PTR-ToF-MS kombinerat med ett automatiserat provtagningssystem och skräddarsydd dataanalys för livsmedelsstudier: Bioprocess Monitoring, Screening och 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
Protonöverföringsreaktion (PTR), kombinerat med en Time-of-Flight (ToF) masspektrometer (MS), är en analytisk metod baserad på kemisk jonisering som tillhör Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) -tekniken. Dessa tekniker möjliggör snabb bestämning av flyktiga organiska föreningar (VOC), vilket säkerställer hög känslighet och noggrannhet. I allmänhet kräver PTR-MS varken provberedning eller provförstöring, vilket möjliggör realtid och icke-invasiv analys av prover. PTR-MS utnyttjas på många områden, från miljö och atmosfärskemi till medicinska och biologiska vetenskaper. Nyligen utvecklade vi en metod som bygger på koppling av PTR-ToF-MS med en automatiserad sampler och skräddarsydda dataanalysverktyg, för att öka graden av automatisering och därigenom öka potentialen i tekniken. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att övervaka bioprocesser ( t.ex. enzymatisk oxidation, alkoholhaltning), för att visa stora provuppsättningar (T.ex. olika ursprung, hela germoplasmer) och analysera flera experimentella lägen ( t.ex. olika koncentrationer av en given ingrediens, olika intensiteter av en specifik teknisk parameter) när det gäller VOC-innehåll. Här redovisar vi de experimentella protokoll som exemplifierar olika möjliga tillämpningar av vår metodik: detektering av VOC som frigörs vid mjölksyrajäsning av yoghurt (on-line bioprocessövervakning), övervakning av VOC associerade med olika äppelkulturer (storskalig screening) , Och in vivo- studien av retronasal VOC-frisättning under kaffedryck (nosespaceanalys).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) -teknik representerar en klass av analytiska instrumentella tillvägagångssätt som erbjuder betydande massa- och tidsupplösning med hög känslighet och robusthet, vilket möjliggör snabb detektion och kvantifiering av flyktiga organiska föreningar (VOC) 1 . Dessa instrumentella tillvägagångssätt innefattar bland annat MS-e-noser, atmosfärisk-tryckkemisk ioniseringsmasspektrometri (APCI-MS), protonöverföringsreaktionsmasspektrometri (PTR-MS) och selekterad jonflödesmasspektrometri ( SIFT-MS) 1 . Fördelarna och nackdelarna med varje tillvägagångssätt beror på: typen av provinjektion, källan och kontrollen av prekursorjoner, kontrollen av joniseringsprocessen och massanalysatorn 1 , 2 .
Protonöverföringsreaktionsmasspektrometri (PTR-MS) utvecklades mer än tjugo år sedan för att övervaka i realtid och wiDe låga detekteringsgränserna (vanligen några ppbv, del per miljard i volym) mest flyktiga organiska föreningar (VOC) i luft 3 , 4 . Nuvarande användningsområden för PTR-MS spänner från medicinska tillämpningar, till livsmedelskontroll, till miljöforskning 5 , 6 . Huvuddragen i denna teknik är möjligheten till snabb och kontinuerlig mätning, den intensiva och rena källan till precursorjoner och möjligheten att styra joniseringsförhållandena (tryck, temperatur och drivspänning). Dessa funktioner gör det möjligt att kombinera mångsidiga användningar med hög standardisering 1 , 4 . I själva verket är metoden baserad på reaktioner av hydroniumjoner (H3O + ), vilka inducerar icke-dissociativ protonöverföring i de flesta flyktiga föreningar (speciellt i de som karaktäriseras av en protonaffinitet högre än vatten), protonerande neutrala föreningar(M) enligt reaktionen: H3O + + M ^ H20 + MH + . I motsats till andra tekniker är t.ex. APCI-MS, prekursorjongenerering och provjonisering indelad i två olika instrumentfack (en schematisk representation av PTR-MS-instrumentet ges i Figur 1 ). En elektrisk urladdning genom vattenånga i den ihåliga katodjonskällan alstrar en stråle av hydroniumjoner. Efter denna fas korsar joner röret, där joniseringen av VOC äger rum 7 . Ioner anger sedan en pulsextraktionssektion och accelereras till TOF-sektionen. Genom flygtider är det möjligt att bestämma jonernas 8 för massa-till-laddning. Varje extraktionspuls leder till ett komplett massspektrum 8 av det valda m / z-intervallet. Ionspektra registreras av ett snabbt datainsamlingssystem 7 . Ett komplett spektrum är typisktFörvärvad på en sekund, även om högre tidsupplösning kan åstadkommas i enlighet med signalen till brusnivå och en kvantitativ uppskattning av VOC-huvudutrymmeskoncentrationen kan tillhandahållas även utan kalibrering 9 , 10 .
