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

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화학

PTR-ToF-MS combinado con un sistema automatizado de muestreo y análisis de datos a medida para estudios alimentarios: monitoreo de bioprocesos, tamizaje y análisis de la nariz y el espacio

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

La Reacción de Transferencia de Protones (PTR), combinada con un Espectrómetro de Masa de Tiempo de Vuelo (ToF) es un enfoque analítico basado en la ionización química que pertenece a las tecnologías DIMS (Direct Injection Mass Spectrometric). Estas técnicas permiten la rápida determinación de compuestos orgánicos volátiles (COV), asegurando una alta sensibilidad y precisión. En general, PTR-MS no requiere preparación de muestras ni destrucción de muestras, lo que permite el análisis en tiempo real y no invasivo de las muestras. Los PTR-MS son explotados en muchos campos, desde la química ambiental y atmosférica hasta las ciencias médicas y biológicas. Más recientemente, desarrollamos una metodología basada en el acoplamiento de PTR-ToF-MS con un muestreador automatizado y herramientas de análisis de datos a medida, para incrementar el grado de automatización y, en consecuencia, potenciar el potencial de la técnica. Este enfoque nos permitió monitorear bioprocesos ( por ejemplo, oxidación enzimática, fermentación alcohólica), para examinar grandes conjuntos de muestras (Diferentes orígenes, germoplasmas enteros) y analizar varios modos experimentales ( por ejemplo, diferentes concentraciones de un ingrediente dado, diferentes intensidades de un parámetro tecnológico específico) en términos de contenido de COV. Aquí presentamos los protocolos experimentales que ejemplifican diferentes aplicaciones posibles de nuestra metodología: la detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur (monitoreo en línea de bioprocesos), el monitoreo de COVs asociados a diferentes cultivares de manzana (cribado a gran escala) , Y el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV durante el consumo de café (análisis del espacio nasal).

Introduction

Las tecnologías de espectrometría de masas de inyección directa (DIMS) representan una clase de enfoques instrumentales analíticos que ofrecen una resolución considerable de masa y tiempo con alta sensibilidad y robustez, permitiendo la rápida detección y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles ¹ . Estos enfoques instrumentales incluyen, entre otros, MS-e-nose, Espectrometría de Masa de Ionización Química a Presión Atmosférica (APCI-MS), Espectrometría de Masas de Reacción de Transferencia de Protones (PTR-MS) y Espectrometría de Masa de Tubo de Ion SIFT-MS) ¹ . Los pros y los contras de cada enfoque dependen de: el tipo de inyección de la muestra, la fuente y el control de los iones precursores, el control del proceso de ionización y el analizador de masa ¹ ^, ² .

La espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) fue desarrollada hace más de veinte años para monitorear en tiempo real y wiLos límites de detección bajos (por lo general unos pocos ppbv, parte por mil millones por volumen) la mayoría de los compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aire ³ ^, ⁴ . Los usos actuales de PTR-MS abarcan desde aplicaciones médicas hasta control de alimentos, hasta investigación ambiental ⁵ ^, ⁶ . Las principales características de esta técnica son: la posibilidad de medición rápida y continua, la fuente intensa y pura de iones precursores, y la posibilidad de controlar las condiciones de ionización (presión, temperatura y tensión de deriva). Estas características permiten combinar usos versátiles con un alto grado de estandarización ¹ ^, ⁴ . De hecho, el método se basa en reacciones de iones hidronio (H _$ ₃ ^$ O ^{$ ⁺ $} ), que inducen la transferencia de protones no disociativos en la mayoría de los compuestos volátiles (particularmente en aquellos caracterizados por una afinidad del protón superior al agua), compuestos neutros protonantes(M) de acuerdo con la reacción: H _$ ₃ ^$ O ⁺ + M → H _$ ₂ $ O + MH ^$ ⁺ ^$ . En contraste con otras técnicas, por ejemplo , APCI-MS, la generación de iones precursores y la ionización de muestras se dividen en dos compartimentos instrumentales diferentes (en la Figura 1 se muestra una representación esquemática del instrumento PTR-MS). Una descarga eléctrica por vapor de agua en la fuente de iones de cátodo hueco genera un haz de iones hidronio. Después de esta fase, los iones cruzan el tubo de deriva, donde tiene lugar la ionización de los COV ⁷ . Los iones entran entonces en una sección de extracción de impulsos y se aceleran en la sección TOF. A través de los tiempos de vuelo, es posible determinar las relaciones masa-carga de los iones ⁸ . Cada impulso de extracción conduce a un espectro de masas completo ⁸ de la gama m / z seleccionada. Los espectros de iones se registran mediante un sistema rápido de adquisición de datos ⁷ . Un espectro completo es típicamenteAdquirida en un segundo, aunque se puede lograr una mayor resolución en el tiempo de acuerdo con el nivel de se~nal a ruido y se puede proporcionar una estimación cuantitativa de la concentración de espacio de cabeza de VOC incluso sin calibración ⁹ ^, ¹⁰ .

