PTR-ToF-MS gekoppelt mit einem automatisierten Probenahmesystem und einer maßgeschneiderten Datenanalyse für Lebensmittelstudien: Bioprozessüberwachung, Screening und Nasenraumanalyse
May 11th, 2017
Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry ermöglicht eine hochempfindliche, schnelle und nicht-invasive Analyse flüchtiger organischer Verbindungen. Um das Potenzial zu demonstrieren, geben wir drei Beispiele: Milchsäurefermentation von Joghurt (Online-Bioprozessüberwachung), verschiedene Apfelgenotypen (groß angelegtes Screening) und retronasaler Raum nach dem Kaffeetrinken (Nasenraumanalyse).
Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial von PTR-ToF-MS für die direkte Analyse flüchtiger organischer Verbindungen in der Lebensmittelwissenschaft und -technologie und insbesondere die Bedeutung einer automatisierten Probenahme und maßgeschneiderten Datenanalyse aufzuzeigen. Flüchtige organische Verbindungen spielen eine Schlüsselrolle in der Lebensmittelwissenschaft und -technologie, sowohl weil sie die Geschmacks- und Geruchswahrnehmung steuern als auch weil sie ein Werkzeug zur Überwachung der Lebensmittelqualität darstellen. Die hohe Empfindlichkeit und die schnelle und direkte Injektion machen PTRMS zu einer der besten Optionen für die Überwachung der Freisetzung flüchtiger organischer Verbindungen für die Überwachung von Bioprozessen, für das Screening großer Datensätze und für die Analyse des Nasenraums.
Wir entwickeln auch geeignete Daten und die Analysewerkzeuge, die für die ordnungsgemäße Nutzung großer und komplexer Datensätze, wie sie von PTRMS verwendet wurden, in sehr kurzer Zeit erforderlich sind. Die zukünftige Demonstration unserer Methodik kann zu Recherchen aus verschiedenen statistischen und wissenschaftlichen Bereichen wie SENSOMICS, Metabolomik, Pfadanalyse und Phonemik anregen. Um das erste Experiment zu beginnen, geben Sie fünf Milliliter pasteurisierte Milch in 20-Milliliter-Glasfläschchen, die mit PTFE-Silikonsepten ausgestattet sind.
Übertragen Sie dann die Proben in einen multifunktionalen GC-Autosampler, der mit einer Temperaturkontrollschale ausgestattet ist. Verwenden Sie den Roboterarm des Autosamplers, um die Fläschchen mit den mikrobiellen Starterkulturen zu beimpfen, stellen Sie die Inkubationszeit entsprechend der Typologie des gewünschten Prozesses und den vom Hersteller der Starterkultur gemeldeten Spezifikationen ein. Stellen Sie dann den Autosampler so ein, dass er eine Probe nach der anderen analysiert, um eine Online-Überwachung der Milchsäurefermentation während der Joghurtzubereitung zu erhalten.
Im zweiten Versuch wurden für jede Sorte mindestens fünf Äpfel in der gewünschten Reifephase ohne sichtbare Schäden ausgewählt. Lagern Sie die Äpfel für den gewünschten Zeitraum bei vier Grad Celsius. Sammeln Sie anschließend fünf zylindrische Scheiben von jedem Apfel mit einem Probenehmer mit Fleischklinge, einschließlich eines Teils des Rindengewebes, und vermeiden Sie den Kernteil mit Kernen.
Nach dem Einfrieren werden die Proben und flüssiger Stickstoff homogenisiert. Geben Sie drei Repliken von 2,5-Gramm-Apfelproben jeder Sorte in 20-Milliliter-Glasfläschchen. Mischen Sie jede Probe mit einer antioxidativen Lösung, die durch Auflösen von einem Gramm Natriumchlorid, 12,5 Milligramm Ascorbinsäure und 12,5 Milligramm Zitronensäure in 2,5 Millilitern entionisiertem Wasser erhalten wird.
Inkubieren Sie die Proben bei 40 Grad Celsius. Stellen Sie dann den Autosampler so ein, dass die flüchtigen organischen Verbindungen automatisch analysiert werden. Bereiten Sie für das letzte Experiment gebrühten Kaffee aus gemahlenen Kaffeeproben mit einer Kaffeemaschine mit sechs Tassen auf dem Herd mit 450 Millilitern Wasser und 30 Gramm Kaffeepulver zu.
Füllen Sie den gebrühten Kaffee in eine Flasche und stellen Sie die Flasche in ein 60 Grad Celsius warmes thermostatisches Wasserbad. Geben Sie das Wasserpulververhältnis, die Art des verwendeten Mineralwassers, die Art der Kaffeemaschine und das Verfahren zur Gewinnung des Kaffeegetränks an. Übertragen Sie für jeden Kaffeeaufguss 7,5 Milliliter Aliquots in einen 40-Milliliter-Polystyrolbecher mit Kunststoffverschluss.
