PTR-ToF-MS accoppiato con un sistema di campionamento automatizzato e analisi dei dati su misura per gli studi alimentari: monitoraggio del bioprocesso, screening e analisi dello spazio del naso
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 Reazione di Proton Transfer (PTR), combinata con un Spettrometro di Massa (MS) di Time-of-Flight (ToF), è un approccio analitico basato sulla ionizzazione chimica che appartiene alle tecnologie DIMS (Direct-Injection Spectrometric Mass). Queste tecniche consentono la rapida determinazione di composti organici volatili (VOC), garantendo elevata sensibilità e precisione. In generale, PTR-MS non richiede né preparazione di campioni né distruzione di campioni, permettendo un'analisi in tempo reale e non invasiva dei campioni. PTR-MS è sfruttato in molti campi, dalla chimica ambientale e chimica atmosferica alle scienze mediche e biologiche. Più di recente abbiamo sviluppato una metodologia basata sull'accoppiamento di PTR-ToF-MS con un campionatore automatizzato e strumenti di analisi dei dati su misura per aumentare il grado di automazione e, di conseguenza, aumentare il potenziale della tecnica. Questo approccio ci ha permesso di monitorare i bioprocessi ( es. Ossidazione enzimatica, fermentazione alcolica)Per esempio diverse origini, interi germoplasmi) e per analizzare diversi modi sperimentali ( ad es. Concentrazioni diverse di un determinato ingrediente, intensità diverse di un determinato parametro tecnologico) in termini di contenuto di VOC. Qui riportiamo i protocolli sperimentali che esemplificano le diverse possibili applicazioni della nostra metodologia: cioè la rilevazione di VOC rilasciati durante la fermentazione di acido lattico di yogurt (monitoraggio bioprocesso on-line), il monitoraggio dei VOC associati a varie cultivar di mele (screening su larga scala) , E lo studio in vivo del rilascio di VOC Retronasal durante il bere da caffè (analisi dei nasespazi).
Introduction
Le tecnologie spettrometriche di massa a iniezione diretta (DIMS) rappresentano una classe di approcci strumentali analitici che offrono una notevole risoluzione di massa e di tempo con elevata sensibilità e robustezza, consentendo la rapida rilevazione e la quantificazione dei composti organici volatili (VOC) 1 . Questi approcci strumentali includono, tra gli altri, MS-e-nose, spettrometria di massa di ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI-MS), spettrometria di massa di proton-trasferimento-reazione (PTR-MS) e spettrometria di massa di massa ionica SIFT-MS) 1 . I pro ei contro di ogni approccio dipendono da: il tipo di iniezione del campione, la sorgente e il controllo degli ioni precursori, il controllo del processo di ionizzazione e l'analizzatore di massa 1 , 2 .
La spettrometria di massa di spostamento-reazione di proton (PTR-MS) è stata sviluppata più di venti anni fa per monitorare in tempo reale e wiI limiti di rilevazione bassi (solitamente pochi ppbv, parte per miliardo di volume) i composti organici più volatili (VOC) nell'aria 3 , 4 . Gli usi correnti di PTR-MS vanno dalle applicazioni mediche, al controllo degli alimenti, alla ricerca ambientale 5 , 6 . Le caratteristiche principali di questa tecnica sono: la possibilità di misurazione rapida e continua, la fonte intensa e pura di ioni precursori e la possibilità di controllare le condizioni di ionizzazione (pressione, temperatura e tensione di deriva). Queste caratteristiche permettono di combinare usi versatili con un alto grado di standardizzazione 1 , 4 . Infatti, il metodo si basa sulle reazioni degli ioni idronici (H 3 O + ), che inducono il trasferimento protonico non dissociativo nella maggior parte dei composti volatili (in particolare quelli caratterizzati da una affinità protonica superiore a quella dell'acqua), protonando i composti neutri(M) secondo la reazione: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . A differenza di altre tecniche, ad esempio , l'APCI-MS, la generazione di ioni precursori e la ionizzazione del campione sono divisi in due diversi comparti strumentali (una rappresentazione schematica dello strumento PTR-MS è riportata in figura 1 ). Una scarica elettrica mediante vapore acqueo nella fonte ionica a catodo ustione genera un fascio di ioni idronio. Dopo questa fase, gli ioni attraversano il tubo di deriva, dove avviene la ionizzazione dei VOC 7 . Ioni entrano quindi in una sezione di estrazione dell'impulso e vengono accelerati nella sezione TOF. Attraverso i tempi di volo, è possibile determinare i rapporti mass-to-charge degli ioni 8 . Ogni impulso di estrazione porta ad uno spettro di massa completo 8 della gamma m / z selezionata. Gli spettri ionici sono registrati da un sistema di acquisizione veloce 7 . Uno spettro completo è in genereAcquisite in un secondo, sebbene sia possibile ottenere una risoluzione più elevata in base al livello del segnale e del rumore e una stima quantitativa della concentrazione dello spazio di volume del VOC può essere fornita anche senza taratura 9 , 10 .
