PTR-ToF-MS accoppiato con un sistema di campionamento automatizzato e analisi dei dati su misura per gli studi alimentari: monitoraggio del bioprocesso, screening e analisi dello spazio del naso

L'obiettivo generale di questo articolo è dimostrare il potenziale del PTR-ToF-MS per l'analisi diretta dei composti organici volatili nella scienza e nella tecnologia alimentare e in particolare l'importanza del campionamento automatizzato e dell'analisi dei dati su misura per la produzione di dati. I composti organici volatili svolgono un ruolo chiave nella scienza e nella tecnologia alimentare sia perché controllano la percezione del sapore e dell'odore, sia perché forniscono uno strumento per il monitoraggio della qualità degli alimenti. L'elevata sensibilità e l'iniezione rapida e diretta rendono PTRMS una delle scelte migliori per il monitoraggio del rilascio di composti organici volatili per il monitoraggio di bioprocessi, per lo screening di grandi set di dati e per l'analisi dello spazio del naso.

Sviluppiamo anche dati adeguati e gli strumenti di analisi necessari per il corretto utilizzo di set di dati grandi e complessi come quelli utilizzati da PTRMS in un tempo molto breve. La futura dimostrazione della nostra metodologia può ispirare ricerche in diversi campi statistici e scientifici come la SENSOMICA, la metabolomica, l'analisi dei percorsi e la fonemica. Per iniziare il primo esperimento, aggiungere cinque millilitri di latte pastorizzato a fiale di vetro da 20 millilitri dotate di setti in silicone PTFE.

Quindi trasferire i campioni in un campionatore automatico GC multifunzionale dotato di un vassoio di controllo della temperatura. Utilizzare il braccio robotico dell'autocampionatore per inoculare le fiale con le colture microbiche starter, impostare il tempo di incubazione in base alla tipologia del processo desiderato e alle specifiche riportate dal produttore della coltura starter. Quindi impostare il campionatore automatico per analizzare un campione dopo l'altro, ottenendo un monitoraggio online dei composti organici volatili della fermentazione dell'acido lattico durante la preparazione dello yogurt.

Il secondo esperimento seleziona almeno cinque mele allo stadio di maturazione desiderato senza alcun danno visibile per ogni varietà. Conservare le mele per il periodo desiderato a quattro gradi Celsius. Successivamente, raccogli cinque dischi cilindrici da ogni mela con un campionatore di polpa che include parte del tessuto della corteccia ed evita la parte centrale con i semi.

Dopo aver congelato i campioni e l'azoto liquido, omogeneizzarli. Mettere tre repliche di campioni di mela da 2,5 grammi di ciascuna varietà in fiale di vetro da 20 millilitri. Miscelare ogni campione con una soluzione antiossidante ottenuta sciogliendo un grammo di cloruro di sodio, 12,5 milligrammi di acido ascorbico e 12,5 milligrammi di acido citrico in 2,5 millilitri di acqua deionizzata.

Incubare i campioni a 40 gradi Celsius. Quindi impostare il campionatore automatico per analizzare automaticamente i composti organici volatili. Per l'ultimo esperimento, preparare il caffè preparato da campioni di caffè macinato con una caffettiera da sei tazze utilizzando 450 millilitri di acqua e 30 grammi di polvere di caffè.

Trasferire il caffè preparato in una bottiglia e mettere la bottiglia in un bagnomaria termostatico a 60 gradi Celsius. Riportare il rapporto acqua in polvere, il tipo di acqua minerale utilizzata, il tipo di caffettiera e la procedura adottata per ottenere la bevanda al caffè. Per ogni erogazione di caffè, trasferire aliquote da 7,5 millilitri in una tazza di polistirolo da 40 millilitri con tappo di plastica.

