Simultaneous estimation of fatty acids contents from soybean seeds using fourier transform infrared spectroscopy and gas chromatography by multivariate analysis

적외선 분광스펙트럼 및 기체크로마토그라피 분석 데이터의 다변량 통계분석을 이용한 대두 종자 지방산 함량예측

The aim of this study was to investigate whether fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy can be applied to simultaneous determination of fatty acids contents in different soybean cultivars. Total 153 lines of soybean (Glycine max Merrill) were examined by FT-IR spectroscopy. Quantification of fatty acids from the soybean lines was confirmed by quantitative gas chromatography (GC) analysis. The quantitative spectral variation among different soybean lines was observed in the amide bond region ($1,700{\sim}1,500cm^{-1}$), phosphodiester groups ($1,500{\sim}1,300cm^{-1}$) and sugar region ($1,200{\sim}1,000cm^{-1}$) of FT-IR spectra. The quantitative prediction modeling of 5 individual fatty acids contents (palmitic acid, stearic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid) from soybean lines were established using partial least square regression algorithm from FT-IR spectra. In cross validation, there were high correlations ($R^2{\geq}0.97$) between predicted content of 5 individual fatty acids by PLS regression modeling from FT-IR spectra and measured content by GC. In external validation, palmitic acid ($R^2=0.8002$), oleic acid ($R^2=0.8909$) and linoleic acid ($R^2=0.815$) were predicted with good accuracy, while prediction for stearic acid ($R^2=0.4598$), linolenic acid ($R^2=0.6868$) had relatively lower accuracy. These results clearly show that FT-IR spectra combined with multivariate analysis can be used to accurately predict fatty acids contents in soybean lines. Therefore, we suggest that the PLS prediction system for fatty acid contents using FT-IR analysis could be applied as a rapid and high throughput screening tool for the breeding for modified Fatty acid composition in soybean and contribute to accelerating the conventional breeding.

본 연구의 목적은 적외선 분광스펙트럼 데이터를 이용하여 대두 종자내의 지방산 함량을 동시에 예측할 수 있는지 여부를 조사하기 위한 것이다. 총 153종의 대두(Glycine max Merrill) 종자로부터 적외선 분광스펙트럼 및 지방산의 함량을 기체크로마토그라피 분석을 통하여 확인하였다. 적외선 분광스펙트럼 조사결과 대두는 단백질이나 아미노산의 amide bond region ($1,700{\sim}1,500cm^{-1}$), 핵산이나 인지질의 phosphodiester groups ($1,500{\sim}1,300cm^{-1}$) 그리고 탄수화물 등 다당류의 sugar region ($1,200{\sim}1,000cm^{-1}$)에서 계통별로 큰 차이가 이루어짐을 알 수 있었다. 총 29라인의 대두 계통별 시료로부터 지방산 함량을 조사한 결과 총 지방산의 함량은 건조 시료 0.1 g 당 $185.57{\mu}g$에서 $325.9{\mu}g$으로 계통간에 차이가 있었음을 알 수 있었으며 평균 함량은 $244.48{\mu}g$이었다. PLS regression 분석을 이용하여 총 5개 지방산(팔미틱산, 스테아릭산, 올레익산, 리노레익산 그리고 리노레닉산) 함량 예측 calibration models의 실측 검증 결과, 팔미틱산($R^2=0.8002$), 올레익산($R^2=0.8909$) 그리고 리노레익산($R^2=0.815$)은 회귀분석 상관계수가 0.8 이상으로 정확도 높음을 알 수 있었다. 그러나 스테아릭산($R^2=0.4598$)과 리노레닉산($R^2=0.6868$)의 경우 상관계수가 0.7 이하로 상대적으로 예측정확도가 낮음을 알 수 있었다. 본 연구에서 확립된 기술은 지방산의 조성 변환을 통하여 새로운 대두 품종 개발을 위한 계통선발 과정에서 매우 효율적인 수단으로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 더 나아가 본 기술은 대두는 물론 대두 유래 농산물이나 식품의 품질 검증 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.