素,植物营养素和毒素(Prelusky,Miller和Trenholm 1996; Schweigert等1995; Wang,Kearns和Mock 2001; Heo等2002),但受到以下限制:控制14 C标签化学定位的能力,对大量营养素构成了越来越大的挑战。

    综合技术与专长

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    流程图图

    图1.跨学科科学专业知识和尖端技术的工作流程。

    流程图图

    图1.跨学科科学专业知识和尖端技术的工作流程。

    research team joined forces with Monash University and developed a unique assemblage of joint expertise in an ambitious study of the fates of food nutrients and bioactives: in-food, in-process and in-body. 2017年12月,Fraunhofer 14 C研究团队代表了经过验证的农药工作流程,与莫纳什大学(Monash University)携手合作,开发了独特的联合专业知识组合,以雄心勃勃地研究食品营养物质和生物活性物质的命运:食品中,加工中和体内。 蒙纳士大学三个学院(科学,医学,护理与健康科学,药学和制药科学)以及蒙纳士食品创新团队的专家补充了Fraunhofer IME的最新分析科学专家。 metabolites. Monash团队的成员在合成化学,生物途径分析,临床营养,健康科学和食品营销方面拥有强大的能力,反映了从最初鉴定14 C代谢物演变而来的第二和第三研究视野。

    扩展的工作流程将验证商业食品和人体中已确认代谢产物的检测,并进行代谢产物合成,以使用生活方式疾病的细胞和动物模型进行安全性和有效性的细胞和动物研究(图1)。 研究结果将推动利益相关者优化工业食品加工条件并开发新产品,在其中可以设计生物活性化合物的命运以产生有针对性的健康结果,并避免与风险相关的化学和生化途径。

    -food bioactive.主要项目工作流程涉及对14 C食物生物活性物质的食物内,过程中和体内监测。 对食品中和过程中化学降解建模的研究将对与目标生物活性物质和食品媒介物相关的工业条件进行建模。 人体代谢模型研究将在猪中进行,猪是人类消化过程中最接近的动物模型。 -metabolites and degradation products will be conducted by ultra-high-performance liquid chromatography coupled with high resolution mass spectrometry (accurate-mass Quadrupole-Orbitrap MS systems), with capacity for rapid, highly selective detection of low-level 14 C -compounds in complex matrices. 14 C代谢物和降解产物的化学分析将通过超高效液相色谱结合高分辨率质谱(精确质量的四极杆Orbitrap MS系统)进行,能够快速,高度选择性地检测低水平复杂矩阵中的14 C-化合物。 -labeled chemical products and metabolites will be subsequently validated by screening for matching compounds in commercial food products and in human studies, respectively.随后将分别通过筛选商业食品和人体研究中的匹配化合物来验证14 C标记的化学产品和代谢物的鉴定。 为了使这一令人兴奋的Fraunhofer-Monash工作流程能够进行食品质量验证,我们选择了两种模型化合物:必需脂肪酸α-亚麻酸(ALA)和神经递质前体酪氨酸。

    了解α-亚麻酸的代谢

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    条形图

    图2.胶囊摄入3天后测得的14C-α-亚麻酸在猪体内的生物分布。

    条形图

    图2.胶囊摄入3天后测得的14C-α-亚麻酸在猪体内的生物分布。

    Omega-3脂肪酸对人体和大脑具有许多重要的健康益处,并且通常作为功能性成分添加,从而促进食品的健康和增值。 -ALA in pigs determined three days after 14 C -ALA intake (Figure 2).在Fraunhofer-Monash工作流程中选择了必需的omega-3脂肪酸ALA作为具有生物活性的模型,我们报告了一些初步数据,这些数据证明了14 C -ALA在猪中摄入14 C -ALA 3天后的生物分布。 (图2)。 摄入后约6小时,血浆中ALA达到峰值,粪便中约24小时,ALA达到峰值。 -ALA were detected in the digestas of the small intestine and colon but there was no residual radioactivity in the stomach digesta.摄入三天后,在小肠和结肠的消化道中检测到痕量的14 C -ALA,但胃消化道中没有残留的放射性。 在肝脏,肾脏和脂肪组织中测得的ALA最高组织富集度(图2)。 未来,我们旨在报告人体组织中omega-3 / omega-6的分布及其代谢产物。

    了解食物-大脑情绪范例

    我们还将使用Fraunhofer-Monash工作流程来解决可能到达并影响大脑的食物衍生代谢物这一复杂而具有挑战性的问题。 神经元是专门的细胞,它们通过中枢神经系统(CNS)传播信号,涉及各种化学信号(神经递质)以调节身体功能。 酪氨酸是一种芳香族氨基酸,可用于制造两种神经递质:多巴胺和去甲肾上腺素,它们对情绪,奖励行为,觉醒和运动活动具有深远的影响。 -tyrosine was also selected as a model compound which was fed to pigs in an encapsulated form that directed the 14 C -tyrosine to the gut, so as to promote its exposure to bacterial fermentation and colonic absorption of metabolites.还选择了14 C-酪氨酸作为模型化合物,以将14 C-酪氨酸引导至肠道的封装形式喂给猪,以促进其暴露于细菌发酵和结肠代谢产物的吸收。 -tyrosine produced metabolites that were absorbed into circulation and detected in the brain.初步结果表明,肠道内14 C-酪氨酸的发酵产生的代谢产物被吸收进入循环系统并在大脑中被检测到。 将来,我们的目标是报告在大脑和其他器官中检测到的酪氨酸代谢物的化学性质,从而证明饮食蛋白可能到达并影响大脑。

    下一步是什么?