Figur 1: Schematisk illustration av en PTR-MS. Schematisk representation av PTR-MS-instrumentet. HC: yttre jonkälla med ihålig katod; SD: källa drift VI, venturi-typ inlopp; EM, elektronmultiplikator; FC1-2, flödesregulatorer. Reprinted med tillstånd från Boschetti et al. 7 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
VOC som är associerade med matmatriser är av stort intresse för livsmedelsvetenskap och teknik på grund av deras viktiga roll i molekylärbasis av biologiska fenomen kopplade till lukt- och smakuppfattning och därmed vid livsmedelstillträde. Därför handlar vårt intresse för realtid och icke-invasiv detektion av VOC huvudsakligen om sensoriska kvaliteter av mat. Om vi överväger möjligheten att upptäcka förstörings- och patogena mikroorganismer med hjälp av släppta VOC 13 och / eller övervaka flyktiga organiska föreningar som markörer folloVingteknologiska processer ( t.ex. Maillard-biprodukter under termiska behandlingar) 14 , blir det klart hur VOC-identifiering och kvantifiering är fält av intresse för kvalitetshantering av livsmedel 6 . Flera nya användningar av PTR-MS-teknik för snabb övervakning och kvantifiering av VOC i livsmedelsmatriser vittnar om det stora tillämpningsområdet för dessa analytiska metoder ( tabell 1 ).
| Matmatris | Typ av ansökan | Kort beskrivning | Referens |
| Smör | Screening / karakterisering | Geografiskt ursprung hos europeiska butters | 15 |
| yoghurt | Bioprocessövervakning | Utveckling under mjölksyramentation | 16 |
| Spannmålstänger | In vivo mätning | Nosespace under konsumtion av spannmålstänger med varierande sockerkomposition | 17 |
| Vätskeformiga system | Simulerade orala tillstånd | Utvärdering av tungtryck och orala tillstånd i en modellmunn | 18 |
| Äpple | In vivo mätning | Nosespace under konsumtion äpple med olika genetiska, texturella och fysikalisk-kemiska parametrar | 19 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Differentiering av specialkofféer | 20 |
| Druvmust | Screening / karakterisering | Effekt av matlagningsprocessen | 21 |
| Smaksatt godis | In vivo mätning | Bestämning på paneldeltagare med olikaDirektmasspektrometriska metoder | 22 |
| Skinka | Screening / karakterisering | Effekten av grisuppfödningssystemet | 23 |
| Bröd | Simulerade orala tillstånd | Simulera bröd arom under mastication | 24 |
| Mjölk | Screening / karakterisering | Övervakning av fotooxidationsinducerade dynamiska förändringar i mjölk | 25 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Mångfald i rostade kaffe från olika geografiska ursprung | 26 |
| Bröd | Bioprocessövervakning | Effekt av olika jäststarter under alkoholjäsning | 27 |
| Kaffe | In vivo mätning | Nosespace under konsumtion av olika rostade kaffepreparat | 28 |
| Screening / karakterisering | Påverkan av produktionsplats, produktionssystem och variation | 29 | |
| Bröd | Bioprocessövervakning | Effekt av mjöl, jäst och deras interaktion vid alkoholjäsning | 30 |
| svamp | Screening / karakterisering | Hållbarhet för torkade porcini svampar | 31 |
| yoghurt | Bioprocessövervakning | Effekt av olika starterkulturer under mjölksfermentering | 32 |
| Äpple | Screening / karakterisering | Mångfald i en äpple germplasm samling | 33 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Spårar kaffe ursprung | 34 |
| Kaffe | In vivo mätning | Kombination av aDynamisk sensorisk metod och in vivo nosespace analys för att förstå kaffeproception | 35 |
Tabell 1: Förteckning över vetenskapliga studier som använder PTR-ToF-MS i livsmedelssektorn. Icke-uttömmande lista över vetenskapliga studier som använder PTR-baserade metoder för att övervaka VOC-innehåll i livsmedelsrelaterade experiment.
I senare studier rapporterade vi om tillämpningen av PTR-ToF-MS i kombination med ett automatiserat provtagningssystem och skräddarsydda dataanalysverktyg för att öka provtagningsautomatisering och tillförlitlighet och följaktligen öka potentialen i denna teknik 7 , 10 , 13 . Detta gjorde det möjligt för oss att skärpa, i form av VOC-innehåll, stora provuppsättningar ( t.ex. mat av olika ursprung med många replikat, hela germoplasmer) för att analysera inflytandet av flera experimentella lägen vid VOC-frisättning ( t.ex. olika koncentrationerAv en given ingrediens, olika intensiteter av en specifik teknologisk parameter) och för att övervaka VOC som är associerade med en given bioprocess ( t.ex. enzymatisk oxidation, alkoholhaltning). För att exemplifiera potentialen hos PTR-ToF-MS i jordbrukssektorn presenterar vi tre paradigmatiska tillämpningar: detektering av VOC som frisätts under mjölksyrajäsning av yoghurt inducerad av olika mikrobiella startkulturer (on-line bioprocessövervakning ), Övervakning av VOC i samband med olika äppelkulturer (storskalig screening) och in vivo- studien av retronasal VOC-frisättning medan man dricker kaffe (nosespaceanalys).
Protocol
Representative Results
Discussion
Protonöverföringsreaktionsmasspektrometri (PTR-MS) kopplad till tidsmätare (ToF) massanalysatorer utgör en giltig kompromiss mellan behovet av identifiering och kvantifiering av flyktiga organiska föreningar och nödvändigheten för snabb analysprofilering. Den höga massupplösningen som karakteriserar ToF-massanalysatorn ger / ger relevant känslighet och massspektra med mycket informativt innehåll. Vidare ökar tillämpningen av PTR-ToF-MS i kombination med en auto-sampler och skräddarsydda dataanalysverktyg …
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).
