Gıda Örneklerinde Otomatik Örnekleme Sistemi ve Özelleştirilmiş Veri Analizi ile Birleştirilen PTR-ToF-MS: Biyolojik İşlem İzleme, Tarama ve Burun Uzayı Analizi
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
Proton Transfer Reaksiyonu (PTR), Uçuş Sürüşü (ToF) Kütle Spektrometresi (MS) ile birleşince, Direkt Enjeksiyonlu Kütle Spektrometri (DIMS) teknolojilerine ait kimyasal iyonizasyona dayalı analitik bir yaklaşımdır. Bu teknikler, yüksek hassasiyet ve doğruluğu garanti eden uçucu organik bileşiklerin (VOC) hızlı bir şekilde tespit edilmesini sağlar. Genel olarak, PTR-MS, numunelerin gerçek zamanlı ve non-invaziv analizine izin veren ne numune hazırlama ne de numune imha edilmesini gerektirmez. PTR-MS, çevresel ve atmosferik kimyadan tıp ve biyoloji bilimlerine kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Daha yakın bir zamanda, otomasyon derecesini artırmak ve sonuç olarak tekniğin potansiyelini arttırmak için PTR-ToF-MS'yi otomatik bir örnekleyiciyle ve özel veri analiz araçlarıyla birleştirmeyi temel alan bir metodoloji geliştirdik. Bu yaklaşım, biyolojik işlemlerin ( örn., Enzimatik oksidasyon, alkollü fermantasyon) izlenmesini, büyük numune setlerinin taranmasını sağladı.Örneğin farklı kökenler, tüm germoplazmalar) ve VOC içeriği açısından birkaç deneysel modu (belirli bir bileşenin farklı konsantrasyonları, spesifik bir teknolojik parametrenin farklı yoğunlukları) analiz etmektir. Burada, metodolojimizin farklı muhtemel uygulamalarını örnekleyen deney protokollerini sunuyoruz: yani , yoğurtun laktik asit fermantasyonu sırasında çevrimiçi VOC'lerin saptanması (çevrimiçi biyolojik işlem izleme), farklı elma çeşitleriyle ilişkili VOC'lerin izlenmesi (büyük ölçekli tarama) Ve kahve içimi sırasında retronasal VOC salınımının in vivo çalışması (burun boşluğu analizi).
Introduction
Direkt Enjeksiyonlu Kütle Spektrometrik (DIMS) teknolojileri, yüksek hassasiyet ve dayanıklılıkla önemli miktarda ve zaman çözünürlüğü sağlayan, uçucu organik bileşiklerin (VOC) hızlı tespiti ve miktarının belirlenmesine olanak tanıyan analitik araçsal yaklaşımların bir sınıfını temsil eder 1 . Bu enstrümental yaklaşımlar, diğerlerinin yanı sıra, MS-e-burunları, Atmosferik Basınçlı Kimyasal İyonlaşma Kütle Spektrometresi (APCI-MS), Proton-Transfer-Reaksiyon Kütle Spektrometresi (PTR-MS) ve Seçilmiş İyon Akışı-Tüp Kütle Spektrometresi SIFT-MS) 1 . Her bir yaklaşımın avantaj ve dezavantajları: numune enjeksiyonunun türü, öncü iyonların kaynağı ve kontrolü, iyonizasyon sürecinin kontrolü ve kütle analizörü 1 , 2'ye bağlıdır.