Figura 1: Ilustración esquemática de un PTR-MS. Representación esquemática del instrumento PTR-MS. HC: fuente de iones externa con cátodo hueco; SD: derivación de la fuente; VI, entrada de tipo venturi; EM, multiplicador de electrones; FC1-2, controladores de flujo. Reproducido con permiso de Boschetti et al. ⁷ . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> En general, la técnica PTR asegura un tiempo de análisis rápido, una alta sensibilidad de detección y un tamaño de instrumento relativamente compacto, no requiere preparación de muestras ni destrucción de muestras y, por lo tanto, permite realizar investigaciones en tiempo real ¹¹ . El PTR es de considerable interés en las ciencias ambientales, atmosféricas, alimentarias, tecnológicas, médicas y biológicas ¹² .

Los COV asociados con las matrices alimentarias son de gran interés en la ciencia y tecnología de los alimentos debido a su importante papel en la base molecular de los fenómenos biológicos relacionados con la percepción del olor y el sabor y, por lo tanto, en la aceptación de los alimentos. Por lo tanto, nuestro interés en el tiempo real y la detección no invasiva de COV trata principalmente de las cualidades sensoriales de los alimentos. Además, si consideramos la posibilidad de detectar deterioro y microorganismos patógenos por medio de VOCs ¹³ liberados y / o monitorear compuestos orgánicos volátiles como marcadores follo( Por ejemplo, los subproductos de Maillard durante los tratamientos térmicos) ¹⁴ , queda claro cómo la identificación y cuantificación de COV son campos de interés en la gestión de la calidad de los alimentos ⁶ . Varios usos recientes de las tecnologías PTR-MS para el monitoreo y cuantificación rápidos de COV en matrices alimentarias demuestran el amplio rango de aplicación de estos enfoques analíticos ( Tabla 1 ).

