Studies of metabolic changes in sugar kelp (Saccharina latissima) after different processing and post-mortem changes in Atlantic salmon (Salmo salar) upon addition of sugar kelp during storage by NMR spectroscopy.

Abstract

Sult og matsikkerhet er temaer som omhandles i Forente Nasjoners 17 bærekraftmål, som har som mål å løse mange globale problemer. Å dyrke marine organismer som skal brukes som mat for mennesker kan være én av løsningene for å dekke framtidas etterspørsel etter økt matproduksjon. Det europeiske markedet trenger mer informasjon om næringsverdi og sikkerhet ved konsum av tang og tare som mat for mennesker. Sukkertare (Saccharina latissima) er en brunalge som dyrkes i Norge. Næringsverdien til sukkertare etter forskjellig prosessering ble undersøkt i denne avhandlingen gjennom metabolittstudier. Metabolske forandringer i sukkertaren ble kartlagt gjennom bruk av kjernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR) og multivariatanalyser.

Denne avhandlingen består av tre studier: i) Kartlegging av forandringer i det polare metabolomet hos høstet sukkertare under lagring ved forskjellige temperaturer og behandlinger; ii) Overvåkning av forandringer i sukkertare-metabolomet etter fermentering av melkesyrebakterier (LAB) og iii) Analyse av metabolske forandringer ved lagring av fiskekjøtt fra atlanterhavslaks (Salmo salar) som ble forårsaket av tilførselen av sukkertare.

1. Hel og kuttet sukkertare ble lagret ved 4 grader C og romtemperatur for å modellere realistiske forhold tang blir utsatt for under lagring på skip etter høsting. Autolytiske og fermentative prosesser i sukkertare ble observert og kartlagt. Dette ble gjort gjennom å sammenligne konsentrasjonen av forskjellige aminosyrer og organiske syrer (valin, isoleucin, tyrosin, fenylalanin, maursyre og pyruvat) mellom prøvene. Konklusjoner ble trukket basert på data fra analyse av tre paralleller (totalt 35 prøver). Resultatene viste at lagring av kuttet sukkertare ved romtemperatur førte til signifikante forskjeller i sukkertare-metabolomet sammenlignet med sukkertare utsatt for de andre behandlingene.

2. Tre sukkertareprøver ble fermentert av forskjellige LAB-stammer. Konsentrasjonene av melkesyre i de fermenterte prøvene var minst 14.3 ganger høyere sammenlignet med ikke-fermentert sukkertare. Konsentrasjonen av de essensielle aminosyrene valin og fenylalanin økte i alle fermenterte sukkertareprøver. Konsentrasjonen av glutaminsyre og ravsyre, som er forbundet med umamismak, økte etter sukkertarefermentering ved to av LAB-stammene. Én av LAB-stammene forårsaket økt dannelse av glyserol og aceton. Resultatene viste at sukkertare kan benyttes som substrat for LAB-fermentering. Næringsverdien og smaken av fermentert sukkertare avhenger av LAB-stammen brukt for fermentering.

3. Fiskekjøtt fra atlanterhavslaks ble pakket inn i våt sukkertare og lagret ved 4 grader C i 3 uker. Polare og ikke-polare metabolitter ble karakterisert og kvantifisert i 65 lakseprøver etter lagring, i tillegg til sukkertare og væske fra taren. Gjensidig diffusjon av sukkertare- og laksemetabolitter forårsaket signifikant reduksjon av dannelse av trimetylamin (TMA) og de biogene aminene kadaverin og putreskin, og det forårsaket også økning av aspartat i lakseprøver som var tilsatt sukkertare under lagring. Sammenlignet med referanseprøver av laks, viste undersøkelser av forandringer i det ikke-polare metabolomet (lipider og karotenoider) signifikante forandringer i karotenoid-innholdet i lakseprøver som var tilsatt sukkertare under lagring.

