PTR-ToF-MS יחד עם מערכת הדגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאמים למחקרים על מזון: ניטור Bioprocess, הקרנה וניתוח שטח האף
11 במאי 2017
זמן תגובה להעברת פרוטונים של ספקטרומטריית מסה של טיסה מאפשרת ניתוח רגיש גבוה, מהיר ולא פולשני של תרכובות אורגניות נדיפות. כדי להדגים את הפוטנציאל שלו, אנו נותנים שלוש דוגמאות: תסיסה של חומצת חלב של יוגורט (ניטור ביולוגי מקוון), גנוטיפים שונים של תפוחים (סינון בקנה מידה גדול) וחלל רטרו-אף לאחר שתיית קפה (ניתוח חלל האף).
המטרה הכוללת של מאמר זה היא להדגים את הפוטנציאל של PTR-ToF-MS לניתוח ישיר של תרכובות אורגניות נדיפות במדע וטכנולוגיה של מזון ובמיוחד את החשיבות של דגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאם אישית. תרכובות אורגניות נדיפות ממלאות תפקיד מפתח במדע ובטכנולוגיה של מזון הן מכיוון שהן שולטות בתפיסת הטעם והריח והן מכיוון שהן מספקות כלי לניטור איכות המזון. הרגישות הגבוהה וההזרקה המהירה והישירה הופכים את PTRMS לאחת הבחירות הטובות ביותר לניטור שחרור תרכובות אורגניות נדיפות לניטור תהליכים ביולוגיים, לסינון מערכי נתונים גדולים ולניתוח חלל האף.
כמו כן, אנו מפתחים נתונים מתאימים וכלי ניתוח הנחוצים לניצול נכון של מערכי נתונים גדולים ומורכבים כמו אלה ששימשו את PTRMS בזמן קצר מאוד. הדגמה עתידית של המתודולוגיה שלנו יכולה לעורר חיפושים מתחומים סטטיסטיים ומדעיים שונים כגון SENSOMICS, מטבולומיקה, ניתוח נתיבים ופונמיקה. כדי להתחיל בניסוי הראשון, הוסף חמישה מיליליטר חלב מפוסטר לבקבוקוני זכוכית של 20 מיליליטר המצוידים במחיצות סיליקון PTFE.
לאחר מכן העבירו את הדגימות לדגימה אוטומטית GC רב תכליתית המצוידת במגש בקרת טמפרטורה. השתמש בזרוע הרובוטית של הדגימה האוטומטית כדי לחסן את הבקבוקונים בתרביות המתנע המיקרוביאליות, הגדר את זמן הדגירה בהתאם לטיפולוגיה של התהליך הרצוי והמפרט שדווח על ידי יצרן תרבית המתנע. לאחר מכן הגדר את הדגימה האוטומטית לנתח דגימה אחת אחרי השנייה ולהשיג ניטור מקוון של תרכובות אורגניות נדיפות של תסיסה של חומצת חלב במהלך הכנת היוגורט.
הניסוי השני בוחר לפחות חמישה תפוחים בשלב ההבשלה הרצוי ללא נזק גלוי לכל זן. אחסן את התפוחים לתקופה הרצויה בארבע מעלות צלזיוס. לאחר מכן, אספו חמישה דיסקים גליליים מכל תפוח עם דגימת להב בשר הכוללת חלק מרקמת קליפת המוח והימנעו מחלק הליבה עם זרעים.
לאחר הקפאת הדגימות והחנקן הנוזלי הופכים אותם להומוגניזציה. הניחו שלוש שכפולים של דגימות תפוחים של 2.5 גרם מכל זן לבקבוקוני זכוכית של 20 מיליליטר. מערבבים כל דגימה עם תמיסה נוגדת חמצון המתקבלת על ידי המסת גרם אחד של נתרן כלורי, 12.5 מיליגרם חומצה אסקורבית ו-12.5 מיליגרם חומצת לימון ב-2.5 מיליליטר מים נטולי יונים.
דגרו את הדגימות בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס. לאחר מכן הגדר את הדגימה האוטומטית לניתוח אוטומטי של התרכובות האורגניות הנדיפות. לניסוי האחרון, הכינו קפה מבושל מדגימות קפה טחון עם מכונת קפה כיריים עם שש כוסות תוך שימוש ב-450 מיליליטר מים ו-30 גרם אבקת קפה.