Chiedi a ogni membro del panel di assaggiare la bevanda secondo il protocollo. Mentre il PTR-ToF-MS campiona continuamente la concentrazione dello spazio del naso tramite un nasello ergonomico in gomma siliconica monouso sul naso di ciascun panelista. Questo nasello è collegato al PTR-ToF-MS da un tubo PIC con la parte a contatto con il panelist a temperatura ambiente e il tubo rimanente riscaldato a 110 gradi Celsius e un tubo di ingresso che collega l'interfaccia di campionamento con lo strumento.

Per eseguire le misure dello spazio di testa dei campioni, iniettare direttamente l'aria nello spazio di testa del tubo di deriva PTRMS inserendo l'estremità dell'ingresso PTRMS nello spazio di testa del campione. Prima e durante le misurazioni, impostare e verificare costantemente le seguenti condizioni di ionizzazione nel tubo di deriva per ottenere un rapporto E/N di 140 Townsend. Se si utilizza un campionatore automatico, impostare il flusso minimo in ingresso su 40 centimetri cubi standard.

Impostare il tempo di campionamento per canale di acquisizione ToF su un intervallo del rapporto di carica master. Utilizza il software sviluppato internamente per correggere le perdite di conteggio dovute al tempo morto del rivelatore di ioni ed eseguire la calibrazione interna, la riduzione del rumore di annotazione composta e l'estrazione dei picchi. Estrai i dati eseguendo l'analisi dei composti principali, l'analisi della varianza, il test post-hoc di Tukey e altre analisi statistiche, adattando i pacchetti esistenti sviluppati utilizzando Matlab.

I tre esperimenti forniscono esempi di applicazione della nostra metodologia di monitoraggio dei processi biologici, screening di set di campioni e analisi dello spazio nasale in vivo. Il profilo online dei composti organici volatili dei campioni fornisce uno spettro di massa completo ogni secondo e più di 300 picchi di massa possono essere identificati negli spettri medi acquisiti durante la fermentazione dello yogurt. Qui sono mostrate le cinetiche di fermentazione di nove picchi di massa selezionati durante la fermentazione dello yogurt utilizzando quattro diverse colture starter.

La maggior parte di questi volatili mostrava una cinetica microbica classica con una fase di ritardo iniziale seguita da una fase di crescita e una fase post-logaritmica. È interessante notare che l'analisi online ha evidenziato una particolare cinetica di deplezione per quattro composti contenenti zolfo che possono avere un effetto sensoriale anche a una concentrazione molto bassa. Il dendrogramma basato su composti organici volatili associati ad una vasta collezione di mele rappresentata da 198 sedute evidenzia la presenza di sei cluster principali determinati principalmente da esteri e alcoli.

Di seguito sono riportati i profili cumulativi di cinque tester per caffè rappresentati da grafici radiali. I risultati dimostrano la presenza di differenze riproducibili e rilevanti tra i panelisti, come evidente per il panelista P uno e P due. A differenza dei campioni, la metodologia più collaudata, può fornire dati affidabili sul rilascio di composti organici volatili, che se confrontati con i nostri metodi possono essere ottenuti in un tempo più breve.

La possibilità di misurare molti campioni è la caratteristica chiave del nostro approccio. Perché consente di controllare e tracciare la vitalità dei campioni biologici. Dopo questo sviluppo, questa metodologia ha dato buoni frutti ai ricercatori in diversi campi legati al monitoraggio dei composti organici volatili per esplorare il legame tra il loro rilascio e la genetica e lo screening delle popolazioni.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona idea di come esplorare il potenziale del PTR-ToF-MS nell'analisi alimentare e tecnologica per analizzare la volatilità dei frutti. Si prega di ricordare che i campioni e la linea di misurazione sono esposti all'aria durante l'esperimento. Evitate quindi di introdurre alcune fonti di composti organici volatili.

Un altro vantaggio del PTRMS è che non comporta l'uso di solventi o coloranti pericolosi ed è una tecnica di chimica verde. Tuttavia, non dimenticare che i tuoi campioni possono essere estremamente pericolosi.