Studiene viste at forskjellig prosessering av tang forårsaker signifikante forskjeller i innholdet av metabolitter. Det er dermed nødvendig å utarbeide og forsterke standarder for hvordan tang skal håndteres under frakt og lagring ombord på skip. Dette vil sikre at tang som leveres til industri på land har forutsigbar kvalitet. Sukkertare viste seg å være et verdifullt substrat for LAB-fermentering. Fermentering kan forbedre smak på tang, og smaken avhenger av LAB-stammen brukt for fermentering. Å pakke fiskefileter inn i våt tare forandrer den metabolske sammensetningen til fisken. Sluttproduktet vil ha en næringsverdi og holdbarhet som er annerledes sammenlignet med ubehandlet fisk.

Combating hunger and ensuring food security are topics included in the 17 sustainable development goals by the United Nations, which addresses many global issues. The possibility of cultivating marine organisms for human food consumption can be one of the solutions to combat the future need of increased food production. The European market requires more detailed information about nutritional value and safety of consuming seaweeds as food. Sugar kelp (Saccharina latissima) is one of the brown seaweeds that are cultivated in Norway. Its nutritional value upon different treatment was investigated in this thesis using a metabolomics approach. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy coupled with multivariate analysis were the techniques used to assess the metabolic changes.

The thesis is comprised of three studies: i) Assessment of post-harvest changes of the polar metabolome of sugar kelp upon storage at different temperature and treatment; ii) Monitoring changes within the sugar kelp metabolome during fermentation by lactic acid bacteria (LAB) and iii) Analysis of the metabolic changes during storage of Atlantic salmon muscle (Salmo salar) that were caused by the addition of sugar kelp.

1. Whole and cut sugar kelp were stored at 4 degrees C and room temperature to model real conditions of seaweed post-harvest storage on board ships. The autolysis and fermentation processes within sugar kelp tissue were detected and assessed. This was done by comparing the concentration of different amino and organic acids (valine, isoleucine, tyrosine, phenylalanine, formate and pyruvate) between the samples. Conclusions were done based on data obtained from the analysis of three replicas (a total of 35 samples). The results demonstrated that storage of cut seaweed at room temperature caused significant deviations of the seaweed metabolome compared to the other treatments.

2. Three sugar kelp samples were fermented by using different LAB strains. The concentrations of lactic acid in fermented samples were at least 14.3 times higher compared to non-fermented sugar kelp. The concentration of essential amino acids valine and phenylalanine were increased in all fermented sugar kelp. The concentrations of umami taste related compounds glutamic and succinic acid were increased by fermentation with two of the LAB strains. One LAB strain caused increased formation of glycerol and acetone. It was shown that sugar kelp can be used as a substrate for LAB fermentation. The nutritional value and taste of the final product depends on the LAB strain used for fermentation.

3. Muscle tissue of Atlantic salmon was wrapped in wet sugar kelp and stored at 4 degrees C for 3 weeks. Polar and non-polar metabolites were determined and quantified in 65 salmon samples after storage, as well as in sugar kelp tissue and dripped liquid. Mutual diffusion of sugar kelp and salmon metabolites caused significant decrease of the formation of trimethylamine (TMA) and biogenic amines cadaverine and putrescine, and it caused an increase of aspartate in sugar kelp-treated salmon samples. Studies of the changes of the non-polar metabolic profile (lipids and carotenoids) showed significant changes in the carotenoid content of the sugar kelp-treated samples during storage compared to the reference samples.

The studies demonstrated that different processing of seaweeds causes significant changes in the metabolic content. Therefore, it is necessary to set and strengthen the standards of seaweed handling during shipping and storage on board ships. This will ensure delivery of seaweed with predictable quality to the land industry. Sugar kelp was found to be a valuable substrate for LAB fermentation. Fermentation might enhance flavor of seaweeds depending on the LAB strain being used. Wrapping fish fillets into seaweed with kelp liquid changes the metabolic composition of fish. The final product will have different nutritional characteristic and shelf life compared to non-treated fish.