PTR-ToF-MS gekoppelt mit einem automatisierten Probenahmesystem und einer maßgeschneiderten Datenanalyse für Lebensmittelstudien: Bioprozessüberwachung, Screening und Nasenraumanalyse
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
Proton-Transfer-Reaktion (PTR), kombiniert mit einem Time-of-Flight (ToF) Massenspektrometer (MS), ist ein analytischer Ansatz, der auf der chemischen Ionisation basiert, die zu den Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) Technologien gehört. Diese Techniken erlauben die schnelle Bestimmung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit gewährleisten. Im Allgemeinen erfordert PTR-MS weder Probenvorbereitung noch Probenzerstörung, so dass eine Echtzeit- und nicht-invasive Analyse von Proben möglich ist. PTR-MS werden in vielen Bereichen von der ökologischen und atmosphärischen Chemie bis hin zu medizinischen und biologischen Wissenschaften ausgenutzt. In jüngster Zeit haben wir eine Methodik entwickelt, die auf der Kopplung von PTR-ToF-MS mit einem automatisierten Sampler und maßgeschneiderten Datenanalyse-Tools basiert, um den Automatisierungsgrad zu erhöhen und damit das Potenzial der Technik zu erhöhen. Dieser Ansatz erlaubte es uns, Bioprozesse ( zB enzymatische Oxidation, alkoholische Fermentation) zu überwachen, um große Probenmengen (ZB unterschiedliche Ursprünge, ganze Keimbläschen) und analysieren mehrere experimentelle Modi ( zB unterschiedliche Konzentrationen eines gegebenen Inhaltsstoffs, unterschiedliche Intensitäten eines spezifischen technologischen Parameters) im Hinblick auf den VOC-Gehalt. Hier berichten wir über die experimentellen Protokolle, die verschiedene Anwendungsmöglichkeiten unserer Methodik veranschaulichen: dh die Erkennung von bei der Milchsäure-Fermentation von Joghurt freigesetzten VOCs (Online-Bioprozess-Monitoring), die Überwachung von VOCs, die mit verschiedenen Apfelsorten assoziiert sind (großformatiges Screening) , Und die in vivo Studie der retronasalen VOC Freisetzung während des Kaffees trinken (Nosespace Analyse).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) -Technologien stellen eine Klasse von analytischen Instrumentalansätzen dar, die eine beträchtliche Massen- und Zeitauflösung mit hoher Empfindlichkeit und Robustheit bieten und so die schnelle Erkennung und Quantifizierung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) ermöglichen. Zu diesen instrumentellen Ansätzen gehören unter anderem MS-e-Nasen, Atmospheric-Pressure Chemical Ionization Mass Spectrometry (APCI-MS), Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry (PTR-MS) und ausgewählte Ionen-Flow-Tube-Massenspektrometrie ( SIFT-MS) 1 . Die Vor- und Nachteile jedes Ansatzes hängen von der Art der Probeninjektion, der Quelle und der Kontrolle der Vorläuferionen, der Kontrolle des Ionisierungsprozesses und des Massenanalysators 1 , 2 ab .
