Institut for Fødevarevidenskab forsker i, hvordan maden påvirker vores sundhed ved hjælp af foodomics

Gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS) instrument. Den største arbejdshest i foodomic-laboratoriet til ikke-målrettede analyser af fødevare -og bio-væskeprøver. Foto: Lene Hundborg Koss.

Foodomics er en forskningsdisciplin, der undersøger det samlede indhold i vores fødevarer (foodomet), for at opnå ny viden om, hvordan maden påvirker menneskets sundhed og trivsel. Disciplinen benytter avancerede analytiske omics-platforme til at undersøge fødevarernes sammensætning og deraf følgende ernæringsmæssige egenskaber og indvirkning på sundheden. De nye teknikker giver også et detaljeret billede af fødevarekvaliteten og kan bruges til opklaring af svindel med fødevarer og løsning af andre udfordringer i fødevareproduktionen. 

Selvom foodomics er en ret ny forskningsdisciplin, går udviklingen hurtigt, og forventningerne er høje. Håbet er, at foodomics kan blive et effektivt instrument i bestræbelserne på at opnå en mere bæredygtig fødevareproduktion, udvikling af sunde fødevarer, som er skræddersyet i forhold til den enkeltes sundhedsudfordringer, samt til fødevarerelateret sygdomsforebyggelse. Forskningen forventes derved at få stor indflydelse på den kommende cirkulære økonomi.

Foodomics kan  bl.a. bruges til opdage manipulation af fødevarers indhold

Forskningsresultater fra foodomics har betydning for forbrugerne, fødevareindustrien og samfundet som helhed. I Foodomics-laboratoriet undersøges fx specifikke problemer, som er opstået under fødevare produktionen, men det kan også handle om, hvordan en enkelt eller et komplekst sæt af fødevarermolekyler influerer på vores sundhed og trivsel. Størstedelen af forskningen fokuserer på kortlægning af foodomet med henblik på at give forbrugerne og producenterne et større kendskab til fødevareprodukter og deres sammensætning og til at vurdere madens ernæringsmæssige egenskaber og eventuelle sundhedsværdi. Resultaterne fra den slags studier muliggør fx godkendelse af fødevarer, fødevarekvalitetskontrol og opklaring af fødevaresvindel samt identifikation af de processer, som anvendes til at producere det endelige produkt.

Vi skal producere mere – uden at give afkald på fødevaresikkerheden

Begrænsede naturressourcer, herunder vand, klimaforandringer og en stadig reducering af landbrugsområder er blandt de globale problemer, som udfordrer fødevareproduktionen og forsyningen til en voksende befolkning. FN skønner en stigning på 60 % i fødevareefterspørgslen, da verdens befolkningstal i 2050 vil være på 9 milliarder. Høj levestandard kombineret med en stigende befolkningstal sætter store krav til jordens ressourcer ikke mindst fødevarer og rent vand og vil kræve en omlægning til bæredygtig fødevareproduktion. Fødevaresikkerhed, fødevaresundhed og bæredygtig fødevareproduktion er derfor blandt FNs sytten mål for en bæredygtig udvikling. Foodomics kan spille en rolle i opnåelsen af disse mål.

Foodomics. Illustration af Søren B. Engelsen and Tim Newlin ©

Foodomics kan bruges til at undersøge konsekvensen af nye, bæredygtige produktionsmetoder

Foodomics er en vigtig forskningsdisciplin for at kunne imødegå de globale fødevareudfordringer i det 21. århundrede. Vi kan bl.a. bruge foodomics til at undersøge, hvilken indvirkning en ny og mere bæredygtig tilgang til fødevareproduktionen vil have på samfundet. Udvikling af objektive, reproducerbare og hurtige foodomics-analysemetoder til omfattende målinger af foodomer og detaljeret kemiske sammensætningsanalyser af procesvand og affaldsstrømme vil betyde, at vi kan tage et fugleperspektiv på bæredygtig fødevareproduktion og dens indvirkning på fødevarekvaliteten, sundhed og miljø.

