Method Article

PTR-ToF-MS acoplado com um sistema automatizado da amostragem e uma análise costurada dos dados para estudos do alimento: Monitoração do Bioprocess, seleção e análise do espaço do nariz

DOI:

10.3791/54075

⸱

May 11th, 2017

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1Department of Food Quality and Nutrition, Research and Innovation Centre, Fondazione Edmund Mach (FEM), 2Faculty of Science and Technology, Free University of Bolzano, 3Department of Agriculture, Food and Environmental Sciences, University of Foggia, 4Institute of Analytical Chemistry & Radiochemistry, Leopold-Franzens Universität Innsbruck, 5Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik, Leopold-Franzens Universität Innsbruck

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A espectrometria de massa de tempo de reação de transferência de prótons de voo permite a análise de alta sensibilidade, rápida e não invasiva de compostos orgânicos voláteis. Para demonstrar seu potencial, damos três exemplos: fermentação de ácido lático de iogurte (monitoramento on-line de bioprocessos), diferentes genótipos de maçã (triagem em larga escala) e espaço retronasal após beber café (análise do espaço nasal).

Abstract

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A Reação de Transferência de Protons (PTR), combinada com um Espectrômetro de Massa de Tempo de Fuga (ToF) é uma abordagem analítica baseada na ionização química que pertence às tecnologias DIMS (Direct Injection Mass Spectrometric). Estas técnicas permitem a rápida determinação de compostos orgânicos voláteis (COVs), garantindo alta sensibilidade e precisão. Em geral, a PTR-MS não requer preparação de amostra nem destruição da amostra, permitindo a análise em tempo real e não invasiva das amostras. Os PTR-MS são explorados em muitos campos, desde química ambiental e atmosférica até ciências médicas e biológicas. Mais recentemente, desenvolvemos uma metodologia baseada no acoplamento de PTR-ToF-MS com um amostrador automatizado e ferramentas de análise de dados sob medida, para aumentar o grau de automação e, conseqüentemente, aumentar o potencial da técnica. Esta abordagem permitiu monitorizar bioprocessos ( por exemplo, oxidação enzimática, fermentação alcoólica), paraPor exemplo, diferentes origens, germoplasmas inteiros) e analisar vários modos experimentais ( por exemplo, diferentes concentrações de um determinado ingrediente, diferentes intensidades de um parâmetro tecnológico específico) em termos de teor de COV. Aqui apresentamos os protocolos experimentais que exemplificam diferentes aplicações possíveis de nossa metodologia: a detecção de COV liberados durante a fermentação do iogurte (monitoramento on-line de bioprocessos), o monitoramento de COVs associados a diferentes cultivares de maçã (triagem em grande escala) , Eo estudo in vivo da liberação retronasal de COV durante o consumo de café (análise de espaço nosespaço).

Introduction

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As tecnologias de espectrometria de massa por injeção direta (DIMS) representam uma classe de abordagens instrumentais analíticas que oferecem considerável resolução de massa e tempo com alta sensibilidade e robustez, permitindo a rápida detecção e quantificação de compostos orgânicos voláteis (COVs) 1 . Estas abordagens instrumentais incluem, entre outros, MS-e-nose, Espectrometria de Massa de Ionização Química à Pressão Atmosférica (APCI-MS), Espectrometria de Massa de Reação de Transferência de Proton (PTR-MS) e Espectrometria de Massa de Fluxo de Ion SIFT-MS) 1 . Os prós e os contras de cada abordagem dependem: do tipo de injeção da amostra, da fonte e do controle dos íons precursores, do controle do processo de ionização e do analisador de massa 1 , 2 .