Proton-Transfer-Reaktion Massenspektrometrie (PTR-MS) wurde vor mehr als zwanzig Jahren entwickelt, um in Echtzeit und wi zu überwachenTh niedrige Nachweisgrenzen (meist ein paar ppbv, Teil pro Milliarde Volumen) am meisten flüchtige organische Verbindungen (VOCs) in Luft 3 , 4 . Die derzeitigen Verwendungen von PTR-MS reichen von medizinischen Anwendungen über die Lebensmittelkontrolle bis hin zur Umweltforschung 5 , 6 . Die Hauptmerkmale dieser Technik sind: die Möglichkeit einer schnellen und kontinuierlichen Messung, die intensive und reine Quelle von Vorläuferionen und die Möglichkeit, die Ionisationsbedingungen (Druck, Temperatur und Driftspannung) zu kontrollieren. Mit diesen Merkmalen lassen sich vielseitige Einsatzmöglichkeiten mit hohem Standardisierungsgrad 1 , 4 kombinieren. Tatsächlich beruht das Verfahren auf Reaktionen von Hydroniumionen (H & sub3 ; O & spplus; ), die einen nichtdissoziativen Protonentransfer in den meisten flüchtigen Verbindungen induzieren (insbesondere in jenen, die durch eine Protonenaffinität höher als Wasser gekennzeichnet sind), Protonen von neutralen Verbindungen(M) nach der Reaktion: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . Im Gegensatz zu anderen Techniken, zB APCI-MS, werden die Vorläufer-Ionenerzeugung und die Probenionisation in zwei verschiedene Instrumentalfächer aufgeteilt (eine schematische Darstellung des PTR-MS-Instruments ist in Abbildung 1 dargestellt). Eine elektrische Entladung durch Wasserdampf in der Hohlkathoden-Ionenquelle erzeugt einen Strahl von Hydroniumionen. Nach dieser Phase kreuzen Ionen das Driftrohr, wo die Ionisierung von VOCs stattfindet 7 . Ionen geben dann einen Puls-Extraktionsabschnitt ein und werden in den TOF-Abschnitt beschleunigt. Durch die Flugzeiten ist es möglich, die Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse der Ionen 8 zu bestimmen. Jeder Extraktionsimpuls führt zu einem vollständigen Massenspektrum 8 des ausgewählten m / z-Bereichs. Ionenspektren werden durch ein schnelles Datenerfassungssystem 7 aufgezeichnet. Ein komplettes Spektrum ist typischerweiseIn einer Sekunde erworben, obwohl eine höhere Zeitauflösung nach dem Signal-zu-Rausch-Niveau erreicht werden kann und eine quantitative Schätzung der VOC-Headspace-Konzentration auch ohne Kalibrierung 9 , 10 erfolgen kann .
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines PTR-MS. Schematische Darstellung des PTR-MS-Instruments HC: externe Ionenquelle mit Hohlkathode; SD: Quelldrift; VI, Venturi-Einlass; EM, Elektronenvervielfacher; FC1-2, Durchflussregler. Nachdruck mit Genehmigung von Boschetti et al. 7 Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
VOCs, die mit Nahrungsmittelmatrizen assoziiert sind, sind von herausragendem Interesse an der Lebensmittelwissenschaft und -technologie wegen ihrer wichtigen Rolle in der molekularen Basis von biologischen Phänomenen, die mit Geruch und Geschmackswahrnehmung verbunden sind, und damit in der Nahrungsakzeptanz. Daher ist unser Interesse an Echtzeit und nicht-invasiven Erkennung von VOCs hauptsächlich mit sensorischen Qualitäten von Lebensmitteln beschäftigt. Wenn wir darüber hinaus die Möglichkeit betrachten, Verderb und pathogene Mikroorganismen mittels freigesetzter VOCs 13 zu detektieren und / oder flüchtige organische Verbindungen als Marker zu untersuchen,(Z. B. Maillard-Nebenprodukte bei thermischen Behandlungen) 14 wird deutlich, wie die VOC-Identifizierung und Quantifizierung für das Lebensmittelqualitätsmanagement von Interesse sind. Mehrere neuere Anwendungen von PTR-MS-Technologien zur schnellen Überwachung und Quantifizierung von VOCs in Lebensmittelmatrizen belegen das breite Anwendungsspektrum dieser analytischen Ansätze ( Tabelle 1 ).
