Identification and Epidemiological Typing of Campylobacter strains isolated from Patients in Finland

C. jejuni constitutes the majority of Campylobacter strains isolated from patients in Finland, and C. coli strains are also reported. To improve the species identification, a combination of phenotype- and genotype-based methods was applied. Standardising the cell suspension turbidity in the hippurate hydrolysis test enabled the reliable identification of hippurate-positive Campylobacter strains as C. jejuni. The detection of species-specific genes by PCR showed that about 30% of the hippurate-negative strains were C. jejuni. Three typing methods, serotyping, PCR-RFLP analysis of LOS biosynthesis genes and pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) were evaluated as epidemiological typing tools for C. jejuni. The high number of non-typeable strains lowered the discriminatory ability of serotyping. PCR-RFLP typing offered high discrimination for both serotypeable and non-typeable strains, but the correlation between serotypes and RFLP-types was not high enough to enable its use for molecular serotyping of non-typeable strains. PFGE was a highly discriminative typing method. Although the use of two restriction enzymes generally increases the discriminatory ability, KpnI alone offered almost as high discrimination as the use of SmaI and KpnI. The characteristic seasonal distribution of Campylobacter infections with a peak in summer and low incidence in winter was mainly due to domestically acquired infections. Of the C. jejuni strains, 41% were of domestic origin compared to only 17% of the C. coli strains. Serotypes Pen 12, Pen 6,7 and Pen 27 were significantly associated with domestic C. jejuni infections, Pen 1,44, Pen 3 and Pen 37 with travel-related infections. Pen 2 and Pen 4-complex were common both in domestic and travel-related infections. Serotype Pen 2 was less common among patients 60 years or older than in younger patients, more prevalent in Western Finland than in other parts of the country and more prevalent than other serotypes in winter. The source of Pen 2 infections may be related to cattle, since Pen 2 is the most common serotype in isolates from Finnish cattle. PFGE subtypes among isolates from patients and chickens during the summer 2003 and from cattle during the whole year were compared. The analysis of indistinguishable SmaI/KpnI subtypes suggested that up to 31% of the human infections may have been mediated by chickens and 19% by cattle. Human strains isolated during two one-year sampling periods were studied by PFGE. Of the domestic strains, 69% belonged to SmaI subtypes found during both sampling periods. Four SmaI subtypes accounted for 45% of the domestic strains, further typing of these subtypes by KpnI revealed six temporally persistent SmaI/KpnI subtypes. They were only occasionally identified in travel-related strains, and therefore, can be considered to be national subtypes. Each subtype was associated with a serotype: Pen 2, Pen 12, Pen 27, Pen 4-complex, Pen 41, and Pen 57. Five of these subtypes were identified in cattle (S5/K27, S7/K1, S7/K2, S7/K5 and S64/K19), and two in chickens (S7/K1 and S64/K19) with a temporal association with human infections in 2003. Cattle are more likely potential sources of these persistent subtypes, since long-term excretion of Campylobacter strains by cattle has been reported.

Diversitet och tillväxtfrämjande egenskaper hos Stenotrophomonas-endofyter isolerade från Calliandra calothyrsus Meisn. rotknölar

The bacterial genus Stenotrophomonas comprises 12 species. They are widely found throughout the environment and particularly S. maltophilia, S. rhizophila and S. pavanii are closely associated with plants. Strains of the most common Stenotrophomonas species, S. maltophilia, promote plant growth and health, degrade natural and man-made pollutants and produce biomolecules of biotechnological and economical value. Many S. maltophilia –strains are also multidrug resistant and can act as opportunistic human pathogens. During an INCO-project (1998-2002) rhizobia were collected from root nodules of the tropical leguminous tree Calliandra calothyrsus Meisn. from several countries in Central America, Africa and New Caledonia. The strains were identified by the N2-group (Helsinki university) and some strains turned out to be members of the genus Stenotrophomonas. Several Stenotrophomonas strains induced white tumor- or nodule-like structures on Calliandra?s roots in plant experiments. The strains could, besides from root nodules, also be isolated from surface sterilized roots and stems. The purpose of my work was to investigate if the Stenotrophomonas strains i) belong to a new Stenotrophomonas species, ii) have the same origin, iii) if there are other differences than colony morphology between phase variations of the same strain, iv) have plant growth-promoting (PGP) activity or other advantageous effects on plants, and v) like rhizobia have ability to induce root nodule formation. The genetic diversity and clustering of the Stenotrophomonas strains were analyzed with AFLP fingerprinting to get indications about their geographical origin. Differences in enzymatic properties and ability to use different carbon and energy sources were tested between the two phases of each strain with commercial API tests for bacterial identification. The ability to infect root hairs and induce root nodule formation was investigated both using plant tests with the host plant Calliandra and PCR amplification of nodA and nodC genes for nodulation. The PGP activity of the strains was tested in vitro mainly with plate methods. The impact on growth, nitrogen content and nodulation in vivo was investigated through greenhouse experiments with the legumes Phaseolus vulgaris and Galega orientalis. Both the genetic and phenotypic diversity among the Stenotrophomonas strains was small, which proposes that they have the same origin. The strains brought about changes on the root hairs of Calliandra and they also increased the amount of root hairs. However, no root nodules were detected. The strains produced IAA, protease and lipase in vitro. They also showed plant a growth-promoting effect on G. orientalis, both alone and together with R. galegae HAMBI 540, and also activated nodulation among efficient rhizobia on P. vulgaris in greenhouse. It requires further research to get a better picture about the mechanisms behind the positive effects. The results in this thesis, however, confirm earlier studies concerning Stenotrophomonas positive impact on plants.

