Abstract
La Reazione di Proton Transfer (PTR), combinata con un Spettrometro di Massa (MS) di Time-of-Flight (ToF), è un approccio analitico basato sulla ionizzazione chimica che appartiene alle tecnologie DIMS (Direct-Injection Spectrometric Mass). Queste tecniche consentono la rapida determinazione di composti organici volatili (VOC), garantendo elevata sensibilità e precisione. In generale, PTR-MS non richiede né preparazione di campioni né distruzione di campioni, permettendo un'analisi in tempo reale e non invasiva dei campioni. PTR-MS è sfruttato in molti campi, dalla chimica ambientale e chimica atmosferica alle scienze mediche e biologiche. Più di recente abbiamo sviluppato una metodologia basata sull'accoppiamento di PTR-ToF-MS con un campionatore automatizzato e strumenti di analisi dei dati su misura per aumentare il grado di automazione e, di conseguenza, aumentare il potenziale della tecnica. Questo approccio ci ha permesso di monitorare i bioprocessi ( es. Ossidazione enzimatica, fermentazione alcolica)Per esempio diverse origini, interi germoplasmi) e per analizzare diversi modi sperimentali ( ad es. Concentrazioni diverse di un determinato ingrediente, intensità diverse di un determinato parametro tecnologico) in termini di contenuto di VOC. Qui riportiamo i protocolli sperimentali che esemplificano le diverse possibili applicazioni della nostra metodologia: cioè la rilevazione di VOC rilasciati durante la fermentazione di acido lattico di yogurt (monitoraggio bioprocesso on-line), il monitoraggio dei VOC associati a varie cultivar di mele (screening su larga scala) , E lo studio in vivo del rilascio di VOC Retronasal durante il bere da caffè (analisi dei nasespazi).
Introduction
Le tecnologie spettrometriche di massa a iniezione diretta (DIMS) rappresentano una classe di approcci strumentali analitici che offrono una notevole risoluzione di massa e di tempo con elevata sensibilità e robustezza, consentendo la rapida rilevazione e la quantificazione dei composti organici volatili (VOC) 1 . Questi approcci strumentali includono, tra gli altri, MS-e-nose, spettrometria di massa di ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI-MS), spettrometria di massa di proton-trasferimento-reazione (PTR-MS) e spettrometria di massa di massa ionica SIFT-MS) 1 . I pro ei contro di ogni approccio dipendono da: il tipo di iniezione del campione, la sorgente e il controllo degli ioni precursori, il controllo del processo di ionizzazione e l'analizzatore di massa 1 , 2 .
La spettrometria di massa di spostamento-reazione di proton (PTR-MS) è stata sviluppata più di venti anni fa per monitorare in tempo reale e wiI limiti di rilevazione bassi (solitamente pochi ppbv, parte per miliardo di volume) i composti organici più volatili (VOC) nell'aria 3 , 4 . Gli usi correnti di PTR-MS vanno dalle applicazioni mediche, al controllo degli alimenti, alla ricerca ambientale 5 , 6 . Le caratteristiche principali di questa tecnica sono: la possibilità di misurazione rapida e continua, la fonte intensa e pura di ioni precursori e la possibilità di controllare le condizioni di ionizzazione (pressione, temperatura e tensione di deriva). Queste caratteristiche permettono di combinare usi versatili con un alto grado di standardizzazione 1 , 4 . Infatti, il metodo si basa sulle reazioni degli ioni idronici (H 3 O + ), che inducono il trasferimento protonico non dissociativo nella maggior parte dei composti volatili (in particolare quelli caratterizzati da una affinità protonica superiore a quella dell'acqua), protonando i composti neutri(M) secondo la reazione: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . A differenza di altre tecniche, ad esempio , l'APCI-MS, la generazione di ioni precursori e la ionizzazione del campione sono divisi in due diversi comparti strumentali (una rappresentazione schematica dello strumento PTR-MS è riportata in figura 1 ). Una scarica elettrica mediante vapore acqueo nella fonte ionica a catodo ustione genera un fascio di ioni idronio. Dopo questa fase, gli ioni attraversano il tubo di deriva, dove avviene la ionizzazione dei VOC 7 . Ioni entrano quindi in una sezione di estrazione dell'impulso e vengono accelerati nella sezione TOF. Attraverso i tempi di volo, è possibile determinare i rapporti mass-to-charge degli ioni 8 . Ogni impulso di estrazione porta ad uno spettro di massa completo 8 della gamma m / z selezionata. Gli spettri ionici sono registrati da un sistema di acquisizione veloce 7 . Uno spettro completo è in genereAcquisite in un secondo, sebbene sia possibile ottenere una risoluzione più elevata in base al livello del segnale e del rumore e una stima quantitativa della concentrazione dello spazio di volume del VOC può essere fornita anche senza taratura 9 , 10 .
