NMR-spektroskopi som ett kraftfullt verktyg för snabb utvärdering av lipidprofilen av fiskolja kosttillskott
Summary
Här, var hög upplösning 1 H och 13 C kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi används som ett snabbt och tillförlitligt verktyg för kvantitativ och kvalitativ analys av inkapslade fiskolja tillskott.
Abstract
Den västra dieten är dålig i n -3 fettsyror, därför konsumtionen av fiskolja tillskott rekommenderas för att öka intaget av dessa viktiga näringsämnen. Målet med detta arbete är att visa den kvalitativa och kvantitativa analysen av inkapslade fiskolja tillskott med användning hög upplösning 1 H och 13 C-NMR-spektroskopi med användning av två olika NMR-instrument; en 500 MHz och en 850 MHz-instrument. Både proton (1 H) och kol (13 C) NMR-spektra kan användas för kvantitativ bestämning av de stora beståndsdelarna i fiskolja tillskott. Kvantifiering av lipiderna i kosttillskott fiskolja uppnås genom integrering av de lämpliga NMR-signaler i den relevanta 1D spektra. Resultat som erhållits av ett H och 13 C-NMR är i god överensstämmelse med varandra, trots skillnaden i upplösning och känslighet mellan de två kärnor och de två instrumenten. 1 H NMR erbjudandesa mer snabb analys jämfört med 13 C-NMR, som det spektrum kan registreras på mindre än en minut, i motsats till 13 C-NMR-analys, som varar från 10 minuter till en timme. Den 13 C NMR-spektrum, men är mycket mer informativa. Den kan ge kvantitativa data för ett större antal individuella fettsyror och kan användas för bestämning av positions fördelningen av fettsyror på glycerolhuvudkedjan. Båda kärnor kan ge kvantitativ information på bara ett experiment utan behov renings eller separationssteg. Styrkan hos magnetfältet påverkar mestadels 1 H-NMR-spektra på grund av dess lägre upplösning i förhållande till 13 C-NMR, dock ännu lägre kostnads NMR instrument effektivt kan appliceras som en standardmetod av laboratorierna livsmedelsindustri och kvalitetskontroll.
Introduction
Konsumtionen av n -3 fettsyror i dieten har visat sig vara fördelaktigt mot flera tillstånd, såsom hjärtsjukdomar 1, 2, 3, inflammatoriska sjukdomar 4 och diabetes 5. Den västra dieten är lågt i n -3-fettsyror och därmed konsumtionen av fiskolja tillskott rekommenderas för att förbättra n -6 / n -3 balans i konsumentens näring 1. Trots den senaste tidens ökning av fiskolja tillägg konsumtion, frågor kvarstår om säkerheten, äkthet, och kvaliteten på några av dessa produkter. Den snabba och noggranna analysen av sammansättningen av fiskolja tillskott är viktigt att korrekt bedöma kvaliteten på dessa kommersiella produkter och garantera konsumenternas säkerhet.
De vanligaste metoderna för bedömning av fiskolja tilläggs är gaskromatografi (GC) och infraröd spektroskopi (IR). Även om dessa är mycket känsliga metoder, de lider av flera nackdelar 6. GC-analys är tidskrävande (4-8 h), eftersom separation och derivatisering av individuella föreningar behövs 7 och lipidoxidation kan inträffa under analysen 8, 9. Medan IR-spektroskopi kan vara kvantitativa, är en prognosmodell som krävs för att konstrueras med användning av partiell minsta kvadratregression (PLSR), även om det finns undantag där IR-band kan hänföras till en enda förening 10. PLSR kräver analys av ett stort antal prover, vilket ökar tiden för analysen 11. Av denna anledning finns det ett ökande intresse för utveckling av nya analytiska metoder som möjliggör noggrann och snabb analys av ett stort antal fiskoljeprover. Organisationer såsom Office av kosttillskott (ODS) vid National Institutes of Health (NIH) och Food and Drug Administration (FDA) har samarbetat med Association of Official Analytical Chemists (AOAC) för att utveckla dessa nya metoder 12, 13.