Aitosuklaa jäätelöpuikon kuorrutteena

Tutkimuksen kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin jäätelöpuikkoihin, erilaisiin suklaakuorrutteisiin ja elintarvikkeiden kuorruttamiseen suklaalla. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin suklaan koostumukseen, nestemäisen suklaan virtausominaisuuksiin ja koostumuksen ja virtausominaisuuksien välisiin vuorovaikutuksiin. Kokeellisessa osassa tavoitteena oli selvittää, miten maitosuklaakuorrutteen rasvapitoisuuden, emulgointiainepitoisuuden ja kuorrutteen lämpötilanvaihtelut vaikuttavat kuorrutteen viskositeettiin, myötöjännitykseen, jähmettymisaikaan ja jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrään. Erityisesti pyrittiin selvittämään, miten jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrää saadaan säädeltyä kuorrutteen rasvapitoisuutta, emulgointiainepitoisuutta ja lämpötilaa muuttamalla. Tutkimuksen koeasetelma tehtiin Box-Behnken-mallilla. Selittäviksi muuttujiksi tutkimukseen valittiin kuorrutteen rasvan määrä, emulgointiaineen määrä ja kuorrutteen lämpötila jäätelöpuikkoja kuorrutettaessa. Vastemuuttujina oli kuorrutteen jähmettymisaika, viskositeetti, myötöjännitys ja jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrä. Tulokset käsiteltiin regressioanalyysin avulla. Muuttujien välisiä vuorovaikutuksia tutkittiin vastepintamallilla. Vastemuuttujien välisiä korrelaatioita tutkittaessa käytettiin Pearsonin korrelaatiokerrointa. Kuorrutteen rasvan määrän lisääntyminen vähensi tilastollisesti merkitsevästi jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrää, kuorrutteen jähmettymisaikaa, viskositeettia ja myötöjännitystä. Emulgointiaineen määrän lisääminen kuorrutteessa pienensi kuorrutteen määrää jäätelöpuikon päällä, kuorrutteen jähmettymisaikaa ja kuorrutteen myötöjännitystä. Kuorrutteen lämpötilan lisääminen jäätelöpuikkoja kuorrutettaessa pienensi kuorrutteen määrää ja viskositeettia. Kuorrutteen jähmettymisaika sen sijaan piteni lämpötilaa lisättäessä. Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että jäätelöpuikkoja kastettaessa suklaakuorrutteen lämpötila, rasvan määrä ja lesitiinin määrä vaikuttivat jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrään. Vastepintamallinnuksen käyttö soveltui hyvin suklaakuorrutteen määrän tutkimiseen. Sen avulla saatiin selvitettyä, miten jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrää saadaan säädeltyä muuttamalla kuorrutteen emulgointiainepitoisuutta, rasvapitoisuutta ja lämpötilaa.

Non-enzymatic Degradation of (1→3)(1→4)-β-D-glucan in Aqueous Processing of Oats

Cereal water-soluble β-glucan [(1→3)(1→4)-β-D-glucan] has well-evidenced health benefits and it contributes to the texture properties of foods. These functions are characteristically dependent on the excellent viscosity forming ability of this cell wall polysaccharide. The viscosity is affected by the molar mass, solubility and conformation of β-glucan molecule, which are further known to be altered during food processing. This study focused on demonstrating the degradation of β-glucan in water solutions following the addition of ascorbic acid, during heat treatments or high pressure homogenisation. Furthermore, the motivation of this study was in the non-enzymatic degradation mechanisms, particularly in oxidative cleavage via hydroxyl radicals. The addition of ascorbic acid at food-related concentrations (2-50 mM), autoclaving (120°C) treatments, and high pressure homogenisation (300-1000 bar) considerably cleaved the β-glucan chains, determined as a steep decrease in the viscosity of β-glucan solutions and decrease in the molar mass of β-glucan. The cleavage was more intense in a solution of native β-glucan with co-extracted compounds than in a solution of highly purified β-glucan. Despite the clear and immediate process-related degradation, β-glucan was less sensitive to these treatments compared to other water-soluble polysaccharides previously reported in the literature. In particular, the highly purified β-glucan was relatively resistant to the autoclaving treatments without the addition of ferrous ions. The formation of highly oxidative free radicals was detected at the elevated temperatures, and the formation was considerably accelerated by added ferrous ions. Also ascorbic acid pronounced the formation of these oxidative radicals, and oxygen was simultaneously consumed by ascorbic acid addition and by heating the β-glucan solutions. These results demonstrated the occurrence of oxidative reactions, most likely the metal catalysed Fenton-like reactions, in the β-glucan solutions during these processes. Furthermore, oxidized functional groups (carbonyls) were formed along the β-glucan chain by the treatments, including high pressure homogenisation, evidencing the oxidation of β-glucan by these treatments. The degradative forces acting on the particles in the high pressure homogenisation are generally considered to be the mechanical shear, but as shown here, carbohydrates are also easily degraded during the process, and oxidation may have a role in the modification of polysaccharides by this technique. In the present study, oat β-glucan was demonstrated to be susceptible to degradation during aqueous processing by non-enzymatic degradation mechanisms. Oxidation was for the first time shown to be a highly relevant degradation mechanism of β-glucan in food processing.

