PTR-ToF-MS Coupled with an Automated Sampling System and Tailored Data Analysis for Food Studies: Bioprocess Monitoring, Screening and Nose-space Analysis

Vittorio Capozzi; Sine Yener; Iuliia Khomenko; Brian Farneti; Luca Cappellin; Flavia Gasperi; Matteo Scampicchio; Franco Biasioli

doi:10.3791/54075

JoVE Journal > Chemistry

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

화학

PTR-ToF-MS в сочетании с автоматизированной системой отбора проб и специализированным анализом данных для пищевых исследований: мониторинг биопроцессов, скрининг и анализ носового пространства

Published: May 11, 2017

doi:

10.3791/54075

Vittorio Capozzi^2,3, Sine Yener^2,4, Iuliia Khomenko⁵, Brian Farneti, Luca Cappellin, Flavia Gasperi, Matteo Scampicchio, Franco Biasioli

¹Department of Food Quality and Nutrition, Research and Innovation Centre,Fondazione Edmund Mach (FEM), ²Faculty of Science and Technology,Free University of Bolzano, ³Department of Agriculture, Food and Environmental Sciences,University of Foggia, ⁴Institute of Analytical Chemistry & Radiochemistry,Leopold-Franzens Universität Innsbruck, ⁵Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik,Leopold-Franzens Universität Innsbruck

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

Реакция протон-переноса (PTR) в сочетании с масс-спектрометром Time-of-Flight (ToF) – это аналитический подход, основанный на химической ионизации, которая относится к технологиям с прямым впрыском масс-спектрометрии (DIMS). Эти методы позволяют быстро определять летучие органические соединения (ЛОС), обеспечивая высокую чувствительность и точность. В общем, PTR-MS не требует ни подготовки проб, ни уничтожения образцов, что позволяет проводить анализ образцов в реальном времени и неинвазивно. PTR-MS используются во многих областях, от химии окружающей среды и атмосферы до медицинских и биологических наук. В последнее время мы разработали методологию, основанную на связывании PTR-ToF-MS с автоматизированным сэмплером и специализированными инструментами для анализа данных, чтобы повысить степень автоматизации и, следовательно, повысить потенциал технологии. Этот подход позволил нам контролировать биопроцессы ( например, ферментативное окисление, спиртовое брожение) для скрининга больших наборов образцов (Например, разное происхождение, целые гермоплазмы) и проанализировать несколько экспериментальных режимов ( например, различные концентрации данного ингредиента, различные интенсивности конкретного технологического параметра) с точки зрения содержания ЛОС. Здесь мы сообщаем экспериментальные протоколы, иллюстрирующие различные возможные применения нашей методологии: обнаружение ЛОС, выделяемых при молочнокислом брожении йогурта (он-лайн мониторинг биопроцессов), мониторинг ЛОС, связанных с различными сортами яблок (крупномасштабный скрининг) , И in vivo исследование выделения ретрогранальной ЛОС во время питья кофе (анализ пространства носов).

Introduction

Технологии Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) представляют собой класс аналитических инструментальных подходов, которые обеспечивают значительное массовое и временное разрешение с высокой чувствительностью и надежностью, что позволяет быстро обнаруживать и количественно определять летучие органические соединения (ЛОС) ¹ . Эти инструментальные подходы включают среди прочего MS-e-носы, масс-спектрометрию химической ионизации при атмосферном давлении (APCI-MS), масс-спектрометрию протон-перенос-реакционную реакцию (PTR-MS) и масс-спектрометрию, SIFT-MS) ¹ . Достоинства и недостатки каждого подхода зависят от вида инъекции образца, источника и контроля ионов-предшественников, управления процессом ионизации и анализатора массы ¹ ^, ² .