Proton-transfer-reaksiyon kütle spektrometresi (PTR-MS), gerçek zamanlı ve wi'de izlemek için yirmi yıl önce daha geliştirildiHavadaki en uçucu organik bileşikler (VOC) düşük algılama limitleri (genellikle birkaç ppbv, hacimce milyarlık kısım) 3 , 4 . PTR-MS'in güncel kullanımları tıbbi uygulamalardan gıda kontrolüne, çevre araştırmalarına kadar değişmektedir 5,6 . Bu tekniğin temel özellikleri şunlardır: Hızlı ve sürekli ölçüm imkanı, yoğun ve saf ön iyonları kaynağı ve iyonizasyon koşullarını (basınç, sıcaklık ve sürüklenme gerilimi) kontrol etme olanağı. Bu özellikler, çok yönlü kullanımları yüksek standartta standartlaştırma 1 , 4 ile birleştirmeyi mümkün kılar. Aslında bu yöntem, uçucu bileşiklerin çoğunda (özellikle sudan daha yüksek bir proton çekim gücü ile nitelendirilen) dissosiyatif olmayan proton transferini tetikleyen hidronyum iyonlarının (H3O + ) tepkimelerine, proton oluşturan nötr bileşiklere(M) tepkimesine göre: H3O + + M → H2O + MH + . Diğer tekniklerden, örneğin APCI-MS'in aksine, öncü iyon üretimi ve numune iyonlaşması iki farklı alet bölmesine ayrılmıştır (PTR-MS cihazının şematik bir gösterimi Şekil 1'de verilmiştir). Hücreli katot iyon kaynağında su buharı ile elektrik boşalması, bir hidronyum iyonu ışını üretir. Bu fazdan sonra, iyonlar, VOC'lerin iyonizasyonunun gerçekleştiği sürüklenme tüpünü geçer. İyonlar daha sonra nabız atma bölümüne girer ve TOF bölümüne hızlandırılır. Uçuş zamanları boyunca iyonların kütle / yük oranı belirlenebilir 8 . Her bir ekstraksiyon pulsu, seçilen m / z aralığının 8'sinde tam bir kütle spektrumu oluşturur. İyon spektrumları hızlı bir veri toplama sistemi 7 ile kaydedilir. Tam bir spektrum tipik olarakSinyal seviyesinin gürültü seviyesine göre daha yüksek zaman çözünürlüğüne ulaşılabilmesine rağmen, bir saniyede elde edilir ve kalibrasyon 9 , 10 olmadan bile VOC üstü boşluk konsantrasyonunun kantitatif bir tahmini yapılabilir.
Şekil 1: Bir PTR-MS şematik gösterimi. PTR-MS cihazının şematik gösterimi. HC: içi boş katotlu dış iyon kaynağı; SD: kaynak kayması; VI, venturi tipi giriş; EM, elektron çarpanı; FC1-2, akış kontrolörleri. Boschetti ve diğerlerinin izniyle basılır . 7 . Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Gıda matrisleri ile ilişkili VOC'ler, koku ve lezzet algısına ve dolayısıyla gıda kabulüne bağlı biyolojik fenomenlerin moleküler temelindeki önemli rolü nedeniyle, gıda bilimi ve teknolojisinde önemli bir yere sahiptir. Dolayısıyla, gerçek zamanlı ve VOC'lerin invazif olmayan saptanması konusundaki ilgimiz ağırlıklı olarak gıda duyusal nitelikleri ile ilgilidir. Buna ek olarak, salınan VOC'ler vasıtasıyla bozulma ve patojen mikroorganizmaları tespit etme olasılığını göz önüne alırsak ve / veya uçucu organik bileşikleri, belirteç olarak izlemek için folloKanat teknolojik süreçleri ( örn. Isıl işlemler süresince Maillard yan ürünleri) 14 , gıda kalite yönetiminde VOC tanımlama ve niceleme alanları nasıl belirgin hale gelir 6 . Gıda matrislerinde VOC'lerin hızlı izlenmesi ve miktarının tespiti için PTR-MS teknolojilerinin birkaç yeni kullanımı, bu analitik yaklaşımların geniş uygulama yelpazesine değinmektedir ( Tablo 1 ).
