Dynamic headspace solid-phase microextraction combined with one-dimensional gas chromatography–mass spectrometry as a powerful tool to differentiate banana cultivars based on their volatile metabolite profile

In this study the effect of the cultivar on the volatile profile of five different banana varieties was evaluated and determined by dynamic headspace solid-phase microextraction (dHS-SPME) combined with one-dimensional gas chromatography–mass spectrometry (1D-GC–qMS). This approach allowed the definition of a volatile metabolite profile to each banana variety and can be used as pertinent criteria of differentiation. The investigated banana varieties (Dwarf Cavendish, Prata, Maçã, Ouro and Platano) have certified botanical origin and belong to the Musaceae family, the most common genomic group cultivated in Madeira Island (Portugal). The influence of dHS-SPME experimental factors, namely, fibre coating, extraction time and extraction temperature, on the equilibrium headspace analysis was investigated and optimised using univariate optimisation design. A total of 68 volatile organic metabolites (VOMs) were tentatively identified and used to profile the volatile composition in different banana cultivars, thus emphasising the sensitivity and applicability of SPME for establishment of the volatile metabolomic pattern of plant secondary metabolites. Ethyl esters were found to comprise the largest chemical class accounting 80.9%, 86.5%, 51.2%, 90.1% and 6.1% of total peak area for Dwarf Cavendish, Prata, Ouro, Maçã and Platano volatile fraction, respectively. Gas chromatographic peak areas were submitted to multivariate statistical analysis (principal component and stepwise linear discriminant analysis) in order to visualise clusters within samples and to detect the volatile metabolites able to differentiate banana cultivars. The application of the multivariate analysis on the VOMs data set resulted in predictive abilities of 90% as evaluated by the cross-validation procedure.

Avaliação e valorização de recursos agrícolas: avaliação nutricional e mineral de variedades tradicionais de batata-doce (Ipomoea batatas L.) provenientes da Madeira e Açores

Este trabalho foi desenvolvido com o intuito de avaliar nutricionalmente variedades agrícolas regionais madeirenses e açorianas de Ipomoea batatas L. (batata-doce). No total 18 amostras foram analisadas, entre as quais 11 são variedades provindas da Madeira e outras 7 provindas dos Açores. O maior objectivo deste estudo foi comparar a composição nutricional e mineral de um conjunto de variedades de batata-doce, valorizando assim os recursos agrícolas da Madeira e Açores. A caracterização nutricional e mineral dos rizomas, produzidos nestas regiões, proporcionou informação relevante para a valorização destes recursos. Sendo um rizoma tropical consumido habitualmente pela população e disponível todo o ano, torna essencial a sua avaliação. A análise laboratorial dos rizomas permitiu determinar um conjunto de características nutricionais. De um modo geral, os valores nutricionais médios detectados em rizomas de batata-doce destas duas regiões são de 93,64 g/100g de MS para o resíduo seco, 3,01 g/100g de MS para cinzas, 3,19 g/100g de MS para fibra (ADF), 1,21 g/100g de MS para gordura bruta, 3,20 g/100g de MS para proteína, 14,00 g/100g de MS para açúcares solúveis e 59,72 g/100g de MS para o amido. A análise mineral incluiu a determinação de fósforo, potássio, cálcio, magnésio, ferro, cobre, zinco, manganês e boro. Na variedade “De cenoura” (ISOP 1028), foi quantificado o nível de pro-vitamina A pela técnica de HPLC, que foi verificado ser 12,48 mg/100g em MS de β-caroteno. Os dados obtidos na análise nutricional foram usados para construir uma base de dados no NIRS (Near Infra-Red Spectroscopy) de modo a construir um modelo de previsão que possa predizer o valor nutritivo de um grande número de amostras em tempo reduzido, com um mínimo de impacto ambiental. Posteriormente, os dados obtidos através das análises nutricionais e minerais foram introduzidos no software estatístico SPSS 19.0 para determinar correlações e similaridades.

Avaliação de recursos genéticos agrícolas: análise nutricional e anti-nutricional de variedades regionais de feijão (Phaseolus vulgaris L.)

