自動サンプリングシステムと連携したPTR-ToF-MSおよび食品研究用のカスタマイズされたデータ解析：バイオプロセスモニタリング、スクリーニングおよびノーズスペース分析
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
プロトン移動反応（PTR）は飛行時間型（TOF）質量分析計（MS）と組み合わせて、直接イオン注入質量分析（DIMS）技術に属する化学イオン化に基づく分析アプローチです。これらの技術は、揮発性有機化合物（VOCs）の迅速な測定を可能にし、高い感度と精度を保証します。一般に、PTR-MSは、試料の調製も試料の破壊も必要とせず、試料のリアルタイムおよび非侵襲的分析を可能にする。 PTR-MSは、環境および大気化学から医学および生物科学に至るまで、多くの分野で利用されています。より最近では、オートサンプリングの度合いを高め、結果として技術の可能性を高めるために、PTR-ToF-MSを自動サンプラーとテーラードデータ解析ツールと結合した方法論を開発しました。このアプローチにより、バイオプロセス（ 例えば、酵素酸化、アルコール発酵）を監視し、大きなサンプルセットをスクリーニングすることができたVOC含有量に関していくつかの実験モード（ 例えば 、特定の成分の異なる濃度、特定の技術的パラメータの異なる強度）を分析することが可能である（ 例えば 、異なる起源、全生殖胞）。ここでは、ヨーグルトの乳酸発酵中に放出されるVOCの検出（オンラインバイオプロセスモニタリング）、異なるリンゴ品種（大規模スクリーニング）に関連するVOCのモニタリング、 、およびコーヒー飲用中のレトロナサルVOC放出のインビボ研究（鼻腔の分析）が含まれる。
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric（DIMS）技術は、揮発性有機化合物（VOCs）の迅速な検出と定量化を可能にする、高感度で堅牢な質量分析と時間分解能を提供する分析装置アプローチの一種です。これらの器械的アプローチには、とりわけ、MS-e-鼻、大気圧化学イオン化質量分析（APCI-MS）、プロトン移動反応質量分析（PTR-MS）、および選択イオンフローチューブ質量分析SIFT-MS） 1 。各アプローチの賛否両論は、サンプル注入の種類、前駆イオンの供給源と制御、イオン化プロセスの制御、質量分析器1,2によって決まります。
プロトン移動反応質量分析（PTR-MS）は、20年以上前にリアルタイムおよびウィ大気中の最も揮発性の有機化合物（VOCs） 3、4 。 PTR-MSの現在の用途は、医療用途から食品管理、環境調査までである 5,6 。この技術の主な特徴は、迅速かつ連続的な測定の可能性、前駆体イオンの強力で純粋な供給源、およびイオン化条件（圧力、温度およびドリフト電圧）を制御する可能性である。これらの機能により、汎用性の高い用途と高度な標準化の組み合わせが可能になります。実際、この方法は、ほとんどの揮発性化合物（特にプロトン親和力が水より高いもの）において非解離性プロトン移動を誘発するヒドロニウムイオン（H 3 O + ）の反応に基づいており、プロトン化中性化合物H 3 O + + M→H 2 O + MH +の反応に従う。 APCI-MS などの他の技術とは対照的に、プリカーサーイオン生成とサンプルイオン化は、2つの異なる機器区画に分かれています（PTR-MS機器の概略図は図1に示されています ）。中空カソードイオン源内の水蒸気による放電は、ヒドロニウムイオンのビームを生成する。この段階の後、イオンはドリフト管を横切り、そこでVOCのイオン化が行われる。イオンはパルス抽出セクションに入り、TOFセクションに加速されます。飛行時間を通して、イオン8の質量電荷比を決定することが可能である。各抽出パルスは、選択されたm / z範囲の完全な質量スペクトル8をもたらす。イオンスペクトルは、高速データ収集システム7によって記録される。完全なスペクトルは典型的には信号対雑音レベルに応じてより高い時間分解能を達成することができるが、VOCヘッドスペース濃度の定量的推定は、較正9,10なしでも提供することができるが、1秒で取得することができる。
図1： PTR-MSの概略 図 。 PTR-MS装置の模式図。 HC：中空カソードを有する外部イオン源; SD：ソースドリフト。 VI、ベンチュリ型入口; EM、電子増倍管; FC1-2、フローコントローラ。 Boschetti らの許可を得て転載。 7 。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
食物マトリックスに関連するVOCは、臭気および風味の知覚に関連した生物学的現象の分子的基盤における重要な役割のために、食品科学技術に非常に関心が高い。したがって、VOCのリアルタイムおよび非侵襲的検出への関心は、主に食物の感覚的性質を扱う。さらに、放出されたVOC13によって腐敗および病原性微生物を検出する可能性、および/または揮発性有機化合物をマーカーとしてモニタリングする可能性を考慮すると（ 例えば 、熱処理中のメイラード副産物） 14 、VOCの同定と定量化が食品品質管理における関心のある分野であることは明らかである6 。食品マトリックス中のVOCの迅速なモニタリングと定量化のためのPTR-MS技術の最近の使用例では、これらの分析手法の適用範囲が広いことが証明されています（ 表1 ）。