Dokumentation af foodomics-metoder

I Foodomics-laboratoriet på Institut for Fødevarevidenskab arbejdes der med at udvikle og implementere foodomics-metoder beregnede for at forbedre vores forståelse for fødevarer, fødevareproduktion og interaktionen mellem fødevarer og sundhed. Udviklingen af højt standardiserede og optimerede foodomics-metoder kræver en dybtgående viden om tværfaglig forskning, herunder analytisk kemi, multivariate dataanalyser (kemometri), design af eksperiment (DoE) og metabolomics. Vi bestræber os på at tilbyde løsninger, der er lige til at bruge – redskaber og protokoller – til vores samarbejdspartnere, hvis primære ekspertise ikke er inden for foodomics. Foruden forskere på Københavns Universitet og andre institutioner over hele verden har vi et tæt samarbejde med fødevareindustrien.

Foodomics er et stærkt redskab sammen med andre –omics-undersøgelser

Data genereret i foodomics-undersøgelser analyseres ofte sammen med data fra andre omics-undersøgelser (fx genomics, transcriptomics, proteomics, metallomics, phenomics og metabolomics). Integrationen af foodomics med metabolomics har vist en lang række anvendelsesmuligheder, herunder:

  • Molekylære ”fingeraftryk” af fødevarer, der gør det muligt at sammenholde en normaltilstand af en given fødevare med en ny udgave af fødevaren og se, om den afviger (typisk råvarer og ingredienser, der kommer ind i en virksomhed). Dermed kan man gribe tidligt ind i situationer, der kan skabe tab for virksomheden, eller som har betydning for fødevarekvaliteten eller -sikkerheden.
  • Fødevareprocessers indflydelse på foodomet, fødevarekvalitet og fødevarernes ernæringsværdi
  • Styrkelse af fødevaresikkerheden
  • Fødevareautenticitet og opklaring af fødevaresvindel
  • Udvikling af sunde fødevarer
  • Udvikling og styrkelse af bæredygtig fødevareproduktion
  • Human ernæring. Herunder hvordan den menneskelige krop behandler ernæringsmæssigt værdifulde og bioaktive stoffer, skadelige forbindelser samt forståelsen af komplekse interaktioner mellem foodomet og tarmfloraen.

Strategiske forskningsområder inden for foodomics på Institut for Fødevarevidenskab

Foodomics tværfaglige karakter kræver grundlæggende forskning på mange forskellige områder, herunder adskillige underdiscipliner af kemi (organisk, uorganisk og analytisk kemi), biologi, fysik og matematik. Foodomics-laboratoriet ved  Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet hører til en af verdens førende forskningsgrupper på området, som udvikler, optimerer og implementer nye metodologier og standard-operating-procedures (SOPs) til foodomics-forskningen.

Forskningen i Foodomics beskæftiger sig med:

Udvikling af protokoller for prøveforberedelse af biologiske matricer

Især udvikler vi nye prøveforberedelsesmetoder (fx metabolit-ekstraktioner til målrettede analyser af enkelte molekyler af interesse, profilering af bestemte molekyleklasser og desuden bredspektrede ikke-målrettede analyser), protokoller til forskellige fødevarer og fødevareprocesrelaterede prøver (fx procesvand, sidestrømme og spild) samt biologiske prøvematricer (fx blod, urin, fæces, muskler og fedtvæv) til screening, idet man bruger analytiske platforme, som fx GC-MS, LC-MS, and NMR. Vi bruger til stadighed tid og ressourcer på at optimere analyseprotokollerne for at opnå den højest mulige reproducerbarhed, sensitivitet og specificitet.

Forbedring af dataoptagelses metoder

Desuden forsker vi i at forbedre de aktuelle dataopsamlingsmetoder, som bruges i metabolomics specielt NMR og GC-MS, og vi udvikler nye SOPs til mere robust, nøjagtig og kompatibel datagenerering på tværs af laboratorier. Vores laboratorium er et af de første i verden til at implementere højt standardiserede og effektive In Vitro Dianostics (IVDr) metoder udviklet af Bruker (en tysk producent af NMR udstyr og andre analytiske instrumenter), som ved at anvende 600 MHz proton-NMR spektroskopi tillader en samtidig kvantificering af hundredevis af metabolitter fra biologiske væsker.