O presente trabalho teve como objectivo proceder à avaliação da qualidade nutricional de 20 variedades regionais de Phaseolus vulgaris L. e à análise comparativa dos parâmetros bioquímicos (nutricionais e anti-nutricionais) obtidos recorrendo às técnicas analíticas convencionais por química molhada e de NIRS (Near Infra-Red Spectroscopy). Uma tipificação das variedades regionais de feijão foi realizada recorrendo a sete parâmetros ou caracteres (traits) nutricionais compreendidos em humidade, proteína bruta, lípidos totais, açúcares solúveis, amido, cinzas e minerais. A faseolamina foi incluída na tipificação do feijão como parâmetro anti-nutricional enquanto inibidor de enzimas digestivas. A variedade que apresentou uma melhor qualidade nutricional foi o feijão vermelho (ISOP 00724), enquanto que o feijão Filipe (ISOP 00478) apresentou uma maior actividade inibitória da PPA (amilase do pâncreas suíno), contribuindo de igual forma como uma característica de qualidade deste feijão. A aplicação de técnicas de quimiometria na quantificação dos vários parâmetros de qualidade nutricional, através da técnica de NIRS, permitiu o desenvolvimento dos modelos PLS globais após a colecção dos valores de referência e obtenção dos respectivos espectros de cada ISOP em análise. A análise comparativa dos parâmetros nutricionais, recorrendo às técnicas analíticas convencionais por química molhada e de NIRS, permitiu relacionar os parâmetros cinzas e proteína bruta como os principais critérios nutricionais para distinção das variedades regionais quanto à sua qualidade, ao diferirem significativamente relativamente aos parâmetros restantes. A partir destas duas técnicas, conclui-se que a espectroscopia NIR associada a técnicas de análise multivariada consegue quantificar os parâmetros em estudo, permitindo distinguir amostras das variedades regionais, quanto às suas características nutricionais, exigindo uma preparação reduzida da amostra, com consequente custo de análise muito reduzido. Este trabalho representou o início de uma base de fenotipagem a partir de caracteres nutricionais, estabelecendo-se um perfil das variedades regionais de feijão e avaliação da importância dos caracteres na sua distinção e tipagem.

Estudo de caso das levadas agrícolas da Madeira

O ecoturismo é, hoje, uma tendência relevante no Turismo Mundial. Sendo a Região Autónoma da Madeira tão rica em recursos naturais, distinguida pela sua Laurissilva, como Património Mundial Natural da UNESCO, desde 1999, impõe-se a necessidade de explorar sustentadamente parte integrante da Ilha, de que a Levada Nova, situada no concelho da Calheta, é um exemplo significativo. Temos como objetivos principais promover o aproveitamento dos recursos físicos (casas de abrigo do IGA) e naturais já existentes, bem como dinamizar a Levada Nova na vertente turística, no pressuposto de que existem condições para a continuidade deste produto turístico no futuro, tendo em vista a sua sustentabilidade económica. Na metodologia empregue distinguem-se dois âmbitos, o teórico e o prático. Em termos teóricos, recorremos à revisão bibliográfica da temática em estudo. A componente prática baseou-se no trabalho de pesquisa, efetuado no campo, a fim de reconhecer, recolher dados para caraterização do espaço e elaborar o levantamento dos recursos suscetíveis de potenciação ecoturística. Num segundo momento, os dados foram organizados, através do programa de georeferenciação ArcGis, de modo a elaborar um roteiro turístico no espaço definido. Os dados obtidos através da observação direta no terreno - ao longo da Levada Nova - permitem-nos afirmar que a vegetação predominante engloba núcleos florestais de eucaliptos e pinheiros, existindo também pequenos bosquetes de Laurissilva, onde se destacam espécies como o til (Ocotea foetens), o loureiro (Laurus novocanariensis), o perado (Ilex perado), o folhado (Clethra arborea) e o vinhático (Persea indica). Os terrenos abaixo da Levada apresentam variedade nos produtos cultivados (banana, cana-de-açúcar, batata, feijão, vinha e pomares), em consequência de uma irrigação regular e do clima. Como conclusão verificamos a necessidade de uma maior dinamização turística no concelho da Calheta, que contribua para suster a decadência do comércio tradicional e o abandono do património.

Nematicidal activity of Solanum nigrum and S. sisymbriifolium extracts against the root-lesion nematode Pratylenchus goodeyi and its effects on infection and gene expression

