PTR-ToF-MS kombineret med et automatiseret prøveudtagningssystem og skræddersyet dataanalyse til fødevarestudier: Bioprocess Monitoring, Screening og Nose-Space Analysis
Summary
Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry allows high-sensitivity, rapid and non-invasive analysis of volatile organic compounds. To demonstrate its potential, we give three examples: lactic acid fermentation of yogurt (on-line bioprocess monitoring), different apple genotypes (large-scale screening), and retronasal space after drinking coffee (nosespace analysis).
Abstract
Protonoverførselsreaktion (PTR) kombineret med et Time-of-Flight (ToF) massespektrometer (MS) er en analytisk tilgang baseret på kemisk ionisering, der tilhører direkte-indsprøjtningsmassespektrometriske (DIMS) teknologier. Disse teknikker tillader hurtig bestemmelse af flygtige organiske forbindelser (VOC), hvilket sikrer høj følsomhed og nøjagtighed. Generelt kræver PTR-MS hverken prøvepræparation eller prøveødelæggelse, hvilket muliggør realtid og ikke-invasiv analyse af prøver. PTR-MS udnyttes på mange områder, fra miljømæssig og atmosfærisk kemi til medicinske og biologiske videnskaber. For nylig udviklede vi en metode baseret på kobling af PTR-ToF-MS med et automatiseret sampler og skræddersyede dataanalyseværktøjer, for at øge graden af automatisering og dermed forøge teknikkens potentiale. Denne fremgangsmåde gjorde det muligt for os at overvåge bioprocesser ( fx enzymatisk oxidation, alkoholisk gæring) til at skærmvise store prøvesæt (F.eks. Forskellige oprindelser, hele germoplasmer) og analysere flere forsøgsmetoder ( fx forskellige koncentrationer af en given ingrediens, forskellige intensiteter af en specifik teknologisk parameter) i forhold til VOC indhold. Her rapporterer vi de eksperimentelle protokoller, der eksemplificerer forskellige mulige anvendelser af vores metode: detektion af VOC'er frigivet under mælkesyredyrering af yoghurt (on-line bioprocessovervågning), overvågning af VOC i forbindelse med forskellige æblekulturer (storskala screening) , Og in vivo- studiet af retronasal VOC-frigivelse under kaffedrikning (nosespaceanalyse).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) teknologier repræsenterer en klasse af analytiske instrumentelle tilgange, der giver en betydelig masse og tidsopløsning med høj følsomhed og robusthed, hvilket muliggør hurtig detektion og kvantificering af flygtige organiske forbindelser (VOC) 1 . Disse instrumentelle tilgange omfatter blandt andet MS-e-næse, atmosfærisk-tryk kemisk ioniseringsmassespektrometri (APCI-MS), protonoverføringsreaktionsmassespektrometri (PTR-MS) og valgt ion-flow-massespektrometri ( SIFT-MS) 1 . Fordelene og ulemperne ved hver tilgang afhænger af: typen af prøveinjektion, kilden og kontrollen af precursorioner, kontrollen af ioniseringsprocessen og massanalysatoren 1 , 2 .
Proton-overføringsreaktionsmassespektrometri (PTR-MS) blev udviklet for mere end 20 år siden for at overvåge i realtid og wiDe laveste opdagelsesgrænser (normalt et par ppbv, del pr. Mia. Volumen) mest flygtige organiske forbindelser (VOC) i luft 3 , 4 . Nuværende anvendelser af PTR-MS spænder fra medicinske anvendelser til fødevarekontrol til miljøforskning 5 , 6 . Hovedegenskaberne ved denne teknik er muligheden for hurtig og kontinuerlig måling, den intense og rene kilde til precursorioner og muligheden for at kontrollere ioniseringsbetingelser (tryk, temperatur og drivspænding). Disse funktioner gør det muligt at kombinere alsidige anvendelser med en høj grad af standardisering 1 , 4 . Faktisk er metoden baseret på reaktioner af hydroniumioner (H3O + ), som inducerer ikke-dissociativ protonoverførsel i de fleste flygtige forbindelser (især i dem, der er karakteriseret ved en protonaffinitet højere end vand), protonerende neutrale forbindelser(M) ifølge reaktionen: H30 + M → H20 + MH + . I modsætning til andre teknikker er f.eks . APCI-MS, precursoriongenerering og prøveionisering opdelt i to forskellige instrumentelle rum (en skematisk repræsentation af PTR-MS-instrumentet er givet i figur 1 ). En elektrisk udledning ved vanddamp i den hule katodeionskilde genererer en stråle af hydroniumioner. Efter denne fase krydser ioner drivsystemet, hvor ioniseringen af VOC'er finder sted 7 . Ioner indtaster derefter en pulsudsugningssektion og accelereres til TOF sektionen. Gennem flyvetider er det muligt at bestemme masse-til-ladningsforholdene for ionerne 8 . Hver ekstraktionspuls fører til et komplet massespektrum 8 af det valgte m / z-område. Ion spektre optages af et hurtigt dataindsamlingssystem 7 . Et komplet spektrum er typiskErhvervet om et sekund, selvom højere tidsopløsning kan opnås i henhold til signalet til støjniveauet, og en kvantitativ estimering af VOC-hovedrumkoncentrationen kan tilvejebringes selv uden kalibrering 9 , 10 .