העבירו את הקפה המבושל לבקבוק והניחו את הבקבוק באמבט מים תרמוסטטי של 60 מעלות צלזיוס. דווח על יחס אבקת המים, סוג המים המינרליים המשמשים, סוג מכונת הקפה וההליך שננקט להשגת משקה הקפה. עבור כל חליטת קפה, העבירו 7.5 מיליליטר אליקוטים לכוס פוליסטירן של 40 מיליליטר עם מכסה פלסטיק.
בקש מכל חבר פאנל לטעום את המשקה בהתאם לפרוטוקול. בעוד ש-PTR-ToF-MS דוגם באופן רציף את ריכוז חלל האף באמצעות חתיכת אף מגומי סיליקון ארגונומית לשימוש חד פעמי באפו של כל חבר פאנל. חתיכת אף זו מחוברת ל-PTR-ToF-MS באמצעות צינור PIC כאשר החלק נמצא במגע עם חבר הפאנל בטמפרטורת החדר והצינור הנותר מחומם ב-110 מעלות צלזיוס וצינור כניסה המחבר את ממשק הדגימה עם המכשיר.
כדי לבצע מדידות מרחב ראש של הדגימות, הזרקו אוויר ישירות לחלל ראש צינור הסחיפה PTRMS על ידי הכנסת קצה כניסת ה-PTRMS לחלל ראש הדגימה. לפני ובמהלך המדידות, הגדר וודא כל הזמן את תנאי היינון הבאים בצינור הסחיפה כדי להוביל ליחס E/N של 140 Townsend. אם משתמשים בדוגם אוטומטי, הגדר את זרימת הכניסה המינימלית ל -40 סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים.
הגדר את זמן הדגימה לכל ערוץ של רכישת ToF לטווח יחס טעינה ראשי. השתמש בתוכנה שפותחה בעצמך כדי לתקן את הפסדי הספירה עקב הזמן המת של גלאי היונים ולבצע כיול פנימי, הפחתת רעש הערות מורכבות וחילוץ שיא. כרה את הנתונים על ידי ביצוע ניתוח תרכובות עקרוני של שונות מבחן הפוסט-הוק של טוקי וניתוחים סטטיסטיים אחרים המתאימים חבילות קיימות שפותחו באמצעות Matlab.
שלושת הניסויים מספקים דוגמאות ליישום המתודולוגיה שלנו ניטור תהליכים ביולוגיים, סינון ערכות דגימות וניתוח מרחב אף in vivo. פרופיל התרכובות האורגניות הנדיפות המקוון של הדגימות נותן ספקטרום מסה שלם בכל שנייה וניתן לזהות יותר מ-300 שיאי מסה בספקטרום הממוצע הנרכש במהלך תסיסת היוגורט. קינטיקה של תסיסה של תשע שיאי מסה נבחרים במהלך תסיסת יוגורט באמצעות ארבע תרביות התחלה שונות מוצגות כאן.
רוב הנדיפים הללו הציגו קינטיקה דמוית מיקרוביאלית קלאסית עם שלב פיגור ראשוני ואחריו שלב גדילה ושלב פוסט-לוג. מעניין שהניתוח המקוון הדגיש קינטיקה מסוימת של דלדול עבור ארבע תרכובות המכילות גופרית, שיכולות להיות בעלות השפעה חושית גם בריכוז נמוך מאוד. הדנדרוגרמה המבוססת על תרכובות אורגניות נדיפות הקשורות לאוסף תפוחים גדול המיוצג על ידי 198 מפגשים מדגישה את נוכחותם של שישה אשכולות עיקריים שנקבעו בעיקר על ידי אסטרים ואלכוהולים.
הפרופילים המצטברים של חמישה בודקי קפה המיוצגים באמצעות תרשימים רדיאליים מוצגים כאן. התוצאות מדגימות את נוכחותם של הבדלים הניתנים לשחזור ורלוונטיים בין חברי הפאנל כפי שניכר עבור חבר הפאנל P 1 ו-P 2. ההבדל בין הדגימות, המתודולוגיה הבדוקה ביותר יכולה לספק נתונים אמינים על שחרור תרכובות אורגניות נדיפות, אשר בהשוואה לשיטות שלנו ניתן להשיג בזמן קצר יותר.