Udvikling, forbedring og implementering af multivariate dataanalysealgoritmer

Foodomics-laboratoriet er også et af de førende i verden inden for udvikling, optimering og implementering af multivariate dataanalysealgoritmer som anvendes i foodomics og metabolomics. Vi udfører grundforskning inden for udviklingen af kemometriske algoritmer, der kan rense de komplekse og rå foodomics og metabolomics datasæt for artefakts, signalskift, larm, og signaloverlap. En af disse algoritmer som laver alignment og skiftkorrigerer NMR spektroskopiske data er udviklet i vores laboratorium (the Interval Correlation Optimised Shifting algorithm-icoshift.

Forbedring af forbehandlingsmetoder

Desuden arbejder vi med forskning i forbedring af GC-MS og LC-MS data forbehandlingsmetoder (bevaring af tidsskiftsjustering, maksimal dekonvolution og identifikation). Et eksempel på en nyligt udviklet software er PARADISe til processering af de rå GS-MS data, hvor man bruger en flervejsdekonvultionsteknik kaldet PARAFAC2. Hovedformålet med disse udviklinger er at muliggøre en objektiv datakonvertering fra rå spektra til en informativ tabel over metabolitter.

Kortlægning af ukendte dele af foodomer og metabolomer af biologiske prøvematricer

Desuden fokuserer vores laboratorium på at kortlægge ukendte dele af foodomer og metabolomer af biologiske prøvematricer ved anvendelse af moderne analytiske platforme og at etablere et omfattende bibliotek (database) af entydigt identificerede forbindelser. Sammen med planteforskerne fra Institut for Plante- og Miljøvidenskab (PLEN) på Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet (SCIENCE), på Københavns Universitet udfører vi adskillige studier i forskellige planter og plantebaserede fødevarer for at studere fx identifikation af nye og miljøvenlige biopesticider (saponiner), screening af affaldsprodukter fra plantefødevarer for højværdi plantestoffer, strukturbestemmelse af nye plantemetabolitter ved brug omfattende 2D NMR forsøg og undersøgelser af sundhedsfremmende molekyler fra planter. I øjeblikket arbejder Foodomics-laboratoriet med udviklingen af et omfattende massespektrometri-bibliotek over ukendte plantesubstanser, herunder triterpenoider, saponiner, polyfenoler, kulhydrater og andre primære og sekundære metabolitter.

Foodomics-faciliteter

Foodomics-laboratoriet ved Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet er udstyret med state-of-the art analyseinstrumenter, som tillader både dybtgående og ”high-throughput”analyser. På grund af den komplekse molekylære sammensætning af fødevareprøver skal de analytiske platforme først og fremmest være objektive mod en række forskellige fødevarematricer og molekylære klasser. 

I øjeblikket har Foodomics Laboratoriet følgende analytiske platforme:

  • Tre Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spektrometre (400 MHz, 500 MHz and 600 MHz)
  • Tre Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) instrumenter
  • High Performance Liquid Chromatography-Ultraviolet/Visible Spectroscopy (HPLC-UV/VIS)
  • Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES).
  • Vibrationel spektroskopi herunder infrarød (IR), nærinfrarød (NIR) og Raman spektroskopi.

Disse analytiske platforme er forskellige med hensyn til sensitivitet og selektivitet over for molekylære klasser samt ved deres høje produktionskapacitet, men samlet set har vi en komplet platform, som giver mulighed for holistisk evaluering af molekylære perturbationer i fødevarer og planter.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spektroskopi facilitet i Foodomics laboratoriet. Tre højfelts NMR-instrumenter, 600, 500 og 400 MHz magneter, er de primære platforme for high-throughput analyse af fødevarer samt bio-væsker og faste prøver. Foto: Bekzod Khakimov