Berry phenolics: isolation, analysis, identification, and antioxidant properties

The main objectives in this thesis were to isolate and identify the phenolic compounds in wild (Sorbus aucuparia) and cultivated rowanberries, European cranberries (Vaccinium microcarpon), lingonberries (Vaccinium vitis-idaea), and cloudberries (Rubus chamaemorus), as well as to investigate the antioxidant activity of phenolics occurring in berries in food oxidation models. In addition, the storage stability of cloudberry ellagitannin isolate was studied. In wild and cultivated rowanberries, the main phenolic compounds were chlorogenic acids and neochlorogenic acids with increasing anthocyanin content depending on the crossing partners. The proanthocyanidin contents of cranberries and lingonberries were investigated, revealing that the lingonberry contained more rare A-type dimers than the European cranberry. The liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) analysis of cloudberry ellagitannins showed that trimeric lambertianin C and sanguiin H-10 were the main ellagitannins. The berries, rich in different types of phenolic compounds including hydroxycinnamic acids, proanthocyanidins, and ellagitannins, showed antioxidant activity toward lipid oxidation in liposome and emulsion oxidation models. All the different rowanberry cultivars prevented lipid oxidation in the same way, in spite of the differences in their phenolic composition. In terms of liposomes, rowanberries were slightly more effective antioxidants than cranberry and lingonberry phenolics. Greater differences were found when comparing proanthocyanidin fractions. Proanthocyanidin dimers and trimers of both cranberries and lingonberries were most potent in inhibiting lipid oxidation. Antioxidant activities and antiradical capacities were also studied with hydroxycinnamic acid glycosides. The sinapic acid derivatives of the hydroxycinnamic acid glycosides were the most effective at preventing lipid oxidation in emulsions and liposomes and scavenging radicals in DPPH assay. In liposomes and emulsions, the formation of the secondary oxidation product, hexanal, was inhibited more than that of the primary oxidation product, conjugated diene hydroperoxides, by hydroxycinnamic acid derivatives. This indicates that they are principally chain-breaking antioxidants rather than metal chelators, although they possess chelating activity as well. The storage stability test of cloudberry ellagitannins was performed by storing ellagitannin isolate and ellagitannins encapsulated with maltodextrin at different relative vapor pressures. The storage stability was enhanced by the encapsulation when higher molecular weight maltodextrin was used. The best preservation was achieved when the capsules were stored at 0 or 33% relative vapor pressures. In addition, the antioxidant activities of encapsulated cloudberry extracts were followed during the storage period. Different storage conditions did not alter the antioxidant activity, even though changes in the ellagitannin contents were seen. The current results may be of use in improving the oxidative stability of food products by using berries as natural antioxidants.

Ruismallasuute vähägluteenisessa kauraleivonnassa

Tutkielman kirjallisuuskatsauksessa tarkasteltiin kauran leivontateknologisia ominaisuuksia, entsyymiaktiivista leivontaa ja ruismaltaan hyödyntämistä vähägluteenisessa leivonnassa. Kokeellisessa osiossa tutkittiin ruismallashapantaikinasta valmistetun uutteen vaikutusta kaurataikinan viskositeettiin ja kauraleivän ominaisuuksiin. Työn tarkoituksena oli kehittää maultaan ja rakenteeltaan onnistunut rukiinmakuinen kauraleipä. Ruismaltaan entsyymien annettiin pilkkoa keliaakikolle haitallisia rukiin prolamiineja hapantaikinaprosessissa. Hapantaikinasta erotettiin uute sentrifugoimalla. Leivontakokeisiin käytettiin entsyymiaktiivista ja kuumentamalla inaktivoitua uutetta. Uutteella korvattiin taikinavettä 15, 25 ja 30 % (taikinan painosta). Leivonta toteutettiin miniatyyrikoossa, vuokaleivontana 20 g:n taikinapaloja käyttäen. Taikinoiden viskositeetti mitattiin tarkoituksena seurata beetaglukaanin hydrolyysiä. Rukiin makua mitattiin koulutetun raadin avulla. Happaman uutteen lisäys laski taikinan pH-arvoa noin 5,8:sta noin 4,4:ään. Entsyymiaktiivisen uutteen lisäys laski taikinan viskositeettia ja inaktivoitu uute puolestaan kasvatti sitä. Leipien sisus tiivistyi, jolloin mitatut sisuksen kovuudet kasvoivat uutteen lisäyksen myötä. Uutelisäys paransi leipien makua ja aromia. Uutteen vaikutuksesta leipien huokoset olivat pienempiä ja ne jakaantuivat tasaisemmin leipämatriisiin. Jos uutetta käytettiin inaktivoituna, leipien murenevuus kasvoi. Tutkimuksessa kehitetyn teknologian avulla oli mahdollista valmistaa hyvänlaatuinen, rukiinmakuinen kauraleipä myös ilman että uutteen entsyymit inaktivoitiin keittämällä. Tähän vaikutti ilmeisesti taikinan alhainen pH, joka inhiboi alfa-amylaasia, ja kauratärkkelyksen korkea liisteröitymislämpötila, jolloin entsyymien inaktivoituminen paiston aikana tapahtui ennen kuin tärkkelys tuli alttiiksi liialliselle pilkkoutumiselle. Tämä mahdollistaa uutteen käytön osana leivontaprosessia ilman inaktivointia. Hapantaikinafermentaatio osana gluteenitonta leivontaa havaittiin toimivaksi yhdistelmäksi, sillä se paransi leivän väriä, makua ja rakennetta. Myös leivän homeeton aika parani jo vähäisenkin uutelisäyksen vaikutuksesta. Näyttää siltä, että tämän teknologian avulla on mahdollista tuoda esille pitkään kaivattua rukiin makua vähägluteenisten kauraleipien valikoimassa. Laskennallisesti ja aiempiin tuloksiin tukeutuen, voitiin päätellä, että leivän prolamiinipitoisuudessa on mahdollista päästä tasolle 63,5 mg/kg, mutta jatkokehityksen avulla päästäisiin luultavasti vielä parempiin tuloksiin.