האפשרות למדוד דגימות רבות היא המאפיין העיקרי של הגישה שלנו. מכיוון שהוא מאפשר בקרה ומעקב אחר כדאיות של דגימות ביולוגיות. לאחר פיתוח זה, מתודולוגיה זו השתלמה היטב לחוקרים בתחומים שונים הקשורים לניטור תרכובות אורגניות נדיפות כדי לחקור את הקשר בין שחרורן לגנטיקה וסינון אוכלוסיות.
לאחר צפייה בסרטון זה, אמור להיות לך מושג טוב כיצד לחקור את הפוטנציאל של PTR-ToF-MS בניתוח מזון וטכנולוגיה כדי לנתח תנודתיות לפי פירות. אנא זכור שדגימות וקו מדידה חשופים לאוויר במהלך הניסוי שלך. אז הימנע מהכנסת מקורות מסוימים של תרכובות אורגניות נדיפות.
יתרון נוסף של PTRMS הוא שהוא אינו כרוך בשימוש בממיסים או בצבעים מסוכנים וזוהי טכניקת כימיה ירוקה. עם זאת, אל תשכח שהדגימות שלך עלולות להיות מסוכנות ביותר.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מדגים את הפוטנציאל של ספקטרומטריית מסות עם זמן מעוף המבוססת על תגובת העברת פרוטונים (PTR-ToF-MS) לניתוח תרכובות אורגניות נדיפות במדעי המזון. השיטה מודגשת בזכות רגישותה הגבוהה ויכולותיה לביצוע ניתוח מהיר ולא פולשני.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע המזון
- כימיה אנליטית
- תרכובות אורגניות נדיפות
רקע
- תרכובות אורגניות נדיפות הן קריטיות לתפיסת טעם וריח במזון.
- ניתן לבצע ניטור של איכות המזון באמצעות ניתוח של תרכובות אלו.
- שיטת PTR-ToF-MS מציעה ניתוח ישיר ומהיר, מה שהופך אותה למתאימה ליישומים מגוונים.
- דגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאם משפרים את יעילות השיטה.
מטרת המחקר
- להדגים את היכולות של PTR-ToF-MS במדעי המזון ובטכנולוגיית מזון.
- להדגיש את חשיבות הדגימה האוטומטית בניתוח של תרכובות נדיפות.
- לפתח כלים לניתוח נתונים עבור מערכי נתונים גדולים ומורכבים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ספקטרומטריית מסות עם זמן מעוף המבוססת על תגובת העברת פרוטונים (PTR-ToF-MS).
- ניטור מקוון (On-line) של תהליכים ביולוגיים של תסיסת חומצה לקטית ביוגורט.
- סריקה רחבה של גנוטיפים שונים של תפוחים.
- ניתוח מרחב האף לאחר צריכת קפה.
תוצאות עיקריות
- ניטור מוצלח של תרכובות אורגניות נדיפות בתסיסת יוגורט.
- סריקה יעילה של גנוטיפים שונים של תפוחים לצורך פרופיל טעמים.
- תובנות לגבי ניתוח החלל הרטרו-נסאלי לאחר צריכת קפה.
- הדגמה של ישימות השיטה בתחומי מדעי המזון השונים.
מסקנות
- PTR-ToF-MS הוא כלי רב עוצמה לניתוח תרכובות אורגניות נדיפות.
- השיטה יכולה להוות השראה למחקר בתחומי מדע מגוונים.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את ההבנה של איכות מזון ותפיסה חושית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטת PTR-ToF-MS מאפשרת ניטור בזמן אמת, לא פולשני, של תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) במערכות מזון, ומספקת נתונים ברגישות גבוהה לצורך אפיית פרופיל טעמים וניטור תהליכים. יכולת זו תומכת בשלבי הגילוי המוקדמים על ידי קישור שחרור VOCs לפעילות ביולוגית, לשונות גנטית או לתפיסה חושית, ובכך מסייעת בתיקוף מטרות ובזיהוי מובילים (leads) במחקר ופיתוח של מדעי המזון. השילוב של דגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאם משפר את התפוקה ואת השחזוריות, וממצב את השיטה ככלי בר-הרחבה לסריקת מערכי דגימות גדולים ולהנחיית הפחתת סיכונים מכניסטית בתהליכי עבודה תרגומיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיים
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השערות טיפוליות על ידי קורלציה בין פרופילי VOC למטבוליזם מיקרוביאלי או לשונות גנטית במערכות מודל.