A espectrometria de massa de reação de transferência de protões (PTR-MS) foi desenvolvida há mais de vinte anos para monitorar em tempo real eOs limites de detecção baixos (geralmente alguns ppbv, parte por bilhão por volume) a maioria dos compostos orgânicos voláteis (COVs) no ar 3 , 4 . Os usos atuais do PTR-MS variam de aplicações médicas, ao controle de alimentos, à pesquisa ambiental 5 , 6 . As principais características desta técnica são: a possibilidade de medição rápida e contínua, a fonte intensa e pura de íons precursores ea possibilidade de controlar condições de ionização (pressão, temperatura e tensão de derivação). Estas características permitem combinar usos versáteis com um alto grau de padronização 1 , 4 . De facto, o método baseia-se em reacções de iões hidrónio (H 3 O + ), que induzem a transferência de protões não dissociativos na maioria dos compostos voláteis (particularmente naqueles caracterizados por uma afinidade do protão superior à água), compostos neutros protonantes(M) de acordo com a reacção: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . Em contraste com outras técnicas, por exemplo , APCI-MS, a formação de iões precursores e a ionização de amostras são divididas em dois compartimentos instrumentais diferentes (uma representação esquemática do instrumento PTR-MS é apresentada na Figura 1 ). Uma descarga eléctrica por vapor de água na fonte de iões de cátodo oco gera um feixe de iões de hidronio. Após esta fase, os íons atravessam o tubo de deriva, onde ocorre a ionização dos COVs 7 . Os íons entram em uma seção de extração de pulsos e são acelerados na seção TOF. Através dos tempos de voo, é possível determinar as relações massa-carga dos iões 8 . Cada impulso de extracção conduz a um espectro de massa completo 8 da gama m / z seleccionada. Os espectros de iões são registados por um sistema rápido de aquisição de dados 7 . Um espectro completo é tipicamenteAdquirida em um segundo, embora possa ser obtida uma resolução de tempo mais elevada de acordo com o nível de sinal para ruído e uma estimativa quantitativa da concentração de espaço de cabeça de VOC pode ser fornecida mesmo sem calibração 9,10 .

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Figura 1: Ilustração esquemática de um PTR-MS. Representação esquemática do instrumento PTR-MS. HC: fonte de iões externa com cátodo oco; SD: drift fonte; VI, entrada de tipo venturi; EM, multiplicador de elétrons; FC1-2, controladores de fluxo. Reimpresso com permissão de Boschetti et al. 7 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

11 . O PTR tem um interesse considerável nas ciências ambientais, atmosféricas, alimentares, tecnológicas, médicas e biológicas 12 .

Os COVs associados às matrizes alimentares são de grande interesse na ciência e tecnologia dos alimentos devido ao seu importante papel na base molecular dos fenômenos biológicos ligados à percepção de odor e sabor e, portanto, na aceitação dos alimentos. Assim, o nosso interesse em tempo real e detecção não invasiva de COVs lida principalmente com as qualidades sensoriais dos alimentos. Além disso, se considerarmos a possibilidade de detectar microorganismos deteriorados e patogênicos por meio de COV 13 liberados e / ou monitorar compostos orgânicos voláteis como marcadores( Por exemplo, subprodutos de Maillard durante tratamentos térmicos) 14 , torna-se claro como a identificação e quantificação de COV são campos de interesse na gestão da qualidade dos alimentos 6 . Várias utilizações recentes das tecnologias PTR-MS para o rápido monitoramento e quantificação de COVs em matrizes de alimentos testemunham a ampla gama de aplicação dessas abordagens analíticas ( Tabela 1 ).

Matriz de alimentos Tipo de aplicação Descrição breve Referência
manteiga Triagem / caracterização Origem geográfica das manteigas europeias 15
Iogurte Monitoramento de Bioprocessos Evolução durante o ácido láctico ferMentação 16
Barras de cereais Medição in vivo Nosespace durante o consumo de barras de cereais com composição de açúcar variável 17
Sistemas de modelos líquidos Condições orais simuladas Avaliação da pressão lingual e das condições bucais em boca modelo 18
maçã Medição in vivo Nosespace durante o consumo de maçã com diferentes parâmetros genéticos, texturais e físico-químicos 19
Café Triagem / caracterização Diferenciação de cafés especiais 20
Mosto de uva Triagem / caracterização Efeito do processo de cozimento 21
Doces com sabor Medição in vivo Deliberação sobre painelistas que utilizamMétodos de espectrometria de massa direta 22
presunto Triagem / caracterização Efeito do sistema de criação de suínos 23
Pão Condições orais simuladas Simulando o aroma do pão durante a mastigação 24
Leite Triagem / caracterização Monitoramento de mudanças dinâmicas induzidas por fotooxidação no leite 25
Café Triagem / caracterização Diversidade em cafés torrados de diferentes origens geográficas 26
Pão Monitoramento de Bioprocessos Efeito de diferentes fermentadores durante a fermentação alcoólica 27
Café Medição in vivo Nosespace durante o consumo de diferentes preparações de café torrado 28
Triagem / caracterização Impacto da localização da produção, do sistema de produção e da variedade 29
Pão Monitoramento de Bioprocessos Efeito da farinha, levedura e sua interação durante a fermentação alcoólica 30
Cogumelos Triagem / caracterização Vida útil dos cogumelos secos porcini 31
Iogurte Monitoramento de Bioprocessos Efeito de diferentes culturas iniciais durante a fermentação láctica 32
maçã Triagem / caracterização Diversidade em uma coleção de germoplasma de maçã 33
Café Triagem / caracterização Rastreamento da origem do café 34
Café Medição in vivo Combinação de umDinâmico sensorial e in-vivo nosespace análise para entender a percepção do café 35

Tabela 1: Lista de estudos científicos utilizando PTR-ToF-MS no sector alimentar. Lista não exaustiva de estudos científicos utilizando abordagens baseadas em PTR para monitorizar o conteúdo de COV em experiências relacionadas com alimentos.

