PTR-ToF-MS kombinert med et automatisert utvalgssystem og skreddersydd dataanalyse for matstudier: Bioprosessovervåking, screening og nese-romanalyse
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
Protonoverføringsreaksjon (PTR), kombinert med et Time-of-Flight (ToF) massespektrometer (MS), er en analytisk tilnærming basert på kjemisk ionisering som tilhører Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) teknologiene. Disse teknikkene tillater rask bestemmelse av flyktige organiske forbindelser (VOC), som sikrer høy følsomhet og nøyaktighet. Generelt krever PTR-MS hverken prøvepreparering eller prøvedestruksjon, noe som muliggjør sanntid og ikke-invasiv analyse av prøver. PTR-MS utnyttes på mange felt, fra miljø- og atmosfærisk kjemi til medisinske og biologiske fag. Mer nylig utviklet vi en metode basert på kobling av PTR-ToF-MS med en automatisert sampler og skreddersydde dataanalyseverktøy, for å øke graden av automatisering og dermed for å øke potensialet i teknikken. Denne tilnærmingen tillot oss å overvåke bioprosesser ( f.eks. Enzymatisk oksidasjon, alkoholholdig gjæring), for å skjerme store prøvesett (F.eks. Forskjellige opprinnelser, hele germoplasmer) og å analysere flere eksperimentelle moduser ( f.eks. Forskjellige konsentrasjoner av en gitt ingrediens, forskjellige intensiteter av en bestemt teknologisk parameter) når det gjelder VOC-innhold. Her rapporterer vi eksperimentelle protokoller som eksempler på ulike mulige anvendelser av vår metodikk: deteksjon av VOC frigjort under melkesyrefermentering av yoghurt (on-line bioprosessovervåking), overvåkning av VOC assosiert med forskjellige eplekulturer (storskjerm) , Og in vivo- studien av retronasal VOC-frigjøring under kaffe drikking (nosespace analyse).
Introduction
Direkte-injeksjonsmassespektrometriske (DIMS) teknologier representerer en klasse av analytiske instrumentelle tilnærminger som gir betydelig masse- og tidsoppløsning med høy følsomhet og robusthet, noe som muliggjør rask deteksjon og kvantifisering av flyktige organiske forbindelser (VOC) 1 . Disse instrumentelle tilnærmingene inkluderer blant annet MS-e-nese, atmosfærisk trykk-kjemisk ioniseringsmassespektrometri (APCI-MS), protonoverføringsreaksjonsmassespektrometri (PTR-MS) og valgt Ion-Flow-Tube Mass Spectrometry ( SIFT-MS) 1 . Fordelene og ulemperne ved hver tilnærming er avhengig av: typen prøveinjeksjon, kilden og kontrollen av forløperioner, kontrollen av ioniseringsprosessen og massanalysatoren 1 , 2 .
Proton-overføringsreaksjonsmassespektrometri (PTR-MS) ble utviklet for mer enn tjue år siden for å overvåke i sanntid og wiDe laveste gjenkjennelsesgrensene (vanligvis noen få ppbv, del per milliard volum) mest flyktige organiske forbindelser (VOC) i luft 3 , 4 . Nåværende bruk av PTR-MS spenner fra medisinske applikasjoner, til matkontroll, til miljøforskning 5 , 6 . Hovedtrekkene ved denne teknikken er: muligheten for rask og kontinuerlig måling, den intense og rene kilden til forløperioner, og muligheten til å kontrollere ioniseringsforholdene (trykk, temperatur og drivspenning). Disse funksjonene tillater kombinasjon av allsidige bruksområder med høy grad av standardisering 1 , 4 . Faktisk er metoden basert på reaksjoner av hydroniumioner (H3O + ), som induserer ikke-dissociativ protonoverføring i de fleste flyktige forbindelser (spesielt i de som er karakterisert ved en protonaffinitet høyere enn vann), protonerende nøytrale forbindelser(M) i henhold til reaksjonen: H3O + + M → H20 + MH + . I motsetning til andre teknikker, for eksempel , er APCI-MS, precursoriongenerasjon og prøvejonisering delt i to forskjellige instrumentelle rom (en skjematisk fremstilling av PTR-MS-instrumentet er gitt i figur 1 ). En elektrisk utslipp ved vanndamp i den hule katodejonkilden genererer en stråle av hydroniumioner. Etter denne fasen krysser ionene drivrøret, hvor ioniseringen av VOC finner sted 7 . Ioner angir deretter en pulsutvinningsseksjon og akselereres i TOF-delen. Gjennom flygtider er det mulig å bestemme masse-til-ladningsforholdene til ioner 8 . Hver uttrekkspuls fører til et komplett massespektrum 8 av det valgte m / z-området. Ion spektra er registrert av et raskt datainnsamlingssystem 7 . Et komplett spekter er typiskOppnådd i ett sekund, selv om høyere tidsoppløsning kan oppnås i henhold til signalet til støynivå, og en kvantitativ estimering av VOC-hodeskonsentrasjonen kan tilveiebringes selv uten kalibrering 9 , 10 .