Figura 1: Schema illustrato di un PTR-MS. Rappresentazione schematica dello strumento PTR-MS. HC: sorgente ionica esterna con catodo cavo; SD: deriva della sorgente; VI, entrata a venturi; EM, moltiplicatore di elettroni; FC1-2, regolatori di flusso. Ristampato con l'autorizzazione di Boschetti et al. 7 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
I VOC associati alle matrici alimentari sono di notevole interesse per la scienza e la tecnologia alimentare a causa del loro ruolo importante nella base molecolare di fenomeni biologici legati all'odore e alla percezione del sapore e, quindi, all'accettazione degli alimenti. Quindi, il nostro interesse per il rilevamento in tempo reale e non invasivo dei VOC si riferisce principalmente alle qualità sensoriali del cibo. Inoltre, se consideriamo la possibilità di individuare i microrganismi deteriorati e patogeni mediante i VOCs liberati 13 e / o per monitorare i composti organici volatili come marcatori( Ad es. I sottoprodotti di Maillard durante i trattamenti termici) 14 , diventa chiaro come l'identificazione e la quantificazione del VOC siano settori di interesse nella gestione della qualità alimentare 6 . Diversi usi recenti di tecnologie PTR-MS per il rapido monitoraggio e la quantificazione dei VOC in matrici alimentari testimoniano l'ampia gamma di applicazioni di questi approcci analitici ( Tabella 1 ).
| Matrice alimentare | Tipo di applicazione | Breve descrizione | Riferimento |
| Burro | Screening / Caratterizzazione | Origine geografica dei burro europei | 15 |
| Yogurt | Monitoraggio del bioprocesso | Evoluzione durante l'acido lattico fermentazione | 16 |
| Barre di cereali | Misura in vivo | Nosespace durante il consumo di cereali con composizione variabile di zucchero | 17 |
| Sistemi di modelli liquidi | Condizioni orali simulate | Valutazione della pressione della lingua e delle condizioni orali in una bocca del modello | 18 |
| Mela | Misura in vivo | Nosespace durante il consumo di mela con diversi parametri genetici, strutturali e fisico-chimici | 19 |
| caffè | Screening / Caratterizzazione | Differenziazione dei caffè specializzati | 20 |
| Mosto d'uva | Screening / Caratterizzazione | Effetto del processo di cottura | 21 |
| Caramelle aromatizzate | Misura in vivo | Determinazione su pannelli che utilizzano diversiMetodi di spettrometria diretta di massa | 22 |
| prosciutto | Screening / Caratterizzazione | Effetto del sistema di allevamento di suini | 23 |
| Pane | Condizioni orali simulate | Simulare l'aroma del pane durante la masticazione | 24 |
| latte | Screening / Caratterizzazione | Monitoraggio delle modifiche dinamiche indotte dalla fotooxidazione nel latte | 25 |
| caffè | Screening / Caratterizzazione | Diversità nei caffè tostati dalle diverse origini geografiche | 26 |
| Pane | Monitoraggio del bioprocesso | Effetto di diversi avviatori di lievito durante la fermentazione alcolica | 27 |
| caffè | Misura in vivo | Nosespace durante il consumo di diverse preparazioni di caffè arrosto | 28 |
| Screening / Caratterizzazione | Impatto della posizione di produzione, del sistema produttivo e della varietà | 29 | |
| Pane | Monitoraggio del bioprocesso | Effetto della farina, del lievito e della loro interazione durante la fermentazione alcolica | 30 |
| Funghi | Screening / Caratterizzazione | Conservazione dei funghi porcini secchi | 31 |
| Yogurt | Monitoraggio del bioprocesso | Effetto delle diverse culture di avviamento durante la fermentazione lattica | 32 |
| Mela | Screening / Caratterizzazione | Diversità in una collezione di germoplasmi di mele | 33 |
| caffè | Screening / Caratterizzazione | Traccia dell'origine del caffè | 34 |
| caffè | Misura in vivo | Combinazione di aIl metodo sensoriale dinamico e l'analisi in-vivo del nosespace per comprendere la percezione del caffè | 35 |
Tabella 1: Elenco degli studi scientifici che utilizzano PTR-ToF-MS nel settore alimentare. Lista non esaustiva di studi scientifici che utilizzano approcci basati su PTR per monitorare il contenuto di COV negli esperimenti alimentari.
Negli ultimi studi abbiamo riportato l'applicazione di PTR-ToF-MS accoppiati con un sistema di campionamento automatizzato e strumenti di analisi dei dati su misura per aumentare l'automazione e l'affidabilità del campionamento e, di conseguenza, aumentare il potenziale di questa tecnica 7 , 10 , 13 . Ciò ci ha consentito di esaminare, in termini di contenuto di VOC, grandi gruppi di campioni ( ad es. Cibo di origini diverse con molti replicati, interi germoplasmi), per analizzare l'influenza di diversi modi sperimentali sul rilascio di VOC ( ad es. Concentrazioni diverseDi un determinato ingrediente, di intensità diverse di un determinato parametro tecnologico) e di monitorare i COV associati ad una data bioprocessazione ( es. Ossidazione enzimatica, fermentazione alcolica). Qui, per esemplificare il potenziale del PTR-ToF-MS nel settore agroalimentare, presentiamo tre applicazioni paradigmatiche: la rilevazione di VOC rilasciati durante la fermentazione di acido lattico di yogurt indotti da diverse culture di avviamento microbico (monitoraggio bioprocesso on-line ), Il monitoraggio dei VOC associati a varie cultivar di mele (screening su larga scala) e lo studio in vivo del rilascio di VOC Retronasal durante il caffè (analisi del nasespazio).
Protocol
Representative Results
Discussion
La spettrometria di massa di reazione al trasferimento di protoni (PTR-MS) accoppiata al tempo di volo (ToF) rappresenta un compromesso valido tra la necessità di identificazione e quantificazione dei composti organici volatili e la necessità di una rapida analisi analitica. L'alta risoluzione di massa che caratterizza l'analizzatore di massa ToF fornisce / fornisce sensibili sensibilità e spettri di massa con notevole contenuto informativo. Inoltre, l'applicazione di PTR-ToF-MS accoppiata ad un tester au…
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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