PTR-ToF-MS couplé avec un système d'échantillonnage automatisé et une analyse de données sur mesure pour les études alimentaires: analyse du bioprocessus, du dépistage et de l'analyse du nez
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
La réaction de transfert de protons (PTR), combinée à un Spectromètre de masse de temps de vol (ToF), est une approche analytique basée sur l'ionisation chimique qui appartient aux technologies Spectrométrie de masse à injection directe (DIMS). Ces techniques permettent la détermination rapide des composés organiques volatils (COV), assurant une sensibilité et une précision élevées. En général, PTR-MS ne nécessite ni la préparation de l'échantillon ni la destruction de l'échantillon, ce qui permet une analyse en temps réel et non invasive des échantillons. Les PTR-MS sont exploités dans de nombreux domaines, de la chimie environnementale et atmosphérique aux sciences médicales et biologiques. Plus récemment, nous avons développé une méthodologie basée sur le couplage PTR-ToF-MS avec un échantillonneur automatisé et des outils d'analyse de données personnalisés, pour augmenter le degré d'automatisation et, par conséquent, améliorer le potentiel de la technique. Cette approche nous a permis de surveiller les bioprocédés ( p. Ex ., L' oxydation enzymatique, la fermentation alcoolique), pour écraser de grands ensembles d'échantillons (Par exemple des origines différentes, des germoplasmes entiers) et d'analyser plusieurs modes expérimentaux ( p. Ex . Différentes concentrations d'un ingrédient donné, différentes intensités d'un paramètre technologique spécifique) en termes de contenu en COV. Ici, nous rapportons les protocoles expérimentaux illustrant différentes applications possibles de notre méthodologie: c'est-à-dire la détection de COV libérés lors de la fermentation acide lactique du yogourt (surveillance en ligne du bioprocessus), la surveillance des COV associés à différents cultivars de pomme (criblage à grande échelle) , Et l'étude in vivo de la libération des COV retronasales lors de la consommation de café (analyse du nez).
Introduction
Les technologies de Spectrométrie de masse à injection directe (DIMS) représentent une classe d'approches instrumentales analytiques qui offrent une résolution de masse et de temps considérable avec une grande sensibilité et une grande robustesse permettant une détection et une quantification rapides des composés organiques volatils (COV) 1 . Ces approches instrumentales comprennent, entre autres, le MS-e-nose, la Spectrométrie de masse à l'ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS), la spectrométrie de masse à réaction de transfert de protons (PTR-MS) et la spectrométrie de masse à tube Ion-Flow-Tube ( EIPD-MS) 1 . Les avantages et les inconvénients de chaque approche dépendent: du type d'injection d'échantillon, de la source et du contrôle des ions précurseurs, du contrôle du processus d'ionisation et de l'analyseur de masse 1 , 2 .
La spectrométrie de masse à réaction de transfert de protons (PTR-MS) a été développée il y a plus de vingt ans pour surveiller en temps réel et wiDiminution des limites de détection (habituellement quelques ppbv, partie par milliard par volume) Composés organiques les plus volatils (COV) dans l'air 3 , 4 . Les utilisations actuelles de PTR-MS vont des applications médicales, au contrôle des aliments, à la recherche environnementale 5 , 6 . Les principales caractéristiques de cette technique sont: la possibilité de mesures rapides et continues, la source intense et pure d'ions précurseurs et la possibilité de contrôler les conditions d'ionisation (pression, température et tension de dérive). Ces caractéristiques permettent de combiner des utilisations polyvalentes avec un haut degré de standardisation 1 , 4 . En fait, la méthode est basée sur les réactions des ions hydronium (H 3 O + ), qui induisent un transfert de protons non dissociant dans la plupart des composés volatils (en particulier ceux caractérisés par une affinité protonique supérieure à l'eau), des composés neutres protonés(M) selon la réaction: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . Contrairement à d'autres techniques, par exemple , l'APCI-MS, la génération d'ions précurseurs et l'ionisation de l'échantillon sont divisés en deux compartiments instrumentaux différents (une représentation schématique de l'instrument PTR-MS est donnée à la Figure 1 ). Une décharge électrique par la vapeur d'eau dans la source d'ions de la cathode creuse génère un faisceau d'ions hydronium. Après cette phase, les ions traversent le tube de dérive, où l'ionisation des COV a lieu 7 . Les ions entrent ensuite dans une section d'extraction de pouls et sont accélérés dans la section TOF. Au cours des temps de vol, il est possible de déterminer les rapports masse / charge des ions 8 . Chaque impulsion d'extraction conduit à un spectre de masse complet 8 de la gamme sélectionnée de m / z. Les spectres ioniques sont enregistrés par un système rapide d'acquisition de données 7 . Un spectre complet est généralementAcquis en une seconde, bien qu'une résolution de temps plus élevée puisse être obtenue en fonction du niveau du signal au bruit et une estimation quantitative de la concentration de l'espace libre VOC peut être fournie même sans calibrage 9 , 10 .