- ערך תפעולי: תומך בתיקוף של מטרות פונקציונליות באמצעות ניטור בזמן אמת של שטף מטבולי בתהליכי תסיסה או תהליכים אנזימטיים.
- ביטחון חיזוי: מסייע במיון פורטפוליו על ידי זיהוי סממנים ביולוגיים של VOC הקשורים לתוצאות רצויות של איכות או תחושה סנסורית.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מכין מערכות ביולוגיות מתוקפות לסריקת VOC המשכית על ידי סטנדרטיזציה של הכנת הדגימות ותנאי החלל העליון (headspace).
- ערך תפעולי: מבטיח שחזור של הבדיקה ומדידות כמותיות של VOC על פני קבוצות דגימות גדולות, כגון זני תפוחים או חליטות קפה.
- יכולת הרחבה: מאפשרת סריקה בשפיעות גבוהה (high-throughput) של חומר גנטי (germplasm) או Variantes של פורמולציות באמצעות דגימה אוטומטית ורכישת ספקטרום מסות מהירה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מקשר בין פרופיל ה-VOC בשלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני, על ידי הדגמה של ניתוח מרחב ריח (nosespace) הניתן לשחזור in vivo במהלך צריכת קפה.
- הפחתת סיכונים מכניסטיים: מפחיתה עמימות בקישור בין משתנים גנטיים או משתני פורמולציה לתוצאות חושיתות, באמצעות ניתוח סטטיסטי של דפוסי VOC (למשל, PCA, ANOVA, מבחן Tukey post-hoc).
- התאמה של סמנים ביולוגיים חיזויים: מזהה צבירי VOC (למשל, אסטרים, אלכוהולים) המתואמים עם תכונות גנטיות או פנוטיפיות, ובכך תומכת בקבלת החלטות המבוססת על סמנים ביולוגיים.
שילוב צינור עיבוד וזרימת עבודה
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת היפותזות דרך זיהוי מובילים ועד לתיקוף פרה-קליני, במיוחד כאשר שחרור VOC משמש כמדד תפקודי לפעילות ביולוגית או להשפעה חושית.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות ובהבהרת מסלולים על ידי ניטור דינמיקת VOC במהלך תסיסת חומצה לקטית או חמצון אנזימטי.
- סריקה: מספק מוכנות לבדיקה ופלט כמותי להשוואת פרופילי VOC בין וריאנטים גנטיים, תנאי פורמולציה או פרמטרי תהליך.
- אנליטיקה: מאפשרת כריית נתונים באמצעות PCA, ANOVA ובדיקות post-hoc להשוואת תנאים וזיהוי גורמי VOC משמעותיים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין נתוני תסיסה או סריקה in vitro למדידות מרחב ריח in vivo, ובכך תומך ברציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף חושית.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש כפלטפורמה רב-פעמית לניתוח VOC בתחומי מדע המזון השונים, ובכך מפחית פיתוח שיטות כפול.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת העמימות המכניסטית בקשרי VOC-ביולוגיה.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) באמצעות דגימה אוטומטית וכיול פנימי.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go באמצעות מתן קריאות מוקדמות מבוססות VOC של איכות המוצר או ביצועים ביולוגיים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של זנים, זני גידול או פורמולציות מותאם סיכון, בהתבסס על טביעת אצבע של VOC ומובהקות סטטיסטית.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בספקטרומטריית מסות, כימיה של VOC (תרכובות אורגניות נדיפות) וצינורות עיבוד נתונים עבור זיהוי תרכובות והפחתת רעשים.
- נדרשת מערכת PTR-ToF-MS עם תאימות לדוגם אוטומטי, בקרת טמפרטורה וקווי דגימה מחוממים עבור יישומים של מרחבי ריח (nosespace).
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי דגימה, תנאי דגירה ותהליכי ניתוח נתונים (למשל, PCA מבוסס Matlab, ANOVA).
- כולל התאמה בין מערכות מודל שונות (תרביות מיקרוביאליות, רקמות צמחים, נסיינים אנושיים) תוך מתן דגש להכנת דגימות ולהשגת שיווי משקל במרחב הראש (headspace).
- כולל מגבלות מעשיות כגון רגישות לזיהום של VOC מהאוויר והצורך בקווי דגימה אינרטיים למניעת אובדן תרכובות או פירוקן.