| Lebensmittelmatrix | Art der Anwendung | Kurze Beschreibung | Referenz |
| Butter | Screening / Charakterisierung | Geographische Herkunft der europäischen Butters | 15 |
| Joghurt | Bioprozessüberwachung | Evolution bei Milchsäure fermentation | 16 |
| Müsliriegel | In-vivo- Messung | Nosespace während des Verbrauchs von Getreidestäben mit unterschiedlicher Zuckerzusammensetzung | 17 |
| Flüssigmodellsysteme | Simulierte orale Bedingungen | Auswertung von Zungen- und Mundverhältnissen in einem Modellmund | 18 |
| Apfel | In-vivo- Messung | Nosespace während des Verbrauchs Apfel mit verschiedenen genetischen, strukturellen und physikochemischen Parametern | 19 |
| Kaffee | Screening / Charakterisierung | Differenzierung von Kaffeespezialitäten | 20 |
| Traubenmost | Screening / Charakterisierung | Wirkung des Kochprozesses | 21 |
| Aromatisierte Süßigkeiten | In-vivo- Messung | Bestimmung auf Panelisten mit unterschiedlichenDirekte Massenspektrometrieverfahren | 22 |
| Schinken | Screening / Charakterisierung | Wirkung des Schweinezuchtsystems | 23 |
| Brot | Simulierte orale Bedingungen | Simulieren des Brotaromas bei der Mastikation | 24 |
| Milch | Screening / Charakterisierung | Überwachung von Photooxidations-induzierten dynamischen Veränderungen in der Milch | 25 |
| Kaffee | Screening / Charakterisierung | Vielfalt in gerösteten Kaffees aus verschiedenen geographischen Ursprüngen | 26 |
| Brot | Bioprozessüberwachung | Wirkung von verschiedenen Hefe-Startern während der alkoholischen Gärung | 27 |
| Kaffee | In-vivo- Messung | Nosespace beim Verzehr von verschiedenen gerösteten Kaffeevorbereitungen | 28 |
| Screening / Charakterisierung | Auswirkungen des Produktionsstandortes, des Produktionssystems und der Vielfalt | 29 | |
| Brot | Bioprozessüberwachung | Wirkung von Mehl, Hefe und deren Wechselwirkung während der alkoholischen Gärung | 30 |
| Pilze | Screening / Charakterisierung | Haltbarkeit von getrockneten Steinpilzen | 31 |
| Joghurt | Bioprozessüberwachung | Wirkung verschiedener Starterkulturen während der Milchsäurefermentation | 32 |
| Apfel | Screening / Charakterisierung | Vielfalt in einer Apfel-Keimplasmasammlung | 33 |
| Kaffee | Screening / Charakterisierung | Tracing Kaffee Herkunft | 34 |
| Kaffee | In-vivo- Messung | Kombination von aDynamische sensorische Methode und In-vivo-Nosespace-Analyse, um die Kaffee-Wahrnehmung zu verstehen | 35 |
Tabelle 1: Liste der wissenschaftlichen Studien mit PTR-ToF-MS im Lebensmittelbereich. Nicht erschöpfende Liste von wissenschaftlichen Studien mit PTR-basierten Ansätzen zur Überwachung des VOC-Gehalts in lebensmittelbezogenen Experimenten.
In neueren Studien berichteten wir über die Anwendung von PTR-ToF-MS mit einem automatisierten Probenahmesystem und maßgeschneiderten Datenanalyse-Tools, um die Probenahmeautomatisierung und -sicherheit zu erhöhen und damit das Potenzial dieser Technik 7 , 10 , 13 zu erhöhen. So konnten wir im Hinblick auf den VOC-Gehalt große Sample-Sets ( zB Lebensmittel unterschiedlicher Herkunft mit vielen Replikaten, ganze Keimbläschen) aufzeigen, um den Einfluss mehrerer experimenteller Modi auf die VOC-Freisetzung zu analysieren ( zB unterschiedliche Konzentrationen)Eines bestimmten Inhaltsstoffs, diverse Intensitäten eines spezifischen technologischen Parameters) und zur Überwachung von VOCs, die mit einem gegebenen Bioprozess assoziiert sind ( zB enzymatische Oxidation, alkoholische Fermentation). Um hier das Potenzial von PTR-ToF-MS im Agrar- und Ernährungssektor zu veranschaulichen, stellen wir drei paradigmatische Anwendungen vor: die Erkennung von VOCs, die während der Milchsäure-Fermentation von Joghurt, die durch verschiedene mikrobielle Starterkulturen induziert wird, freigesetzt werden (Online-Bioprozess-Monitoring ), Die Überwachung von VOCs, die mit verschiedenen Apfelsorten assoziiert sind (großformatiges Screening) und die in vivo- Untersuchung der retronasalen VOC-Freisetzung beim Trinken von Kaffee (Nosespace-Analyse).
Protocol
Representative Results
Discussion
Protonentransfer-Reaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS), gekoppelt an Flugzeit- (ToF-) Massenanalysatoren, stellen einen gültigen Kompromiss zwischen der Notwendigkeit der Identifizierung und Quantifizierung flüchtiger organischer Verbindungen und der Notwendigkeit einer schnellen analytischen Profilierung dar. Die hohe Massenauflösung, die den ToF-Massenanalysator charakterisiert, gibt / liefert relevante Empfindlichkeits- und Massenspektren mit erheblichem Informationsgehalt. Darüber hinaus erhöht die Anwendung v…
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 |
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).