| 食品マトリックス | 申請の種類 | 簡単な説明 | 参照 |
| バター | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 欧州バターの地理的起源 | 15 |
| ヨーグルト | バイオプロセスモニタリング | 乳酸中の進化指導 | 16 |
| シリアルバー | インビボ測定 | 砂糖組成の異なるシリアルバーの消費中の鼻空間 | 17 |
| 液体モデルシステム | シミュレートされた口頭条件 | モデル口における舌圧および口腔状態の評価 | 18 |
| 林檎 | インビボ測定 | 異なる遺伝的、組織的および物理化学的パラメータを有するリンゴを消費する間の鼻腔 | 19 |
| コーヒー | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 専門コーヒーの差別化 | 20 |
| ブドウは必須です | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 調理プロセスの効果 | 21 |
| 風味のあるキャンディー | インビボ測定 | 異なるパネルを使用したパネリストの決定直接質量分析法 | 22 |
| ハム | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 養鶏システムの効果 | 23 |
| パン | シミュレートされた口頭条件 | 咀嚼中のパンの香りをシミュレートする | 24 |
| 牛乳 | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 光酸化に起因するミルクの動的変化のモニタリング | 25 |
| コーヒー | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 異なった地理的起源のローストコーヒーの多様性 | 26 |
| パン | バイオプロセスモニタリング | アルコール発酵中の異なる酵母スターターの効果 | 27 |
| コーヒー | インビボ測定 | 異なる焙煎コーヒー調製物の摂取中の鼻腔 | 28 |
| スクリーニング/キャラクタリゼーション | 生産場所、生産システム、およびバラエティの影響 | 29 | |
| パン | バイオプロセスモニタリング | アルコール発酵中の小麦粉、酵母およびその相互作用の影響 | 30 |
| きのこ | スクリーニング/キャラクタリゼーション | 乾燥ポルチーニキノコの賞味期限 | 31 |
| ヨーグルト | バイオプロセスモニタリング | 乳酸発酵中の様々なスターター培養の影響 | 32 |
| 林檎 | スクリーニング/キャラクタリゼーション | リンゴgermplasmコレクションの多様性 | 33 |
| コーヒー | スクリーニング/キャラクタリゼーション | コーヒーの原点を追跡する | 34 |
| コーヒー | インビボ測定 | の組み合わせコーヒーの知覚を理解するための動的感覚法と生体内鼻空間解析 | 35 |
表1：食品分野におけるPTR-ToF-MSを用いた科学的研究のリスト。食品関連の実験でVOC含有量を監視するPTRベースのアプローチを使用した科学研究の非網羅的なリスト。
最近の研究では、自動サンプリングシステムと組み合わせたPTR-ToF-MSの適用と、サンプルの自動化と信頼性を高め、結果としてこの技術の可能性を高めた7,10,13のデータ解析ツールについて報告しました。これにより、VOC含有量に関して、VOC放出に対するいくつかの実験モードの影響を分析するために、VOC含有量に関して、大きなサンプルセット（ 例えば 、多数の複製物、全生殖胞を有する異なる起源の食品）をスクリーニングすることができた特定の技術パラメータの多様な強度）、および所与のバイオプロセスに関連するVOC（ 例えば、酵素酸化、アルコール発酵）を監視することができる。ここでは、農業食品分野におけるPTR-ToF-MSの可能性を例示するために、異なる微生物スターター培養物によって誘発されたヨーグルトの乳酸発酵中に放出されるVOCの検出（オンラインバイオプロセスモニタリング）、異なるリンゴ品種（大規模スクリーニング）に関連するVOCのモニタリング、コーヒー飲用中の鼻孔VOC放出のインビボ研究（鼻腔分析）。
Protocol
Representative Results
Discussion
飛行時間型（ToF）質量分析計に結合されたプロトン移動反応 – 質量分析（PTR-MS）は、揮発性有機化合物の同定および定量化の必要性と迅速な分析プロファイリングの必要性の間の有効な妥協点である。 ToF質量分析器を特徴付ける高質量分解能は、相当な情報コンテンツを伴う関連する感度および質量スペクトルを与える/提供する。さらに、PTR-ToF-MSをオートサンプラーと組み合わせ、オート?…
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).