Figura 1: Schema illustrato di un PTR-MS. Rappresentazione schematica dello strumento PTR-MS. HC: sorgente ionica esterna con catodo cavo; SD: deriva della sorgente; VI, entrata a venturi; EM, moltiplicatore di elettroni; FC1-2, regolatori di flusso. Ristampato con l'autorizzazione di Boschetti et al. 7 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
11 . PTR è di notevole interesse nelle scienze ambientali, atmosferiche, alimentari, tecnologiche, mediche e biologiche 12 .
I VOC associati alle matrici alimentari sono di notevole interesse per la scienza e la tecnologia alimentare a causa del loro ruolo importante nella base molecolare di fenomeni biologici legati all'odore e alla percezione del sapore e, quindi, all'accettazione degli alimenti. Quindi, il nostro interesse per il rilevamento in tempo reale e non invasivo dei VOC si riferisce principalmente alle qualità sensoriali del cibo. Inoltre, se consideriamo la possibilità di individuare i microrganismi deteriorati e patogeni mediante i VOCs liberati 13 e / o per monitorare i composti organici volatili come marcatori( Ad es. I sottoprodotti di Maillard durante i trattamenti termici) 14 , diventa chiaro come l'identificazione e la quantificazione del VOC siano settori di interesse nella gestione della qualità alimentare 6 . Diversi usi recenti di tecnologie PTR-MS per il rapido monitoraggio e la quantificazione dei VOC in matrici alimentari testimoniano l'ampia gamma di applicazioni di questi approcci analitici ( Tabella 1 ).
| Matrice alimentare | Tipo di applicazione | Breve descrizione | Riferimento |
| Burro | Screening / Caratterizzazione | Origine geografica dei burro europei | 15 |
| Yogurt | Monitoraggio del bioprocesso | Evoluzione durante l'acido lattico fermentazione | 16 |
| Barre di cereali | Misura in vivo | Nosespace durante il consumo di cereali con composizione variabile di zucchero | 17 |
| Sistemi di modelli liquidi | Condizioni orali simulate | Valutazione della pressione della lingua e delle condizioni orali in una bocca del modello | 18 |
| Mela | Misura in vivo | Nosespace durante il consumo di mela con diversi parametri genetici, strutturali e fisico-chimici | 19 |
| caffè | Screening / Caratterizzazione | Differenziazione dei caffè specializzati | 20 |
| Mosto d'uva | Screening / Caratterizzazione | Effetto del processo di cottura | 21 |
| Caramelle aromatizzate | Misura in vivo | Determinazione su pannelli che utilizzano diversiMetodi di spettrometria diretta di massa | 22 |
| prosciutto | Screening / Caratterizzazione | Effetto del sistema di allevamento di suini | 23 |
| Pane | Condizioni orali simulate | Simulare l'aroma del pane durante la masticazione | 24 |
| latte | Screening / Caratterizzazione | Monitoraggio delle modifiche dinamiche indotte dalla fotooxidazione nel latte | 25 |
| caffè | Screening / Caratterizzazione | Diversità nei caffè tostati dalle diverse origini geografiche | 26 |
| Pane | Monitoraggio del bioprocesso | Effetto di diversi avviatori di lievito durante la fermentazione alcolica | 27 |
| caffè | Misura in vivo | Nosespace durante il consumo di diverse preparazioni di caffè arrosto | 28 |
| Screening / Caratterizzazione | Impatto della posizione di produzione, del sistema produttivo e della varietà | 29 | |
| Pane | Monitoraggio del bioprocesso | Effetto della farina, del lievito e della loro interazione durante la fermentazione alcolica | 30 |
| Funghi | Screening / Caratterizzazione | Conservazione dei funghi porcini secchi | 31 |
| Yogurt | Monitoraggio del bioprocesso | Effetto delle diverse culture di avviamento durante la fermentazione lattica | 32 |
| Mela | Screening / Caratterizzazione | Diversità in una collezione di germoplasmi di mele | 33 |
| caffè | Screening / Caratterizzazione | Traccia dell'origine del caffè | 34 |
| caffè | Misura in vivo | Combinazione di aIl metodo sensoriale dinamico e l'analisi in-vivo del nosespace per comprendere la percezione del caffè | 35 |
Tabella 1: Elenco degli studi scientifici che utilizzano PTR-ToF-MS nel settore alimentare. Lista non esaustiva di studi scientifici che utilizzano approcci basati su PTR per monitorare il contenuto di COV negli esperimenti alimentari.
