PTR-ToF-MS gekoppeld aan een geautomatiseerd bemonsteringssysteem en aangepaste data-analyse voor voedingsstudies: Bioproces Monitoring, Screening en Neusruimte Analyse
May 11th, 2017
Proton Transfer Reactie Time of Flight Mass Spectrometrie maakt hoge gevoeligheid, snelle en niet-invasieve analyse van vluchtige organische verbindingen mogelijk. Om het potentieel te demonstreren, geven we drie voorbeelden: melkzuurfermentatie van yoghurt (online bioprocesbewaking), verschillende appelgenotypen (grootschalige screening) en retronasale ruimte na het drinken van koffie (nosespace-analyse).
Het algemene doel van dit artikel is om het potentieel van PTR-ToF-MS aan te tonen voor directe analyse van vluchtige organische verbindingen in de voedingswetenschap en -technologie, en met name de belangrijkheid van geautomatiseerde bemonstering en op maat gemaakte gegevensanalyse. Vluchtige organische verbindingen spelen een sleutelrol in de voedingswetenschap en -technologie, zowel omdat ze de perceptie van smaak en geur beïnvloeden, als omdat ze een hulpmiddel bieden voor het bewaken van voedselkwaliteit. De hoge gevoeligheid en de snelle en directe injectie maken PTRMS een van de beste keuzes voor het bewaken van de afgifte van vluchtige organische verbindingen voor bioprocesbewaking, voor het screenen van grote gegevenssets en voor nose space-analyse.
We ontwikkelen ook de juiste gegevens en analysetools die nodig zijn voor de juiste exploitatie van grote en complexe gegevenssets, zoals die werd gebruikt door PTRMS in een zeer korte tijd. Toekomstige demonstratie van onze methodologie kan zoekopdrachten inspireren uit verschillende statistische en wetenschappelijke velden zoals SENSOMICS, metabolomics, padanalyse en fonemische analyse. Om met het eerste experiment te beginnen, voegt u vijf milliliter gepasteuriseerde melk toe aan glazen flesjes van 20 milliliter die zijn uitgerust met PTFE-siliconen septa.
Breng vervolgens de monsters over naar een multifunctionele GC-autosampler uitgerust met een temperatuurregeling. Gebruik de robotarm van de autosampler om de flesjes te inoculeren met de microbiële starterculturen, stel de incubatietijd in volgens de typologie van het gewenste proces en de specificaties gerapporteerd door de fabrikant van de startercultuur. Stel vervolgens de autosampler in om één monster na het andere te analyseren en verkrijg een online monitoring van vluchtige organische verbindingen tijdens de yoghurtbereiding van melkzuurfermentatie.
Het tweede experiment selecteert ten minste vijf appels in de gewenste rijpingsfase zonder zichtbare schade voor elke variëteit. Bewaar de appels gedurende de gewenste periode op vier graden Celsius. Verzamel vervolgens vijf cilindrische schijven van elke appel met een vleesmessampler, inclusief een deel van het cortexweefsel en vermijd het kerngedeelte met zaden.
Na het bevriezen en homogeniseren van de monsters in vloeibare stikstof. Plaats drie replica's van 2,5 gram appelmonsters van elke variëteit in glazen flesjes van 20 milliliter. Meng elk monster met een antioxidantoplossing verkregen door één gram natriumchloride, 12,5 milligram ascorbinezuur en 12,5 milligram citroenzuur op te lossen in 2,5 milliliter gedeïoniseerd water.
Incubeer de monsters op 40 graden Celsius. Stel vervolgens de autosampler in om de vluchtige organische verbindingen automatisch te analyseren. Voor het laatste experiment, bereid gezet koffie voor van gemalen koffiemonsters met een zes kopjes koffiezetapparaat op het fornuis met 450 milliliter water en 30 gram koffiepoeder.
Breng de gezette koffie over naar een fles en plaats de fles in een thermostatisch waterbad van 60 graden Celsius. Rapporteer de verhouding waterpoeder, het type mineraalwater dat wordt gebruikt, het type koffiezetapparaat en de procedure die is geadopteerd om de koffiedrank te verkrijgen. Voor elke koffiebrouwsels, breng 7,5 milliliter aliquots over naar een 40 milliliter polystyreen beker met een plastic dop.
Laat elke panelist de drank proeven volgens het protocol. Terwijl PTR-ToF-MS continu de Nose space-concentratie bemonstert via een ergonomische siliconen rubberen neusstuk met eenmalig gebruik aan de neus van elke panelist. Dit neusstuk is verbonden met de PTR-ToF-MS door een PIC-buis met het deel in contact met de panelist op kamertemperatuur en de resterende buis verwarmd op 110 graden Celsius en een inlaatslang die de bemonsteringsinterface met het instrument verbindt.
