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
May 11th, 2017
Proton Transfer Reaction Time of Flight permite el análisis de compuestos orgánicos volátiles, rápido y no invasivo. Para demostrar su potencial, ponemos tres ejemplos: la fermentación láctica del yogur (monitorización on-line de bioprocesos), diferentes genotipos de manzana (cribado a gran escala) y el espacio retronasal tras beber café (análisis del espacio nasal).
El objetivo general de este artículo es demostrar el potencial de PTR-ToF-MS para el análisis directo de compuestos orgánicos volátiles en la ciencia y la tecnología de los alimentos y, en particular, la importancia del muestreo automatizado y el análisis de datos personalizado. Los compuestos orgánicos volátiles desempeñan un papel clave en la ciencia y la tecnología de los alimentos, tanto porque controlan la percepción del sabor y el olor como porque proporcionan una herramienta para el seguimiento de la calidad de los alimentos. La alta sensibilidad y la inyección rápida y directa hacen de PTRMS una de las mejores opciones para el monitoreo de la liberación de compuestos orgánicos volátiles para el monitoreo de bioprocesos, para el cribado de grandes conjuntos de datos y para el análisis del espacio nasal.
También desarrollamos los datos adecuados y las herramientas de análisis que son necesarias para la explotación adecuada de conjuntos de datos grandes y complejos como los que utilizó PTRMS en muy poco tiempo. La demostración futura de nuestra metodología puede inspirar búsquedas de diferentes campos estadísticos y científicos como SENSOMICS, metabolómica, análisis de rutas y fonética. Para comenzar el primer experimento, agregue cinco mililitros de leche pasteurizada a viales de vidrio de 20 mililitros equipados con septos de silicona PTFE.
A continuación, transfiera las muestras a un muestreador automático GC multifuncional equipado con una bandeja de control de temperatura. Utilice el brazo robótico del muestreador automático para inocular los viales con los cultivos iniciadores microbianos, configure el tiempo de incubación de acuerdo con la tipología del proceso deseado y las especificaciones informadas por el fabricante del cultivo iniciador. A continuación, configure el muestreador automático para analizar una muestra tras otra, obteniendo un seguimiento en línea de los compuestos orgánicos volátiles de la fermentación del ácido láctico durante la preparación del yogur.
El segundo experimento seleccionó al menos cinco manzanas en la fase deseada de maduración sin ningún daño visible para cada variedad. Guarde las manzanas durante el período deseado a cuatro grados centígrados. Después de esto, recoja cinco discos cilíndricos de cada manzana con un muestreador de cuchillas de pulpa que incluya parte del tejido de la corteza y evite la parte central con semillas.
Después de congelar las muestras y el nitrógeno líquido, homogeneizarlas. Coloque tres réplicas de muestras de manzana de 2,5 gramos de cada variedad en viales de vidrio de 20 mililitros. Mezclar cada muestra con una solución antioxidante obtenida disolviendo un gramo de cloruro de sodio, 12,5 miligramos de ácido ascórbico y 12,5 miligramos de ácido cítrico en 2,5 mililitros de agua desionizada.
Incubar las muestras a 40 grados centígrados. A continuación, configure el muestreador automático para analizar automáticamente los compuestos orgánicos volátiles. Para el último experimento, prepare café preparado a partir de muestras de café molido con una cafetera de estufa de seis tazas usando 450 mililitros de agua y 30 gramos de café en polvo.
Transfiera el café preparado a una botella y coloque la botella en un baño de agua termostático a 60 grados centígrados. Informe la proporción de agua en polvo, el tipo de agua mineral utilizada, el tipo de cafetera y el procedimiento adoptado para obtener la bebida de café. Por cada preparación de café, transfiera 7,5 mililitros de alícuotas a una taza de poliestireno de 40 mililitros con tapa de plástico.
Haga que cada panelista pruebe la bebida de acuerdo con el protocolo. Mientras que PTR-ToF-MS muestrea continuamente la concentración del espacio de la nariz a través de una pieza nasal ergonómica de caucho de silicona de un solo uso en la nariz de cada panelista. Esta pieza de nariz está conectada al PTR-ToF-MS por un tubo PIC con la parte en contacto con el panelista a temperatura ambiente y el tubo restante calentado a 110 grados Celsius y una manguera de entrada que conecta la interfaz de muestreo con el instrumento.
Para realizar mediciones del espacio de cabeza de las muestras, inyecte aire directamente en el espacio de cabeza del tubo de deriva PTRMS insertando el extremo de la entrada del PTRMS en el espacio de cabeza de la muestra. Antes y durante las mediciones, configure y verifique constantemente las siguientes condiciones de ionización en el tubo de deriva para obtener una relación E/N de 140 Townsend. Si se utiliza un muestreador automático, establezca el flujo de entrada mínimo en 40 centímetros cúbicos estándar.
