PTR-ToF-MS gekoppeld aan een geautomatiseerd bemonsteringssysteem en aangepaste data-analyse voor voedingsstudies: Bioproces Monitoring, Screening en Neusruimte Analyse
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 Reaction (PTR), gecombineerd met een Time-of-Flight (ToF) Mass Spectrometer (MS) is een analytische aanpak gebaseerd op chemische ionisatie die behoort tot de Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologieën. Deze technieken laten de snelle bepaling van vluchtige organische verbindingen (VOC's) toe, waardoor hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid worden gewaarborgd. In het algemeen vereist PTR-MS geen monsterbereiding of steekproefvernietiging, waardoor realtime en niet-invasieve analyse van monsters mogelijk is. PTR-MS worden uitgebuit op vele gebieden, van milieu- en atmosferische chemie naar de medische en biologische wetenschappen. Meer recent ontwikkelden we een methodologie op basis van koppeling PTR-ToF-MS met een geautomatiseerde sampler en op maat gemaakte data analyse tools, om de mate van automatisering te verhogen en derhalve het potentieel van de techniek te vergroten. Deze aanpak liet ons toezicht op bioprocessen ( bijv. Enzymatische oxidatie, alcoholische fermentatie), om grote steekproefsetjes te screenen (Bijv. Verschillende herkomst, gehele germoplasma's) en analyseren verschillende experimentele modi ( bijv. Verschillende concentraties van een bepaald ingrediënt, verschillende intensiteiten van een specifieke technologische parameter) in termen van VOC-inhoud. Hierbij rapporteren we de experimentele protocollen die verschillende mogelijke toepassingen van onze methodologie illustreren: de detectie van VOC's die worden vrijgelaten tijdens de melkzuurfermentatie van yoghurt (on-line bioprocesmonitoring), de monitoring van VOC's die verband houden met verschillende appelcultivars (grootschalige screening) , En de in vivo studie van retronasale VOC release tijdens koffie drinken (nosespace analyse).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologieën vormen een klasse van analytische instrumentale benaderingen die aanzienlijke massa- en tijdresolutie bieden met hoge gevoeligheid en robuustheid, waardoor de snelle detectie en kwantificering van vluchtige organische verbindingen (VOC's) 1 mogelijk zijn . Deze instrumentale benaderingen omvatten onder andere MS-e-noses, atmosferische-druk chemische ionisatie massaspectrometrie (APCI-MS), proton-transfer-reactie massaspectrometrie (PTR-MS) en geselekteerde Ion-Flow-Tube Massaspectrometrie ( SIFT-MS) 1 . De voordelen en nadelen van elke aanpak zijn afhankelijk van: het soort monsterinjectie, de bron en de controle van precursor ionen, de controle van het ionisatieproces en de massaanalysator 1 , 2 .
Proton-overdracht-reactie massaspectrometrie (PTR-MS) is meer dan twintig jaar geleden ontwikkeld om in real-time en wiDe lage detectiegrenzen (meestal een paar ppbv, deel per miljard in volume) de meeste vluchtige organische verbindingen (VOC's) in lucht 3 , 4 . Huidig gebruik van PTR-MS varieert van medische toepassingen, naar voedselcontrole, naar milieuonderzoek 5 , 6 . De belangrijkste kenmerken van deze techniek zijn: de mogelijkheid van snelle en continue meting, de intense en zuivere bron van precursor ionen, en de mogelijkheid om ioniseringsomstandigheden (druk, temperatuur en drijfspanning) te beheersen. Deze functies maken het mogelijk veelvoudige toepassingen te combineren met een hoge mate van standaardisatie 1 , 4 . In feite is de methode gebaseerd op reacties van hydroniumionen (H3O + ), die niet-dissociatieve protonoverdracht in de meeste vluchtige verbindingen veroorzaken (in het bijzonder bij die die worden gekenmerkt door een protonaffiniteit hoger dan water), protonerende neutrale verbindingen(M) volgens de reactie: H3O + + M → H20 + MH + . In tegenstelling tot andere technieken, bijvoorbeeld APCI-MS, precursor iongeneratie en monster ionisatie zijn verdeeld in twee verschillende instrumentale compartimenten (een schematische weergave van het PTR-MS instrument is gegeven in Figuur 1 ). Een elektrische ontlading door waterdamp in de holle kathode ionbron genereert een bundel hydroniumionen. Na deze fase overschrijden ionen de drijfbuis, waar de ionisatie van VOC's plaatsvindt 7 . Ionen dan een puls extractie sectie en worden versneld in de TOF sectie. Via vluchttijden is het mogelijk om de massa-op-ladingverhoudingen van de ionen 8 te bepalen . Elke extractiepuls leidt tot een compleet massaspectrum 8 van het geselecteerde m / z bereik. Ion-spectra worden opgenomen door een snel data-acquisitie systeem 7 . Een volledig spectrum is typischVerworven in een seconde, alhoewel hogere tijdresolutie kan worden bereikt volgens het signaal naar het geluidsniveau en een kwantitatieve schatting van de VOC-hoofdruimteconcentratie kan zelfs zonder kalibratie 9 , 10 worden verschaft.