The challenge of LC/MS/MS multi-mycotoxin analysis - Heracles battling the Hydra?

Mycotoxins are secondary metabolites of filamentous fungi. They pose a health risk to humans and animals due to their harmful biological properties and common occurrence in food and feed. Liquid chromatography/mass spectrometry (LC/MS) has gained popularity in the trace analysis of food contaminants. In this study, the applicability of the technique was evaluated in multi-residue methods of mycotoxins aiming at simultaneous detection of chemically diverse compounds. Methods were developed for rapid determination of toxins produced by fungal genera of Aspergillus, Fusarium, Penicillium and Claviceps from cheese, cereal based agar matrices and grains. Analytes were extracted from these matrices with organic solvents. Minimal sample clean-up was carried out before the analysis of the mycotoxins with reversed phase LC coupled to tandem MS (MS/MS). The methods were validated and applied for investigating mycotoxins in cheese and ergot alkaloid occurrence in Finnish grains. Additionally, the toxin production of two Fusarium species predominant in northern Europe was studied. Nine mycotoxins could be determined from cheese with the method developed. The limits of quantification (LOQ) allowed the quantification at concentrations varying from 0.6 to 5.0 µg/kg. The recoveries ranged between 96 and 143 %, and the within-day repeatability (as relative standard deviation, RSDr) between 2.3 and 12.1 %. Roquefortine C and mycophenolic acid could be detected at levels of 300 up to 12000 µg/kg in the mould cheese samples analysed. A total of 29 or 31 toxins could be analysed with the method developed for agar matrices and grains, with the LOQs ranging overall from 0.1 to 1250 µg/kg. The recoveries ranged generally between 44 and 139 %, and the RSDr between 2.0 and 38 %. Type-A trichothecenes and beauvericin were determined from the cereal based agar and grain cultures of F. sporotrichioides and F. langsethiae. T-2 toxin was the main metabolite, the average levels reaching 22000 µg/kg in the grain cultures after 28 days of incubation. The method developed for ten ergot alkaloids from grains allowed their quantification at levels varying from 0.01 to 10 µg/kg. The recoveries ranged from 51 to 139 %, and the RSDr from 0.6 to 13.9 %. Ergot alkaloids were measured in barley and rye at average levels of 59 and 720 µg/kg, respectively. The two most prevalent alkaloids were ergocornine and ergocristine. The LC/MS methods developed enabled rapid detection of mycotoxins in such applications where several toxins co-occurred. Generally, the performance of the methods was good, allowing reliable analysis of the mycotoxins of interest with sufficiently low quantification limits. However, the variation in validation results highlighted the challenges related to optimising this type of multi-residue methods. New data was obtained about the occurrence of mycotoxins in mould cheeses and of ergot alkaloids in Finnish grains. In addition, the study revealed the high mycotoxin-producing potential of two common fungi in Finnish crops. The information can be useful when risks related to fungal and mycotoxin contamination will be assessed.

Äidin raskausajan D-vitamiinitilanteen yhteys lapsen luustoon yhden vuoden iässä

Johdanto: Raskaudenaikaisen D-vitamiinin puutoksen on havaittu vaikuttavan negatiivisesti syntyvän lapsen luuston kasvuun. Myös lapsen riittävä D-vitamiinin saanti on merkittävä tekijä lapsen luuston hyvinvoinnissa. Suomalaisten odottavien äitien D-vitamiinin saanti on usein puutteellista, eikä D-vitamiinia muodostu iholla talvikuukausina Suomen pohjoisen sijainnin vuoksi. Suomalaisten raskaana olevien naisten heikko D-vitamiinitilanne saattaa vaikuttaa lasten luuston terveyteen. Tavoitteet: Työn tavoitteena oli tutkia ovatko raskauden aikainen D-vitamiinitilanne, lapsen D-vitamiinitilanne ja D-vitamiinin saanti vuoden iässä yhteydessä luuntiheyden ja -mineraalipitoisuuden muutoksiin lapsen ensimmäisen elinvuoden aikana. Aineisto ja menetelmät: Raskausaikana rekrytoiduista 126 äiti-lapsi-parista vuoden iässä seurantakäynnille saapui 89 (69 %). Lapsilta otettiin verinäyte ja siitä määritettiin D-vitamiinitilannetta kuvaava seerumin 25-hydroksi-D-vitamiinipitoisuus (25(OH)D) immunoentsymometrisellä menetelmällä. Lasten sääriluu tutkittiin pQCT-menetelmällä. Vastaavat tutkimukset oli suoritettu sekä lapsille että äideille synnytyksen jälkeen. Äitien seerumin 25(OH)D-pitoisuus alkuraskauden aikana määritettiin THL:n keräämistä verinäytteistä. Lapsilta kerättiin kolmen vuorokauden ruokapäiväkirja sekä kyselylomake, joiden avulla selvitettiin D-vitamiinin saanti ruokavaliosta, D-vitamiinilisän käyttö ja taustatekijöitä. Äideille suoritettiin lyhyt haastattelu koskien lapsen terveyttä ja kehitystä. Tilastollinen tarkastelu suoritettiin SPSS (versio 16.0) –ohjelmalla. Korrelaatioanalyysilla selvitettiin minkä tekijöiden kanssa 1-vuotiaan luuston laatua kuvaavat muuttujat ja niissä tapahtuneet muutokset korreloivat. Regressioanalyysilla tutkittiin selittääkö raskausajan D-vitamiinitilanne, lapsen D-vitamiinitilanteen muutos tai lapsen D-vitamiinin saanti yhden vuoden iässä luustomuuttujien muutoksia. Monimuuttujamallin avulla tarkasteltiin, onko raskaudenaikainen D-vitamiinitilanne lineaarisesti yhteydessä luumuuttujien arvoihin. Tulokset: Lasten D-vitamiinin saanti ylitti keskimäärin suositukset (KA 12,3 ?g/vrk), mutta 20 %:lla seerumin 25(OH)D-pitoisuus oli riittämätön (< 50 nmol/l). Seurantakäynnin aikaan yhä imetetyillä lapsilla Dvitamiinitilanne oli heikompi kuin ei-imetetyillä (p=0,044). Luun mineraalimäärä (BMC, engl. bone mineral content) oli kasvanut eniten niillä lapsilla, joiden äitien D-vitamiinitilanne oli ollut heikoin raskauden aikana ja vähiten niillä, joilla D-vitamiinitilanne raskausaikana oli ollut riittävä. Tulos ei kuitenkaan yltänyt merkitsevälle tasolle (p=0.069). Muissa luumuuttujissa viitteitä yhteyksistä ei löytynyt. Taustatietoja tarkastellessa havaittiin merkitsevä negatiivinen yhteys raskausajan D-vitamiinitilanteen ja lapsen sairastamien nuhakuumeiden lukumäärän välillä (p=0.044). Johtopäätökset: Lasten D-vitamiinin saanti oli suositusten mukaista, mutta siitä huolimatta osalla lapsista Dvitamiinitilanne ei ollut optimaalinen. Erot BMC:n muutoksessa ryhmien välillä viittaavat saavutuskasvuun eli heikomman D-vitamiinitilanteen vaikutus luustoon kompensoituu BMC:n osalta ensimmäisen elinvuoden aikana. Pitkäkestoisia lisätutkimuksia raskausajan D-vitamiinitilanteen ja lapsen luuston yhteyksistä suuremmilla tutkimusotoksilla tarvitaan.

