PTR-ToF-MS w połączeniu ze zautomatyzowanym systemem pobierania próbek i dostosowaną analizą danych do badań żywności: monitorowanie bioprocesów, badania przesiewowe i analiza przestrzeni nosowej
May 11th, 2017
Czas reakcji transferu protonów w locie Spektrometria mas umożliwia bardzo czułą, szybką i nieinwazyjną analizę lotnych związków organicznych. Aby pokazać jej potencjał, podajemy trzy przykłady: fermentację mlekową jogurtu (monitorowanie bioprocesów on-line), różne genotypy jabłek (badania przesiewowe na dużą skalę) oraz przestrzeń zanosową po wypiciu kawy (analiza przestrzeni nosowej).
Ogólnym celem tego artykułu jest wykazanie potencjału PTR-ToF-MS do bezpośredniej analizy lotnych związków organicznych w nauce i technologii żywności, a w szczególności znaczenia automatycznego pobierania próbek i analizy danych dostosowanych do potrzeb klienta. Lotne związki organiczne odgrywają kluczową rolę w nauce i technologii żywności, zarówno dlatego, że kontrolują percepcję smaku i zapachu, jak i dlatego, że stanowią narzędzie do monitorowania jakości żywności. Wysoka czułość oraz szybkie i bezpośrednie wstrzykiwanie sprawiają, że PTRMS jest jednym z najlepszych wyborów do monitorowania uwalniania lotnych związków organicznych do monitorowania procesów biologicznych, do badań przesiewowych dużych zbiorów danych i do analizy przestrzeni nosowej.
Opracowujemy również odpowiednie dane i narzędzia analityczne, które są niezbędne do prawidłowego wykorzystania dużych i złożonych zbiorów danych, takich jak te, z których korzystał PTRMS w bardzo krótkim czasie. Przyszłe demonstracje naszej metodologii mogą zainspirować poszukiwania z różnych dziedzin statystycznych i naukowych, takich jak SENSOMICS, metabolomika, analiza ścieżek i fonemia. Aby rozpocząć pierwszy eksperyment, dodaj pięć mililitrów pasteryzowanego mleka do 20-mililitrowych szklanych fiolek wyposażonych w przegrody silikonowe PTFE.
Następnie przenieś próbki do wielofunkcyjnego automatycznego próbnika GC wyposażonego w tackę do kontroli temperatury. Za pomocą ramienia robotycznego automatycznego próbnika zaszczepić fiolki mikrobiologicznymi kulturami starterowymi, ustawić czas inkubacji zgodnie z typologią pożądanego procesu i specyfikacjami podanymi przez producenta kultury starterowej. Następnie ustaw automatyczny próbnik tak, aby analizował jedną próbkę po drugiej, uzyskując monitorowanie online lotnych związków organicznych fermentacji kwasu mlekowego podczas przygotowywania jogurtu.
W drugim eksperymencie należy wybrać co najmniej pięć jabłek w pożądanej fazie dojrzewania bez widocznych uszkodzeń dla każdej odmiany. Przechowuj jabłka przez żądany okres w temperaturze czterech stopni Celsjusza. Następnie zbierz pięć cylindrycznych krążków z każdego jabłka za pomocą próbnika z ostrzem miąższu, w tym części tkanki kory mózgowej i unikając części rdzenia z nasionami.
Po zamrożeniu próbek i ciekłym azocie należy je homogenizować. Umieść trzy powtórzenia 2,5 gramowych próbek jabłek z każdej odmiany w 20-mililitrowych szklanych fiolkach. Wymieszaj każdą próbkę z roztworem przeciwutleniacza otrzymanym przez rozpuszczenie jednego grama chlorku sodu, 12,5 miligrama kwasu askorbinowego i 12,5 miligrama kwasu cytrynowego w 2,5 mililitra wody dejonizowanej.
Próbki należy inkubować w temperaturze 40 stopni Celsjusza. Następnie ustaw automatyczny próbnik tak, aby automatycznie analizował lotne związki organiczne. Do ostatniego eksperymentu przygotuj parzoną kawę ze zmielonych próbek kawy za pomocą ekspresu do kawy na sześć filiżanek, używając 450 mililitrów wody i 30 gramów kawy mielonej.
Zaparzoną kawę przełóż do butelki i umieść butelkę w termostatycznej łaźni wodnej o temperaturze 60 stopni Celsjusza. Należy podać proporcje wody w proszku, rodzaj użytej wody mineralnej, typ ekspresu do kawy oraz procedurę zastosowaną do uzyskania napoju kawowego. Do każdego naparu kawy przenieś 7,5 mililitra porcji do 40-mililitrowego kubka z polistyrenu z plastikową nakrętką.
Niech każdy z panelistów spróbuje napoju zgodnie z protokołem. Podczas gdy PTR-ToF-MS w sposób ciągły pobiera próbki stężenia w przestrzeni nosowej za pomocą ergonomicznej końcówki nosowej z gumy silikonowej jednorazowego użytku na nosie każdego panelisty. Ta końcówka nosowa jest połączona z PTR-ToF-MS za pomocą rurki, przy czym część styka się z panelistą w temperaturze pokojowej, a pozostała rurka jest podgrzewana do 110 stopni Celsjusza i węża dopływowego, który łączy interfejs próbkowania z urządzeniem.