Em estudos recentes, relatamos a aplicação de PTR-ToF-MS acoplado a um sistema automatizado de amostragem e ferramentas de análise de dados sob medida para aumentar a automação e confiabilidade da amostragem e, conseqüentemente, aumentar o potencial desta técnica 7,10,13. Isto permitiu analisar, em termos de teor de VOC, grandes conjuntos de amostras ( por exemplo, alimentos de diferentes origens com muitas repetições, germoplasmas inteiros), para analisar a influência de vários modos experimentais na libertação de COV ( eg diferentes concentraçõesDe um determinado ingrediente, diversas intensidades de um parâmetro tecnológico específico), e para monitorar COVs associados a um dado bioprocesso ( por exemplo, oxidação enzimática, fermentação alcoólica). Aqui, para exemplificar o potencial do PTR-ToF-MS no setor agroalimentar, apresentamos três aplicações paradigmáticas: a detecção de COV liberados durante a fermentação do ácido láctico de iogurte induzida por diferentes culturas iniciadoras microbianas (monitoramento on-line de bioprocessos ), O monitoramento de COV associado a diferentes cultivares de maçã (screening em grande escala) e o estudo in vivo da liberação retronasal de COV ao beber café (análise de espaço nosespaço).

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Protocol

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O protocolo segue as diretrizes do nosso comitê institucional sobre ética em pesquisa humana.

1. Preparação da Amostra e Condições do Amostro Automático

  1. Monitoramento de bioprocessos on-line: detecção de COV liberados durante a fermentação com ácido láctico de iogurte
    NOTA: Esta seção do protocolo representa parte do procedimento relatado por Benozzi et al. 32
    1. Adicione 5 mL de leite pasteurizado a cada frasco (frascos de vidro de 20 mL equipados com PTFE / septos de silicone). Observe o tipo de leite utilizado e aqueça rapidamente as amostras a 45 ° C. Transfira-os para um auto-amostrador GC multifuncional equipado com uma bandeja com temperatura controlada (45 ° C).
    2. Utilize o braço robótico do auto-amostrador para inocular os frascos com as culturas iniciadoras microbianas (de acordo com as especificações do fabricante da cultura de partida). Definir o tempo de incubação de acordo com a tipologia do iogurte desejado e com a especificaçãoS relatado pelo fabricante de cultura de partida. Definir o amostrador automático para analisar convenientemente uma amostra após a outra, obtendo uma monitorização on-line VOC de fermentação de ácido láctico durante a preparação de iogurte.
  2. Rastreio em grande escala: monitorização de COV associados a diferentes genótipos de maçã
    NOTA: Esta seção do protocolo representa parte do procedimento relatado por Farneti et al. 33 , 36
    1. Amostra de maçãs na fase desejada de amadurecimento / conservação ( por exemplo, na fase de colheita comercial). Selecione pelo menos cinco frutos homogêneos sem qualquer dano visível para cada clone. Armazenar as maçãs para o período desejado à temperatura ambiente (25 ° C) ou refrigerar (4 ° C).
    2. Recolher cinco discos cilíndricos (1,7 cm de diâmetro e 1 cm de espessura) de cada maçã com um sampler de lâmina de carne. Incluir uma parte do tecido do córtex, e evitar a porção de núcleo com sementes.Homogeneizar imediatamente as amostras e congelar em azoto líquido. Armazenar a -80 ° C até análise.
    3. Antes da análise, coloque três repetições da amostra de 2,5 g de maçã de cada repetição biológica nos frascos (frascos de vidro de 20 mL equipados com PTFE / septos de silicone). Misture a amostra com 2,5 ml de água desionizada, 1 g de cloreto de sódio, 12,5 mg de ácido ascórbico e 12,5 mg de ácido cítrico e mantenha as amostras a 4 ° C até à análise (máximo 3 dias).
    4. Incubar as amostras a 40 ° C e, em seguida, definir o amostrador automático para analisar automaticamente os COVs.
  3. Análise de Nosespace: estudando a liberação retronasal de COVs durante o consumo de café
    NOTA: Esta seção do protocolo representa parte do procedimento relatado por Romano et al. 28
    1. Prepare café preparado a partir de amostras de café moído.
      1. Use uma máquina de café: relatar a relação água / pó, o tipo de água mineral utilizada,O tipo de cafeteira eo procedimento adotado para obter a bebida de café (as quantidades são função da dimensão da máquina de café).
      2. Use uma cafeteira de seis xícaras, conhecida na Itália como "moka", usando 450 ml de água e 30 g de café em pó. Colocar o café em uma vasilha e transferi-la em banho-maria termostático (60 ° C).
    2. Para cada infusão de café, transferir alíquotas de 7,5 mL para um copo de poliestireno (40 mL) com uma tampa de plástico. Cada palestrante deve provar a bebida de acordo com o protocolo: i) 30 s de respiração livre, ii) um único gole de café, seguido de uma andorinha rápida, e iii) 3 min de respiração em um nariz de vidro ergonômico 28 .
    3. Repita o experimento inteiro por três dias consecutivos, aleatorizando a ordem das amostras de café e palestrantes por dia.
    4. Executar a amostragem aplicando uma peça ergonômica de uso único em borracha de silicone ao nariz dos participantes. Ligue o nPor meio de um tubo PEEK que é não aquecido apenas na primeira parte em contacto com o corpo do painel, depois aquecido a 110 ° C numa mangueira de entrada, que liga a interface de amostragem com o PTR-MS instrumento.
      NOTA: Na Tabela 2, uma lista de produtos analisados ​​com procedimentos análogos aos relatados por Benozzi et al. 32 , Farneti et ai. 33 , 36 , e Romano et al. 28 é relatado.
Matriz de alimentos Número e tipo de amostras Referência
maçã Os autores selecionaram uma coleção representada por 190 acessos, compostos por cultivares de maçã tanto antigas como novas 33
Iogurte Quatro iniciadores foram analisados ​​em termos de COV libertados durante a fermentação láctica de iogurte (A, FD-DVS YF-L812 Yo-Flex, Chr. Hansen, B, FD-DVS YC-380 Yo-Flex, Chr. -DVS YC-X11 Yo-Flex, Chr Hansen, D, YO-MIX 883, Danisco) 32
Café Utilizaram-se três tipos diferentes de café moído obtidos a partir de uma única mistura de café Arábica puro: assado médio assado escuro e assado médio descafeinado 28