Figur 1: Skematisk illustration af en PTR-MS. Skematisk repræsentation af PTR-MS instrumentet. HC: ekstern ionkilde med hul katode; SD: kilde drift VI, venturi-type indløb; EM, elektron multiplikator; FC1-2, flow controllere. Gengivet med tilladelse fra Boschetti et al. 7 . Klik her for at se en større version af denne figur.
VOC i forbindelse med matmatricer er af stor interesse for fødevarevidenskab og teknologi på grund af deres vigtige rolle på molekylær basis af biologiske fænomener forbundet med lugt og smagsoplevelse og dermed i fødevareaccept. Derfor er vores interesse for realtid og ikke-invasiv påvisning af VOC primært beskæftiger sig med sensoriske kvaliteter af mad. Hertil kommer, at hvis vi overvejer muligheden for at detektere ødelæggelse og patogene mikroorganismer ved hjælp af frigivne VOC 13 og / eller at overvåge flygtige organiske forbindelser som markører folloVinge teknologiske processer ( fx Maillard biprodukter under termiske behandlinger) 14 , bliver det klart, hvordan VOC identifikation og kvantificering er områder af interesse for fødevarekvalitetsstyring 6 . Flere nyere anvendelser af PTR-MS-teknologier til hurtig overvågning og kvantificering af VOC i fødevarematricer vidner om den brede anvendelse af disse analytiske tilgange ( tabel 1 ).
| Madmatrix | Slags ansøgning | Kort beskrivelse | Reference |
| Smør | Screening / karakterisering | Geografiske oprindelse af europæiske boldere | 15 |
| Yoghurt | Bioprocessovervågning | Evolution under mælkesyre ferførelse | 16 |
| Korn barer | In vivo måling | Nosespace under forbrug af kornstænger med varierende sukker sammensætning | 17 |
| Væskesystemer | Simulerede mundtlige tilstande | Evaluering af tunge tryk og mundtlige forhold i en model mund | 18 |
| Æble | In vivo måling | Nosespace under forbrugs æble med forskellige genetiske, teksturelle og fysisk-kemiske parametre | 19 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Differentiering af specialkoffer | 20 |
| Druemost | Screening / karakterisering | Effekt af madlavningsprocessen | 21 |
| Smagfulde slik | In vivo måling | Bestemmelse på paneldeltagere ved hjælp af forskelligeDirekte massespektrometri metoder | 22 |
| skinke | Screening / karakterisering | Effekt af svineopdrætningssystemet | 23 |
| Brød | Simulerede mundtlige tilstande | Simulering af brødaroma under masticering | 24 |
| Mælk | Screening / karakterisering | Overvågning af fotooxidationsinducerede dynamiske ændringer i mælk | 25 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Mangfoldighed i brændt kaffe fra forskellige geografiske oprindelser | 26 |
| Brød | Bioprocessovervågning | Virkning af forskellige gærstartere under alkoholisk gæring | 27 |
| Kaffe | In vivo måling | Nosespace under forbrug af forskellige stegte kaffepræparater | 28 |
| Screening / karakterisering | Virkning af produktionssted, produktionssystem og varianter | 29 | |
| Brød | Bioprocessovervågning | Virkning af mel, gær og deres interaktion under alkoholisk gæring | 30 |
| svampe | Screening / karakterisering | Holdbarhed af tørrede porcini svampe | 31 |
| Yoghurt | Bioprocessovervågning | Virkning af forskellige starterkulturer under mælkefermentering | 32 |
| Æble | Screening / karakterisering | Mangfoldighed i en æble germplasm samling | 33 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Sporing af kaffe oprindelse | 34 |
| Kaffe | In vivo måling | Kombination af aDynamisk sensorisk metode og in vivo nosespace analyse for at forstå kaffe opfattelse | 35 |
Tabel 1: Liste over videnskabelige undersøgelser, der bruger PTR-ToF-MS i fødevaresektoren. Ikke-udtømmende liste over videnskabelige undersøgelser, der bruger PTR-baserede metoder til overvågning af VOC-indhold i fødevarerelaterede forsøg.