Aby wykonać pomiary przestrzeni nad głową próbek, należy bezpośrednio wstrzyknąć powietrze do przestrzeni nad głową rurki dryfującej PTRMS, wkładając koniec wlotu PTRMS do przestrzeni nad głową próbki. Przed i w trakcie pomiarów ustaw i stale weryfikuj następujące warunki jonizacji w rurze dryfowej, aby doprowadzić do stosunku E/N 140 Townsenda. Jeśli używany jest próbnik automatyczny, ustaw minimalny przepływ wlotowy na 40 standardowych centymetrów sześciennych.
Ustawia czas próbkowania na kanał akwizycji ToF na główny zakres współczynnika ładowania. Użyj samodzielnie opracowanego oprogramowania, aby skorygować straty zliczania spowodowane czasem martwym detektora jonów i przeprowadzić kalibrację wewnętrzną, redukcję szumów adnotacji złożonych i ekstrakcję pików. Eksploruj dane, wykonując zasadniczą analizę złożoną, analizę wariancji, test post-hoc Tukeya i inne analizy statystyczne dostosowujące istniejące pakiety opracowane przy użyciu Matlaba.
Te trzy eksperymenty dostarczają przykładów zastosowania naszej metodologii: monitorowania procesów biologicznych, badań przesiewowych zestawów próbek oraz analizy in vivo przestrzeni nosowej. Profil lotnych związków organicznych próbek online daje pełne spektrum masowe co sekundę, a podczas fermentacji jogurtu można zidentyfikować ponad 300 pików masy w uzyskanych średnich widmach. Przedstawiono kinetykę fermentacji dziewięciu wybranych pików masy podczas fermentacji jogurtu przy użyciu czterech różnych kultur starterowych.
Większość z tych substancji lotnych wykazywała klasyczną kinetykę mikrobiologiczną z początkową fazą opóźnienia, po której następowała faza wzrostu i faza post-logarytmiczna. Co ciekawe, analiza online uwypukliła szczególną kinetykę zubożenia czterech związków zawierających siarkę, które mogą mieć efekt sensoryczny nawet przy bardzo niskim stężeniu. Dendrogram oparty na lotnych związkach organicznych związanych z dużą kolekcją jabłek reprezentowaną przez 198 sesji podkreśla obecność sześciu głównych klastrów, determinowanych głównie przez estry i alkohole.
Skumulowane profile dla pięciu testerów kawy przedstawione za pomocą wykresów promieniowych są pokazane tutaj. Wyniki wskazują na obecność powtarzalnych i istotnych różnic między panelistami, co jest widoczne dla panelistów P pierwszy i P 2. Różnica próbek, najbardziej sprawdzona metodologia może dostarczyć wiarygodnych danych na temat uwalniania lotnych związków organicznych, które w porównaniu z naszymi metodami można uzyskać w krótszym czasie.
Możliwość pomiaru wielu próbek to kluczowa cecha naszego podejścia. Ponieważ pozwala kontrolować i śledzić żywotność próbek biologicznych. Po tym rozwoju metodologia ta dobrze opłaciła się naukowcom z różnych dziedzin związanych z monitorowaniem lotnych związków organicznych, aby zbadać związek między ich uwalnianiem a genetyką i badaniami przesiewowymi populacji.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobre pojęcie o tym, jak zbadać potencjał PTR-ToF-MS w analizie żywności i technologii w celu analizy zmienności owoców. Należy pamiętać, że próbki i linia pomiarowa są wystawione na działanie powietrza podczas eksperymentu. Unikaj więc wprowadzania niektórych źródeł lotnych związków organicznych.
Kolejną zaletą PTRMS jest to, że nie wymaga użycia rozpuszczalników ani niebezpiecznych barwników i jest to technika zielonej chemii. Nie zapominaj jednak, że Twoje próbki mogą być bardzo niebezpieczne.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie pokazuje potencjał Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS) w analizie związków organicznych lotnych w naukach o żywności. Metoda jest doceniana za wysoką wrażliwość i szybkie, nieinwazyjne możliwości analityczne.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauki o żywności
- Chemia analityczna
- Związki organiczne lotne
Tło
- Związki organiczne lotne są kluczowe dla percepcji smaku i zapachu żywności.
- Monitorowanie jakości żywności można osiągnąć poprzez analizę tych związków.
- PTR-ToF-MS oferuje bezpośrednią i szybką analizę, czyniąc ją odpowiednią dla różnych zastosowań.
- Zautomatyzowane pobieranie próbek i dostosowana analiza danych zwiększają efektywność metody.
Cel badania
- Aby pokazać możliwości PTR-ToF-MS w naukach o żywności i technologii.
- Aby podkreślić znaczenie zautomatyzowanego pobierania próbek w analizie związków lotnych.
- Aby opracować narzędzia do analizy danych dla dużych i złożonych zestawów danych.
Stosowane metody
- Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS).
- On-line monitorowanie bioprocesu fermentacji kwasu mlekowego w jogurcie.
- Duża skala przesiewów różnych genotypów jabłoni.
- Analiza przestrzeni nosowej po spożyciu kawy.
Główne wyniki
- Skuteczne monitorowanie związków organicznych lotnych w fermentacji jogurtu.
- Skuteczna selekcja różnych genotypów jabłoni dla profilowania smaku.
- Wgląd w analizę przestrzeni retronasalnej po spożyciu kawy.
- Demonstracja przydatności metody w różnych dziedzinach nauk o żywności.
Wnioski
- PTR-ToF-MS jest potężnym narzędziem do analizy związków organicznych lotnych.
- Metoda może inspirować badania w różnych dziedzinach nauki.
- Przyszłe zastosowania mogą poprawić zrozumienie jakości żywności i percepcji zmysłowej.
Często zadawane pytania
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.