Molekyylibiologisten menetelmien kehittäminen ihmisen suoliston sulfaattia pelkistävien bakteerien määrittämiseksi

Ihmisen ruuansulatuskanavan bakteeriston kehitys alkaa syntymästä, jolloin ensimmäiset bakteerit kansoittavat steriilin ruuansulatuskanavan. Bakteeristo kehittyy perimän, ympäristön ja varhaisen ruokavalion vaikutuksesta kohti monimuotoisempaa bakteeripopulaatiota. Aikuisen ruuansulatuskanavan normaalibakteeristo on varsin muuttumaton, mutta siihen vaikuttavat monet tekijät, kuten ikä, terveydentila, ruokavalio ja antibioottien käyttö. Bakteeriston koostumus vaihtelee ruuansulatuskanavan eri osissa ja bakteerimäärä kasvaa kohti paksusuolta, ollen paksusuolessa ja ulosteessa peräti 1010-1012 pmy/ml. Suurin osa ruuansulatuskanavan bakteereista on anaerobeja. Ruuansulatuskanavan bakteeristo vaikuttaa muun muassa suoliston kehittymiseen ja hiilihydraattien ja proteiinien hajotukseen sekä toimii osana immuunipuolustusta. Sulfaattia pelkistävät bakteerit (SRB) ovat monimuotoinen ryhmä pääosin anaerobisia bakteereita, jotka käyttävät aineenvaihdunnassaan elektronin vastaanottajana sulfaattia muuttaen sen lopulta sulfidiksi. SRB:t ovat sopeutuneet useisiin erilaisiin ympäristöihin. Niitä tavataan mm. vesistöjen sedimenteissä sekä ihmisen ruuansulatuskanavassa. Ihmisen ruuansulatuskanavassa on SRB:ta n. 105-108 pmy/g, ja niitä on löydetty erityisesti anaerobisista osista kuten suun ientaskuista ja paksusuolesta. SRB:t voivat olla haitaksi ruuansulatuskanavalle tuottamansa sulfidin vuoksi, joka esiintyy vesiliuoksessa vetysulfidina. Tämän on havaittu olevan toksista suoliston epiteelisoluille. Viimeaikoina on kiinnostuttu sulfaatinpelkistäjien yhteydestä suoliston sairaustiloihin, kuten tulehduksellisiin suolistosairauksiin (IBD). Pro gradu -tutkimukseni tavoitteena oli kehittää PCR-DGGE- ja qPCR-menetelmät ulosteen sulfaattia pelkistävien bakteerien määritykseen. Kohdegeeninä menetelmänkehityksessä käytettiin dsrAB-geeniä, joka koodaa dissimilatorista sulfiitinpelkistysentsyymiä. dsrAB-geeni on sulfaatinpelkistäjille ominainen konservoitunut geenialue, johon perustuvia tutkimuksia ei vielä ole paljon ihmispuolelta. qPCR-menetelmä saatiin optimoitua herkäksi ja spesifiseksi käyttäen dsrA-geenispesifisiä alukkeita, mutta PCR-DGGE-menetelmää ei saatu optimoitua käytössä olleilla alukkeilla, jotka monistivat PCR-DGGE:ssa myös negatiivikontrollikantoja. Tutkittaessa qPCR:lla IBD:tä (Crohn ja ulseratiivinen koliitti) sairastavien lasten ja terveiden kontrollihenkilöiden ulostenäytteistä eristettyä DNA:ta, merkittävää eroa SRB-määrissä ei havaittu eri ryhmien välillä. Crohnin tautia sairastavien aktiivisen vaiheen ja oireettoman vaiheen näytteiden välillä oli kuitenkin tilastollisesti merkitsevä ero (SRB-määrät; oireeton vaihe>oireellinen vaihe) (P <0,05).