The control of Pratylenchus goodeyi a common nematode parasite of banana crop in Madeira Island can benefit from searching for natural nematicides through plants extracts. With this aim we submitted Solanum nigrum and S. sisymbriifolium dried plants to a sequential extraction in the solvent sequence of dichloromethane, acetone, ethanol and water, and to na aqueous extraction of the fresh and dried plants. Analyses with the extracts at several concentrations were used to assess mobility and mortality on P. goodeyi. Results showed that the water extract and aqueous extracts from both plants at a concentration of 10 mg/mL affected nematode mobility and caused mortality but the acetone extract from S. nigrum was the most efficient, causing 100% mortality whereas dichloromethane had no effect on P. goodeyi. Determination of the lipophilic and phenolic compounds present in the two most effective Solanum extracts (acetone and water) and in dichloromethane extract revealed that some of these compounds had nematicidal activity. S. nigrum acetone extract (10 mg/mL) was used to find out the nematicidal potential following the effect at gene expression level and nematode behaviour. Genes coding for calreticulin and beta-1,4- endoglucanase related to parasitism and translocon-associated protein putatively connected to stress were obtained and its relative expression assessed in nematodes exposed to the extract. Results revealed that expression of Pg-CRT decreased showing to influence the infection, Pg-ENG remained steady and Pg-TRAPδ was induced over time exposure. Biological assays showed that P. goodeyi mobility and ability to infect the banana roots were affected as a decrease in the number of nematodes that reached the roots was obtained with the increased exposure time to the extract being implicated in the infection success. The information obtained from this thesis showed that S. nigrum has potential to be used for the development of a new control strategy against plant-parasitic nematodes.

Comparative study of the whisky aroma profile based on headspace solid phase microextraction using different fibre coatings

A dynamic headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) and gas chromatography coupled to ion trap mass spectrometry (GC–ITMS) method was developed and applied for the qualitative determination of the volatile compounds present in commercial whisky samples which alcoholic content was previously adjusted to 13% (v/v). Headspace SPME experimental conditions, such as fibre coating, extraction temperature and extraction time, were optimized in order to improve the extraction process. Five different SPME fibres were used in this study, namely, poly(dimethylsiloxane)(PDMS),poly(acrylate)(PA),Carboxen-poly(dimethylsiloxane)(CAR/PDMS),Carbowax-divinylbenzene(CW/DVB)and Carboxen-poly(dimethylsiloxane)-divinylbenzene (CAR/PDMS/DVB). The best results were obtained using a 75 m CAR/PDMS fibre during headspace extraction at 40◦C with stirring at 750rpm for 60min, after saturating the samples with salt. The optimised methodology was then appliedtoinvestigatethevolatilecompositionprofileofthreeScotchwhiskysamples—BlackLabel,BallantinesandHighlandClan.Approximately seventy volatile compounds were identified in the these samples, pertaining at several chemical groups, mainly fatty acids ethyl esters, higher alcohols, fatty acids, carbonyl compounds, monoterpenols, C13 norisoprenoids and some volatile phenols. The ethyl esters form an essential group of aroma components in whisky, to which they confer a pleasant aroma, with “fruity” odours. Qualitatively, the isoamyl acetate, with “banana” aroma,wasthemostinteresting.Quantitatively,significantcomponentsareethylestersofcaprilic,capricandlauricacids.Thehighestconcentration of fatty acids, were observed for caprilic and capric acids. From the higher alcohols the fusel oils (3-methylbutan-1-ol and 2.phenyletanol) are the most important ones.

Headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-quadrupole mass spectrometric methodology for the establishment of the volatile composition of Passiflora fruit species

Dynamic headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) followed by thermal desorption gas chromatography-quadrupole mass spectrometry analysis (GC-qMS), was used to investigate the aroma profile of different species of passion fruit samples. The performance of five commercially available SPME fibres: 65 μm polydimethylsiloxane/divinylbenzene, PDMS/DVB; 100 μm polydimethylsiloxane, PDMS; 85 μm polyacrylate, PA; 50/30 μm divinylbenzene/carboxen on polydimethylsiloxane, DVB/CAR/PDMS (StableFlex); and 75 μm carboxen/polydimethylsiloxane, CAR/PDMS; was evaluated and compared. Several extraction times and temperature conditions were also tested to achieve optimum recovery. The SPME fibre coated with 65 μm PDMS/DVB afforded the highest extraction efficiency, when the samples were extracted at 50 °C for 40 min with a constant stirring velocity of 750 rpm, after saturating the sample with NaCl (17%, w/v — 0.2 g). A comparison among different passion fruit species has been established in terms of qualitative and semi-quantitative differences in volatile composition. By using the optimal extraction conditions and GC-qMS it was possible to tentatively identify seventy one different compounds in Passiflora species: 51 volatiles in Passiflora edulis Sims (purple passion fruit), 24 in P. edulis Sims f. flavicarpa (yellow passion fruit) and 21 compounds in Passiflora mollissima (banana passion fruit). It was found that the ethyl esters comprise the largest class of the passion fruit volatiles, including 82.8% in P. edulis variety, 77.4% in P. edulis Sims f. flavicarpa variety and 39.9% in P. mollissima. The semi-quantitative results were then submitted to principal component analysis (PCA) in order to establish relationships between the compounds and the different passion fruit species under investigation.