Can objective peel-color measurements by L*a*b* and RGB color spaces predict bioactive compounds and antioxidant properties in umbuguela fruits (Spondias sp.) across maturity?

技術要約：客観的な色彩測定によるウンブゲラ果実の生理活性物質および抗酸化特性の予測

問題提起
ブラジル北東部の自生種であるウンブゲラ（Spondias sp.）は、激しい呼吸速度と、果皮が緑色から赤色へと変化する明確な遷移を特徴とする、成熟過程における急速な物理化学的変化を伴う。外部の色は非破壊的な成熟指標として頻繁に用いられるが、外部の色の変化が、甘味、硬度、あるいは抗酸化物質の蓄積といった内部の属性と必ずしも並行しないという証拠がある。さらに、Spondias 属における客観的な色彩測定と内部品質との関係は、概念的に未定義であり、特に、これらの生物学的関係がいつ成立し、いつ崩れるのかが明らかになっていない。既存の研究では、色彩と組成の多様性は記録されているものの、異なる成熟段階における特定の生理活性物質（フェノール類、カロテノイド、フラボノイド）や抗酸化特性を予測するための、堅牢で非破壊的な手法が不足している。

方法論
本研究では、化学計量学的アプローチを用い、5つの異なる成熟段階（完全な緑色 [TG]、ブレイカー [B]、緑色の痕跡を残す優勢な黄色 [PY]、赤みを帯びた黄色 [RY]、紫赤色 [PR]）にわたってウンブゲラ果実を評価した。

• データ収集:
  • 色彩測定: 皮の色は、2つの客観的な手法を用いて評価された。一つは、Minolta製デジタル色彩計（CIE-Lab* 空間：L*, a*, b*, C*, H°）、もう一つは、CoolPixカメラとImageJ®ソフトウェアを用いたデジタル画像処理（RGB 空間）である。
  • 生化学的分析: 皮および果肉の破壊的サンプリングを行い、分光光度法によって全クロロフィル、カロテノイド、黄色フラボノイド、およびアントシアニンを定量化した。全抗酸化能（TAA）は、2つのアッセイ、すなわちDPPH• ラジカル消去能（EC50として表現）およびβ-カロテン／リノール酸系における酸化抑制率（% OI）を用いて測定した。
• 統計解析:
  • データは一元配置分散分析（one-way ANOVA）およびTukeyの検定を用いて分析された。
  • 予測モデルは、NIPALSアルゴリズムを用いた部分的最小二乗回帰（PLSR）を用いて開発された。目的は、非破壊的な色彩入力（Lab* および RGB）を、破壊的な生化学的出力と相関させることである。モデルの選択は、決定係数（$R^2$）が最も高いものに基づいた。

主な結果

• 色彩の進化: 成熟が進むにつれて、色彩パラメータに有意な変化が観察された。明度（L*）および彩度（C*）は、優勢な黄色（PY）段階でピークに達し、果実が紫赤色に変化するにつれて低下した。色相角（H°）は、初期段階の緑色（>90°）から、最終段階の紫赤色（PR）における赤色（~55°）へとシフトした。「a*」座標は、緑から赤への遷移を効果的に追跡した。
• 生化学的変化:
  • 皮: 全クロロフィルは、TGからPRにかけてほぼ80%減少した。逆に、カロテノイドとアントシアニンは有意に増加し、最も高い濃度は完全に熟した（PR）皮で見られた。皮に含まれる黄色フラボノイドは、成熟に伴い減少した。
  • 果肉: カロテノイドとアントシアニンは成熟とともに増加した。黄色フラボノイドは、最終段階においてのみわずかな増加を示した。酸化抑制率（% OI）はPY段階でピークに達し、PR段階で急激に低下した。一方、DPPH• 消去能（より低いEC50値）は果実の成熟とともに向上し、熟した果実における高い抗酸化能を示した。
• 予測モデリング:
  • PLSRモデルは、色彩データに基づく生理活性物質および抗酸化特性の高い予測精度を示した。
  • 皮の予測: クロロフィル（$R^2 = 0.96$）、カロテノイド（$R^2 = 0.91$）、アントシアニン（$R^2 = 0.98$）、および黄色フラボノイド（$R^2 = 0.86$）に関する最良のモデルは、Lab* と RGB の変数（例：a*, C*, H°, Red, Green, Blue）の組み合わせを利用した。
  • 果肉の予測: モデルは、皮の色彩データを用いて、果肉のカロテノイド（$R^2 = 0.93$）、アントシアニン（$R^2 = 0.94$）、および黄色フラボノイド（$R^2 = 0.88$）を正常に予測した。
  • 抗酸化能の予測: モデルは、特定の色彩変数（OIについてはGreen、EC50についてはL*およびRed）を用いて、% OI（$R^2 = 0.77$）および DPPH• EC50（$R^2 = 0.81$）を予測した。

意義および主張
著者らは、CIE-Lab* および RGB 空間における客観的な色彩測定が、ウンブゲラ果実の生理活性物質の含有量および抗酸化特性を推定するための、堅牢な非破壊的指標として機能すると主張している。本研究は以下を確立した：

1. 高い相関性: 外部の色彩座標と内部の植物化学プロファイルとの間には強い統計的関係が存在し、破壊的サンプリングを行うことなく内部品質を予測することが可能である。
2. 方法論的有用性: アクセスしやすい光学機器（色彩計）とフリーソフトウェア（ImageJ®）をPLS回帰と組み合わせることは、品質評価のための近赤外分光法（NIR）のような高価な技術に代わる、実行可能かつ費用対効果の高い選択肢となる。
3. 育種への応用: これらの予測モデルは、特定の抗酸化物質の存在に基づいて Spondias 属の遺伝子型を選抜する育種プログラムに適用でき、栄養価を高めた品種の選定を促進する。
4. 汎用性: このアプローチは、他の Spondias 種に関する将来の研究をサポートし、果実の成熟と機能的特性に関連する複雑な生物学的現象を解読するための枠組みを提供する。

本論文は、外観のみでは必ずしも内部の状態を完璧に反映する代理指標とはならないものの、客観的な色彩データに多変量化学計量学的手法を適用することで、この限界を克服し、ウンブゲラ果実の品質に対する正確な非破壊的評価が可能になることを結論付けている。