Voer head space-metingen van de monsters uit door lucht direct in de PTRMS-driftbuis head space te injecteren door het uiteinde van de PTRMS-inlaat in de head space van het monster in te brengen. Stel vóór en tijdens metingen de volgende ionisatiecondities in de driftbuis in en verifieer constant om een E/N-verhouding van 140 Townsend te bereiken. Als een autosampler wordt gebruikt, stel de minimale inlaatstroom in op 40 standaard kubieke centimeters.
Stel de bemonsteringstijd per kanaal van ToF-acquisitie in op een bereik van de master ladingsverhouding. Gebruik de zelf ontwikkelde software om de verlies van tellen te corrigeren vanwege de dode tijd van de ionendetector en voer interne kalibratie uit, verbindingsannotatie ruisreductie en piekextractie. Onderzoek de gegevens door principe-verbindingsanalyse-analyse van variantie Tukey's post-hoc-test en andere statistische analyses uit te voeren met bestaande packages ontwikkeld met behulp van Matlab.
De drie experimenten bieden voorbeelden van het toepassen van onze methodologie voor bioprocesbewaking, screening van steekproevensets en in vivo nose space-analyse. Het online profiel van vluchtige organische verbindingen van monsters geeft elk seconde een compleet massaspectrum en meer dan 300 massapieken kunnen worden geïdentificeerd in de verworven gemiddelde spectra tijdens de yoghurtfermentatie. Fermentatiekinetica van negen geselecteerde massapieken tijdens yoghurtfermentatie met behulp van vier verschillende starterculturen worden hier getoond.
De meeste van deze vluchtige stoffen vertoonden klassieke microbiële gelijkende kinetica met een initiële latentiefase gevolgd door een groeifase en een post-log fase. Interessant is dat de online analyse specifieke depletiekinetica benadrukte voor vier zwavelhoudende verbindingen die zelfs in zeer lage concentratie een sensorisch effect kunnen hebben. Het dendrogram op basis van vluchtige organische verbindingen geassocieerd met een grote appelcollectie vertegenwoordigd door een 198 sessies benadrukt de aanwezigheid van zes hoofdclusters, voornamelijk bepaald door esters en alcoholen.
De cumulatieve profielen voor vijf koffietesters, weergegeven door middel van radiale grafieken, worden hier getoond. De resultaten tonen de aanwezigheid van reproduceerbare en relevante verschillen tussen panelleden, zoals duidelijk voor panellid P een en P twee. De verschillen in monsters, de meest uitgeprobeerd methodologie kan betrouwbare gegevens verschaffen over de afgifte van vluchtige organische verbindingen, die vergeleken met onze methoden in een kortere tijd kan worden verkregen.
De mogelijkheid om veel monsters te meten is de
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie toont het potentieel van Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS) voor het analyseren van vluchtige organische verbindingen in de voedingswetenschap. De methode wordt gewaardeerd om zijn hoge gevoeligheid en snelle, niet-invasieve analysemogelijkheden.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Voedingswetenschap
- Analytische chemie
- Vluchtige organische verbindingen
Achtergrond
- Vluchtige organische verbindingen zijn cruciaal voor smaak- en geurperceptie in voeding.
- Het monitoren van voedselkwaliteit kan worden bereikt door de analyse van deze verbindingen.
- PTR-ToF-MS biedt directe en snelle analyse, waardoor het geschikt is voor verschillende toepassingen.
- Geautomatiseerde bemonstering en op maat gemaakte gegevensanalyse verhogen de effectiviteit van de methode.
Doel van de studie
- Om de mogelijkheden van PTR-ToF-MS in de voedingswetenschap en -technologie te laten zien.
- Om de belangrijkheid van geautomatiseerde bemonstering in de analyse van vluchtige verbindingen te benadrukken.
- Om gegevensanalysetools te ontwikkelen voor grote en complexe datasets.
Gebruikte methoden
- Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS).
- On-line bioprocesbewaking van melkzuurfermentatie in yoghurt.
- Grootschalige screening van verschillende appelgenotypen.
- Neusruimte-analyse na koffieconsumptie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle bewaking van vluchtige organische verbindingen in yoghurtfermentatie.
- Effectieve screening van verschillende appelgenotypen voor smaakprofilering.
- Inzichten in retronasale ruimte-analyse na koffieconsumptie.
- Demonstratie van de toepasbaarheid van de methode in verschillende voedingswetenschapsgebieden.
Conclusies
- PTR-ToF-MS is een krachtig hulpmiddel voor het analyseren van vluchtige organische verbindingen.
- De methode kan onderzoek in diverse wetenschappelijke velden inspireren.
- Toekomstige toepassingen kunnen het begrip van voedselkwaliteit en sensorische perceptie verbeteren.
Veelgestelde vragen
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.