Negli ultimi studi abbiamo riportato l'applicazione di PTR-ToF-MS accoppiati con un sistema di campionamento automatizzato e strumenti di analisi dei dati su misura per aumentare l'automazione e l'affidabilità del campionamento e, di conseguenza, aumentare il potenziale di questa tecnica 7 , 10 , 13 . Ciò ci ha consentito di esaminare, in termini di contenuto di VOC, grandi gruppi di campioni ( ad es. Cibo di origini diverse con molti replicati, interi germoplasmi), per analizzare l'influenza di diversi modi sperimentali sul rilascio di VOC ( ad es. Concentrazioni diverseDi un determinato ingrediente, di intensità diverse di un determinato parametro tecnologico) e di monitorare i COV associati ad una data bioprocessazione ( es. Ossidazione enzimatica, fermentazione alcolica). Qui, per esemplificare il potenziale del PTR-ToF-MS nel settore agroalimentare, presentiamo tre applicazioni paradigmatiche: la rilevazione di VOC rilasciati durante la fermentazione di acido lattico di yogurt indotti da diverse culture di avviamento microbico (monitoraggio bioprocesso on-line ), Il monitoraggio dei VOC associati a varie cultivar di mele (screening su larga scala) e lo studio in vivo del rilascio di VOC Retronasal durante il caffè (analisi del nasespazio).
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Protocol
Il protocollo segue le linee guida del nostro comitato istituzionale sull'etica della ricerca umana.
1. Preparazione del campione e condizioni dell'autocampionatore
- Monitoraggio bioprocesso on-line: rilevare i VOC rilasciati durante la fermentazione di acido lattico di yogurt
NOTA: Questa sezione del protocollo rappresenta una parte della procedura riportata da Benozzi et al. 32- Aggiungere 5 ml di latte pastorizzato a ciascuna fiala (20 ml di fiale di vetro dotate di PTFE / septa di silicone). Prendere nota del tipo di latte utilizzato e riscaldare rapidamente i campioni a 45 ° C. Trasferitelo ad un autocampionatore multifunzionale GC dotato di un vassoio a temperatura controllata (45 ° C).
- Utilizzare il braccio robotico dell'autocampionatore per inoculare le fiale con le colture di starter microbiche (secondo le specifiche del produttore della coltura di avviamento). Impostare il tempo di incubazione in base alla tipologia del yogurt desiderato e alla specificaS riferito dal produttore della cultura di avviamento. Impostare il campionatore automatico per analizzare in modo rapido un campione dopo l'altro, ottenendo un monitoraggio VOC in linea della fermentazione dell'acido lattico durante la preparazione di yogurt.
- Proiezione su larga scala: monitoraggio di COV associati a diversi genotipi di mele
NOTA: Questa sezione del protocollo fa parte della procedura riportata da Farneti et al. 33 , 36- Mostrare le mele alla fase desiderata di maturazione / conservazione ( ad es. In fase di raccolta commerciale). Selezionare almeno cinque frutti omogenei senza danno visibile per ogni clone. Conservare le mele per il periodo desiderato a temperatura ambiente (25 ° C) o in frigorifero (4 ° C).