<tD> Tomates

Matriz de alimentos	Tipo de aplicación	Breve descripción	Referencia
Mantequilla	Proyección / caracterización	Origen geográfico de las mantequillas europeas	15
Yogur	Monitoreo de Bioprocesos	Evolución durante la fermentación del ácido lácticoMentación	dieciséis
Barras de cereal	Medición in vivo	Nosespace durante el consumo de barras de cereales con composición de azúcar variable	17
Sistemas de modelos líquidos	Condiciones orales simuladas	Evaluación de la presión de la lengua y de las condiciones bucales en boca modelo	18
manzana	Medición in vivo	Nosespace durante el consumo de manzana con diferentes parámetros genéticos, texturales y físico-químicos	19
café	Proyección / caracterización	Diferenciación de cafés especiales	20
Mosto de uva	Proyección / caracterización	Efecto del proceso de cocción	21
Caramelos con sabor	Medición in vivo	Determinación de los panelistas que utilizanMétodos directos de espectrometría de masas	22
jamón	Proyección / caracterización	Efecto del sistema de cría de cerdos	23
Pan de molde	Condiciones orales simuladas	Simulación del aroma del pan durante la masticación	24
Leche	Proyección / caracterización	Control de cambios dinámicos inducidos por fotooxidación en la leche	25
café	Proyección / caracterización	Diversidad en cafés tostados de diferentes orígenes geográficos	26
Pan de molde	Monitoreo de Bioprocesos	Efecto de diferentes iniciadores de levadura durante la fermentación alcohólica	27
café	Medición in vivo	Nosespace durante el consumo de diferentes preparaciones de café tostado	28
Proyección / caracterización	Impacto de la ubicación de la producción, el sistema de producción y la variedad	29
Pan de molde	Monitoreo de Bioprocesos	Efecto de harina, levadura y su interacción durante la fermentación alcohólica	30
Hongos	Proyección / caracterización	Vida útil de setas secas de porcini	31
Yogur	Monitoreo de Bioprocesos	Efecto de diferentes cultivos iniciadores durante la fermentación láctica	32
manzana	Proyección / caracterización	Diversidad en una colección de germoplasma de manzana	33
café	Proyección / caracterización	Seguimiento del origen del café	34
café	Medición in vivo	Combinación de unEl método sensorial dinámico y el análisis in situ del espacio nasal para entender la percepción del café	35

Tabla 1: Lista de estudios científicos utilizando PTR-ToF-MS en el sector alimentario. Lista no exhaustiva de estudios científicos que utilizan enfoques basados en PTR para supervisar el contenido de COV en experimentos relacionados con los alimentos.

En estudios recientes, se informó sobre la aplicación de PTR-ToF-MS, junto con un sistema de muestreo automatizado y herramientas de análisis de datos a medida para aumentar la automatización de muestreo y la fiabilidad y, en consecuencia, para aumentar el potencial de esta técnica [ ⁷ ^, ¹⁰ ^, ^13] . Esto permitió analizar la influencia de varios modos experimentales en la liberación de COV ( por ejemplo, diferentes concentracionesDe un determinado ingrediente, diversas intensidades de un parámetro tecnológico específico), y para monitorear los COV asociados con un determinado bioproceso ( por ejemplo, oxidación enzimática, fermentación alcohólica). En este sentido, para ejemplificar el potencial de PTR-ToF-MS en el sector agroalimentario, presentamos tres aplicaciones paradigmáticas: la detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur inducida por diferentes cultivos iniciadores microbianos (monitoreo en línea de bioprocesos ), El monitoreo de COVs asociados a diferentes cultivares de manzanas (screening a gran escala) y el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV mientras se toma café (análisis del espacio nasal).

Protocol

El protocolo sigue las directrices de nuestro comité institucional sobre la ética de la investigación humana. 1. Preparación de muestras y condiciones del muestreador automático Monitoreo en línea de bioprocesos: detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur NOTA: Esta sección del protocolo representa parte del procedimiento informado por Benozzi et al. 32 Agregue 5 mL de leche pasteurizada a c…

Representative Results

El perfil volátil de las muestras dio como resultado un espectro de masas completo para el intervalo de masa deseado adquirido cada segundo. En la Figura 2 , se da un ejemplo del espectro medio adquirido durante el bioproceso en línea de yogur 32 . En cada espectro, se pueden identificar más de 300 picos de masa en el rango m / z hasta 250 Th. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp…

Discussion

La espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) acoplada a los analizadores de masa de tiempo de vuelo (ToF) representa un compromiso válido entre la necesidad de identificación y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles y la necesidad de perfiles analíticos rápidos. La alta resolución de masa que caracteriza al analizador de masas ToF proporciona sensibilidad y espectros de masas relevantes con considerable contenido informacional. Además, la aplicación de PTR-ToF-MS jun…

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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