Протон-трансфер-реакционная масс-спектрометрия (PTR-MS) была разработана более двадцати лет назад для мониторинга в режиме реального времени и wi(Обычно несколько ppbv, часть на миллиард по объему) наиболее летучих органических соединений (ЛОС) на воздухе ³ ^, ⁴ . В настоящее время использование PTR-MS варьируется от медицинских приложений, контроля пищевых продуктов до экологических исследований ⁵ ^, ⁶ . Главными особенностями этого метода являются: возможность быстрого и непрерывного измерения, интенсивный и чистый источник ионов-предшественников и возможность управления условиями ионизации (давление, температура и дрейфовое напряжение). Эти функции позволяют комбинировать универсальные применения с высокой степенью стандартизации ¹ ^, ⁴ . Фактически, метод основан на реакциях ионов гидрония (H ₃ O ⁺ ), которые индуцируют недиссоциативный перенос протонов в большинстве летучих соединений (особенно в тех, которые характеризуются протонным сродством выше, чем вода), протонируя нейтральные соединения(M) в соответствии с реакцией: H ₃ O ⁺ + M → H ₂ O + MH ⁺ . В отличие от других методов, например , APCI-MS, генерация предшественников и ионизация образцов делятся на два разных инструментальных отсека (схематическое изображение прибора PTR-MS приведено на рисунке 1 ). Электрический разряд водяным паром в полом катодном источнике ионов генерирует пучок ионов гидроксония. После этой фазы ионы пересекают дрейфовую трубку, где происходит ионизация ЛОС ⁷ . Затем ионы входят в секцию извлечения импульсов и ускоряются в секцию TOF. Через время полета можно определить отношения массы к заряду ионов ⁸ . Каждый импульс экстракции приводит к полному спектру масс ⁸ выбранного диапазона m / z. Спектры ионов регистрируются с помощью быстрой системы сбора данных ⁷ . Полный спектр, как правило,Полученное за одну секунду, хотя может быть достигнуто более высокое временное разрешение в зависимости от уровня сигнала и уровня шума, и количественная оценка концентрации свободного пробега ЛОС может быть обеспечена даже без калибровки ⁹ ^, ¹⁰ .

Рисунок 1: Схематическая иллюстрация PTR-MS. Схематическое изображение прибора PTR-MS. HC: внешний источник ионов с полым катодом; SD: дрейф источника; VI, входное отверстие трубки Вентури; EM, электронный умножитель; FC1-2, контроллеры потоков. Перепечатано с разрешения Boschetti et al. ⁷ . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> В общем, метод PTR обеспечивает быстрое время анализа, высокую чувствительность обнаружения и относительно компактный размер инструмента, не требует ни подготовки образца, ни разрушения образца и, таким образом, позволяет проводить исследования в реальном времени ¹¹ . ПТР представляет значительный интерес для экологических, атмосферных, пищевых, технологических, медицинских и биологических наук ¹² .

ЛОС, связанные с матрицами пищевых продуктов, представляют значительный интерес в области науки и технологии пищевых продуктов, поскольку они играют важную роль в молекулярной основе биологических явлений, связанных с восприятием запахов и вкуса и, таким образом, в принятии пищи. Таким образом, наша заинтересованность в реальном времени и неинвазивном обнаружении ЛОС в основном связана с сенсорными качествами пищи. Кроме того, если мы рассмотрим возможность обнаружения порчи и патогенных микроорганизмов с помощью высвобожденных ЛОС ¹³ и / или для мониторинга летучих органических соединений в качестве маркеров follo( Например , побочные продукты Майара во время термообработки) ¹⁴ , становится ясно, как идентификация и количественное определение ЛОС являются областями, представляющими интерес для управления качеством пищевых продуктов ⁶ . Несколько недавних применений технологий PTR-MS для быстрого мониторинга и количественной оценки ЛОС в пищевых матрицах свидетельствуют о широком диапазоне применения этих аналитических подходов ( таблица 1 ).

