PTR-ToF-MS acoplado com um sistema automatizado da amostragem e uma análise costurada dos dados para estudos do alimento: Monitoração do Bioprocess, seleção e análise do espaço do nariz
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
A Reação de Transferência de Protons (PTR), combinada com um Espectrômetro de Massa de Tempo de Fuga (ToF) é uma abordagem analítica baseada na ionização química que pertence às tecnologias DIMS (Direct Injection Mass Spectrometric). Estas técnicas permitem a rápida determinação de compostos orgânicos voláteis (COVs), garantindo alta sensibilidade e precisão. Em geral, a PTR-MS não requer preparação de amostra nem destruição da amostra, permitindo a análise em tempo real e não invasiva das amostras. Os PTR-MS são explorados em muitos campos, desde química ambiental e atmosférica até ciências médicas e biológicas. Mais recentemente, desenvolvemos uma metodologia baseada no acoplamento de PTR-ToF-MS com um amostrador automatizado e ferramentas de análise de dados sob medida, para aumentar o grau de automação e, conseqüentemente, aumentar o potencial da técnica. Esta abordagem permitiu monitorizar bioprocessos ( por exemplo, oxidação enzimática, fermentação alcoólica), paraPor exemplo, diferentes origens, germoplasmas inteiros) e analisar vários modos experimentais ( por exemplo, diferentes concentrações de um determinado ingrediente, diferentes intensidades de um parâmetro tecnológico específico) em termos de teor de COV. Aqui apresentamos os protocolos experimentais que exemplificam diferentes aplicações possíveis de nossa metodologia: a detecção de COV liberados durante a fermentação do iogurte (monitoramento on-line de bioprocessos), o monitoramento de COVs associados a diferentes cultivares de maçã (triagem em grande escala) , Eo estudo in vivo da liberação retronasal de COV durante o consumo de café (análise de espaço nosespaço).
Introduction
As tecnologias de espectrometria de massa por injeção direta (DIMS) representam uma classe de abordagens instrumentais analíticas que oferecem considerável resolução de massa e tempo com alta sensibilidade e robustez, permitindo a rápida detecção e quantificação de compostos orgânicos voláteis (COVs) 1 . Estas abordagens instrumentais incluem, entre outros, MS-e-nose, Espectrometria de Massa de Ionização Química à Pressão Atmosférica (APCI-MS), Espectrometria de Massa de Reação de Transferência de Proton (PTR-MS) e Espectrometria de Massa de Fluxo de Ion SIFT-MS) 1 . Os prós e os contras de cada abordagem dependem: do tipo de injeção da amostra, da fonte e do controle dos íons precursores, do controle do processo de ionização e do analisador de massa 1 , 2 .
A espectrometria de massa de reação de transferência de protões (PTR-MS) foi desenvolvida há mais de vinte anos para monitorar em tempo real eOs limites de detecção baixos (geralmente alguns ppbv, parte por bilhão por volume) a maioria dos compostos orgânicos voláteis (COVs) no ar 3 , 4 . Os usos atuais do PTR-MS variam de aplicações médicas, ao controle de alimentos, à pesquisa ambiental 5 , 6 . As principais características desta técnica são: a possibilidade de medição rápida e contínua, a fonte intensa e pura de íons precursores ea possibilidade de controlar condições de ionização (pressão, temperatura e tensão de derivação). Estas características permitem combinar usos versáteis com um alto grau de padronização 1 , 4 . De facto, o método baseia-se em reacções de iões hidrónio (H 3 O + ), que induzem a transferência de protões não dissociativos na maioria dos compostos voláteis (particularmente naqueles caracterizados por uma afinidade do protão superior à água), compostos neutros protonantes(M) de acordo com a reacção: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . Em contraste com outras técnicas, por exemplo , APCI-MS, a formação de iões precursores e a ionização de amostras são divididas em dois compartimentos instrumentais diferentes (uma representação esquemática do instrumento PTR-MS é apresentada na Figura 1 ). Uma descarga eléctrica por vapor de água na fonte de iões de cátodo oco gera um feixe de iões de hidronio. Após esta fase, os íons atravessam o tubo de deriva, onde ocorre a ionização dos COVs 7 . Os íons entram em uma seção de extração de pulsos e são acelerados na seção TOF. Através dos tempos de voo, é possível determinar as relações massa-carga dos iões 8 . Cada impulso de extracção conduz a um espectro de massa completo 8 da gama m / z seleccionada. Os espectros de iões são registados por um sistema rápido de aquisição de dados 7 . Um espectro completo é tipicamenteAdquirida em um segundo, embora possa ser obtida uma resolução de tempo mais elevada de acordo com o nível de sinal para ruído e uma estimativa quantitativa da concentração de espaço de cabeça de VOC pode ser fornecida mesmo sem calibração 9,10 .