Lassen Sie jeden Diskussionsteilnehmer das Getränk gemäß dem Protokoll probieren. Während PTR-ToF-MS kontinuierlich die Konzentration des Nasenraums über ein ergonomisches Einweg-Nasenstück aus Silikonkautschuk an der Nase jedes Panelteilnehmers abtastet. Dieses Nasenstück ist über eine PIC-Röhre mit dem PTR-ToF-MS verbunden, wobei der Teil bei Raumtemperatur mit dem Panelisten in Kontakt kommt und die verbleibende Röhre auf 110 Grad Celsius beheizt wird, sowie ein Einlassschlauch, der die Probenahmeschnittstelle mit dem Gerät verbindet.
Um Kopfraummessungen der Proben durchzuführen, injizieren Sie Luft direkt in den Kopfraum des PTRMS-Driftrohrs, indem Sie das Ende des PTRMS-Einlasses in den Probenkopfraum einführen. Stellen Sie vor und während der Messungen die folgenden Ionisationsbedingungen im Driftrohr ein und überprüfen Sie sie ständig, um ein E/N-Verhältnis von 140 Townsend zu erreichen. Wenn ein Autosampler verwendet wird, stellen Sie den minimalen Einlassdurchfluss auf 40 Standardkubikzentimeter ein.
Legen Sie die Abtastzeit pro Kanal der ToF-Erfassung auf einen Bereich des Master-Charge-Verhältnisses fest. Verwenden Sie die selbst entwickelte Software, um die Zählverluste aufgrund der Totzeit des Ionendetektors zu korrigieren und eine interne Kalibrierung, eine Rauschunterdrückung der Verbindungsanmerkung und eine Peak-Extraktion durchzuführen. Durchsuchen Sie die Daten, indem Sie prinzipielle Verbindungsanalysen, Varianzanalysen, Tukeys Post-hoc-Tests und andere statistische Analysen durchführen, bei denen vorhandene Pakete angepasst werden, die mit Matlab entwickelt wurden.
Die drei Experimente liefern Beispiele für die Anwendung unserer Methodik zur Überwachung von Bioprozessen, zum Screening von Probensätzen und zur In-vivo-Analyse des Nasenraums. Das Online-Profil flüchtiger organischer Verbindungen von Proben ergibt jede Sekunde ein vollständiges Massenspektrum und mehr als 300 Massenpeaks können in den erfassten durchschnittlichen Spektren während der Joghurtfermentation identifiziert werden. Hier wird die Fermentationskinetik von neun ausgewählten Massenpeaks während der Joghurtfermentation mit vier verschiedenen Starterkulturen gezeigt.
Die meisten dieser flüchtigen Bestandteile wiesen eine klassische mikrobielle Kinetik auf, mit einer anfänglichen Verzögerungsphase, gefolgt von einer Wachstumsphase und einer Post-Log-Phase. Interessanterweise hob die Online-Analyse eine besondere Verarmungskinetik für vier schwefelhaltige Verbindungen hervor, die bereits bei sehr geringer Konzentration eine sensorische Wirkung haben können. Das Dendrogramm, das auf flüchtigen organischen Verbindungen basiert, die mit einer großen Apfelsammlung assoziiert sind, die durch 198 Sitzungen repräsentiert wird, zeigt das Vorhandensein von sechs Hauptclustern, die hauptsächlich durch Ester und Alkohole bestimmt werden.
Hier sind die kumulativen Profile von fünf Kaffeetestern dargestellt, die mittels radialer Diagramme dargestellt werden. Die Ergebnisse zeigen das Vorhandensein reproduzierbarer und relevanter Unterschiede zwischen den Panelisten, wie sie für die Panelisten P eins und P zwei offensichtlich sind. Der Unterschied der Proben, die am meisten erprobte Methode kann zuverlässige Daten über die Freisetzung flüchtiger organischer Verbindungen liefern, die im Vergleich zu unseren Methoden in kürzerer Zeit erhalten werden können.
Die Möglichkeit, viele Proben zu messen, ist das Hauptmerkmal unseres Ansatzes. Weil es die Kontrolle und Rückverfolgung der Lebensfähigkeit biologischer Proben ermöglicht. Nach dieser Entwicklung hat sich diese Methodik für die Forscher in verschiedenen Bereichen der Überwachung flüchtiger organischer Verbindungen ausgezahlt, um den Zusammenhang zwischen ihrer Freisetzung und der Genetik und dem Screening von Populationen zu untersuchen.
Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie Sie das Potenzial von PTR-ToF-MS in der Lebensmittel- und Technologieanalyse zur Analyse der Volatilität von Früchten erkunden können. Bitte denken Sie daran, dass Proben und Messleitung während Ihres Versuchs der Luft ausgesetzt sind. Vermeiden Sie es also, einige Quellen für flüchtige organische Verbindungen einzuführen.
Ein weiterer Vorteil von PTRMS ist, dass es keine Lösungsmittel oder gefährlichen Farbstoffe verwendet und es sich um eine umweltfreundliche Chemietechnik handelt. Vergessen Sie jedoch nicht, dass Ihre Proben extrem gefährlich sein können.