I nyere undersøgelser rapporterede vi om anvendelsen af PTR-ToF-MS kombineret med et automatiseret prøveudtagningssystem og skræddersyede dataanalyseværktøjer for at øge prøvetagningsautomatisering og pålidelighed og dermed forøge potentialet i denne teknik 7 , 10 , 13 . Dette gjorde det muligt for os at screene, hvad angår VOC-indhold, store prøvesæt ( fx fødevarer af forskellig oprindelse med mange replikater, hele germoplasmer) for at analysere indflydelsen fra flere forsøgsmetoder ved VOC-frigivelse ( fx forskellige koncentrationerAf en given ingrediens, forskellige intensiteter af en specifik teknologisk parameter) og til overvågning af VOC i forbindelse med en given bioproces ( f.eks. Enzymatisk oxidation, alkoholisk gæring). Her for at eksemplificere potentialet hos PTR-ToF-MS i agro-fødevaresektoren, præsenterer vi tre paradigmatiske anvendelser: påvisning af VOC'er frigivet under mælkesyredyrering af yoghurt induceret af forskellige mikrobielle starterkulturer (on-line bioprocessovervågning ), Overvågningen af VOC i forbindelse med forskellige æblekulturer (storskala screening) og in vivo- studiet af retronasal VOC-frigivelse, mens du drikker kaffe (nosespaceanalyse).
Protocol
Representative Results
Discussion
Protonoverførselsreaktionsmassespektrometri (PTR-MS) koblet til tidsfrekvensanalysatorer (ToF) repræsenterer et gyldigt kompromis mellem behovet for identifikation og kvantificering af flygtige organiske forbindelser og nødvendigheden af hurtig analytisk profilering. Den høje masseopløsning, der karakteriserer ToF massanalysatoren, giver / giver relevant følsomhed og massespektre med betydeligt informativt indhold. Desuden forbedrer anvendelsen af PTR-ToF-MS kombineret med en autokampler og skræddersy…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by the European Commission’s 7th Framework Programme under Grant Agreement Number 287382. SY is a beneficiary of a European Commission’s 7th Framework Programme Grant Agreement Number 287382. IK is a beneficiary of a FIRST doctoral school grant from the Fondazione Edmund Mach. For his work at University of Foggia, VC is supported by the Apulian Region in the framework of ‘Future In Research’ program (practice code 9OJ4W81).
Materials
| PTR-TOF 8000 High-Resolution PTR-TOF-MS | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | PTR-TOF 8000 | An detector for volatile organic compounds (VOCs) that allows for continuous VOC quantification with a very high mass resolution |
| GERSTEL MPS 2XL | Gerstel | A multifunctional autosampler | |
| Gas Calibration Unit | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | GCU-s / GCU-a | A dynamic gas dilution system that provides variable but known quantities of different standard compounds in a carrier gas stream |
| TofDaq | Tofwerk AG | free available at http://soft.tofwerk.com/ | A data acquisition software (for spectra acquisition) |
| MATLAB | MathWorks | http://it.mathworks.com/products/matlab/ | A technical computing language and interactive environment for algorithm development, data visualization, and data analysis |
| R | The R Foundation | free available at https://cran.r-project.org/mirrors.html | A language and environment for statistical computing and graphics |
References
- Biasioli, F., Yeretzian, C., Märk, T. D., Dewulf, J., Van Langenhove, H. Direct-injection mass spectrometry adds the time dimension to (B)VOC analysis. Trends Analyt Chem. 30 (7), 1003-1017 (2011).
- Berchtold, C., Bosilkovska, M., Daali, Y., Walder, B., Zenobi, R. Real-time monitoring of exhaled drugs by mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 33 (5), 394-413 (2014).
- Hansel, A., et al. Proton transfer reaction mass spectrometry: on-line trace gas analysis at the ppb level. Int J Mass Spectrom Ion Process. 149, 609-619 (1995).