Tabela 2: Lista de produtos analisados. Lista de produtos analisados ​​com procedimentos análogos aos relatados por Benozzi et al. 32 , Farneti et ai. 33 , 36 , e Romano et al. 28

2. Desenho Experimental e Precauções Práticas

  1. Realize pelo menos três cópias biológicas inter-diaCada, com três repetições técnicas, para cada modo experimental.
  2. Antes da incubação e da análise da amostra, lave o espaço superior com ar limpo durante 1 minuto a 200 sccm para cada frasco.
  3. Preparar um branco para cada modo experimental, incubar e analisar o branco sob as mesmas condições das amostras.
  4. Randomize a ordem das amostras / espaços em branco para a análise.
  5. Da mesma forma que outros métodos usados ​​para detectar COVs, limite o uso de produtos de higiene pessoal perfumados, bem como gomas e cigarros, antes de usar o instrumento. Colete com firmeza todos os produtos químicos voláteis no laboratório e controle os rastros de ar tanto quanto possível durante os testes 37 .

3. PTR-MS Optimização e Análise de Instrumentos

NOTA: As condições instrumentais são descritas nas referências ( eg Makhoul et al ., 27 ).

  1. Realizar medições do espaço de cabeça das amostras com umAl PTR-ToF-MS no modo de configuração padrão.
  2. Injecte directamente ar no espaço de direcção do tubo de derivação PTR-MS sem qualquer tratamento. Existe um fluxo contínuo de ar de amostra através da PTR-MS de modo que a injecção é conseguida simplesmente inserindo a extremidade da entrada de PTR-MS no espaço de cabeça da amostra.
  3. Definir e verificar constantemente as seguintes condições de ionização no tubo de deriva: temperatura do tubo de deriva de 110 ° C, pressão de deriva de 2,30 mbar, tensão de deriva de 550 V. Isto conduz a uma razão E / N de cerca de 140 Td (1 Td = 10-17 cm2 V - 1 s - 1 ). A linha de entrada consiste num tubo capilar PEEK (diâmetro interno de 0,04 pol.) Aquecido a 110 ° C. Por padrão, defina o fluxo de entrada como 40 sccm.
  4. Ajustar o tempo de amostragem por canal de aquisição ToF para 0,1 ns, totalizando 350.000 canais para um espectro de massa variando até m / z = 400. Cada espectro é a soma de cerca de 28.600 aquisições com duração de 35Μs cada, resultando em uma resolução de tempo de 1 s.
    NOTA: Os espectros são armazenados continuamente. Os sinais espectrométricos crescem de um nível de fundo para um valor estável em poucos segundos (o tempo necessário para substituir o gás nas linhas de entrada) e apenas os espectros adquiridos após este transiente são considerados em análise posterior.