- Raccogliere cinque dischi cilindrici (1,7 cm di diametro e 1 cm di spessore) da ciascuna mela con un campionatore a lama. Includere una parte del tessuto corteccia e evitare la parte centrale con i semi.Immediatamente homogenizzare i campioni e congelare in azoto liquido. Conservare a -80 ° C fino all'analisi.
- Prima dell'analisi, inserire tre repliche del campione di 2,5 g di mele da ciascuna replica biologica nei flaconi (flaconi di vetro da 20 ml dotati di PTFE / septa di silicone). Mescolare il campione con 2,5 ml di acqua deionizzata, 1 g di cloruro di sodio, 12,5 mg di acido ascorbico e 12,5 mg di acido citrico e conservare i campioni a 4 ° C fino all'analisi (massimo 3 giorni).
- Incubare i campioni a 40 ° C e quindi impostare l'auto campionatore per analizzare automaticamente i VOC.
- Analisi dei Nosespace: studiare il rilascio retronasale di VOC durante il consumo di caffè
NOTA: Questa sezione del protocollo rappresenta una parte della procedura descritta da Romano et al. 28- Preparare il caffè preparato da campioni di caffè macinato.
- Utilizzare una macchina da caffè: segnalare il rapporto acqua / polvere, il tipo di acqua minerale utilizzata,Il tipo di caffettiera e la procedura adottata per ottenere la bevanda del caffè (i quantitativi sono funzione della dimensione della macchina del caffè).
- Utilizzare un creatore di caffettiera a sei tazze, noto in Italia come "moka", utilizzando 450 ml di acqua e 30 g di polvere di caffè. Mettere il caffè preparato in una vasca e trasferirlo in un bagno d'acqua termostatico (60 ° C).
- Per ogni birra di caffè, trasferire aliquote di 7,5 ml in una tazza di polistirene (40 mL) con un tappo in plastica. Avere ciascun panelista a gustare la bevanda secondo il protocollo: i) 30 s di respirazione libera, ii) un solo sorso di caffè, seguita da una rapida swallow e iii) 3 minuti di respirazione in un orlo ergonomico del vetro 28 .
- Ripetere l'intero esperimento per tre giorni consecutivi, randomizzando ogni giorno l'ordine di campioni di caffè e pannelli.
- Eseguire il campionamento applicando un nosepiece ergonomico monouso in gomma siliconica al naso dei panelists. Collegare il nIl pezzo al PTR-ToF-MS mediante un tubo PEEK che non viene riscaldato solo nella prima parte a contatto con il corpo del pannello, quindi riscaldato a 110 ° C in un tubo di ingresso che collega l'interfaccia di campionamento con il PTR-MS strumento.
NOTA: Nella tabella 2 un elenco di prodotti analizzati con procedure analoghe a quelle riportate da Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 e Romano et al. Viene segnalato 28 .
- Preparare il caffè preparato da campioni di caffè macinato.
| Matrice alimentare | Numero e tipo di campioni | Riferimento |
| Mela | Gli autori hanno proiettato una collezione rappresentata da 190 accessioni, composta da vecchie e nuove cultivar di mele | 33 |
| Yogurt | Quattro avviatori sono stati analizzati in termini di VOC rilasciati durante la fermentazione lattica di yogurt (A, FD-DVS YF-L812 Yo-Flex, Chr Hansen, B, FD-DVS YC-380 Yo-Flex, Chr Hansen; -DVS YC-X11 Yo-Flex, Chr Hansen; D, YO-MIX 883, Danisco) | 32 |
| caffè | Sono stati utilizzati tre diversi tipi di caffè macinato ottenuti da una singola miscela di caffè Arabica pura: arrosto medio, arrosto scuro e arrosto medio decaffeinato | 28 |
Tabella 2: Elenco dei prodotti analizzati. Elenco dei prodotti analizzati con procedure analoghe a quelle riportate da Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 e Romano et al. 28
2. Disegno sperimentale e precauzioni pratiche
- Eseguire almeno tre repliche biologiche interneTes, ognuno con tre repliche tecniche, per ogni modalità sperimentale.