    -metabolites of ALA and tyrosine using high resolution LC-MS, the next steps are to undertake chemical synthesis of unique chemical metabolites (Figure 1).当我们使用高分辨率LC-MS确定了ALA和酪氨酸的主要14 C-代谢物时,下一步就是进行独特化学代谢物的化学合成(图1)。 然后,ALA和酪氨酸的合成代谢物将用于基于细胞的信号传导,大脑和免疫系统功能的模型的机理研究。 例如,用于酪氨酸代谢物研究的模型系统是多能干细胞衍生的含多巴胺的神经元和星形胶质细胞的混合培养物,它们有助于调节神经元的活性和存活,并可选地还包括小胶质细胞; 中枢神经系统的免疫调节剂。 这种共培养的细胞模型能够研究饮食在调节慢性神经炎症中的作用,尤其是与衰老的神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏病和帕金森氏病)相关的饮食。

    图表

    表1.加速决策的数据使用示例

    图表

    表1.加速决策的数据使用示例

    在进行机械途径研究的同时,我们将寻求发现猪以及人体内产生的代谢产物的证据。 具有发现目标代谢物与健康,疾病风险(例如,氧化应激,炎症)以及情绪和认知症状等已建立生物标志物的关联关系的潜力。 因此,弗劳恩霍夫-莫纳什(Fraunhofer-Monash)工作流程包括研究部门,这些研究部门为生物功效和毒性风险提供机械支持,并得到临床证据的支持,包括研究极富挑战性的食物-大脑情绪范例的能力。

    至于其他全球挑战的进展,弗劳恩霍夫-莫纳什(Fraunhofer-Monash)工作流程的强大功能是跨学科专业知识和技术的战略性,独特性和高效集成。 组织此工作流程的目的是建立事实理解,行业可以通过营销他们信任的产品将其转化为消费者健康利益(表1,图1)。 该工作流程通过空前的识别食物降解产物和代谢产物的效率来支持食品工业实现这一目标,最终可以管理健康益处的传递并避免毒性风险。 研究和数据的这种融合将加速对化学稳定和保留食品目标生物活性所需条件的了解。 该研究将支持对“功能丧失”和“功能获得”方案的深入理解,并允许采取促进目标健康收益和管理风险的策略。

    关于作者

    Mark Buecking博士是德国弗劳恩霍夫分子生物学与应用生态研究所(IME)的环境与食品分析系主任( [电子邮件受保护] ),也是澳大利亚莫纳什大学的兼职副教授。 Bernd Goeckener就职于德国弗劳恩霍夫分子生物学与应用生态研究所。 John M. Haynes博士是澳大利亚莫纳什大学莫纳什药物科学研究所的高级讲师。 Patricia Leitner在德国弗劳恩霍夫分子生物学与应用生态研究所就读。 IFT的成员Margaret Murray博士是澳大利亚莫纳什大学化学学院的研究员。 Gary Williamson博士是澳大利亚莫纳什大学营养与营养学系教授。 IFT的成员Louise Bennet t博士是澳大利亚莫纳什大学化学学院的教授( [受电子邮件保护] monash.edu)。

    致谢

    Lisa Kaminskas博士(昆士兰大学)在进行放射性分析方面的工作非常感激,同时也感谢研究团队的其他成员:Maxine Bonham博士,Aimee Dordevic博士,Anne Gibbon,Andrea Robinson ,博士学位,以及索菲·塞尔比·潘(Sophie Selby-Pham)的博士学位,均来自莫纳什大学。

    参考文献

    Goeckener,B.,M。Kotthoff和M. Buecking。 在新闻。 “菜籽油中新的加工诱导的丙草胺降解途径” 。J。阿格里。 和食品化学

    Heo,KN,X. Lin,IK Han和J.Odle。 2002年。“中链脂肪酸而非左旋肉碱可加速初乳剥夺新生猪利用C-14三酰甘油的动力学。” J. Nutr 132(7):1989-1994。

    Odle,J.,NJ Benevenga和TD Crenshaw。 1992年。“使用连续注入放射性示踪剂动力学方法评估新生仔猪对1-C-14-中链脂肪酸的氧化。” J. Nutr 122(11):2183-2189。

    Prelusky,DB,JD Miller和HL Trenholm。 1996年。“用放射性标记的伏马菌素B-1饲喂的猪的组织中C-14衍生残基的处理。” 食品添加。 和续 13(2):155-162。

    Schweigert,FJ,I。Rosival,WA Rambeck和J. Gropp。 1995。“口服给猪施用的C-14β-胡萝卜素和H-3视黄醇的血浆运输和组织分布” J.维特 和食品 Res。 65(2):95-100。

    RH,Stadler,F。Robert,S。Riediker,N。Varga,T。Davidek,S。Devaud,T。Goldmann,J。Hau和I. Blank。 2004年。“通过美拉德反应形成丙烯酰胺和其他乙烯基化合物的深入机理研究。” J. Agri。 和食品化学 52(17):5550-5558。 doi:10.1021 / jf0495486。

    Wang,KS,GL Kearns和DM Mock。 2001。“以示踪剂和生理量静脉内施用给猪的生物素的清除率和代谢速度比以前的评估要快得多。” J. Nutr 131(4):1271-1278。