Rapid spectroscopic methods for predicting water-holding capacity in meat

Abstract

Water-holding capacity (WHC) is one of the most important quality traits in meat, and the main aim of this thesis was to examine the potential for rapid spectroscopic techniques to predict WHC in meat. A secondary aim was to examine the potential for spectroscopic techniques to analyze pH and proteolysis; mechanisms known to affect WHC of meat. A model system consisting of isolated myofibrils from pork was used to investigate if spectroscopic techniques have potential to identify changes in samples with different pH or degree of protein degradation. Raman, Fourier transform-infrared (FT-IR), near-infrared (NIR) and fluorescence spectroscopy were used for analyses. Raman and FT-IR spectroscopy performed very well in the pH- and proteolysis experiment. Changes in protein secondary structure and protonation of carboxylic acid side chains of amino acids were affected by changes in pH. Degree of protein degradation affected spectral regions related to breakage of peptide bonds, such as CN-vibrations and carboxylic acid vibration caused by C-terminal formation, as well as changes in protein secondary structure. NIR performed poorly in the pH experiment, but performed reasonably well for dried samples in the proteolysis experiment, attributing this to an increased ability to form protein gels at low degrees of protein degradation. Fluorescence spectroscopy performed worse in the proteolysis experiment than in the pH experiment, attributing the performance in the pH experiment to a pH-related shift caused by changes in the microenvironment of tryptophan. A study analyzing 122 samples from longissimus lumborum of Norwegian landrace boars was conducted to investigate if spectroscopic techniques have the potential to predict WHC and estimate ultimate pH in pork. WHC was measured as EZ-DripLoss and drip loss formed during eightdays of vacuum storage. Assessment of results from partial least squares regression (PLSR) analyses from spectroscopy and reference measurements showed that Raman spectroscopy performed the best, followed by NIR and at last, fluorescence. PLSR models from Raman spectroscopy gave coefficient of correlation from cross validation (Rcv2) of 0.51, 0.41 and 0.49 and root mean square error of cross validation (RMSECV) of 1.2, 0.82 and 0.06 for EZ-DripLoss, vacuum drip loss and pH, respectively. In comparison, NIR yielded PLSR models with Rcv2 of 0.27, 0.16 and 0.29 and RMSECV of 1.5, 0.97 and 0.07 for EZ-DripLoss, vacuum drip loss and pH, respectively. Regarding pH in meat, changes in Raman spectra related to protein secondary structure were similar in the model system and in meat. Changes in carboxylic acid protonation were not detected in meat, but signals from molecules related to metabolism were identified. In conclusion, this highly encourages more research using Raman spectroscopy for analysis of meat quality.

Vannbindingsevne (VBE) er en av de viktigste kvalitetsegenskapene i kjøtt, og hovedmålet med denne avhandlingen var å undersøke potensialet for bruk av hurtige spektroskopiske metoder til prediksjon av VBE i kjøtt. Et sekundært mål var å undersøke potensialet for spektroskopiske metoder til analyse av pH og proteinnedbryting (proteolyse); mekanismer som er kjent å kunne påvirke VBE. Et modellsystem bestående av isolerte myofibriller fra svinekjøtt ble brukt til å undersøke om spektroskopiske teknikker kan identifisere endringer i prøver som følge av pH-forandringer eller ulik grad av proteinnedbrytning. Raman-, Fourier transform-infrarød- (FT-IR), nær-infrarød- (NIR) og fluorescensspektroskopi ble brukt i analysene. Raman- og FT-IR-spektroskopi viste gode evner til å analysere prøvene fra pH- og proteolyseforsøkene. Endringer i proteinenes sekundærstruktur og protonering av karboksylsyregruppen i sidekjedene til aminosyrer ble påvirket av endring i pH. Grad av proteinnedbrytning påvirket områder i spektrene knyttet til brudd av peptidbånd, som CNvibrasjoner og karboksylsyrevibrasjoner forårsaket av dannelsen av nye C-terminaler, i tillegg til endringer i proteinenes sekundærstruktur. NIR viste begrenset evne til å identifisere endringer som følge av pH-forandring, men viste rimelig god evne til å identifisere tørkede prøver med ulik grad av proteinnedbrytning, som ble tilskrevet spektrale områder relatert til proteinenes evne til å danne gel. Fluorescens viste bedre evne til å beskrive prøver fra pH-forsøket enn fra proteolyseforsøket, hvor dette ble tilskrevet et skift i spektrene forårsaket av endring i mikromiljøet rundt aminosyren tryptofan. For å undersøke potensialet spektroskopiske metoder har for prediksjon av VBE og estimering av slutt-pH, ble en studie gjennomført hvor 122 prøver fra longissimus lumborum fra Norske landsvin råner analysert. VBE ble målt som EZ-DripLoss og som væskeslipp i vakuumposer etter åtte dagers lagring. Vurdering av resultater fra partial least squares regression (PLSR) av spektroskopi og referanseanalyser viste at Raman ga best resultat, etterfulgt av NIR, med fluorescens til slutt. PLSRmodellen fra Raman ga en korrelasjonskoeffisient fra kryssvalidering (Rcv2) på 0.51, 0.41 og 0.49 og root mean square error of cross validation (RMSECV) på 1.2, 0.82 og 0.06 for henholdsvis EZDripLoss, vakuumdrypptap og pH. Til sammenligning ga NIR PLSR-modeller med Rcv2 på 0.27, 0.16 og 0.29, og RMSECV på 1.5, 0.97 og 0.07 for henholdsvis EZ-DripLoss, vakuumdrypptap and pH. Endringer i Ramanspektrene som følge av forskjeller i pH var like for protein sekundærstruktur i modellsystemet og i kjøtt. Spektroskopiske endringer i karboksylsyreprotonering ble ikke oppdaget i kjøtt, men endringer knyttet til metabolske molekyler ble avdekket. Resultatene fra denne avhandlingen viser at videre forskning knyttet til bruken av Ramanspektroskopi for analyse av kjøttkvalitet bør prioriteres.