- Prima dell'incubazione e dell'analisi del campione, scorrere lo spazio di testa con aria pulita per 1 min a 200 sccm per ogni fiala.
- Preparare un vuoto per ogni modalità sperimentale, incubare ed analizzare il vuoto nelle stesse condizioni dei campioni.
- Randomizza l'ordine di campioni / spazi per analisi.
- Analogamente ad altri metodi utilizzati per rilevare i VOC, limitare l'uso di prodotti per la cura della persona profumati, come gomma e sigarette, prima di utilizzare lo strumento. Bloccare con cautela tutti i prodotti chimici volatili nel laboratorio e controllare il più possibile durante il test 37 .
3. Ottimizzazione e analisi dello strumento PTR-MS
NOTA: Le condizioni strumentali sono descritte nei riferimenti ( es. Makhoul et al 27 ).
- Eseguire le misurazioni dello spazio di testa dei campioni con un commerciAl PTR-ToF-MS nel modo di configurazione standard.
- Iniettare direttamente l'aria nel condotto del tubo di deriva PTR-MS senza alcun trattamento. C'è un flusso continuo di aria di campionamento attraverso il PTR-MS in modo che l'iniezione si ottiene inserendo semplicemente l'estremità dell'ingresso PTR-MS nello spazio del campione.
- Impostare e verificare costantemente le seguenti condizioni di ionizzazione nel tubo di deriva: temperatura del tubo di deriva di 110 ° C, pressione di deriva di 2.30 mbar, tensione di 550 V di deriva. Ciò porta ad un rapporto E / N di circa 140 Td (1 Td = 10 -17 cm 2 V - 1 s - 1 ). La linea di ingresso è costituita da un tubo capillare PEEK (diametro interno 0,04 in.) Riscaldato a 110 ° C. Per impostazione predefinita, impostare il flusso di ingresso a 40 sccm.
- Impostare il tempo di campionamento per canale di acquisizione di ToF a 0,1 ns, pari a 350.000 canali per uno spettro di massa che va fino a m / z = 400. Ogni singolo spettro è la somma di circa 28.600 acquisizioni durate 35Μs ciascuno, con una risoluzione di tempo di 1 s.
NOTA: la Spectra viene quindi continuamente memorizzata. I segnali spettrometrici crescono da un livello di fondo a un valore stabile in pochi secondi (il tempo necessario per sostituire il gas nelle linee di ingresso) e solo gli spettri acquisiti dopo questo transitorio vengono considerati in ulteriore analisi.
4. Analisi dei dati personalizzati
NOTA: L'analisi dei dati personalizzata è stata sviluppata utilizzando una procedura in MATLAB.
- Correggere le perdite di conteggio dovute al tempo morto del rilevatore di ioni tramite una metodologia basata sulle statistiche di Poisson come descritto da Cappellin et al. 10 .
- Eseguire la calibrazione interna secondo una procedura descritta da Cappellin et al. 38 per ottenere una buona precisione di massa (fino a 0,001 Th).
- Effettuare l'annotazione composta confrontando i dati spettrali ottenuti con i dati di frammentazione degli standard di riferimento e con i dati rRiportato nella letteratura scientifica.
- Eseguire la riduzione del rumore, la rimozione della base e l'estrazione dell'intensità di picco secondo Cappellin et al. 39 , utilizzando Gaussians modificati per adattarsi ai picchi.
- Calcolare l'intensità di picco in ppbv (parti per miliardo per volume) tramite la formula descritta da Lindinger et al. 5 , utilizzando il coefficiente di frequenza di reazione appropriato o un valore costante per il coefficiente di velocità di reazione (k = 2,10 - 9 cm 3 s - 1 ), quando il composto sottostante non è noto. Quest'ultima introduce un errore sistematico fino al 30% che può essere considerato se il coefficiente effettivo è conosciuto 40 .