- Jordan, A., et al. An online ultra-high sensitivity Proton-transfer-reaction mass-spectrometer combined with switchable reagent ion capability PTR + SRI – MS). Int J Mass Spectrom. 286 (1), 32-38 (2009).
- Lindinger, W., Hansel, A., Jordan, A. On-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels by means of proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) medical applications, food control and environmental research. Int J Mass Spectrom Ion Process. 173 (3), 191-241 (1998).
- Biasioli, F., Gasperi, F., Yeretzian, C., Märk, T. D. PTR-MS monitoring of VOCs and BVOCs in food science and technology. Trends Analyt Chem. 30 (7), 968-977 (2011).
- Campbell-Sills, H., et al. Advances in wine analysis by PTR-ToF-MS: Optimization of the method and discrimination of wines from different geographical origins and fermented with different malolactic starters. Int J Mass Spectrom. , 42-51 (2016).
- Jordan, A., et al. A high resolution and high sensitivity proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometer (PTR-TOF-MS). Int J Mass Spectrom. 286 (2-3), 122-128 (2009).
- Lindinger, W., Hansel, A., Jordan, A. Proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS): on-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels. Chem Soc Rev. 27 (5), 347-375 (1998).
- Cappellin, L., et al. On data analysis in PTR-TOF-MS: From raw spectra to data mining. Sens Actuators B Chem. 155 (1), 183-190 (2011).
- Ellis, A. M., Mayhew, C. A. . Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry: Principles and Applications. , (2012).
- Blake, R. S., Monks, P. S., Ellis, A. M. Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Chem Rev. 109 (3), 861-896 (2009).
- Romano, A., Capozzi, V., Spano, G., Biasioli, F. Proton transfer reaction-mass spectrometry: online and rapid determination of volatile organic compounds of microbial origin. Appl Microbiol Biotechnol. 99 (9), 3787-3795 (2015).
- Pollien, P., Lindinger, C., Yeretzian, C., Blank, I. Proton transfer reaction mass spectrometry, a tool for on-line monitoring of acrylamide formation in the headspace of maillard reaction systems and processed food. Anal Chem. 75 (20), 5488-5494 (2003).
- Maçatelli, M., et al. Verification of the geographical origin of European butters using PTR-MS. J Food Compost Anal. 22 (2), 169-175 (2009).
- Soukoulis, C., et al. Proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry monitoring of the evolution of volatile compounds during lactic acid fermentation of milk. Rapid Commun Mass Spectrom. 24 (14), 2127-3134 (2010).
- Heenan, S., et al. PTR-TOF-MS monitoring of in vitro and invivo flavour release in cereal bars with varying sugar composition. Food Chem. 131 (2), 477-484 (2012).
- Benjamin, O., Silcock, P., Beauchamp, J., Buettner, A., Everett, D. W. Tongue pressure and oral conditions affect volatile release from liquid systems in a model mouth. J Agric Food Chem. 60 (39), 9918-9927 (2012).
- Ting, V. J. L., et al. In vitro and in vivo flavor release from intact and fresh-cut apple in relation with genetic, textural, and physicochemical parameters. J Food Sci. 77 (11), 1226-1233 (2012).
- Özdestan, &. #. 2. 1. 4. ;., et al. Differentiation of specialty coffees by proton transfer reaction-mass spectrometry. Food Res Int. 53 (1), 433-439 (2013).
- Dimitri, G., et al. PTR-MS monitoring of volatiles fingerprint evolution during grape must cooking. LWT-Food Sci Technol. 51 (1), 356-360 (2013).
- Déléris, I., et al. Comparison of direct mass spectrometry methods for the on-line analysis of volatile compounds in foods. J Mass Spectrom. 48 (5), 594-607 (2013).
- Sánchez del Pulgar, J., et al. Effect of the pig rearing system on the final volatile profile of Iberian dry-cured ham as detected by PTR-ToF-MS. Meat Sci. 93 (3), 420-428 (2013).
- Onishi, M., Inoue, M., Araki, T., Iwabuchi, H., Sagara, Y. A PTR-MS-based protocol for simulating bread aroma during mastication. Food Bioproc Tech. 5 (4), 1228-1237 (2010).
