May 11th, 2017
Proton Transfer Reaction Time of Flight 질량 분석기를 사용하면 휘발성 유기 화합물의 고감도, 신속 및 비침습적 분석을 수행할 수 있습니다. 그 잠재력을 입증하기 위해 요구르트의 젖산 발효(온라인 바이오프로세스 모니터링), 다양한 사과 유전자형(대규모 스크리닝) 및 커피 마신 후 후비강 공간(노즈스페이스 분석)의 세 가지 예를 제공합니다.
이 백서의 전반적인 목표는 식품 과학 및 기술 분야에서 직접 휘발성 유기 화합물 분석을 위한 PTR-ToF-MS의 잠재력, 특히 자동 샘플링 및 맞춤형 데이터 분석의 중요성을 입증하는 것입니다. 휘발성 유기 화합물은 맛과 냄새 인식을 제어하고 식품 품질을 모니터링하기 위한 도구를 제공하기 때문에 식품 과학 및 기술에서 핵심적인 역할을 합니다. PTRMS는 높은 감도와 신속한 직접 주입으로 인해 휘발성 유기 화합물 방출 모니터링, 바이오 프로세스 모니터링, 대규모 데이터 세트 스크리닝 및 코 공간 분석을 위한 최고의 선택 중 하나입니다.
우리는 또한 PTRMS에서 매우 짧은 시간에 사용했던 것과 같은 크고 복잡한 데이터 세트를 적절하게 활용하는 데 필요한 적절한 데이터와 분석 도구를 개발합니다. 향후 방법론의 시연은 SENSOMICS, 대사체학, 경로 분석 및 음소학과 같은 다양한 통계 및 과학 분야의 검색에 영감을 줄 수 있습니다. 첫 번째 실험을 시작하려면 PTFE 실리콘 격막이 장착된 20ml 유리 바이알에 저온 살균 우유 5ml를 추가합니다.
그런 다음 온도 조절 트레이가 장착된 다기능 GC 자동 시료 주입기로 시료를 옮깁니다. 자동 샘플러의 로봇 팔을 사용하여 바이알에 미생물 스타터 배양을 접종하고 원하는 프로세스의 유형과 스타터 배양 제조업체가 보고한 사양에 따라 배양 시간을 설정합니다. 그런 다음 자동 샘플러를 하나의 샘플을 차례로 분석기하도록 설정하여 요구르트 준비 중 젖산 발효에 대한 온라인 휘발성 유기 화합물 모니터링을 얻습니다.
두 번째 실험에서는 각 품종에 대해 눈에 띄는 손상 없이 원하는 숙성 단계에서 최소 5개의 사과를 선택합니다. 원하는 기간 동안 사과를 섭씨 4도에서 보관하십시오. 그런 다음 피질 조직의 일부를 포함한 과육 블레이드 샘플러를 사용하여 각 사과에서 5개의 원통형 디스크를 수집하고 씨앗이 있는 핵심 부분을 피합니다.
냉동 후 샘플과 액체 질소를 균질화합니다. 각 품종의 2.5g 사과 샘플을 3 개의 복제물을 20 밀리리터 유리 바이알에 넣습니다. 각 샘플을 염화나트륨 1g, 아스코르브산 12.5mg, 구연산 12.5mg을 탈이온수 2.5ml에 용해시켜 얻은 항산화 용액과 혼합합니다.
샘플을 섭씨 40도에서 배양합니다. 그런 다음 휘발성 유기 화합물을 자동으로 분석하도록 자동 샘플러를 설정합니다. 마지막 실험을 위해 450ml의 물과 30g의 커피 가루를 사용하여 6컵 스토브 탑 커피 메이커로 분쇄 커피 샘플에서 추출한 커피를 준비합니다.
추출한 커피를 병에 옮기고 병을 섭씨 60도의 온도 조절 수조에 넣습니다. 물 가루 비율, 사용된 미네랄 워터의 종류, 커피 메이커의 종류 및 커피 음료를 얻기 위해 채택한 절차를 보고합니다. 커피를 추출할 때마다 7.5ml의 부분 표본을 플라스틱 뚜껑이 있는 40ml 폴리스티렌 컵에 옮깁니다.
각 패널리스트가 프로토콜에 따라 음료를 맛보도록 합니다. PTR-ToF-MS는 각 패널리스트의 코에 있는 일회용 인체공학적 실리콘 고무 노즈 피스를 통해 노즈 공간 집중을 지속적으로 샘플링합니다. 이 노즈 피스는 PIC 튜브를 통해 PTR-ToF-MS에 연결되며, 부품은 실온에서 패널리스트와 접촉하고 나머지 튜브는 섭씨 110도에서 가열되며 샘플링 인터페이스와 기기를 연결하는 흡입 호스가 있습니다.