| Gıda matrisi | Uygulama şekli | Kısa açıklama | Referans |
| Tereyağı | Eleme / karakterizasyon | Avrupa yağlarının coğrafik kökenleri | 15 |
| yoğurt | Biyoproses kontrolü | Laktik asit ferlanma | 16 |
| Tahıl barları | In vivo ölçüm | Farklı şeker kompozisyonlarına sahip hububat barlarının tüketilmesi sırasında burun boşluğu | 17 |
| Sıvı model sistemleri | Simüle oral şartlar | Bir dilin ağzında dil basıncının ve oral koşulların değerlendirilmesi | 18 |
| elma | In vivo ölçüm | Farklı genetik, dokusal ve fizikokimyasal parametrelerle tüketim esnasında burun boşluğu | 19 |
| Kahve | Eleme / karakterizasyon | Özel kahvelerin farklılaşması | 20 |
| Üzüm zorunluluğu | Eleme / karakterizasyon | Pişirme işleminin etkisi | 21 |
| Aromalı şekerler | In vivo ölçüm | Farklı kullanan panelistler üzerinde belirlemeDirekt kütle spektrometresi yöntemleri | 22 |
| jambon | Eleme / karakterizasyon | Domuz yetiştirme sisteminin etkisi | 23 |
| Ekmek | Simüle oral şartlar | Çiğneme sırasında ekmek aromasını simule etmek | 24 |
| Süt | Eleme / karakterizasyon | Sütünüzdeki fotooksidasyona bağlı dinamik değişikliklerin izlenmesi | 25 |
| Kahve | Eleme / karakterizasyon | Farklı coğrafik kökenlerden kavrulmuş kahvelerdeki çeşitlilik | 26 |
| Ekmek | Biyoproses kontrolü | Alkollü fermantasyon sırasında farklı maya başlatıcılarının etkisi | 27 |
| Kahve | In vivo ölçüm | Farklı kavrulmuş kahve müstahzarlarının tüketilmesi sırasında burun boşluğu | 28 |
| Eleme / karakterizasyon | Üretim Yerinin, Üretim Sisteminin ve Çeşitliliğin Etkisi | 29 | |
| Ekmek | Biyoproses kontrolü | Un, maya ve bunların alkollü fermantasyon sırasında etkileşimi | 30 |
| Mantarlar | Eleme / karakterizasyon | Kurutulmuş porçini mantarlarının raf ömrü | 31 |
| yoğurt | Biyoproses kontrolü | Laktik fermantasyon sırasında farklı starter kültürlerin etkisi | 32 |
| elma | Eleme / karakterizasyon | Elma germplasm koleksiyonundaki çeşitlilik | 33 |
| Kahve | Eleme / karakterizasyon | Kahve kökenli iz | 34 |
| Kahve | In vivo ölçüm | A kombinasyonuKahve algılamasını anlamak için dinamik duyu yöntemi ve canlılık içi burun boşluğu analizi | 35 |
Tablo 1: Gıda sektöründe PTR-ToF-MS kullanan bilimsel çalışmaların listesi. Gıda ile ilgili deneylerde VOC içeriğini izlemek için PTR'ye dayalı yaklaşımları kullanan bilimsel çalışmaların kapsamlı olmayan listesi.
Son araştırmalarda örnekleme otomasyonunu ve güvenilirliğini artırmak için otomatikleştirilmiş bir örnekleme sistemi ve özel veri analiz araçları ile birlikte PTR-ToF-MS'in uygulanması ve sonuç olarak bu tekniğin potansiyelini 7 , 10 ve 13 artıracağını bildirdik. Bu, çeşitli deneysel modların VOC salınımı üzerindeki etkisini analiz etmek için, VOC içeriği bakımından büyük örnek setleri ( örn. , Birçok kopya içeren farklı kökenli gıdalar, tüm germoplazmalar) taramamıza izin verildi ( örn. Farklı konsantrasyonlarBelirli bir teknolojik parametrenin çeşitli yoğunlukları) ve belirli bir biyoprosese bağlı VOC'lerin ( örn., Enzimatik oksidasyon, alkollü fermantasyon) izlenmesi. Burada, tarımsal gıda sektöründe PTR-ToF-MS'in potansiyelini örneklemek için, üç paradigma uygulaması sunuyoruz: farklı mikrobik starter kültürleri tarafından indüklenen, yoğurtta laktik asit fermantasyonu sırasında çıkan VOC'lerin tespiti (on-line bioprocess monitoring ), Farklı elma çeşitleriyle ilişkili VOC'lerin izlenmesi (büyük ölçekli tarama) ve içilen kahve (burun boşluğu analizi) sırasında retronasal VOC salımının in vivo çalışması.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uçuş zamanına (TOF) bağlı kütle spektrometrisi (PTR-MS), uçucu organik bileşiklerin tanımlanması ve miktarının belirlenmesi ve hızlı analitik profillemenin gerekliliği arasında geçerli bir uzlaşmayı temsil eder. TOF kütle özümleyicisini karakterize eden yüksek kütle çözünürlüğü, önemli bilgi içeriğiyle ilgili duyarlılık ve kütle spektrumu verir / sağlar. Ayrıca, otomatik örnekleyiciyle birleştirilmiş PTR-ToF-MS uygulaması ve otomasyon derecesini arttıran uyarlanmış veri anal…
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).