- Mina i dati eseguendo l'analisi del componente principale, l'analisi della varianza, il test post-hoc di Tukey e altri test / analisi statistici che adattano pacchetti esistenti sviluppati usando R ( ad esempio Cappellin et al.
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Representative Results
Il profilo volatile dei campioni ha provocato uno spettro di massa completo per la gamma di massa desiderata acquisita ogni secondo. Nella figura 2 viene fornito un esempio dello spettro medio acquisito durante la bioprocesso on-line di yogurt 32 . In ogni spettro possono essere identificate più di 300 picchi di massa nell'intervallo m / z fino a 250 Th 32 .
Figura 2: Spettri medio PTR-ToF-MS di un campione di latte inoculato durante la produzione di yogurt. Bassa regione di massa dello spettro medio PTR-ToF-MS di un campione di latte inoculato durante la produzione di yogurt: sono state identificate più di 300 picchi di massa nella gamma m / z fino a 250 Th. Ristampato con autorizzazione di Benozzi et al. 32 .Ove / files /ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nei seguenti casi, segnalare i risultati ottenuti utilizzando l'analisi dati su misura suggerita, per le tre applicazioni descritte nel protocollo. Sottolineiamo che l'intera analisi dei dati può essere eseguita in uno o pochi giorni da software su misura sviluppato nel nostro laboratorio 10 , 40 . Nella figura 3 , per quanto riguarda la rilevazione di VOC durante la fermentazione di acido lattico di yogurt (monitoraggio bioprocesso on-line), mostriamo una diversa cinetica di fermentazione di nove picchi di massa selezionati corrispondenti a quattro diverse colture di avviamento commerciale 32 . Se il picco molecolare è saturo, come per l'acetaldeide in questo esempio, il corrispondente isotopologo di 13 C può essere utilizzato per stimare il concentratostrazione.
La maggior parte di questi volatili ha mostrato una classica cinetica simile a microbi, con una fase iniziale di ritardo, seguita da una fase di crescita e da una fase post-log 32 . È interessante notare che l'analisi on-line ci ha consentito di evidenziare, per la prima volta, una particolare cinetica di depletione per quattro composti contenenti zolfo ( es. Cinetica riportata per metanetiolo, figura 3e ).
Figura 3: Cinetica di fermentazione di nove picchi di massa selezionati durante la fermentazione di yogurt utilizzando quattro differenti colture di avviamento. Cinetica di fermentazione di nove picchi di massa selezionati: ( a ) acetaldeide, ( b ) diacetile, ( c ) acido 2-idrossi-3-pentanone / pentanoico, ( d ) benzaldeide,Hanethiol, f ) acetoina, g ) acido butanoico, h ) 2-butanone, ( i ) acido eptanoico (mezzi di tre repliche ± deviazione standard) (identificazione tentativa). Cerchio aperto (○), latte non inoculato; Il riempito triangolo (▲) e il rhombi riempito (♦) corrispondono a quattro diversi avviatori microbici singolarmente utilizzati per pilotare la fermentazione di yogurt. Gli asterischi indicano differenze statisticamente significative (ANOVA, p <0,05) tra gli avviatori commerciali. Ristampato con autorizzazione di Benozzi et al. 32 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Recentemente abbiamo rilevato i VOC associati ad una grande collezione di mele rappresentata da 190 accessioNs (esempio di un'eventuale applicazione per lo screening su larga scala) 33 . Il dendrogramma orizzontale basato sull'inventario definito di VOC associato alla raccolta evidenzia la presenza di sei cluster principali, principalmente determinati da esteri e alcoli ( Figura 4 ). Questi risultati hanno portato a definire un indice Alcohols / Esters e proporlo come un nuovo descrittore di qualità della frutta adatto come una caratterizzazione aggiuntiva delle mele 33 .