Figura 1: Ilustração esquemática de um PTR-MS. Representação esquemática do instrumento PTR-MS. HC: fonte de iões externa com cátodo oco; SD: drift fonte; VI, entrada de tipo venturi; EM, multiplicador de elétrons; FC1-2, controladores de fluxo. Reimpresso com permissão de Boschetti et al. 7 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os COVs associados às matrizes alimentares são de grande interesse na ciência e tecnologia dos alimentos devido ao seu importante papel na base molecular dos fenômenos biológicos ligados à percepção de odor e sabor e, portanto, na aceitação dos alimentos. Assim, o nosso interesse em tempo real e detecção não invasiva de COVs lida principalmente com as qualidades sensoriais dos alimentos. Além disso, se considerarmos a possibilidade de detectar microorganismos deteriorados e patogênicos por meio de COV 13 liberados e / ou monitorar compostos orgânicos voláteis como marcadores( Por exemplo, subprodutos de Maillard durante tratamentos térmicos) 14 , torna-se claro como a identificação e quantificação de COV são campos de interesse na gestão da qualidade dos alimentos 6 . Várias utilizações recentes das tecnologias PTR-MS para o rápido monitoramento e quantificação de COVs em matrizes de alimentos testemunham a ampla gama de aplicação dessas abordagens analíticas ( Tabela 1 ).
| Matriz de alimentos | Tipo de aplicação | Descrição breve | Referência |
| manteiga | Triagem / caracterização | Origem geográfica das manteigas europeias | 15 |
| Iogurte | Monitoramento de Bioprocessos | Evolução durante o ácido láctico ferMentação | 16 |
| Barras de cereais | Medição in vivo | Nosespace durante o consumo de barras de cereais com composição de açúcar variável | 17 |
| Sistemas de modelos líquidos | Condições orais simuladas | Avaliação da pressão lingual e das condições bucais em boca modelo | 18 |
| maçã | Medição in vivo | Nosespace durante o consumo de maçã com diferentes parâmetros genéticos, texturais e físico-químicos | 19 |
| Café | Triagem / caracterização | Diferenciação de cafés especiais | 20 |
| Mosto de uva | Triagem / caracterização | Efeito do processo de cozimento | 21 |
| Doces com sabor | Medição in vivo | Deliberação sobre painelistas que utilizamMétodos de espectrometria de massa direta | 22 |
| presunto | Triagem / caracterização | Efeito do sistema de criação de suínos | 23 |
| Pão | Condições orais simuladas | Simulando o aroma do pão durante a mastigação | 24 |
| Leite | Triagem / caracterização | Monitoramento de mudanças dinâmicas induzidas por fotooxidação no leite | 25 |
| Café | Triagem / caracterização | Diversidade em cafés torrados de diferentes origens geográficas | 26 |
| Pão | Monitoramento de Bioprocessos | Efeito de diferentes fermentadores durante a fermentação alcoólica | 27 |
| Café | Medição in vivo | Nosespace durante o consumo de diferentes preparações de café torrado | 28 |
| Triagem / caracterização | Impacto da localização da produção, do sistema de produção e da variedade | 29 | |
| Pão | Monitoramento de Bioprocessos | Efeito da farinha, levedura e sua interação durante a fermentação alcoólica | 30 |
| Cogumelos | Triagem / caracterização | Vida útil dos cogumelos secos porcini | 31 |
| Iogurte | Monitoramento de Bioprocessos | Efeito de diferentes culturas iniciais durante a fermentação láctica | 32 |
| maçã | Triagem / caracterização | Diversidade em uma coleção de germoplasma de maçã | 33 |
| Café | Triagem / caracterização | Rastreamento da origem do café | 34 |
| Café | Medição in vivo | Combinação de umDinâmico sensorial e in-vivo nosespace análise para entender a percepção do café | 35 |
Tabela 1: Lista de estudos científicos utilizando PTR-ToF-MS no sector alimentar. Lista não exaustiva de estudos científicos utilizando abordagens baseadas em PTR para monitorizar o conteúdo de COV em experiências relacionadas com alimentos.
Em estudos recentes, relatamos a aplicação de PTR-ToF-MS acoplado a um sistema automatizado de amostragem e ferramentas de análise de dados sob medida para aumentar a automação e confiabilidade da amostragem e, conseqüentemente, aumentar o potencial desta técnica 7,10,13. Isto permitiu analisar, em termos de teor de VOC, grandes conjuntos de amostras ( por exemplo, alimentos de diferentes origens com muitas repetições, germoplasmas inteiros), para analisar a influência de vários modos experimentais na libertação de COV ( eg diferentes concentraçõesDe um determinado ingrediente, diversas intensidades de um parâmetro tecnológico específico), e para monitorar COVs associados a um dado bioprocesso ( por exemplo, oxidação enzimática, fermentação alcoólica). Aqui, para exemplificar o potencial do PTR-ToF-MS no setor agroalimentar, apresentamos três aplicações paradigmáticas: a detecção de COV liberados durante a fermentação do ácido láctico de iogurte induzida por diferentes culturas iniciadoras microbianas (monitoramento on-line de bioprocessos ), O monitoramento de COV associado a diferentes cultivares de maçã (screening em grande escala) e o estudo in vivo da liberação retronasal de COV ao beber café (análise de espaço nosespaço).
Protocol
Representative Results
Discussion
A espectrometria de massa de reação de transferência de protões (PTR-MS) acoplada aos analisadores de massa de tempo de vôo (ToF) representa um compromisso válido entre a necessidade de identificação e quantificação de compostos orgânicos voláteis e a necessidade de perfis analíticos rápidos. A alta resolução de massa que caracteriza o analisador de massa ToF proporciona sensibilidade e espectros de massa relevantes com conteúdo informacional considerável. Além disso, a aplicação de PTR-ToF-MS acopl…
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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