4. Análise de Dados Personalizados

NOTA: A análise de dados sob medida foi desenvolvida usando um procedimento no MATLAB.

  1. Corrigir as perdas de contagem devido ao tempo morto do detector de íons por meio de uma metodologia baseada em estatísticas de Poisson como descrito por Cappellin et al. 10 .
  2. Realizar a calibração interna de acordo com um procedimento descrito por Cappellin et al. 38 para obter uma boa precisão de massa (até 0,001 Th).
  3. Efetuar anotação composta comparando dados espectrais obtidos com dados de fragmentação de padrões de referência e com dados rNa literatura científica.
  4. Realizar redução de ruído, remoção da linha de base e extração de intensidade de pico de acordo com Cappellin et al. 39 , usando gaussianos modificados para ajustar os picos.
  5. Calcular a intensidade do pico em ppbv (partes por bilhão por volume) através da fórmula descrita por Lindinger et al. 5 , utilizando o coeficiente de velocidade de reacção apropriado ou um valor constante para o coeficiente de velocidade de reacção (k = 2,10 - 9 cm3 s - 1 ), quando o composto subjacente não é conhecido. Este último introduz um erro sistemático de até 30% que pode ser contabilizado se o coeficiente real é conhecido 40 .
  6. Mine os dados executando Análise de Componentes Principais, Análise de Variância, teste post-hoc de Tukey e outros testes / análises estatísticas adaptando pacotes existentes desenvolvidos usando R ( por exemplo, Cappellin et al. 10).

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Results

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O perfil volátil das amostras resultou num espectro de massa completo para a gama de massa desejada adquirida a cada segundo. Na Figura 2 , é dado um exemplo do espectro médio adquirido durante o bioprocesso on-line de iogurte 32 . Em cada espectro, podem ser identificados mais de 300 picos de massa na faixa m / z até 250 Th. 32 .

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Discussion

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A espectrometria de massa de reação de transferência de protões (PTR-MS) acoplada aos analisadores de massa de tempo de vôo (ToF) representa um compromisso válido entre a necessidade de identificação e quantificação de compostos orgânicos voláteis e a necessidade de perfis analíticos rápidos. A alta resolução de massa que caracteriza o analisador de massa ToF proporciona sensibilidade e espectros de massa relevantes com conteúdo informacional considerável. Além disso, a aplicação de PTR-ToF-MS acoplado com um auto-sampl...

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Disclosures

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Os autores não têm nada a divulgar.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabalho é apoiado pelo 7.º Programa-Quadro da Comissão Europeia ao abrigo do Acordo de Subvenção Número 287382. A SY é beneficiária de um acordo de subvenção do 7.º Programa-Quadro n.º 287382 da Comissão Europeia. IK é beneficiário de uma bolsa de doutorado FIRST da Fondazione Edmund Mach. Por seu trabalho na Universidade de Foggia, VC é apoiado pela Região da Apúlia no âmbito do programa 'Future In Research' (código de prática 9OJ4W81).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
PTR-TOF 8000 Alta Resolução PTR-TOF-MSIonicon Analytik Ges.m.b.H.PTR-TOF 8000Um detector para compostos orgânicos voláteis (VOCs) que permite a quantificação contínua de VOC com uma resolução de massa muito alta
GERSTEL  MPS 2XLGerstelA amostrador automático multifuncional 
Unidade de calibração de gásIonicon Analytik Ges.m.b.H.GCU-s / GCU-aUm sistema dinâmico de diluição de gás que fornece quantidades variáveis, mas conhecidas, de diferentes compostos padrão em um fluxo de gás portador
TofDaqTofwerk AGfree disponível em http://soft.tofwerk.com/   Um software de aquisição de dados (para aquisição de espectros)
MATLAB MathWorkshttp://it.mathworks.com/products/matlab/Uma linguagem de computação técnica e ambiente interativo para desenvolvimento de algoritmos, visualização de dados e análise de dados
RThe R Foundationdisponível gratuitamente em https://cran.r-project.org/mirrors.html  Uma linguagem e um ambiente para computação estatística e gráficos

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