En av de mest lovande analysmetoder för screening och utvärdering av flerkomponents matriser, såsom kosttillskott, är kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi 14, 15. NMR-spektroskopi har flera fördelar: det är ett icke-förstörande och kvantitativ teknik, det kräver minimal eller ingen provberedning, och den kännetecknas av utmärkt noggrannhet och reproducerbarhet. Dessutom är NMR-spektroskopi en miljövänlig metod eftersom det använder endast små mängder lösningsmedel. Den huvudsakliga nackdelen med NMR-spektroskopi är dess relativt låg känslighet jämfört med andra analytical metoder har emellertid den senaste tekniska framstegen inom instrumentering såsom starkare magnetfält, kryogena prober med olika diametrar, avancerad databehandling och mångsidiga pulssekvenser och tekniker ökade känsligheten upp till nM-området. Medan NMR instrumentering är höga kostnader, lång livslängd NMR spektrometrar och de många tillämpningar av NMR sänka kostnaden för analysen i det långa loppet. Denna detaljerade video protokollet är avsett att hjälpa nya utövare inom området undvika fallgropar som är förknippade med ett H och 13 C-NMR-spektroskopisk analys av kosttillskott fiskolja.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ändringar och strategier för felsökning
Spectral kvalitet. Linjebredden av NMR-signalen och således upplösningen av NMR-spektrum är mycket beroende av mellanlägg, vilket är ett förfarande för optimering av homogeniteten hos det magnetiska fältet. För rutinanalys, är 1D mellanlägg tillräcklig och en 3D-mellanlägg krävs inte, med tanke på att det utförs av NMR personal på en regelbunden basis. Om detta inte är fallet, måste en 3D kompensations utföras före…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av livsmedel för hälsa Discovery tema på Ohio State University och institutionen för livsmedelsvetenskap och teknik vid Ohio State University. Författarna vill tacka NMR anläggning vid Ohio State University och NMR anläggning vid Penn State University.
Materials
| Avance III 850 NMR instrument | Bruker | ||
| Avance III 500 NMR instrument | Bruker | ||
| TCI 5mm probe | Bruker | Helium cooled inverse (proton deetected) NMR probe featuring three independent channels (1H, 13C, 15N) | |
| BBO prodigy 5mm probe | Bruker | Nitrogen cooled observe (X-nuclei detected) probe, featuring two channels; one for 1H and 19F detectionand one for X-nuclei (covering from 15N to 31P) | |
| Spinner turbin | Bruker | NMR spinners are made by polymer materials and they have a rubber o-ring to hold the NMR tube securely in place | |
| Topspin 3.5 | Bruker | ||
| deuterated chloroform | Sigma-Aldrich | 865-49-6 | 99.8 atom % D, contains 0.03 TMS |
| 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, | Sigma-Aldrich | 128-37-0 | purity >99% |
| Fish oil samples | |||
| NMR tubes | New Era | NE-RG5-7 | 5mm OD Routine “R” Series NMR Sample Tube |
| BSMS | Bruker | Bruker Systems Management System; control system device |
References
- Simopoulos, A. P. The importance of the ratio of omega-6/omega-3 essential fatty acids. Biomed. Pharmacother. 56 (8), 365-379 (2002).
- Goodnight, S. H., Harris, W. S., Connor, W. E. The effects of dietary omega 3 fatty acids on platelet composition and function in man: a prospective, controlled study. Blood. 58 (5), 880-885 (1981).
- Harper, C., Jacobsen, T. Usefulness of omega-3 fatty acids and the prevention of coronary heart disease. Am. J. Cardiol. 96 (11), 1521-1529 (2005).
- Kremer, J. M., et al. Effects of high-dose fish oil on rheumatoid arthritis after stopping nonsteroidal antiinflammatory drugs. Clinical and immune correlates. Arthritis and Rheumatol. 38 (8), 1107-1114 (1995).
- Malasanos, T., Stackpoole, P. Biological effects of omega-3 fatty acids in diabetes mellitus. Diabetes Care. 14, 1160-1179 (1991).
- Han, Y., Wen, Q., Chen, Z., Li, P. Review of Methods Used for Microalgal Lipid-Content Analysis. Energ. Procedia. 12, 944-950 (2011).
- Guillén, M., Ruiz, A. 1H nuclear magnetic resonance as a fast tool for determining the composition of acyl chains in acylglycerol mixtures. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 105, 502-507 (2003).
- Sacchi, R., Medina, I., Aubourg, S. P., Addeo, F., Paolillo, L. Proton nuclear magnetic resonance rapid and structure specific determination of ω-3 polyunsaturated fatty acids in fish lipids. J. Am Oil Chem Soc. 70, 225-228 (1993).