Microbiological characterisation of soils : Evaluation of some critical steps in data collection and experimental design

The study of soil microbiota and their activities is central to the understanding of many ecosystem processes such as decomposition and nutrient cycling. The collection of microbiological data from soils generally involves several sequential steps of sampling, pretreatment and laboratory measurements. The reliability of results is dependent on reliable methods in every step. The aim of this thesis was to critically evaluate some central methods and procedures used in soil microbiological studies in order to increase our understanding of the factors that affect the measurement results and to provide guidance and new approaches for the design of experiments. The thesis focuses on four major themes: 1) soil microbiological heterogeneity and sampling, 2) storage of soil samples, 3) DNA extraction from soil, and 4) quantification of specific microbial groups by the most-probable-number (MPN) procedure. Soil heterogeneity and sampling are discussed as a single theme because knowledge on spatial (horizontal and vertical) and temporal variation is crucial when designing sampling procedures. Comparison of adjacent forest, meadow and cropped field plots showed that land use has a strong impact on the degree of horizontal variation of soil enzyme activities and bacterial community structure. However, regardless of the land use, the variation of microbiological characteristics appeared not to have predictable spatial structure at 0.5-10 m. Temporal and soil depth-related patterns were studied in relation to plant growth in cropped soil. The results showed that most enzyme activities and microbial biomass have a clear decreasing trend in the top 40 cm soil profile and a temporal pattern during the growing season. A new procedure for sampling of soil microbiological characteristics based on stratified sampling and pre-characterisation of samples was developed. A practical example demonstrated the potential of the new procedure to reduce the analysis efforts involved in laborious microbiological measurements without loss of precision. The investigation of storage of soil samples revealed that freezing (-20 °C) of small sample aliquots retains the activity of hydrolytic enzymes and the structure of the bacterial community in different soil matrices relatively well whereas air-drying cannot be recommended as a storage method for soil microbiological properties due to large reductions in activity. Freezing below -70 °C was the preferred method of storage for samples with high organic matter content. Comparison of different direct DNA extraction methods showed that the cell lysis treatment has a strong impact on the molecular size of DNA obtained and on the bacterial community structure detected. An improved MPN method for the enumeration of soil naphthalene degraders was introduced as an alternative to more complex MPN protocols or the DNA-based quantification approach. The main advantage of the new method is the simple protocol and the possibility to analyse a large number of samples and replicates simultaneously.

Physical properties of a boreal clay soil under differently managed perennial vegetation

The physical properties of surface soil horizons, essentially pore size, shape, continuity and affinity for water, regulate water entry into the soil. These properties are prone to changes caused by natural forces and human activity. The hydraulic properties of the surface soil greatly impact the generation of surface runoff and accompanied erosion, the major concern of agricultural water protection. The general target of this thesis was to improve our understanding of the structural and hydraulic properties of boreal clay soils. Physical properties of a clayey surface soil (0 - 10 cm, clay content 51%), with a micaceous/illitic mineralogy subjected to three different management practices of perennial vegetation, were studied. The study sites were vegetated buffer zones located side by side in SW Finland: 1) natural vegetation with no management, 2) harvested once a year, and 3) grazed by cattle. The soil structure, hydraulic properties, shrinkage properties and soil water repellency were determined at all sites. Two distinct flow domains were evident. The surface soil was characterized by subangular blocky, angular blocky and platy aggregates. Hence, large, partially accommodated, irregular elongated pores dominated the macropore domain at all sites. The intra-aggregate pore system was mostly comprised of pores smaller than 30 μm, which are responsible for water storage. Macropores at the grazed site, compacted by hoof pressure, were horizontally oriented and pore connectivity was poorest, which decreased water and air flux compared with other sites. Drying of the soil greatly altered its structure. The decrease in soil volume between wet and dry soil was 7 - 10%, most of which occurred in the moisture range of field conditions. Structural changes, including irreversible collapse of interaggregate pores, began at matric potentials around -6 kPa indicating, instability of soil structure against increasing hydraulic stress. Water saturation and several freezethaw cycles between autumn and spring likely weakened the soil structure. Soil water repellency was observed at all sites at the time of sampling and when soil was dryer than about 40 vol.%. (matric potential < -6 kPa). Therefore, water repellency contributes to water flow over a wide moisture range. Water repellency was also observed in soils with low organic carbon content (< 2%), which suggests that this phenomenon is common in agricultural soils of Finland due to their relatively high organic carbon content. Aggregate-related pedofeatures of dense infillings described as clay intrusions were found at all sites. The formation of these intrusions was attributed to clay dispersion and/or translocation during spring thaw and drying of the suspension in situ. These processes generate very new aggregates whose physical properties are most probably different from those of the bulk soil aggregates. Formation of the clay infillings suggested that prolonged wetness in autumn and spring impairs soil structure due to clay dispersion, while on the other hand it contributes to the pedogenesis of the soil. The results emphasize the dynamic nature of the physical properties of clay soils, essentially driven by their moisture state. In a dry soil, fast preferential flow is favoured by abundant macropores including shrinkage cracks and is further enhanced by water repellency. Increase in soil moisture reduces water repellency, and swelling of accommodated pores lowers the saturated hydraulic conductivity. Moisture- and temperature-related processes significantly alter soil structure over a time span of 1 yr. Thus, the pore characteristics as well as the hydraulic properties of soil are time-dependent.

