PTR-ToF-MS в сочетании с автоматизированной системой отбора проб и специализированным анализом данных для пищевых исследований: мониторинг биопроцессов, скрининг и анализ носового пространства
May 11th, 2017
Время пролетной реакции переноса протонов Масс-спектрометрия позволяет проводить высокочувствительный, быстрый и неинвазивный анализ летучих органических соединений. Чтобы продемонстрировать его возможности, мы приведем три примера: молочнокислая ферментация йогурта (онлайн-мониторинг биопроцессов), различные генотипы яблок (крупномасштабный скрининг) и ретроназальное пространство после употребления кофе (анализ носового пространства).
Общая цель данной статьи — продемонстрировать потенциал PTR-ToF-MS для прямого анализа летучих органических соединений в пищевой науке и технике и, в частности, важность автоматизированного отбора проб и специализированного анализа данных. Летучие органические соединения играют ключевую роль в науке и технологиях в области пищевых продуктов как потому, что они контролируют восприятие вкуса и запаха, так и потому, что они являются инструментом для мониторинга качества продуктов питания. Высокая чувствительность и быстрый и прямой впрыск делают PTRMS одним из лучших вариантов для мониторинга выделения летучих органических соединений, для мониторинга биопроцессов, для скрининга больших наборов данных и для анализа носового пространства.
Мы также разрабатываем правильные данные и инструменты анализа, которые необходимы для правильной работы с большими и сложными наборами данных, такими как те, которые были использованы PTRMS за очень короткое время. Будущая демонстрация нашей методологии может вдохновить на поиски в различных статистических и научных областях, таких как сенсомика, метаболомика, анализ путей и фонематика. Чтобы начать первый эксперимент, добавьте пять миллилитров пастеризованного молока в стеклянные флаконы объемом 20 миллилитров, оснащенные силиконовыми перегородками из ПТФЭ.
Затем переведите образцы в многофункциональный автоматический пробоотборник GC, оснащенный лотком для контроля температуры. Используйте роботизированную руку автоматического пробоотборника для инокуляции флаконов микробными закваски, установите время инкубации в соответствии с типологией желаемого процесса и спецификациями, сообщенными производителем закваски. Затем настройте автоматический пробоотборник на анализ одного образца за другим, получая в режиме онлайн мониторинг летучих органических соединений молочнокислого брожения во время приготовления йогурта.
Во втором опыте отбирают не менее пяти яблок на нужной фазе созревания без каких-либо видимых повреждений для каждого сорта. Храните яблоки в течение нужного периода при температуре четыре градуса Цельсия. После этого соберите пять цилиндрических дисков из каждого яблока с помощью пробника с мякотью, включающей часть ткани коры головного мозга и избегая сердцевинной части с семенами.
После замораживания образцы и жидкий азот гомогенизируют их. Поместите три реплики образцов яблок весом 2,5 грамма от каждого сорта в стеклянные флаконы объемом 20 миллилитров. Смешайте каждый образец с раствором антиоксиданта, полученным путем растворения в 12,5 миллилитрах деионизированной воды одного грамма хлорида натрия, 12,5 миллиграммов аскорбиновой кислоты и 2,5 миллиграмма лимонной кислоты.
Инкубируйте образцы при температуре 40 градусов Цельсия. Затем настройте автоматический пробоотборник на автоматический анализ летучих органических соединений. Для последнего эксперимента приготовьте сваренный кофе из образцов молотого кофе с помощью кофеварки на плите на шесть чашек, используя 450 миллилитров воды и 30 граммов кофейного порошка.
Перелейте сваренный кофе в бутылку и поставьте бутылку на термостатическую водяную баню при температуре 60 градусов Цельсия. Сообщите о соотношении порошковой воды, типе используемой минеральной воды, типе кофеварки и процедуре, принятой для получения кофейного напитка. Для каждой кофейной заварки перекладывайте 7,5 миллилитров аликвот в 40-миллилитровую полистирольную чашку с пластиковой крышкой.
Пусть каждый участник дискуссии попробует напиток в соответствии с протоколом. В то время как PTR-ToF-MS непрерывно измеряет концентрацию в носовом пространстве с помощью одноразового эргономичного наконечника из силиконовой резины, расположенного в носовой части каждого члена панели. Этот наконечник соединен с PTR-ToF-MS трубкой PIC, часть которой контактирует с панелью при комнатной температуре, а оставшаяся трубка нагревается до 110 градусов Цельсия и впускным шлангом, соединяющим интерфейс отбора проб с прибором.
Для выполнения измерений свободного пространства образцов непосредственно введите воздух в головное пространство дрифтовой трубки PTRMS, вставив конец входного отверстия PTRMS в пространство головки образца. До и во время измерений установите и постоянно проверяйте следующие условия ионизации в дрейфовой трубке, чтобы соотношение E/N составляло 140 по Таунсенду. Если используется автопробоотборник, установите минимальный входной расход на уровне 40 стандартных кубических сантиметров.