<tD> Томаты

Пищевая матрица	Вид применения	Краткое описание	Справка
Масло	Скрининг / характеристика	Географическое происхождение европейских масел	15
Йогурт	Мониторинг биопроцессов	Эволюция молочнокислых ферментовумонастроение	16
Зерновые батончики	Измерение in vivo	Носовое пространство при потреблении зерновых батончиков с различным составом сахара	17
Жидкие модельные системы	Моделируемые оральные состояния	Оценка давления языка и состояния полости рта в модельном рте	18
яблоко	Измерение in vivo	Носовое пространство во время потребления яблока с различными генетическими, текстуальными и физико-химическими параметрами	19
Кофе	Скрининг / характеристика	Дифференциация специальных сортов кофе	20
Виноградное сусло	Скрининг / характеристика	Влияние процесса варки	21
Ароматизированные конфеты	Измерение in vivo	Определение участников дискуссии с использованием различныхМетоды прямой масс-спектрометрии	22
ветчина	Скрининг / характеристика	Влияние системы выращивания свиней	23
Хлеб	Моделируемые оральные состояния	Имитация аромата хлеба во время жевания	24
Молоко	Скрининг / характеристика	Мониторинг вызванных фотоокислением динамических изменений в молоке	25
Кофе	Скрининг / характеристика	Разнообразие в поджаренном кофе из разных географических регионов	26
Хлеб	Мониторинг биопроцессов	Влияние различных стартеров дрожжей при спиртовом брожении	27
Кофе	Измерение in vivo	Носовое пространство во время употребления различных жареных кофейных препаратов	28
Скрининг / характеристика	Влияние местоположения производства, производственной системы и разнообразия	29
Хлеб	Мониторинг биопроцессов	Влияние муки, дрожжей и их взаимодействия во время спиртового брожения	30
грибы	Скрининг / характеристика	Срок годности сушеных белых грибов	31
Йогурт	Мониторинг биопроцессов	Влияние разных стартовых культур при молочной ферментации	32
яблоко	Скрининг / характеристика	Разнообразие в коллекции яблочной зародышевой плазмы	33
Кофе	Скрининг / характеристика	Отслеживание происхождения кофе	34
Кофе	Измерение in vivo	СочетаниеДинамический сенсорный метод и in-vivo анализ носового пространства, чтобы понять восприятие кофе	35

Таблица 1: Список научных исследований с использованием PTR-ToF-MS в пищевой промышленности. Неисчерпывающий перечень научных исследований с использованием подходов, основанных на ПТР, для контроля содержания ЛОС в экспериментах, связанных с пищевыми продуктами.

В последних исследованиях мы сообщали о применении PTR-ToF-MS в сочетании с автоматизированной системой отбора проб и специализированными инструментами для анализа данных, чтобы повысить автоматизацию и надежность выборки и, следовательно, повысить потенциал этой методики ⁷ ^, ¹⁰ ^, ¹³ . Это позволило нам проанализировать влияние нескольких экспериментальных режимов на высвобождение ЛОС (с точки зрения содержания ЛОС) в больших наборах проб ( например, пищевых продуктов разного происхождения с большим количеством повторов, целых гермоплазмов)От определенного ингредиента, различной интенсивности конкретного технологического параметра) и контролировать ЛОС, связанные с данным биопроцессом ( например, ферментативное окисление, спиртовое брожение). Здесь, для того, чтобы продемонстрировать потенциал PTR-ToF-MS в агропродовольственном секторе, мы представляем три парадигматических приложения: обнаружение ЛОС, выделяемых при молочнокислом ферментации йогурта, вызванного различными культурами микробных заквасок (on-line bioprocess monitoring ), Мониторинг ЛОС, связанный с различными сортами яблок (крупномасштабный скрининг), и исследование in vivo выделения ретрогранальной ЛОС во время питья кофе (анализ носового пространства).

Protocol

Протокол следует принципам нашего институционального комитета по этике исследований человека. 1. Подготовка образца и условия автоматического пробоотборника Онлайновый мониторинг биопроцессов: обнаружение летучих органических соединений, выделяемых при молочнокисл?…

Representative Results

Летучий профиль образцов приводил к полному спектру масс для желаемого диапазона масс, получаемого каждую секунду. На рис. 2 приведен пример полученного усредненного спектра во время биопроцесса он-лайн йогурта. 32 . В каждом спектре может быть…

Discussion

Массовые анализаторы реакции переноса протонов (PTR-MS), связанные с масс-анализаторами времени пролета (ToF), представляют собой эффективный компромисс между необходимостью идентификации и количественной оценки летучих органических соединений и необходимостью быстрого аналитического …

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Capozzi, V., Yener, S., Khomenko, I., Farneti, B., Cappellin, L., Gasperi, F., Scampicchio, M., Biasioli, F. PTR-ToF-MS Coupled with an Automated Sampling System and Tailored Data Analysis for Food Studies: Bioprocess Monitoring, Screening and Nose-space Analysis. J. Vis. Exp. (123), e54075, doi:10.3791/54075 (2017).