샘플의 헤드 공간 측정을 수행하려면 PTRMS 흡입구의 끝을 샘플 헤드 공간에 삽입하여 PTRMS 드리프트 튜브 헤드 공간에 공기를 직접 주입합니다. 측정 전과 측정 중에 드리프트 튜브에서 다음 이온화 조건을 설정하고 지속적으로 확인하여 E/N 비율이 140 Townsend가 되도록 합니다. 자동 샘플러를 사용하는 경우 최소 입구 유량을 40 표준 입방 센티미터로 설정하십시오.
ToF 획득의 채널당 샘플링 시간을 마스터 전하 비율 범위로 설정합니다. 자체 개발한 소프트웨어를 사용하여 이온 검출기 데드 타임으로 인한 카운트 손실을 수정하고 내부 보정, 복합 주석 노이즈 감소 및 피크 추출을 수행합니다. 원리 화합물 분석, 분산 분석, Tukey의 사후 테스트 및 기타 통계 분석을 수행하여 데이터를 마이닝하고 Matlab을 사용하여 개발한 기존 패키지를 조정합니다.
이 세 가지 실험은 당사의 방법론인 바이오 프로세스 모니터링, 샘플 세트 스크리닝 및 생체 내 코 공간 분석을 적용하는 예를 제공합니다. 샘플의 온라인 휘발성 유기 화합물 프로파일은 매초 완전한 질량 스펙트럼을 제공하며 요구르트 발효 중에 획득된 평균 스펙트럼에서 300개 이상의 질량 피크를 식별할 수 있습니다. 4개의 서로 다른 종균 배양을 사용하여 요구르트 발효 중 9개의 선택된 질량 피크의 발효 역학이 여기에 나와 있습니다.
이러한 휘발성 물질의 대부분은 초기 지연 단계(initial lag phase)를 거친 후 성장 단계(growth phase)와 로그 후 단계(post-log phase)를 거치는 고전적인 미생물 역학(kinetics)을 나타냈습니다. 흥미롭게도, 온라인 분석은 매우 낮은 농도에서도 감각 효과를 가질 수 있는 4가지 황 함유 화합물에 대한 특정 고갈 역학을 강조했습니다. 198개의 세션으로 대표되는 대규모 사과 컬렉션과 관련된 휘발성 유기 화합물을 기반으로 한 덴드로그램은 주로 에스테르와 알코올에 의해 결정되는 6개의 주요 클러스터가 존재함을 강조합니다.
방사형 플롯으로 표시되는 5개의 커피 테스터에 대한 누적 프로파일이 여기에 나와 있습니다. 결과는 패널리스트 P 1과 P 2에서 명백하게 드러나는 것처럼 패널리스트 간에 재현 가능하고 관련성 있는 차이가 있음을 보여줍니다. 샘플의 차이, 가장 많이 시도된 방법론은 휘발성 유기 화합물 방출에 대한 신뢰할 수 있는 데이터를 제공할 수 있으며, 이는 당사의 방법과 비교할 때 더 짧은 시간에 얻을 수 있습니다.
많은 샘플을 측정할 수 있는 가능성은 우리 접근 방식의 핵심 기능입니다. 생물학적 샘플의 생존 가능성을 제어하고 추적할 수 있기 때문입니다. 이 개발 이후, 이 방법론은 휘발성 유기 화합물 모니터링과 관련된 다양한 분야의 연구자들이 휘발성 유기 화합물 모니터링과 유전학 및 집단 스크리닝 사이의 연관성을 탐구하는 데 큰 도움이 되었습니다.
이 동영상을 시청한 후에는 식품 및 기술 분석에서 과일의 변동성을 분석하기 위해 PTR-ToF-MS의 잠재력을 탐색하는 방법에 대해 잘 알게 될 것입니다. 샘플과 측정 라인은 실험 중에 공기에 노출된다는 것을 기억하십시오. 따라서 휘발성 유기 화합물의 일부 공급원을 도입하지 마십시오.
PTRMS의 또 다른 장점은 용제나 유해 염료를 사용하지 않고 녹색 화학 기술이라는 것입니다. 그러나 샘플이 매우 위험할 수 있다는 점을 잊지 마십시오.
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이 연구는 식품 과학에서 휘발성 유기 화합물을 분석하기 위한 양성자 이동 반응 시간 비행 질량 분석법(PTR-ToF-MS)의 잠재력을 보여줍니다. 이 방법은 높은 감도와 신속한 비침습적 분석 능력으로 강조됩니다.
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.
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.