- Beauchamp, J., Zardin, E., Silcock, P., Bremer, P. J. Monitoring photooxidation-induced dynamic changes in the volatile composition of extended shelf life bovine milk by PTR-MS. J Mass Spectrom. 49 (9), 952-958 (2014).
- Yener, S., et al. PTR-ToF-MS characterisation of roasted coffees (C. arabica) from different geographic origins. J Mass Spectrom. 49 (9), 929-935 (2014).
- Makhoul, S., et al. Proton-transfer-reaction mass spectrometry for the study of the production of volatile compounds by bakery yeast starters. J Mass Spectrom. 49 (9), 850-859 (2014).
- Romano, A., et al. Nosespace analysis by PTR-ToF-MS for the characterization of food and tasters: The case study of coffee. Int J Mass Spectrom. 365, 20-27 (2014).
- Muilwijk, M., Heenan, S., Koot, A., van Ruth, S. M. Impact of production location, production system, and variety on the volatile organic compounds fingerprints and sensory characteristics of tomatoes. J Chem. 2015, 981549 (2015).
- Makhoul, S., et al. Volatile compound production during the bread-making process: effect of flour, yeast and their interaction. Food Bioproc Tech. 8 (9), 1925-1937 (2015).
- Aprea, E., et al. Volatile compound changes during shelf life of dried Boletus edulis: comparison between SPME-GC-MS and PTR-ToF-MS analysis. J Mass Spectrom. 50 (1), 56-64 (2015).
- Benozzi, E., et al. Monitoring of lactic fermentation driven by different starter cultures via direct injection mass spectrometric analysis of flavour-related volatile compounds. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
- Farneti, B., et al. Comprehensive VOC profiling of an apple germplasm collection by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (4), 838-850 (2014).
- Yener, S., et al. Tracing coffee origin by direct injection headspace analysis with PTR/SRI-MS. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
- Charles, M., et al. Understanding flavour perception of espresso coffee by the combination of a dynamic sensory method and in-vivo nosespace analysis. Food Res Int. 69, 9-20 (2015).
- Farneti, B., et al. Untargeted metabolomics investigation of volatile compounds involved in the development of apple superficial scald by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (2), 341-349 (2014).
- Bean, H. D., Zhu, J., Hill, J. E. Characterizing Bacterial Volatiles using Secondary Electrospray Ionization Mass Spectrometry (SESI-MS). J Vis Exp. (52), e2664 (2011).
- Cappellin, L., et al. Extending the dynamic range of proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometers by a novel dead time correction. Rapid Commun Mass Spectrom. 25 (1), 179-183 (2011).
- Cappellin, L., et al. On Quantitative Determination of Volatile Organic Compound Concentrations Using Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry. Environ Sci Technol. 46 (4), 2283-2290 (2012).
- Cappellin, L., et al. PTR-ToF-MS and data mining methods: a new tool for fruit. Metabolomics. 8 (5), 761-770 (2012).
- Yeretzian, C., Jordan, A., Lindinger, W. Analysing the headspace of coffee by proton-transfer-reaction mass-spectrometry. Int J Mass Spectrom. 223, 115-139 (2003).
- Sulzer, P., et al. From conventional proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) to universal trace gas analysis. Int J Mass Spectrom. 321, 66-70 (2012).
- Cappellin, L., et al. Ethylene: Absolute real-time high-sensitivity detection with PTR/SRI-MS. The example of fruits, leaves and bacteria. Int J Mass Spectrom. 365, 33-41 (2014).
- Ruzsanyi, V., Fischer, L., Herbig, J., Ager, C., Amann, A. Multi-capillary-column proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 1316, 112-118 (2013).
- Romano, A., et al. Wine analysis by FastGC proton-transfer reaction-time-of-flight-mass spectrometry. Int J Mass Spectrom. 369, 81-86 (2014).
- Aprea, E., Biasioli, F., Märk, T. D., Gasperi, F. PTR-MS study of esters in water and water/ethanol solutions: Fragmentation patterns and partition coefficients. Int J Mass Spectrom. 262 (1-2), 114-121 (2007).
- Sulzer, P., et al. A Proton Transfer Reaction-Quadrupole interface Time-Of-Flight Mass Spectrometer (PTR-QiTOF): High speed due to extreme sensitivity. Int J Mass Spectrom. 368, 1-5 (2014).
- Barber, S., et al. Increased Sensitivity in Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry by Incorporation of a Radio Frequency Ion Funnel. Anal Chem. 84 (12), 5387-5391 (2012).