Analytiske målinger udført på Foodomic Laboratoriet

  1. Profilering af Lipoprotein Particle Distribution i blodprøver ved brug af en standardiseret In Vitro Di-agnostics (IVDr) metode baseret på 600 MHz proton-NMR spektroskopi
  2. Profilering af blod- og urinmetabolomer ved standardiserede In Vitro Diagnostics (IVDr) metoder baseret på 600 MHz proton-NMR spektroskopi
  3. Ikke målrettede ”high-throughput” af GC-TOF-MS baserede metabolomanalyser af blod-, urin- og fækalieprøver
  4. Kortkædet fedtsyre profilering af blod- og fækalieprøver
  5. Galdesyre profilering af blod- og fækalieprøver
  6. Ikke målrettede foodom-analyser af drikkevarer (fx. vin, whisky, øl, juicer) ved anvendelse af GC-TOF-MS, LC-MS og NMR
  7. Ikke-målrettede foodom-analyser of kornsorter ved anvendelse af GC-TOF-MS og NMR
  8. Ikke-målrettede foodom-analyser af frugt, bær, grøntsager og nødder ved anvendelse af GC-TOF-MS og NMR
  9. Ikke-målrettede metabolom-analyser af plantevæv ved anvendelse af GC-TOF-MS and NMR
  10. Metabolitprofilering af udvalgte forbindelsesklasser herunder polyfenoler, triterpenoider, fedtsyrer, aminosyrer og organiske syrer fra plante- og fødevareprøver ved anvendelse af målrettede prøveforberedelser fulgt af GC-TOF-MS, GC-Single Quad-MS og NMR
  11. Rensning af ukendte substanser fra komplekse prøvematricer ved anvendelse af LC-UV/VIS-Automatic Fraction Collector og strukturbestemmelse ved hjælp af massespektrometri og en-og-todimensional NMR spektroskopi
  12. Spektroskopiske hurtigmetoder til måling (kvalitetskontrol) af plante- og fødevareprøver ved anvendelser af vibrations spektroskopiske teknikker herunder infrarød (IR), nærinfrarød (NIR) og Raman.

Samarbejder

Foodomics-laboratoriet er den centrale analytiske facililtet på Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet etableret i et tæt samarbejde med alle andre sektioner på KU-FOOD. Det skaffer kvalitative og kvantitive foodomics data samt hjælper forskere med at designe deres studie for at sikre et hensigtsmæssigt eksperimentelt design og analyse af omfattende foodomics-datasæt ved anvendelse af avancerede multivariate dataanalysemetoder. Foodomics-laboratoriet har desuden et tæt samarbejde med forskellige forskergrupper på Institut for Plante- og Miljøvidenskab (KU-PLEN). Laboratoriet spiller en hovedrolle som analyseleverandør til forskellige forskningsprojekter på Københavns Universitet.PLEN, herunder ikke-målrettede foodom/metabolom-analyser, profilering af agroøkonomisk vigtige plantesubstanser (fx saponiner) samt strukturbestemmelse af interessante plantesubstanser. Desuden samarbejder Foodomics-laboratoriet med analytiske medarbejdere ved Metabolomics Platform-sektionen på Copenhagen Plant Science Center (CPSC). Foodomics-laboratoriet har en af de største kapaciteter på KU til at screene foodomer (fx plantebaserede fødevarer, drikkevarer, kød og kødprodukter) og det biologiske systems metabolomer, som fx blod, urin, muskelvæv, fækalierier etc.). Derfor indtager laboratoriet en central rolle i adskillige interventionsstudier udført sammen med forskere fra Institut for Idræt og Ernæring (KU-NEXS) samt med læger og dyrlæger ved Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet (KU-SUND). Studier, som relaterer sig til optimering af fødevare- og foderproduktionsprocesser udføres i almindelighed i samarbejde med den danske og internationale fødevareindustri, fx Arla Foods, Carlsberg, Unilever og Chr. Hansen.

Samarbejder med fødevareindustrien samt andre relaterede industrier, herunder fx biotekindustrien:

Samarbejder med andre universiteter og forskningsinstitutioner                  

…samt mange andre partnere i ind- og udland.