Establezca el tiempo de muestreo por canal de adquisición ToF en un rango de relación de carga maestra. Utilice el software de desarrollo propio para corregir las pérdidas de recuento debidas al tiempo muerto del detector de iones y realizar la calibración interna, la reducción de ruido de anotación compuesta y la extracción de picos. Extraiga los datos mediante la realización de análisis compuesto principal, análisis de varianza, prueba post-hoc de Tukey y otros análisis estadísticos, adaptando paquetes existentes desarrollados con Matlab.
Los tres experimentos proporcionan ejemplos de la aplicación de nuestra metodología: monitoreo de procesos biológicos, selección de conjuntos de muestras y análisis del espacio nasal in vivo. El perfil de compuestos orgánicos volátiles en línea de las muestras proporciona un espectro de masa completo cada segundo y se pueden identificar más de 300 picos de masa en los espectros promedio adquiridos durante la fermentación del yogur. Aquí se muestra la cinética de fermentación de nueve picos de masa seleccionados durante la fermentación del yogur utilizando cuatro cultivos iniciadores diferentes.
La mayoría de estos volátiles mostraron una cinética microbiana clásica con una fase de retraso inicial seguida de una fase de crecimiento y una fase posterior al registro. Curiosamente, el análisis en línea puso de manifiesto una cinética de agotamiento particular para cuatro compuestos que contienen azufre, que pueden tener un efecto sensorial incluso a una concentración muy baja. El dendrograma basado en compuestos orgánicos volátiles asociados a una gran colección de manzanas representada por una serie de 198 sesiones destaca la presencia de seis grupos principales determinados principalmente por ésteres y alcoholes.
A continuación se muestran los perfiles acumulativos de cinco probadores de café representados por medio de gráficos radiales. Los resultados demuestran la presencia de diferencias reproducibles y relevantes entre los panelistas, como se evidencia para los panelistas P uno y P dos. La diferencia de muestras, la metodología más probada, puede proporcionar datos fiables sobre la liberación de compuestos orgánicos volátiles, que cuando se comparan con nuestros métodos se pueden obtener en menos tiempo.
La posibilidad de medir muchas muestras es la característica clave de nuestro enfoque. Porque permite controlar y trazar la viabilidad de las muestras biológicas. Después de este desarrollo, esta metodología dio buenos resultados para que los investigadores en diferentes campos relacionados con el monitoreo de compuestos orgánicos volátiles exploraran el vínculo entre su liberación y la genética y el cribado de poblaciones.
Después de ver este video, debería tener una buena idea de cómo explorar el potencial de PTR-ToF-MS en el análisis de alimentos y tecnología para analizar la volatilidad de las frutas. Recuerde que las muestras y la línea de medición están expuestas al aire durante su experimento. Por lo tanto, evite introducir algunas fuentes de compuestos orgánicos volátiles.
Otra ventaja del PTRMS es que no implica el uso de disolventes ni tintes peligrosos y es una técnica de química verde. Sin embargo, no olvide que sus muestras pueden ser extremadamente peligrosas.
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Visión general
Este estudio demuestra el potencial de la Espectrometría de Masas con Tiempo de Vuelo de Reacción de Transferencia de Protones (PTR-ToF-MS) para analizar compuestos orgánicos volátiles en la ciencia de los alimentos. El método se destaca por su alta sensibilidad y capacidades de análisis rápido y no invasivo.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Ciencia de los Alimentos
- Química Analítica
- Compuestos Orgánicos Volátiles
Antecedentes
- Los compuestos orgánicos volátiles son cruciales para la percepción del sabor y el olor en los alimentos.
- El monitoreo de la calidad de los alimentos puede lograrse mediante el análisis de estos compuestos.
- PTR-ToF-MS ofrece un análisis directo y rápido, haciéndolo adecuado para varias aplicaciones.
- El muestreo automatizado y el análisis de datos adaptados mejoran la efectividad del método.
Propósito del estudio
- Mostrar las capacidades de PTR-ToF-MS en la ciencia y tecnología de los alimentos.
- Enfatizar la importancia del muestreo automatizado en el análisis de compuestos volátiles.
- Desarrollar herramientas de análisis de datos para conjuntos de datos grandes y complejos.
Métodos utilizados
- Espectrometría de Masas con Tiempo de Vuelo de Reacción de Transferencia de Protones (PTR-ToF-MS).
- Monitoreo en línea del bioproceso de fermentación de ácido láctico en yogur.
- Pantalla a gran escala de diferentes genotipos de manzana.
- Análisis del espacio nasal después del consumo de café.
Resultados principales
- Monitoreo exitoso de compuestos orgánicos volátiles en la fermentación de yogur.
- Pantalla efectiva de varios genotipos de manzana para perfilar el sabor.
- Conocimientos sobre el análisis del espacio retronasal después del consumo de café.
- Demostración de la aplicabilidad del método en diferentes áreas de la ciencia de los alimentos.
Conclusiones
- PTR-ToF-MS es una herramienta poderosa para analizar compuestos orgánicos volátiles.
- El método puede inspirar investigaciones en diversos campos científicos.
- Las aplicaciones futuras pueden mejorar la comprensión de la calidad de los alimentos y la percepción sensorial.
Preguntas frecuentes
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.