Figura 4: mappatura di calore e dendrogrammi gerarchici bidimensionali dei modelli VOC valutati in 190 adesioni di mele da PTR-ToF-MS. La mappa termica ei dendrogrammi gerarchici bidimensionali dei modelli VOC valutati in 190 accoppiamenti apple da PTR-ToF-MS (utilizzando una soglia di 25 ppbv). Le cultivar Apple sono raggruppate e raggruppate da righe, mentre VOCI composti sono organizzati da colonne. I cluster di coltivazione sono definiti dai numeri da 1 a 6 ei gruppi di composti sono definiti dalle lettere da A a D. Ristampato con l'autorizzazione di Farneti et al. 33 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Concludiamo questa sezione con risultati che testimoniano l'eventuale applicazione di PTR-ToF-MS nello studio in vivo del rilascio di VOC retronasali (analisi del nasespazio). La Figura 5 (a sinistra) descrive i profili cumulativi per cinque testatori di caffè rappresentati mediante tracciati radiali, una soluzione grafica tipica dell'analisi sensoriale 28 . In questo studio, sono stati preparati campioni di arrosto medio, arrosto scuro e caffè decaffeinato macinato macinato da una singola miscela pura ArabicaIn cinque panelisti 28 . I risultati hanno dimostrato la presenza di differenze riproducibili e rilevanti tra i panelisti, come è evidente per i panelisti p1 e p2 della figura 5 (lato destro) 28 .
Figura 5: Strutture radiali che rappresentano i profili di rilascio per un parametro selezionato ( cioè l' area) e tre tipi di caffè. Le trame radiali che rappresentano i profili di rilascio per un parametro selezionato ( cioè l' area) e tre tipi di caffè (arrosto medio, arrosto scuro e arrostito medio decaffeinato originato da una singola miscela Arabica pura). A sinistra: profili cumulativi per cinque panelisti; A destra: profili individuali per due panelisti selezionati (p1 e p2). I valori sono stati scalati dividendo per le rispettive deviazioni standard. Le bande semicircolari I margini esterni rappresentano classi chimiche, basate sull'identificazione del picco tentativo. I cerchi indicano differenze significative tra i tipi di caffè (ANOVA e Tukey's test, p <0,05). Ristampato con il permesso di Romano et al. 28 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Esempio di cromatogrammi di fast-GC PTR-ToF-MS. I cromatogrammi ottenuti da un vino rosso (sei repliche) e quattro picchi selezionati, provvisoriamente attribuiti agli esteri. Ristampato con il permesso di Romano et al. 45 .Et = "_ blank"> Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La spettrometria di massa di reazione al trasferimento di protoni (PTR-MS) accoppiata al tempo di volo (ToF) rappresenta un compromesso valido tra la necessità di identificazione e quantificazione dei composti organici volatili e la necessità di una rapida analisi analitica. L'alta risoluzione di massa che caratterizza l'analizzatore di massa ToF fornisce / fornisce sensibili sensibilità e spettri di massa con notevole contenuto informativo. Inoltre, l'applicazione di PTR-ToF-MS accoppiata ad un tester automatico e strumenti di analisi dei dati personalizzati che aumentano il grado di automazione, aumenta le potenzialità di questa tecnica.
Nei molti settori di ricerca e tecnologie in cui il rilevamento composto volatile può essere di rilevanza, la scienza e la tecnologia alimentare richiedono in particolare una sensibilità, una risoluzione ad alta risoluzione e un'analisi diretta. Da un lato, i metodi di riferimento per l'analisi del VOC sono basati sulla gascromatografia, che fornisce una maggiore specificità ma è iNtinicamente più lento e può ottenere una sensibilità simile solo al prezzo di ulteriori procedure di pretrattamento o di concentrazione. Alcune analisi rapide, come il naso-spazio, non possono essere eseguite con metodi basati su GC. Altri studi di schermo di molti campioni utilizzando PTR-MS e GC come approcci complementari: PTR_MS permette di misurare campioni di campioni molto grandi, mentre l'analisi GC di sottoinsiemi ridotti fornisce informazioni aggiuntive per una migliore interpretazione dei dati PTR-MS 40 . D'altra parte, sono stati proposti altri approcci rapidi per l'analisi del VOC, ad esempio quelli basati su nasi di e-nose o nodi di MS-oi sensori specifici. Questi sono molto meno costosi rispetto a PTR-MS ma generalmente forniscono una sensibilità molto bassa.
