Stable Isotope Ratios and Water-Soluble Vitamins in Potato (Solanum tuberosum L.) Tubers: A Geographical Discrimination Model Study = 안정동위원소 비율 및 수용성 비타민 기반 감자 원산지 판별 모델 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Potatoes (Solanum tuberosum L.) are an economically important crop widely cultivated worldwide and play a crucial role in food security. Global potato production stands at approximately 383 million tons, ranking seventh among crops and livestock products. In 2023, South Korea's potato production reached 544 kilotons, making it the second most produced crop after rice. Potatoes exhibit excellent productivity relative to their cultivation area and possess high nutritional value. According to previous studies, it contains vitamin C and B- complex, as well as minerals such as potassium, calcium, magnesium, iron, and zinc. Colored potato tubers are also reported to contain bioactive compounds like carotenoids, anthocyanins, and flavonoids. The globalization of the agricultural market has expanded market size through increased international trade, leading to a higher value placed on country-of- origin labeling. However, as cases of mislabeling increased, innocent farmers suffered harm, making it necessary to establish a method for accurately verifying the origin of agricultural products. This study cultivated two potato cultivars (Geumseon and Eunseon) across four different regions (Gangneung, Buan, Boseong, Daegwallyeong), analyzed their stable isotope ratios (SIRs) and water-soluble vitamin contents, compared them by region and variety, and establish potato origin discrimination models. As a result, SIRs and water-soluble vitamin content showed statistically significant differences depending on the region (p < 0.05), confirming that they are significantly influenced by the cultivation region. The linear discriminant analysis (LDA) models constructed based on the analysis results demonstrated overall accuracies of 95.8%–100% in cross-validation testing using the leave-one-out method. The SIR-based LDA model demonstrated an accuracy of 95.8% through external validation using unknown potatoes. SIRs and water-soluble vitamins were confirmed to be markers that can be effectively utilized in potato origin discrimination models, either independently or in combination. This study contributes to understanding variations in SIRs and vitamins in tubers from different cultivation regions and cultivars and offers insights into the accurate geographical origin discrimination of potatoes.

국문 초록 (Abstract)

감자는 전 세계적으로 널리 재배되는 경제적으로 중요한 작물로 식량 안보에 중요한 작물이다. FAO 2023년 통계에 따르면 전 세계 감자 생산량은 약 3억 8,300만 톤으로 작물 및 축산물 중 7위를 차지하고, 한국의 2023년 감자 생산량의 경우 54만 4천 톤으로 쌀에 이어 두 번째로 많이 생산되었다. 감자는 재배 면적 대비 우수한 생산성을 보이며 영양학적으로 가치가 높다. 선행 연구에 따르면 비타민 C와 B 복합체, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 철, 아연 등의 미네랄을 함유한다. 유색 감자 괴경은 카로티노이드, 안토시아닌, 플라보노이드 등의 생리활성 화합물도 함유하는 것으로 보고된다. 농업 시장의 세계화는 국가 간 교류의 증가로 시장 규모를 확대하였고 원산지 표시의 가치는 상승하게 되었다. 그러나 원산지 오표기 사례가 증가함에 따라 무고한 농가의 피해로 이어져 농산물의 정확한 원산지를 판별할 수 있는 수단이 필요해졌다. 이에 본 연구는 두 품종의 감자 (금선, 은선)을 네 지역 (강릉, 부안, 보성, 대관령)에서 재배하여 안정동위원소 비율과 수용성 비타민 함량을 분석하여 지역 및 품종별로 비교하고, 감자 원산지 판별 모델을 구축하였다. 그 결과, SIRs와 수용성 비타민 함량은 지역에 따라 통계적으로 유의한 차이를 보였으며 (p < 0.05), 재배지역에 영향을 많이 받는 것으로 확인되었다. 분석결과를 기반으로 구축한 선형판별분석(LDA) 모델은 leave-one-out 교차 검증을 기준으로 95.8%-100%의 정확도를 나타냈으며, SIRs 기반 LDA 모델은 미지시료 감자 집단을 이용한 외부 검정에서 95.8%의 정확도를 보였다. 이를 통해 SIR과 수용성 비타민은 단독 또는 조합하여 감자 원산지 판별 모델에 효과적으로 활용 가능한 마커로 확인되었다. 본 연구는 재배 지역과 품종에 따른 감자 괴경의 SIRs 및 비타민 함량 차이를 이해하고 감자의 정확한 원산지 판별에 기여한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅱ
• List of Figures ⅲ
• ABSTRACT ⅳ
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and methods 4
• 2.1. Potato sample collection and preparation 4
• 2.2. Reagents and chemicals 6
• 2.3. Isotope ratio mass spectrometry (IRMS) 7
• 2.4. Vitamin C extraction 9
• 2.5. Vitamin C analysis 10
• 2.6. Vitamin B extraction 12
• 2.7. Vitamin B analysis 13
• 2.8. Statistical analysis 16
• Ⅲ. Results and discussion 17
• 3.1. Regional differences in elemental compositions and SIRs of potato
• tubers 17
• 3.2. Regional differences in the water-soluble vitamins of potato tubers 24
• 3.3. Discrimination model for Korean potato regional origins using LDA 31
• Ⅳ. Conclusion 39
• References 40
• Abstract (in Korean) 46