Figuur 1: Schematische illustratie van een PTR-MS. Schematische weergave van het PTR-MS instrument. HC: externe ionbron met holle kathode; SD: source drift; VI, venturi-type inlaat; EM, elektronenvermenigvuldiger; FC1-2, flow controllers. Reprinted met toestemming van Boschetti et al. 7 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
VOC's die verband houden met voedingsmatrices hebben een uitstekende interesse in voedselwetenschappen en technologie vanwege hun belangrijke rol in de moleculaire basis van biologische fenomenen die verband houden met geur- en smaakperspectie en dus bij voedselacceptatie. Vandaar dat onze interesse in real-time en niet-invasieve detectie van VOC's vooral betrekking heeft op sensorische kwaliteiten van voedsel. Bovendien, als we de mogelijkheid beschouwen om spoilage en pathogene micro-organismen te detecteren door middel van vrijgegeven VOC's 13 en / of om vluchtige organische verbindingen te monitoren als markers folloVleugel technologische processen ( bijv. Maillard bijproducten tijdens thermische behandelingen) 14 , wordt duidelijk hoe VOC identificatie en kwantificering belanghebbende gebieden zijn in voedselkwaliteit management 6 . Verscheidene recente toepassingen van PTR-MS-technologieën voor het snel monitoren en kwantificeren van VOC's in voedingsmatrices getuigen van het brede toepassingsgebied van deze analytische benaderingen ( tabel 1 ).
| Food matrix | Soort aanvraag | Korte beschrijving | Referentie |
| Boter | Screening / karakterisatie | Geografische oorsprong van Europese boters | 15 |
| Yoghurt | Bioproces monitoring | Evolutie tijdens melkzuurlegging | 16 |
| Graanrepen | In vivo meting | Nosespace tijdens consumptie van graangewassen met wisselende suiker samenstelling | 17 |
| Vloeibare modelsystemen | Gesimuleerde mondelinge aandoeningen | Evaluatie van de tongdruk en de mondelinge condities in een modelmond | 18 |
| appel | In vivo meting | Nosespace tijdens consumptie appel met verschillende genetische, texturale en fysicochemische parameters | 19 |
| Koffie | Screening / karakterisatie | Differentiatie van speciale koffies | 20 |
| Druivenmost | Screening / karakterisatie | Effect van het koken proces | 21 |
| Gegeurde snoepjes | In vivo meting | Bepaling op panelisten die anders gebruikenDirecte massaspectrometrische methoden | 22 |
| Ham | Screening / karakterisatie | Effect van het varkensopvangsysteem | 23 |
| Brood | Gesimuleerde mondelinge aandoeningen | Simuleren van broodaroma tijdens masticatie | 24 |
| Melk | Screening / karakterisatie | Monitoring van fotooxidatie-geïnduceerde dynamische veranderingen in melk | 25 |
| Koffie | Screening / karakterisatie | Diversiteit in geroosterde koffie uit verschillende geografische afkomst | 26 |
| Brood | Bioproces monitoring | Effect van verschillende gistbeginners tijdens alcoholische fermentatie | 27 |
| Koffie | In vivo meting | Nosespace tijdens het verbruik van verschillende geroosterde koffiebereidingen | 28 |
| Screening / karakterisatie | Impact van productieplaats, productiesysteem en verscheidenheid | 29 | |
| Brood | Bioproces monitoring | Effect van bloem, gist en hun interactie tijdens alcoholische fermentatie | 30 |
| champignons | Screening / karakterisatie | Houdbaarheid van gedroogde porcini paddestoelen | 31 |
| Yoghurt | Bioproces monitoring | Effect van verschillende starterculturen tijdens lactische fermentatie | 32 |
| appel | Screening / karakterisatie | Diversiteit in een appel germplasm collectie | 33 |
| Koffie | Screening / karakterisatie | Opsporen van koffie oorsprong | 34 |
| Koffie | In vivo meting | Combinatie van eenDynamische sensorische methode en in-vivo nosespace analyse om de perceptie van koffie te begrijpen | 35 |
Tabel 1: Lijst van wetenschappelijke studies met behulp van PTR-ToF-MS in de voedingssector. Niet-exhaustieve lijst van wetenschappelijke studies met behulp van PTR-gebaseerde benaderingen om VOC-inhoud in voedselgerelateerde experimenten te controleren.
In recente studies hebben we gerapporteerd over de toepassing van PTR-ToF-MS in combinatie met een geautomatiseerd bemonsteringssysteem en aangepaste data analyse tools om de bemonstering automatisering en betrouwbaarheid te vergroten en derhalve het potentieel van deze techniek 7 , 10 , 13 te verbeteren. Hierdoor kunnen we, in termen van VOC-inhoud, grote monsters ( bijv. Voedsel van verschillende oorsprong met veel replicaten, hele germoplasma's) screenen om de invloed van diverse experimentele modi op VOC-vrijlating te analyseren ( bijv. Verschillende concentratiesVan een bepaald ingrediënt, verschillende intensiteiten van een specifieke technologische parameter), en om VOC's te controleren die geassocieerd zijn met een bepaalde bioproces ( bijv. Enzymatische oxidatie, alcoholische fermentatie). Om het potentieel van PTR-ToF-MS in de agro-voedingssector te illustreren, presenteren we hier drie paradigmatische toepassingen: de detectie van VOC's die worden vrijgelaten tijdens de melkzuurgisting van yoghurt geïnduceerd door verschillende microbiële startculturen (online bioprocesmonitoring ), De monitoring van VOC's in verband met verschillende appelcultivars (grootschalige screening) en de in vivo studie van retronasale VOC-vrijlating tijdens het drinken van koffie (nosespace-analyse).
Protocol
Representative Results
Discussion
Proton-transfer-reactie-massaspectrometrie (PTR-MS) gekoppeld aan tijdstip van vlucht (ToF) massaanalysatoren vormen een geldig compromis tussen de noodzaak tot identificatie en kwantificering van vluchtige organische verbindingen en de noodzaak voor snelle analytische profilering. De hoge massa resolutie die de ToF massanalysator kenmerkt geeft relevante gevoeligheid en massaspectra met aanzienlijke informatief inhoud. Bovendien verhoogt de toepassing van PTR-ToF-MS in combinatie met een auto-sampler en op maat gemaakt…
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).
