PTR-ToF-MS в сочетании с автоматизированной системой отбора проб и специализированным анализом данных для пищевых исследований: мониторинг биопроцессов, скрининг и анализ носового пространства
11 мая 2017 г.
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.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании демонстрируется потенциал масс-спектрометрии время-пролета с реакцией переноса протона (PTR-ToF-MS) для анализа летучих органических соединений в пищевой науке. Особое внимание уделяется высокой чувствительности метода, а также возможностям быстрого неинвазивного анализа.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Пищевая наука
- Аналитическая химия
- Летучие органические соединения
Теоретические сведения
- Летучие органические соединения имеют решающее значение для восприятия вкуса и запаха пищевых продуктов.
- Мониторинг качества продуктов питания может быть осуществлен посредством анализа этих соединений.
- Метод PTR-ToF-MS обеспечивает прямой и быстрый анализ, что делает его подходящим для различных применений.
- Автоматизированный отбор проб и специализированный анализ данных повышают эффективность метода.
Цель исследования
- Продемонстрировать возможности PTR-ToF-MS в пищевой науке и технологии.
- Подчеркнуть важность автоматизированного отбора проб при анализе летучих соединений.
- Разработать инструменты анализа данных для больших и сложных наборов данных.
Используемые методы
- Масс-спектрометрия время-пролетного типа с реакцией переноса протона (PTR-ToF-MS).
- Онлайн-мониторинг биопроцесса ферментации молочной кислоты в йогурте.
- Крупномасштабный скрининг различных генотипов яблок.
- Анализ пространства над образцом после употребления кофе.
Основные результаты
- Успешный мониторинг летучих органических соединений при ферментации йогурта.
- Эффективный скрининг различных генотипов яблок для профилирования вкусовых характеристик.
- Данные анализа ретроназального пространства после употребления кофе.
- Демонстрация применимости метода в различных областях пищевой науки.
Выводы
- PTR-ToF-MS является мощным инструментом для анализа летучих органических соединений.
- Данный метод может стимулировать исследования в различных областях науки.
- Будущие применения могут способствовать более глубокому пониманию качества пищевых продуктов и сенсорного восприятия.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Метод PTR-ToF-MS позволяет осуществлять неинвазивный мониторинг летучих органических соединений (ЛОС) в пищевых системах в режиме реального времени, предоставляя высокочувствительные данные для профилирования вкуса и контроля технологических процессов. Эта возможность способствует поиску на ранних стадиях путем установления связи между выбросом ЛОС и биологической активностью, генетической вариабельностью или сенсорным восприятием, что позволяет обосновать валидацию мишеней и идентификацию перспективных соединений в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области пищевых наук. Интеграция автоматизированного отбора проб и специализированного анализа данных повышает пропускную способность и воспроизводимость, что делает этот метод масштабируемым инструментом для скрининга больших наборов образцов и снижения механистических рисков в трансляционных рабочих процессах.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы путем сопоставления профилей ЛОС с микробным метаболизмом или генетическими вариациями в модельных системах.
- Операционная ценность: обеспечивает функциональную валидацию мишеней посредством мониторинга метаболического потока в режиме реального времени при ферментации или в ходе ферментативных процессов.
- Прогностическая достоверность: облегчает отбор перспективных объектов в портфеле за счет идентификации биомаркеров ЛОС, связанных с желаемыми сенсорными характеристиками или показателями качества.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет подготавливать валидированные биологические системы для последующего скрининга ЛОС путем стандартизации пробоподготовки и условий в надсорбционном пространстве.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимость анализа и количественное измерение ЛОС в больших наборах образцов, таких как сорта яблок или разные виды кофейных напитков.
- Масштабируемость: обеспечивает возможность высокопроизводительного скрининга гермоплазмы или вариантов состава за счет автоматизированного отбора проб и быстрого получения масс-спектров.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная непрерывность: обеспечивает связь профилирования ЛОС на этапе открытия с доклинической валидацией, демонстрируя воспроизводимый анализ «носового пространства» (nosespace) in vivo в процессе употребления кофе.
- Механистическое снижение рисков: уменьшает неопределенность при установлении связи между генетическими переменными или особенностями состава и сенсорными результатами посредством статистического анализа паттернов ЛОС (например, PCA, ANOVA, апостериорный критерий Тьюки).
- Согласование прогностических биомаркеров: выявляет кластеры ЛОС (например, эфиры, спирты), которые коррелируют с генетическими или фенотипическими признаками, что способствует принятию решений на основе биомаркеров.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в процесс исследований — от проверки гипотез и идентификации соединений-лидеров до доклинической валидации, особенно в тех случаях, когда выделение ЛОС служит функциональным показателем биологической активности или сенсорного воздействия.
- Биология открытий: способствует проверке гипотез и уточнению путей метаболизма путем мониторинга динамики ЛОС в процессе молочнокислого брожения или ферментативного окисления.
- Скрининг: обеспечивает готовность анализа и количественные выходные данные для сравнения профилей ЛОС различных генетических вариантов, условий приготовления или параметров процесса.
- Аналитика: позволяет осуществлять интеллектуальный анализ данных с помощью PCA, ANOVA и апостериорных тестов для сравнения условий и выявления значимых факторов, влияющих на ЛОС.
- Трансляционные исследования: связывают данные ферментации или скрининга in vitro с измерениями «носового пространства» in vivo, обеспечивая непрерывность перехода от этапа открытий к сенсорной валидации.
- Корпоративное повторное использование: функционирует как универсальная платформа для анализа ЛОС в различных областях пищевой науки, сокращая необходимость в избыточной разработке методов.
Операционное и общекорпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает уверенность в прогнозировании при валидации мишеней за счет снижения механистической неопределенности в связях между ЛОС и биологическими процессами.
- Операционная ценность: Улучшает стандартизацию, воспроизводимость и масштабируемость благодаря автоматизированному отбору проб и внутренней калибровке.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go»), обеспечивая ранние показатели качества продукта или биологической эффективности на основе анализа ЛОС.
- Влияние на портфель: Позволяет проводить приоритизацию штаммов, сортов или рецептур с учетом рисков на основе профилирования ЛОС и статистической значимости.
Особенности реализации
- Требуется экспертный опыт в области масс-спектрометрии, химии ЛОС и конвейеров анализа данных для аннотации соединений и снижения шума.
- Необходима установка PTR-ToF-MS, совместимая с автоматическим пробоотборником, с системой контроля температуры и подогреваемыми линиями подачи проб для анализа запахового пространства.
- Требуется междисциплинарная стандартизация протоколов отбора проб, условий инкубации и рабочих процессов анализа данных (например, PCA на базе Matlab, ANOVA).
- Подразумевается адаптация метода для различных модельных систем (микробные культуры, ткани растений, люди) с учетом особенностей подготовки проб и уравновешивания в надфазе.
- Существуют практические ограничения, такие как восприимчивость к загрязнению ЛОС из воздуха и необходимость использования инертных линий отбора проб для предотвращения потерь или деградации соединений.