Figure 1: Illustration schématique d'une PTR-MS. Représentation schématique de l'instrument PTR-MS. HC: source d'ions externe avec cathode creuse; SD: dérive de source; VI, entrée de type venturi; EM, multiplicateur d'électrons; FC1-2, contrôleurs de débit. Reproduit avec la permission de Boschetti et al. 7 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les COV associés aux matrices alimentaires présentent un intérêt remarquable pour la science et la technologie alimentaires en raison de leur rôle important dans la base moléculaire des phénomènes biologiques liés à la perception des odeurs et des saveurs et donc à l'acceptation des aliments. Par conséquent, notre intérêt pour le dépistage non invasif en temps réel des COV porte principalement sur les qualités sensorielles des aliments. En outre, si l'on considère la possibilité de détecter les détériorations et les microorganismes pathogènes au moyen de COV libérés 13 et / ou de surveiller les composés organiques volatils comme repères de marqueurs( Par exemple, les sous-produits Maillard lors des traitements thermiques) 14 , il est clair que l'identification et la quantification des COV sont des domaines d'intérêt dans la gestion de la qualité des aliments 6 . Plusieurs utilisations récentes des technologies PTR-MS pour la surveillance et la quantification rapides des COV dans les matrices alimentaires témoignent du large éventail d'applications de ces approches analytiques ( tableau 1 ).
| Matrice alimentaire | Type d'application | Brève description | Référence |
| Beurre | Dépistage / caractérisation | Origine géographique des beurres européens | 15 |
| Yaourt | Surveillance du bioprocessus | Evolution pendant l'acide lactique ferMentation | 16 |
| Barres de céréales | Mesure in vivo | Nosespace pendant la consommation de barres de céréales avec une composition de sucre variable | 17 |
| Systèmes modèles liquides | Conditions orales simulées | Évaluation de la pression de la langue et des conditions buccales dans une bouche modèle | 18 |
| Pomme | Mesure in vivo | Nosespace pendant la consommation de pomme avec différents paramètres génétiques, texturales et physico-chimiques | 19 |
| café | Dépistage / caractérisation | Différenciation des cafés spécialisés | 20 |
| Le raisin doit | Dépistage / caractérisation | Effet du processus de cuisson | 21 |
| Bonbons aromatisés | Mesure in vivo | Détermination sur les panélistes en utilisant différentsMéthodes directes de spectrométrie de masse | 22 |
| jambon | Dépistage / caractérisation | Effet du système d'élevage de porcs | 23 |
| Pain | Conditions orales simulées | Simuler l'arôme du pain pendant la mastication | 24 |
| Lait | Dépistage / caractérisation | Surveillance des changements dynamiques induits par la photo-oxydation dans le lait | 25 |
| café | Dépistage / caractérisation | Diversité dans les cafés grillés de différentes origines géographiques | 26 |
| Pain | Surveillance du bioprocessus | Effet de différents levures lors de la fermentation alcoolique | 26 |
| café | Mesure in vivo | Nosespace pendant la consommation de différentes préparations de café rôties | 28 |
| Dépistage / caractérisation | Impact de l'emplacement de la production, du système de production et de la variété | 29 | |
| Pain | Surveillance du bioprocessus | Effet de la farine, de la levure et de leur interaction pendant la fermentation alcoolique | 30 |
| Champignons | Dépistage / caractérisation | Durée de conservation des champignons porcini séchés | 31 |
| Yaourt | Surveillance du bioprocessus | Effet de différentes cultures initiales pendant la fermentation lactique | 32 |
| Pomme | Dépistage / caractérisation | Diversité dans une collection de germoplasmes de pomme | 33 |
| café | Dépistage / caractérisation | Traçage de l'origine du café | 34 |
| café | Mesure in vivo | Combinaison d'unMéthode sensorielle dynamique et analyse inespérée du nez pour comprendre la perception du café | 35 |
Tableau 1: Liste des études scientifiques utilisant PTR-ToF-MS dans le secteur alimentaire. Liste non exhaustive d'études scientifiques utilisant des approches basées sur PTR pour surveiller le contenu en COV dans les expériences liées à l'alimentation.
Dans des études récentes, nous avons signalé l'application de PTR-ToF-MS couplé à un système automatisé d'échantillonnage et à des outils d'analyse de données personnalisés pour accroître l'automatisation et la fiabilité de l'échantillonnage et, par conséquent, améliorer le potentiel de cette technique 7 , 10 , 13 . Cela nous a permis d'écraser, en termes de contenu en COV, de grands ensembles d'échantillons ( par exemple, aliments d'origines différentes avec de nombreuses réplicas, germoplasmes entiers), pour analyser l'influence de plusieurs modes expérimentaux sur la libération de COV ( par exemple différentes concentrationsD'un ingrédient donné, des intensités diverses d'un paramètre technologique spécifique) et pour surveiller les COV associés à un bioprocessage ( par exemple, une oxydation enzymatique, une fermentation alcoolique). Ici, afin d'illustrer le potentiel de PTR-ToF-MS dans le secteur agroalimentaire, nous présentons trois applications paradigmatiques: la détection de COV libérés lors de la fermentation acide lactique du yaourt induite par différentes cultures microbiennes de démarrage (surveillance en ligne des bioprocédés ), La surveillance des COV associés à différents cultivars de pommes (dépistage à grande échelle) et l'étude in vivo de la libération de COV retronasale lors de la consommation de café (analyse de l'analyse du nez).
Protocol
Representative Results
Discussion
La spectrométrie de masse de réaction de transfert de protons (PTR-MS) couplée aux analyseurs de masse de temps de vol (ToF) représente un compromis valide entre la nécessité d'identifier et de quantifier des composés organiques volatils et la nécessité d'un profil analytique rapide. La résolution de masse élevée qui caractérise l'analyseur de masse ToF donne / fournit une sensibilité et des spectres de masse appropriés avec un contenu informationnel considérable. En outre, l'application …
Disclosures
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 |
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