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Übersicht
Diese Studie zeigt das Potenzial der Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS) für die Analyse flüchtiger organischer Verbindungen in der Lebensmittelwissenschaft. Die Methode zeichnet sich durch ihre hohe Empfindlichkeit und schnellen, nicht-invasiven Analysefähigkeiten aus.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Lebensmittelwissenschaft
- Analytische Chemie
- Flüchtige organische Verbindungen
Hintergrund
- Flüchtige organische Verbindungen sind entscheidend für die Geschmacks- und Geruchswahrnehmung in Lebensmitteln.
- Die Überwachung der Lebensmittelqualität kann durch die Analyse dieser Verbindungen erreicht werden.
- PTR-ToF-MS bietet eine direkte und schnelle Analyse, was es für verschiedene Anwendungen geeignet macht.
- Automatisierte Probenahme und maßgeschneiderte Datenanalyse erhöhen die Effektivität der Methode.
Zweck der Studie
- Um die Möglichkeiten von PTR-ToF-MS in der Lebensmittelwissenschaft und -technologie zu demonstrieren.
- Um die Bedeutung der automatisierten Probenahme in der Analyse flüchtiger Verbindungen hervorzuheben.
- Um Datenanalyse-Tools für große und komplexe Datensätze zu entwickeln.
Verwendete Methoden
- Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS).
- On-line Bioprozessüberwachung der Milchsäuregärung in Joghurt.
- Großflächiges Screening verschiedener Apfelgenotypen.
- Nasenraumanalyse nach Kaffeekonsum.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Überwachung flüchtiger organischer Verbindungen bei der Joghurtgärung.
- Effektives Screening verschiedener Apfelgenotypen für die Geschmacksprofilierung.
- Einblicke in die retronasale Raumanalyse nach Kaffeekonsum.
- Demonstration der Anwendbarkeit der Methode in verschiedenen Bereichen der Lebensmittelwissenschaft.
Schlussfolgerungen
- PTR-ToF-MS ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse flüchtiger organischer Verbindungen.
- Die Methode kann die Forschung in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen inspirieren.
- Zukünftige Anwendungen können das Verständnis von Lebensmittelqualität und sensorischer Wahrnehmung verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
PTR-ToF-MS enables real-time, non-invasive monitoring of volatile organic compounds (VOCs) in food systems, providing high-sensitivity data for flavor profiling and process monitoring. This capability supports early-stage discovery by linking VOC release to biological activity, genetic variation, or sensory perception, thereby informing target validation and lead identification in food science R&D. The integration of automated sampling and tailored data analysis enhances throughput and reproducibility, positioning the method as a scalable tool for screening large sample sets and guiding mechanistic de-risking in translational workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by correlating VOC profiles with microbial metabolism or genetic variation in model systems.
- Operational Value: Supports functional target validation through real-time monitoring of metabolic flux in fermentation or enzymatic processes.
- Predictive Confidence: Facilitates portfolio triage by identifying VOC biomarkers associated with desired sensory or quality outcomes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream VOC screening by standardizing sample preparation and headspace conditions.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility and quantitative VOC measurements across large sample sets, such as apple cultivars or coffee brews.
- Scalability: Enables high-throughput screening of germplasm or formulation variants via automated sampling and rapid mass spectral acquisition.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-phase VOC profiling to preclinical validation by demonstrating reproducible, in vivo nosespace analysis during coffee consumption.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in linking genetic or formulation variables to sensory outcomes through statistical analysis of VOC patterns (e.g., PCA, ANOVA, Tukey’s post-hoc).
- Predictive Biomarker Alignment: Identifies VOC clusters (e.g., esters, alcohols) that correlate with genetic or phenotypic traits, supporting biomarker-driven decision-making.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, particularly when VOC release serves as a functional readout of biological activity or sensory impact.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by monitoring VOC dynamics during lactic acid fermentation or enzymatic oxidation.
- Screening: Delivers assay readiness and quantitative outputs for comparing VOC profiles across genetic variants, formulation conditions, or process parameters.
- Analytics: Enables data mining via PCA, ANOVA, and post-hoc testing to compare conditions and identify significant VOC drivers.
- Translational Research: Connects in vitro fermentation or screening data to in vivo nosespace measurements, supporting continuity from discovery to sensory validation.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for VOC analysis across food science domains, reducing redundant method development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in VOC-biology relationships.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability through automated sampling and internal calibration.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, VOC-based readouts of product quality or biological performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of strains, cultivars, or formulations based on VOC fingerprinting and statistical significance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in mass spectrometry, VOC chemistry, and data analysis pipelines for compound annotation and noise reduction.
- Needs PTR-ToF-MS instrumentation with automated sampler compatibility, temperature control, and heated sampling lines for nosespace applications.
- Demands cross-team standardization of sampling protocols, incubation conditions, and data analysis workflows (e.g., Matlab-based PCA, ANOVA).
- Involves adaptation across model systems (microbial cultures, plant tissues, human subjects) with attention to sample preparation and headspace equilibration.
- Includes practical limitations such as susceptibility to airborne VOC contamination and the need for inert sampling lines to prevent compound loss or degradation.
