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
11 maja 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.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie demonstruje potencjał spektrometrii mas z czasem przelotu z reakcją przeniesienia protonu (PTR-ToF-MS) w analizie lotnych związków organicznych w nauce o żywności. Metoda ta wyróżnia się wysoką czułością oraz możliwością szybkiej, nieinwazyjnej analizy.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o żywności
- Chemia analityczna
- Lotne związki organiczne
Wstęp
- Lotne związki organiczne mają kluczowe znaczenie dla postrzegania smaku i zapachu żywności.
- Monitorowanie jakości żywności można realizować poprzez analizę tych związków.
- Technika PTR-ToF-MS umożliwia bezpośrednią i szybką analizę, co czyni ją odpowiednią do różnorodnych zastosowań.
- Zautomatyzowany pobór próbek oraz dostosowana analiza danych zwiększają efektywność tej metody.
Cel badania
- Aby zaprezentować możliwości techniki PTR-ToF-MS w nauce o żywności i technologii żywności.
- Aby podkreślić znaczenie zautomatyzowanego pobierania próbek w analizie związków lotnych.
- Aby opracować narzędzia analizy danych dla dużych i złożonych zbiorów danych.
Zastosowane metody
- Spektrometria mas z czasem przelotu z reakcją przeniesienia protonu (PTR-ToF-MS).
- Monitorowanie bioprocesu fermentacji kwasu mlekowego w jogurcie w trybie on-line.
- Przesiewy na dużą skalę różnych genotypów jabłoni.
- Analiza przestrzeni nad próbką po spożyciu kawy.
Główne wyniki
- Skuteczne monitorowanie lotnych związków organicznych podczas fermentacji jogurtu.
- Efektywny screening różnych genotypów jabłek w celu profilowania smaku.
- Wgląd w analizę przestrzeni retronasalnej po spożyciu kawy.
- Demonstracja możliwości zastosowania tej metody w różnych obszarach nauki o żywności.
Wnioski
- PTR-ToF-MS jest potężnym narzędziem do analizy lotnych związków organicznych.
- Metoda ta może inspirować badania w różnorodnych dziedzinach nauki.
- Przyszłe zastosowania mogą poprawić zrozumienie jakości żywności i percepcji sensorycznej.
Najczęściej Zadawane Pytania
Znaczenie dla przemysłu
PTR-ToF-MS umożliwia monitorowanie lotnych związków organicznych (VOCs) w systemach żywnościowych w czasie rzeczywistym i w sposób nieinwazyjny, dostarczając wysokoczułych danych do profilowania smaku oraz monitorowania procesów. Możliwość ta wspiera wczesne etapy odkryć poprzez powiązanie uwalniania VOCs z aktywnością biologiczną, zmiennością genetyczną lub percepcją sensoryczną, co w konsekwencji dostarcza informacji niezbędnych do walidacji celu i identyfikacji wiodących związków w badaniach i rozwoju (R&D) w dziedzinie nauki o żywności. Integracja zautomatyzowanego próbkowania i dostosowanej analizy danych zwiększa przepustowość oraz powtarzalność, co pozycjonuje tę metodę jako skalowalne narzędzie do przesiewania dużych zestawów próbek i prowadzenia mechanistycznej redukcji ryzyka w przepływach pracy translacyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez korelację profili LZO z metabolizmem mikrobiologicznym lub zmiennością genetyczną w systemach modelowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez monitorowanie w czasie rzeczywistym strumienia metabolicznego w procesach fermentacyjnych lub enzymatycznych.
- Pewność prognostyczna: Ułatwia selekcję projektów w portfelu poprzez identyfikację biomarkerów LZO związanych z pożądanymi efektami sensorycznymi lub jakościowymi.
Przesiewy i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszej analizy VOC poprzez standaryzację przygotowania próbek i warunków w przestrzeni nadpróbkowej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność analizy i ilościowe pomiary VOC w dużych zestawach próbek, takich jak odmiany jabłek lub napary kawy.
- Skalowalność: Umożliwia wysokoprzepustowy screening zasobów genowych lub wariantów formulacji dzięki zautomatyzowanemu pobieraniu próbek i szybkiej akwizycji widm masowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy profilowanie VOC w fazie odkryć z walidacją przedkliniczną, demonstrując powtarzalną analizę przestrzeni zapachowej in vivo podczas spożywania kawy.
- Mechanistyczna redukcja ryzyka: Zmniejsza niejednoznaczność w powiązaniu zmiennych genetycznych lub formulacyjnych z efektami sensorycznymi poprzez analizę statystyczną wzorców VOC (np. PCA, ANOVA, test post-hoc Tukeya).
- Dostosowanie biomarkerów prognostycznych: Identyfikuje klastry VOC (np. estry, alkohole), które korelują z cechami genetycznymi lub fenotypowymi, wspierając podejmowanie decyzji w oparciu o biomarkery.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu badawczego – od weryfikacji hipotez, przez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną, szczególnie w sytuacjach, gdy uwalnianie VOC służy jako funkcjonalny odczyt aktywności biologicznej lub wpływu sensorycznego.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków metabolicznych poprzez monitorowanie dynamiki LZO podczas fermentacji mlekowej lub utleniania enzymatycznego.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość analizy i wyniki ilościowe do porównywania profili LZO w różnych wariantach genetycznych, warunkach formulacji lub parametrach procesu.
- Analityka: Umożliwia eksplorację danych za pomocą PCA, ANOVA i testów post-hoc w celu porównania warunków i zidentyfikowania istotnych czynników wpływających na LZO.
- Badania translacyjne: Łączy dane z fermentacji in vitro lub badań przesiewowych z pomiarami przestrzeni zapachowej in vivo, wspierając ciągłość od etapu odkryć do walidacji sensorycznej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku platforma do analizy LZO w różnych dziedzinach nauki o żywności, ograniczając nadmiarowe opracowywanie metod.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w relacjach między LZO a biologią.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, odtwarzalność i skalowalność dzięki zautomatyzowanemu pobieraniu próbek i kalibracji wewnętrznej.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go, dostarczając wczesnych odczytów jakości produktu lub wydajności biologicznej w oparciu o LZO.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację szczepów, odmian lub formulacji z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o fingerprinting LZO i istotność statystyczną.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu spektrometrii mas, chemii LZO oraz potoków analizy danych w celu adnotacji związków i redukcji szumów.
- Niezbędna jest instrumentacja PTR-ToF-MS z kompatybilnością z automatycznym próbąlnikiem, kontrolą temperatury oraz podgrzewanymi liniami poboru próbek do zastosowań w analizie zapachów (nosespace).
- Wymagana jest międzyzespołowa standaryzacja protokołów pobierania próbek, warunków inkubacji oraz przepływów analizy danych (np. PCA w środowisku Matlab, ANOVA).
- Proces obejmuje adaptację w różnych systemach modelowych (kultury mikrobiologiczne, tkanki roślinne, badani ludzie) z uwzględnieniem przygotowania próbek i równowagi w przestrzeni nad próbką (headspace).
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak podatność na zanieczyszczenia LZO przenoszone drogą powietrzną oraz konieczność stosowania obojętnych linii poboru próbek, aby zapobiec utracie lub degradacji związków.