L'analisi PTR-ToF-MS fornisce informazioni sulla massa dei picchi spettrometrici osservati, che generalmente non sono sufficienti per l'identificazione composta inequivocabile. Inoltre, nonostante la ionizzazione chimica morbida, il protone trLa frammentazione indotta da ansfer non è sempre trascurabile. In alcuni casi, il pattern di frammentazione può essere di aiuto nell'identificazione tentativa 41 . Ciononostante, nasce la necessità di soluzioni tecnologiche che migliorino la capacità analitica di PTR-ToF-MS. Quanto a questo punto, un interessante sviluppo della tecnica è rappresentato dall'uso di ioni primari parentesi diversi da H 3 O + . Il sistema di reagente ione commutabile (SRI) 4 può in alternativa produrre nella stessa fonte catodica ioni diversi generi, come NO + e O 2 + . Questo approccio, cambiando le condizioni di ionizzazione e, di conseguenza, il frammento e la formazione di cluster, aumenta il numero di composti che sono rilevabili e permette la separazione di alcuni composti isomerici 42 , 43 . Alcune applicazioni nella scienza e nella tecnologia alimentare sono già disponibili, come VOC detErminazione in prosciutto 23 secco, caffè 34 e determinazione dell'etilene nei frutti 43 . Un'altra soluzione tecnologica adatta a far fronte alle difficoltà nell'accurata identificazione dei composti è rappresentata dalla metodologia del veloce GC / PTR-ToF-MS 44 . A causa dei tempi di separazione ridotti, il fast-GC estende le capacità analitiche, senza compromettere il throughput analitico di PTR-ToF-MS 44 . Il valore aggiunto della tecnica è ben rappresentato in Figura 6 , raffigurante i cromatogrammi ottenuti per quattro picchi identificati in modo provvisorio come frammenti di esteri dalla superficie di un vino rosso 45 . Oltre all'importante separazione di diversi frammenti isomeri all'interno dello stesso picco, un interessante effetto collaterale desiderato dell'applicazione di una fase di separazione rapida cromatografica è stato rappresentato dall'eluzione rapida (e conseguentemente da una sostanziale eliminazioneN) di etanolo. Infatti, l'etanolo provoca un effetto indesiderato nell'analisi delle matrici alcoliche basate su PTR a causa della riduzione degli ioni idronici e della conseguente formazione di dimeri e trimeri (cluster di etanolo, etanolo e cluster di acqua e corrispondenti frammenti), portando alla presenza Di picchi che hanno compromesso sostanzialmente l'interpretazione corretta dei spettri 46 . Più recentemente, altri sviluppi sono stati proposti per migliorare la sensibilità degli apparati PTR-MS che non hanno ancora sperimentato nella scienza e nella tecnologia alimentare 47 , 48 .
In conclusione, l'analisi PTR-ToF-MS rapida e non invasiva dei composti volatili accoppiati con il campionamento automatico e la gestione e l'analisi dei dati su misura forniscono un nuovo strumento che consente di affrontare in modo efficiente vari temi nella scienza e nella tecnologia alimentare e completi i risultati ottenuti con altre tecniche .
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PTR-TOF 8000 High-Resolution PTR-TOF-MS | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | PTR-TOF 8000 | An detector for volatile organic compounds (VOCs) that allows for continuous VOC quantification with a very high mass resolution |
| GERSTEL MPS 2XL | Gerstel | A multifunctional autosampler | |
| Gas Calibration Unit | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | GCU-s / GCU-a | A dynamic gas dilution system that provides variable but known quantities of different standard compounds in a carrier gas stream |
| TofDaq | Tofwerk AG | free available at http://soft.tofwerk.com/ | A data acquisition software (for spectra acquisition) |
| MATLAB | MathWorks | http://it.mathworks.com/products/matlab/ | A technical computing language and interactive environment for algorithm development, data visualization, and data analysis |
| R | The R Foundation | free available at https://cran.r-project.org/mirrors.html | A language and environment for statistical computing and graphics |
References
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