The effect of structure on the dilute solution properties of branched polysaccharides studied with SEC and AsFlFFF

Cereal arabinoxylans, guar galactomannans, and dextrans produced by lactic acid bacteria(LAB) are a structurally diverse group of branched polysaccharides with nutritional and industrial functions. In this thesis, the effect of the chemical structure on the dilute solution properties of these polysaccharides was investigated using size-exclusion chromatography(SEC) and asymmetric flow field-flow fractionation (AsFlFFF) with multiple-detection. The chemical structures of arabinoxylans were determined, whereas galactomannan and dextran structures were studied in previous investigations. Characterization of arabinoxylans revealed differences in the chemical structures of cereal arabinoxylans. Although arabinoxylans from wheat, rye, and barley fiber contained similar amounts of arabinose side units, the substitution pattern of arabinoxylans from different cereals varied. Arabinoxylans from barley husks and commercial low-viscosity wheat arabinoxylan contained a lower number of arabinose side units. Structurally different dextrans were obtained from different LAB. The structural effects on the solution properties could be studied in detail by modifying pure wheat and rye arabinoxylans and guar galactomannan with specific enzymes. The solution characterization of arabinoxylans, enzymatically modified galactomannans, and dextrans revealed the presence of aggregates in aqueous polysaccharide solutions. In the case of arabinoxylans and dextrans, the comparison of molar mass data from aqueous and organic SEC analyses was essential in confirming aggregation, which could not be observed only from the peak or molar mass distribution shapes obtained with aqueous SEC. The AsFlFFF analyses gave further evidence of aggregation. Comparison of molar mass and intrinsic viscosity data of unmodified and partially debranched guar galactomannan, on the other hand, revealed the aggregation of native galactomannan. The arabinoxylan and galactomannan samples with low or enzymatically extensively decreased side unit content behaved similarly in aqueous solution: lower molar mass samples stayed in solution but formed large aggregates, whereas the water solubility of the higher-molar-mass samples decreased significantly. Due to the restricted solubility of galactomannans in organic solvents, only aqueous galactomannan solutions were studied. The SEC and AsFlFFF results differed for the wheat arabinoxylan and dextran samples. Column matrix effects and possible differences in the separation parameters are discussed, and a problem related to the non-established relationship between the separation parameters of the two separation techniques is highlighted. This thesis shows that complementary approaches in the solution characterization of chemically heterogeneous polysaccharides are needed to comprehensively investigate macromolecular behavior in solution. These results may also be valuable when characterizing other branched polysaccharides.

Naudanlihan jalostusketjun hiilijalanjälki Suomessa

Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli perehtyä kasvihuoneilmiön taustoihin ja kartoittaa aiempia tutkimuksia naudan- ja muiden lihatuotteiden kasvihuonekaasupäästöistä. Lisäksi kirjallisuustutkimuksessa perehdyttiin aiemmissa tutkimuksissa elintarvikkeiden hiilijalanjäljen laskemisessa sovellettuun elinkaarianalyysiin ISO 14040-standardin mukaisesti. Kokeellisen osion tavoitteena oli määrittää naudanlihan hiilijalanjälki Suomessa maatilan portilta kuluttajan ruokapöytään. Tavoitteena oli myös ymmärtää jalostusketjun päästöjen merkitys verrattuna koko naudanlihan tuotantoketjuun ja määrittää jalostusketjun vaiheiden merkitys ketjussa. Työn toiminnallisena yksikkönä toimi kilo naudanlihaa. Työ toteutettiin perehtymällä yksityiskohtaisesti yhteen naudanlihan jalostusketjuun Suomessa. Päästöt laskettiin todellisten yhteistyöyritykseltä saatujen prosessitietojen perusteella. Tiedot kerättiin tiedonkeruulomakkeella vierailemalla yhteistyöyrityksen kahdessa tuotantolaitoksessa ja täydentämällä tietoja haastatteluilla. Naudanlihan jalostusketjun päästöt olivat 1240 g CO2-ekv/lihakilo. Eniten päästöjä tuottivat jalostusvaihe (310 g CO2-ekv/lihakilo), teurastus (280 g CO2-ekv/lihakilo) ja lihatuotteiden kuljetus kuluttajalle (210 g CO2-ekv/lihakilo). Koko naudanlihan tuotantoketjusta jalostusketjun päästöt muodostivat alle 4 %, sillä syntymästä maatilan portille syntyviksi päästöiksi laskettiin kirjallisuuden perusteella yli 30 000 g CO2-ekv/lihakilo. Jatkossa naudanlihan hiilijalanjälkeä voitaisiin pääasiassa pienentää kehittämällä prosessia maatilan portille asti. Tämän työn tulokset olivat hyvin samansuuruiset verrattuna aiempaan tutkimukseen broilerin jalostusketjun päästöistä Suomessa (Katajajuuri ym. 2008). Tämä vastasi ennakko-odotuksia, sillä jalostusketjujen vaiheissa ei ollut merkittäviä eroja. Aiempia tutkimuksia naudanlihan jalostusketjun päästöistä ei ollut saatavilla.