- Igarashi, T., Aursand, M., Hirata, Y., Gribbestad, I. S., Wada, S., Nonaka, M. Nondestructive quantitative acid and n-3 fatty acids in fish oils by high-resolution 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy. J. Am. Oil Chem. Soc. 77, 737-748 (2000).
- Plans, M., Wenstrup, M., Saona, L. Application of Infrared Spectroscopy for Characterization Dietary Omega-3 Oil Supplements. J. Am. Oil Chem. Soc. 92, 957-966 (2015).
- Jian-hua, C. I. A. Near-infrared Spectrum Detection of Fish Oil DHA Content Based on Empirical Mode Decomposition and Independent Component Analysis. J Food Nutr Res. 2 (2), 62-68 (2014).
- Millen, A. E., Dodd, K. W., Subar, A. F. Use of vitamin, mineral, nonvitamin, and nonmineral supplements in the United States: The 1987, 1992, and 2000 National Health Interview Survey results. J. of Am. Diet Assoc. 104 (6), 942-950 (2004).
- Dwyer, J. T., et al. Progress in developing analytical and label-based dietary supplement databases at the NIH office of dietary supplements. J. Food Compos. Anal. 21, S83-S93 (2008).
- Monakhova, Y. B., Ruge, I., Kuballa, T., Lerch, C., Lachenmeier, D. W. Rapid determination of coenzyme Q10 in food supplements using 1H NMR spectroscopy. Int. J. Vitam. Nutr. Res. 83 (1), 67-72 (2013).
- Monakhova, Y. B., et al. Standardless 1H NMR determination of pharmacologically active substances in dietary supplements and medicines that have been illegally traded over the internet. Drug Test. Anal. 5 (6), 400-411 (2013).
- Berger, S., Braun, S. . 200 and more NMR experiments: a practical course. , (2004).
- Knothe, G., Kenar, J. A. Determination of the fatty acid profile by 1H-NMRspectroscopy. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 106, 88-96 (2004).
- Sacchi, R., Medina, J. I., Aubourg, S. P., Paolillo, I. G. L., Addeo, F. Quantitative High-Resolution 13C NMR Analysis of Lipids Extracted from the White Muscle of Atlantic Tuna (Thunnus alalunga). J. Agric. Food Chem. 41 (8), 1247-1253 (1993).
- Dais, P., Misiak, M., Hatzakis, E. Analysis of marine dietary supplements using NMR spectroscopy. Anal. Methods. 7 (12), 5226-5238 (2015).
- Pickova, J., Dutta, P. C. Cholesterol Oxidation in Some Processed Fish Products. J. Anal. Oil Chem. Soc. 80 (10), 993-996 (2003).
- Siddiqui, N., Sim, J., Silwood, C. J. L., Toms, H., Iles, R. A., Grootveld, M. Multicomponent analysis of encapsulated marine oil supplements using high-resolution 1H and 13C NMR techniques. J. of Lipid Rsrch. 44 (12), 2406-2427 (2003).
- Sua´rez, E. R., Mugford, P. F., Rolle, A. J., Burton, I. W., Walter, J. A., Kralovec, J. A. 13C-NMR Regioisomeric Analysis of EPA and DHA in Fish Oil Derived Triacylglycerol Concentrates. J. Am. Oil Chem. Soc. 87, 1425-1433 (2010).
- Youlin, X. A., Moran, S., Nikonowiczband, E. P., Gao, X. Z-restored spin-echo 13C 1D spectrum of straight baseline free of hump, dip and roll. Magn. Reson. Chem. 46, 432-435 (2008).
- Tengku-Rozaina, T. M., Birch, E. J. Positional distribution of fatty acids on hoki and tuna oil triglycerides by pancreatic lipase and 13C NMR analysis. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 116 (3), 272-281 (2014).
- Berry, S. E. E. Triacylglycerol structure and interesterification of palmitic and stearic acid-rich fats:An overview and implications for cardiovascular disease. Nutr. Res. Rev. 22 (1), 3-17 (2009).
- Hunter, J. E. Studies on effects of dietary fatty acids as related to their position on triglycerides. Lipids. 36, 655-668 (2001).
- Vlahov, G. Regiospecific analysis of natural mixtures of triglycerides using quantitative 13C nuclear magnetic resonance of acyl chain carbonyl carbons. Magnetic Res. in Chem. 36, 359-362 (1998).
