PTR-ToF-MS 联用自动采样系统及定制化数据分析在食品研究中的应用：生物过程监测、筛选与鼻腔空间分析

本文的总体目标是展示PTR-ToF-MS在食品科学与技术领域中直接分析挥发性有机化合物的潜力，特别是自动化采样和定制化数据分析的重要性。挥发性有机化合物在食品科学与技术中起着关键作用，不仅因为它们控制着食品的风味和气味感知，还因为它们为食品质量的监测提供了有效工具。PTRMS具有高灵敏度、快速性和直接进样能力，使其成为生物过程监测中挥发性有机化合物释放监测、大规模数据集筛选以及鼻腔空间分析的最佳选择之一。

我们还开发了适当的数据及分析工具，这些工具对于充分挖掘和利用大规模复杂数据集至关重要，例如PTRMS在极短时间内所使用的数据集。我们方法的未来应用有望启发来自不同统计学和科学领域的研究，如感官组学（SENSOMICS）、代谢组学、通路分析和语音学等。开始第一个实验时，将5毫升巴氏灭菌牛奶加入配有聚四氟乙烯硅胶隔垫的20毫升玻璃小瓶中。

然后将样品转移至配备温控托盘的多功能气相色谱自动进样器中。利用自动进样器的机械臂将微生物发酵剂接种到样品瓶中，根据目标工艺类型及发酵剂生产商提供的技术参数设定培养时间。随后设置自动进样器依次将样品导入分析仪，实现对酸奶制备过程中乳酸发酵的在线挥发性有机化合物监测。

第二个实验需选择至少五个处于所需成熟阶段且无可见损伤的苹果，每个品种分别选取。将苹果在4°C条件下贮存所需的时间。随后，使用果肉取样器从每个苹果中采集五个圆柱形样品，样品需包含部分皮层组织，并避开带有种子的果心部分。

将样品在液氮中冷冻后进行均质。从每个品种中取三份2.5克的苹果样品，放入20毫升的玻璃小瓶中。将每份样品与抗氧化溶液混合，该抗氧化溶液由1克氯化钠、12.5毫克抗坏血酸和12.5毫克柠檬酸溶于2.5毫升去离子水中制得。

将样品在 40 摄氏度下孵育。然后设置自动进样器以自动分析挥发性有机化合物。在最后一次实验中，使用 450 毫升水和 30 克咖啡粉，通过六杯容量的炉顶式咖啡壶制备冲泡咖啡。

将冲泡好的咖啡转移至瓶中，并将瓶子放入60摄氏度的恒温水浴中。记录水粉比、所用矿泉水类型、咖啡机类型以及制备咖啡饮品所采用的步骤。每次冲泡咖啡后，取7.5毫升等分试样转移至带塑料盖的40毫升聚苯乙烯杯中。

让每位受试者按照方案品尝饮料。在此期间，PTR-ToF-MS 通过一次性人体工学硅胶鼻件持续采集每位受试者鼻腔空间的浓度，鼻件连接于受试者鼻部。该鼻件通过一根 PIC 管与 PTR-ToF-MS 相连，其中与受试者接触的部分保持室温，其余管路加热至 110 摄氏度，并通过一根进样软管将采样接口与仪器连接。

为进行样品的顶空检测，将PTRMS进样管末端插入样品顶空部分，直接将空气注入PTRMS漂移管的顶空区域。在测量前及测量过程中，设定并持续确认漂移管内的电离条件，使E/N比值达到140托（Townsend）。若使用自动进样器，应将最小进样流量设置为40标准立方厘米。

将飞行时间采集的每个通道的采样时间设置为主电荷比范围。使用自行开发的软件校正由于离子探测器死时间引起的计数损失，并进行内标校准、化合物注释、噪声降低和峰提取。通过执行主成分分析、方差分析、Tukey 事后检验以及其他统计分析，利用基于 Matlab 开发的现有工具包进行数据挖掘。

这三个实验展示了我们的方法在生物过程监测、样本集筛选以及体内鼻腔空间分析中的应用实例。样品的在线挥发性有机化合物谱图每秒提供一次完整的质谱，酸奶发酵过程中获取的平均谱图可识别出超过 300 个质谱峰。此处展示了使用四种不同发酵剂培养物进行酸奶发酵时，九个选定质谱峰的发酵动力学。

这些挥发性物质大多表现出典型的微生物样动力学特征，即初始滞后期，随后是生长期和对数后期。有趣的是，在线分析揭示了四种含硫化合物具有特殊消耗动力学特征，即使在极低浓度下也可能产生感官效应。基于与包含198个样品的大规模苹果品系相关的挥发性有机化合物所构建的树状图，显示出主要由酯类和醇类决定的六个主要聚类。

此处展示了五位咖啡品鉴人员的累积特征图谱，以径向图表示。结果表明，品鉴人员之间存在可重复且显著的差异，例如品鉴人员 P1 和 P2 之间的差异。对于样品差异，最常采用的方法可提供有关挥发性有机化合物释放的可靠数据，而与我们的方法相比，这些数据可在更短的时间内获得。

能够测量大量样本是我们方法的关键特征，因为它可以控制并追踪生物样本的活性。在此发展之后，该方法学为挥发性有机化合物监测相关领域的研究人员提供了极大帮助，使他们能够探索挥发性有机物释放与遗传学之间的关联，并开展群体筛选。

观看本视频后，您应能充分了解如何利用PTR-ToF-MS探索其在食品与技术分析中对水果挥发性物质的分析潜力。请注意，在实验过程中样品和测量管线会暴露于空气中，因此应避免引入任何挥发性有机化合物的来源。

PTRMS 的另一个优势在于其无需使用溶剂或有害染料，是一种绿色化学技术。但请务必注意，您的样品可能具有极高的危险性。