Установите время выборки для каждого канала сбора ToF в соответствии с диапазоном коэффициента основного заряда. Используйте программное обеспечение собственной разработки для коррекции потерь из-за простоя ионного детектора и выполнения внутренней калибровки, снижения шума составных аннотаций и извлечения пиков. Добывайте данные, выполняя принципиальный составной анализ, анализ дисперсии, апостериорный тест Тьюки и другой статистический анализ, адаптируя существующие пакеты, разработанные с помощью Matlab.
Три эксперимента представляют собой примеры применения нашей методологии мониторинга биопроцессов, скрининга наборов образцов и анализа пространства носа in vivo. Онлайн-профиль летучих органических соединений образцов дает полный масс-спектр каждую секунду, и в полученных средних спектрах во время ферментации йогурта можно идентифицировать более 300 массовых пиков. Здесь показана кинетика ферментации девяти выбранных пиков массы во время брожения йогурта с использованием четырех различных заквасок.
Большинство из этих летучих веществ демонстрировали классическую микробную кинетику с начальной фазой запаздывания, за которой следовала фаза роста и постлогарифмическая фаза. Интересно, что онлайн-анализ выявил особую кинетику истощения для четырех серосодержащих соединений, которые могут оказывать сенсорный эффект даже при очень низкой концентрации. Древовидная диаграмма на основе летучих органических соединений, ассоциированных с большой коллекцией яблок, представленной 198 сеансами, подчеркивает наличие шести основных кластеров, в основном определяемых сложными эфирами и спиртами.
Здесь показаны кумулятивные профили для пяти кофемашин, представленные с помощью радиальных графиков. Результаты демонстрируют наличие воспроизводимых и значимых различий между участниками дискуссии, что очевидно для участников группы P 1 и P 2. Разница в выборках, наиболее опробованная методология позволяет получить достоверные данные о выделении летучих органических соединений, которые при сравнении с нашими методами могут быть получены в более короткие сроки.
Возможность измерения большого количества образцов – ключевая особенность нашего подхода. Потому что это позволяет контролировать и отслеживать жизнеспособность биологических образцов. После этой разработки эта методология хорошо зарекомендовала себя исследователями в различных областях, связанных с мониторингом летучих органических соединений, чтобы изучить связь между их высвобождением и генетикой и скринингом популяций.
После просмотра этого видео вы должны иметь хорошее представление о том, как исследовать потенциал PTR-ToF-MS в анализе продуктов питания и технологий для анализа летучести фруктов. Помните, что во время эксперимента образцы и измерительная линия подвергаются воздействию воздуха. Поэтому избегайте введения некоторых источников летучих органических соединений.
Еще одно преимущество PTRMS заключается в том, что он не предполагает использования растворителей или опасных красителей и является методом «зеленой» химии. Однако не забывайте, что ваши образцы могут быть чрезвычайно опасными.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
Это исследование демонстрирует потенциал реакции переноса протонов с временем полёта масс-спектрометрии (PTR-ToF-MS) для анализа летучих органических соединений в науке о пищевых продуктах. Метод выделяется своей высокой чувствительностью и способностью к быстрому, неинвазивному анализу.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Наука о пищевых продуктах
- Аналитическая химия
- Летучие органические соединения
Фон
- Летучие органические соединения играют важную роль в восприятии вкуса и запаха пищи.
- Качество пищи можно контролировать путем анализа этих соединений.
- PTR-ToF-MS обеспечивает прямой и быстрый анализ, что делает его подходящим для различных применений.
- Автоматизированное отбор образцов и индивидуальный анализ данных повышают эффективность метода.
Цель исследования
- Продемонстрировать возможности PTR-ToF-MS в науке и технологии пищевых продуктов.
- Подчеркнуть важность автоматизированного отбора образцов в анализе летучих соединений.
- Разработать инструменты анализа данных для больших и сложных наборов данных.
Использованные методы
- Реакция переноса протонов с временем полёта масс-спектрометрия (PTR-ToF-MS).
- Онлайн-мониторинг биопроцессов ферментации молочной кислоты в йогурте.
- Широкое скринирование различных генотипов яблок.
- Анализ пространства носа после потребления кофе.
Основные результаты
- Успешное наблюдение за летучими органическими соединениями в ферментации йогурта.
- Эффективное скринирование различных генотипов яблок для профилирования вкуса.
- Результаты анализа ретроназального пространства после потребления кофе.
- Демонстрация применимости метода в различных областях науки о пищевых продуктах.
Выводы
- PTR-ToF-MS является мощным инструментом для анализа летучих органических соединений.
- Метод может вдохновить исследования в различных научных областях.
- Будущие применения могут улучшить понимание качества пищи и восприятия чувств.
Часто задаваемые вопросы
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.