Kotimaisen tuorekalan tuoreuden arviointi laatuindeksimenetelmällä QIM®

Kalateollisuus ja kalakauppa tarvitsisivat menetelmän, jolla kalan säilyvyyttä voitaisiin arvioida reaaliaikaisesti ja luotettavasti. Laatuindeksimenetelmä QIM® (engl. Quality Index Method) on käytössä jo useassa Euroopan maassa useille eri kalalajeille. QIM® pyrkii lajikohtaisesti ennustamaan aistinvaraisten ominaisuuksien muutoksien perusteella jäljellä olevaa säilyvyysaikaa. Työn tavoitteena oli luoda QIM® meressä kasvatetulle siialle. Tämä on ensimmäinen suomalaiselle kalalle tehtävä QIM®, ja tavoitteena on saada meressä kasvatetun siian QIM® myös viralliseen QIM®-käsikirjaan. Tutkimus tehtiin Elintarviketurvallisuusvirasto Eviralle. Tutkittavat kalat Evira osti Kalatukku E. Eriksson Oy:ltä. QIM®-tuloksen tueksi tutkittiin yhden erän pH ja indikoitiin pilaantuminen myös mikrobiologisesti. Luotiin myös kasvatetun siian profiili (arvioijia 13). Itse tutkimusosassa kaksi profiiliraatia (n = 9) ja QIM®-raati (n = 5) arvioivat raa’an ja kypsän kalan. Tulos varmistettiin myös aistinvaraisella kalan laadunarviointimenetelmällä (Evira 8001). QIM®-raati loi QIM®-luonnoksen ja luonnoksen toimivuutta testattiin. Kiinteänä osana työn toteutusta oli myös eri vaiheiden muutosten valokuvaus. Tämän tutkimuksen mukaan luotu QIM®-luonnos on toimiva pohja validoitaessaa QIM®-menetelmää siialle. Voidaan myös todeta, että QIM® soveltuu meressä kasvatetulle siialle. Kypsän kalan aistinvaraisella laadunarviointimenetelmällä (Evira 8001) analysoitiin säilytysajankohta, jolloin kypsästä kalasta voitiin todeta kalan kauppakelvottomuus – tätä pidettiin ajanhetkenä, jolloin raa’an kalan tutkiminen voitiin lopettaa. Tutkimuksessa käytetty mikrobiologinen menetelmä ”Mikrobien lukumäärän määrittäminen” (Evira 3420/1) korreloi QIM®-tuloksen kanssa; kalanäyte oli tässä tutkimuksessa niin mikrobiologisesti arvioituna kuin laatuindeksinkin mukaan käyttökelvotonta viidentenätoista päivänä. Tutkittujen kalojen pH-arvoja ei voitu verrata laatuindeksiin, sillä tässä tutkimuksessa mitattujen pH-arvojen tuloksista ei voitu päätellä pilaantumisen etenemistä. Kun QIM® meressä kasvatetulle siialle on validoitu (Evira), valmista meressä kasvatetun siian QI-menetelmää voidaan hyödyntää jatkossa Suomen kalateollisuudessa ja -markkinoilla. Olisi hyvä, jos QIM® luotaisiin myös muille Suomen yleisimmille kauppakaloille, jotta pakkauksiin merkityt viimeiset käyttöpäivät perustuisivat yhteen yhteiseen menetelmään ja näin viimeisellä käyttöpäivällä olisi tieteellinen pohja.

Tandemmassaspektrometrinen menetelmä neutraalien isomeeristen oligosakkaridien rakenteen määrittämisessä

Tutkimuksen tavoitteena oli ottaa käyttöön tandemmassaspektrometrinen (MS/MS) menetelmä, jolla voidaan analysoida polysakkarideista purkautuneiden oligosakkaridien rakenteita. Tavoitteena oli, että menetelmällä voidaan määrittää glykosidisten sidosten eri asemat monosakkaridirakenteiltaan samanlaisista neutraaleista lineaarisista oligosakkarideista. Kirjallisuustutkimuksessa tarkasteltiin oligosakkaridien rakenteiden määrittämiseen käytettyjä MS/MS-menetelmiä ja oligosakkaridien pilkkoutumisreaktioita MS/MS-analyysissa. Kirjallisuuden perusteella MS/MS-analyysissa oligosakkaridien pilkkoutuminen voi tapahtua joko glykosidisen sidoksen katkeamisella tai monosakkaridirenkaan halkeamisella. Monosakkaridirenkaan pilkkoutumisesta muodostuvia tuoteioneja voidaan käyttää glykosidisen sidoksen aseman määrittämiseen. Kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin aluksi monosakkaridirakenteiltaan isomeerisilla disakkaridimalliaineilla glykosidisen sidoksen sijainnin vaikutus disakkaridin pilkkoutumiseen MS/MS-analyysissa. Tämän jälkeen pyrittiin löytämään tunnetuista tri- ja tetrasakkaridimalliaineista näitä eri sidoksille tyypillisiä tuoteionien jakaumia. Tunnettujen tri- ja tetrasakkaridien pilkkoutuminen yhdenmukaisesti disakkaridien pilkkoutumisen kanssa antaisi mahdollisuuden pitkäketjuisempien oligosakkaridien glykosidisten sidosten tunnistamiseen sovelletulla MS/MS-menetelmällä. MS/MS-analyysit tehtiin ioniloukkumassadetektorilaitteistolla käyttäen sähkösumutusionisaatiota (ESI). Oligosakkaridit määritettiin positiivisella ionisaatiolla litium- ja natriumaddukti-ioneina ja negatiivisella ionisaatiolla kloridiaddukti-ioneina. Vertaamalla tri- ja tetrasakkarideista MS/MS-analyyseissa muodostuneita tuoteioneja disakkarideista muodostuneisiin tuoteioneihin, voitiin sekä positiivisella että negatiivisella ionisaatiolla määrittää oligosakkaridin pelkistävän pään sidoksen asema. Negatiivisella ionisaatiolla tri- ja tetrasakkarideista muodostuneista tuoteioneista voitiin määrittää myös muiden kuin pelkistävän pään sidosten asemia. Positiivisella ionisaatiolla muiden sidosten määrittäminen ei ollut mahdollista, koska rengasfragmentti-ioneja muodostui pääosin oligosakkaridin pelkistävästä päästä. Glykosidisen sidoksen katkeamisesta muodostuneet tuoteionit analysoitiin edelleen MS3-analyysilla. MS3-analyysissa muodostuneista tuoteioneista ei voitu tulkita sidosten asemia, koska lähtöionit koostuivat sekä terminaalisen että pelkistävän pään isomeerisista ioneista.