Figur 1: Skjematisk illustrasjon av en PTR-MS. Skjematisk representasjon av PTR-MS instrumentet. HC: Ekstern ionkilde med hul katode; SD: kilde drift; VI, venturi-type innløp; EM, elektron multiplikator; FC1-2, strømningsregulatorer. Gjengitt med tillatelse fra Boschetti et al. 7 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
VOC som er forbundet med matmatriser har enestående interesse for matvitenskap og teknologi på grunn av deres viktige rolle i molekylærbasis av biologiske fenomener knyttet til lukt- og smaksoppfattelse og dermed i mataksept. Derfor har vår interesse for sanntid og ikke-invasiv påvisning av VOC hovedsakelig sansemessige kvaliteter av mat. I tillegg, hvis vi vurderer muligheten til å oppdage ødeleggelse og patogene mikroorganismer ved hjelp av frigjort VOC 13 og / eller for å overvåke flyktige organiske forbindelser som markører folloVinge teknologiske prosesser ( f.eks. Maillard biprodukter under termiske behandlinger) 14 , blir det klart hvordan VOC-identifikasjon og kvantifisering er områder av interesse for matkvalitetsstyring 6 . Flere nyere bruk av PTR-MS-teknologier for rask overvåking og kvantifisering av VOC i matrikser vitner for det brede anvendelsesområdet for disse analytiske tilnærmingene ( tabell 1 ).
| Matmatrise | Type søknad | Kort beskrivelse | Henvisning |
| Smør | Screening / karakterisering | Geografisk opprinnelse av europeiske butters | 15 |
| Yoghurt | Bioprosessovervåking | Evolusjon under melkesyremente | 16 |
| Korn barer | In vivo måling | Nosespace under forbruk av frokostblandinger med varierende sukkerblanding | 17 |
| Væske modell systemer | Simulerte orale forhold | Evaluering av tunge trykk og munnforhold i en modell munn | 18 |
| eple | In vivo måling | Nosespace under forbruk eple med forskjellige genetiske, tekstural og fysisk-kjemiske parametere | 19 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Differensiering av spesialkoffiser | 20 |
| Druemost | Screening / karakterisering | Effekt av matlagingsprosessen | 21 |
| Smaksatt candies | In vivo måling | Bestemmelse på paneldeltakere ved hjelp av forskjelligeDirekte massespektrometri metoder | 22 |
| Skinke | Screening / karakterisering | Effekt av gris oppdrettssystem | 23 |
| Brød | Simulerte orale forhold | Simulerer brødaroma under masticering | 24 |
| Melk | Screening / karakterisering | Overvåking av fotooksydasjonsinducerte dynamiske endringer i melk | 25 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Mangfold i stekt kaffe fra forskjellige geografiske opprinnelser | 26 |
| Brød | Bioprosessovervåking | Effekt av forskjellige gjærstartere under alkoholisk gjæring | 27 |
| Kaffe | In vivo måling | Nosespace under forbruk av forskjellige ristede kaffepreparater | 28 |
| Screening / karakterisering | Virkning av produksjonssted, produksjonssystem og variasjon | 29 | |
| Brød | Bioprosessovervåking | Effekt av mel, gjær og deres interaksjon under alkoholisk gjæring | 30 |
| sopp | Screening / karakterisering | Holdbarhet for tørkede porcini sopp | 31 |
| Yoghurt | Bioprosessovervåking | Effekt av forskjellige startkulturer under melkesyring | 32 |
| eple | Screening / karakterisering | Mangfold i en apple germplasm samling | 33 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Sporer kaffe opprinnelse | 34 |
| Kaffe | In vivo måling | Kombinasjon av aDynamisk sensorisk metode og in vivo nosespace analyse for å forstå kaffe oppfatning | 35 |
Tabell 1: Liste over vitenskapelige studier ved bruk av PTR-ToF-MS i næringsmiddelindustrien. Ikke-uttømmende liste over vitenskapelige studier ved hjelp av PTR-baserte tilnærminger for å overvåke VOC-innhold i matrelaterte eksperimenter.
I nyere studier rapporterte vi om anvendelsen av PTR-ToF-MS kombinert med et automatisert utvalgssystem og skreddersydde dataanalyseværktøy for å øke samplingsautomatisering og pålitelighet og følgelig for å forbedre potensialet i denne teknikken 7 , 10 , 13 . Dette tillot oss å skjerme, i form av VOC-innhold, store prøvesett ( f.eks. Mat av forskjellig opprinnelse med mange replikater, hele germoplasmer) for å analysere innflytelsen fra flere eksperimentelle moduser ved VOC-frigjøring ( f.eks. Forskjellige konsentrasjonerAv en gitt ingrediens, ulike intensiteter av en bestemt teknologisk parameter), og for å overvåke VOC som er forbundet med en gitt bioprosess ( f.eks. Enzymatisk oksidasjon, alkoholholdig gjæring). Her for å eksemplifisere potensialet til PTR-ToF-MS i agri-mat-sektoren, presenterer vi tre paradigmatiske anvendelser: deteksjon av VOC frigjort under melkesyrefermentering av yoghurt indusert av forskjellige mikrobielle starterkulturer (on-line bioprosessovervåking ), Overvåking av VOC assosiert med forskjellige eplekulturer (storskjerm) og in vivo- studien av retronasal VOC-frigjøring mens du drikker kaffe (nosespace-analyse).
Protocol
Representative Results
Discussion
Protonoverføringsreaksjons-massespektrometri (PTR-MS) koblet til tidsforskjeller (ToF) masseanalysatorer representerer et gyldig kompromiss mellom behovet for identifisering og kvantifisering av flyktige organiske forbindelser og nødvendigheten av rask analytisk profilering. Den høye masseoppløsningen som karakteriserer ToF massanalysatoren, gir / gir relevant sensitivitet og massespektre med betydelig informasjonsinnhold. Videre øker anvendelsen av PTR-ToF-MS kombinert med en automatisk sampler og skreddersydde da…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
