Abstract
Protonoverførselsreaktion (PTR) kombineret med et Time-of-Flight (ToF) massespektrometer (MS) er en analytisk tilgang baseret på kemisk ionisering, der tilhører direkte-indsprøjtningsmassespektrometriske (DIMS) teknologier. Disse teknikker tillader hurtig bestemmelse af flygtige organiske forbindelser (VOC), hvilket sikrer høj følsomhed og nøjagtighed. Generelt kræver PTR-MS hverken prøvepræparation eller prøveødelæggelse, hvilket muliggør realtid og ikke-invasiv analyse af prøver. PTR-MS udnyttes på mange områder, fra miljømæssig og atmosfærisk kemi til medicinske og biologiske videnskaber. For nylig udviklede vi en metode baseret på kobling af PTR-ToF-MS med et automatiseret sampler og skræddersyede dataanalyseværktøjer, for at øge graden af automatisering og dermed forøge teknikkens potentiale. Denne fremgangsmåde gjorde det muligt for os at overvåge bioprocesser ( fx enzymatisk oxidation, alkoholisk gæring) til at skærmvise store prøvesæt (F.eks. Forskellige oprindelser, hele germoplasmer) og analysere flere forsøgsmetoder ( fx forskellige koncentrationer af en given ingrediens, forskellige intensiteter af en specifik teknologisk parameter) i forhold til VOC indhold. Her rapporterer vi de eksperimentelle protokoller, der eksemplificerer forskellige mulige anvendelser af vores metode: detektion af VOC'er frigivet under mælkesyredyrering af yoghurt (on-line bioprocessovervågning), overvågning af VOC i forbindelse med forskellige æblekulturer (storskala screening) , Og in vivo- studiet af retronasal VOC-frigivelse under kaffedrikning (nosespaceanalyse).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) teknologier repræsenterer en klasse af analytiske instrumentelle tilgange, der giver en betydelig masse og tidsopløsning med høj følsomhed og robusthed, hvilket muliggør hurtig detektion og kvantificering af flygtige organiske forbindelser (VOC) 1 . Disse instrumentelle tilgange omfatter blandt andet MS-e-næse, atmosfærisk-tryk kemisk ioniseringsmassespektrometri (APCI-MS), protonoverføringsreaktionsmassespektrometri (PTR-MS) og valgt ion-flow-massespektrometri ( SIFT-MS) 1 . Fordelene og ulemperne ved hver tilgang afhænger af: typen af prøveinjektion, kilden og kontrollen af precursorioner, kontrollen af ioniseringsprocessen og massanalysatoren 1 , 2 .
Proton-overføringsreaktionsmassespektrometri (PTR-MS) blev udviklet for mere end 20 år siden for at overvåge i realtid og wiDe laveste opdagelsesgrænser (normalt et par ppbv, del pr. Mia. Volumen) mest flygtige organiske forbindelser (VOC) i luft 3 , 4 . Nuværende anvendelser af PTR-MS spænder fra medicinske anvendelser til fødevarekontrol til miljøforskning 5 , 6 . Hovedegenskaberne ved denne teknik er muligheden for hurtig og kontinuerlig måling, den intense og rene kilde til precursorioner og muligheden for at kontrollere ioniseringsbetingelser (tryk, temperatur og drivspænding). Disse funktioner gør det muligt at kombinere alsidige anvendelser med en høj grad af standardisering 1 , 4 . Faktisk er metoden baseret på reaktioner af hydroniumioner (H3O + ), som inducerer ikke-dissociativ protonoverførsel i de fleste flygtige forbindelser (især i dem, der er karakteriseret ved en protonaffinitet højere end vand), protonerende neutrale forbindelser(M) ifølge reaktionen: H30 + M → H20 + MH + . I modsætning til andre teknikker er f.eks . APCI-MS, precursoriongenerering og prøveionisering opdelt i to forskellige instrumentelle rum (en skematisk repræsentation af PTR-MS-instrumentet er givet i figur 1 ). En elektrisk udledning ved vanddamp i den hule katodeionskilde genererer en stråle af hydroniumioner. Efter denne fase krydser ioner drivsystemet, hvor ioniseringen af VOC'er finder sted 7 . Ioner indtaster derefter en pulsudsugningssektion og accelereres til TOF sektionen. Gennem flyvetider er det muligt at bestemme masse-til-ladningsforholdene for ionerne 8 . Hver ekstraktionspuls fører til et komplet massespektrum 8 af det valgte m / z-område. Ion spektre optages af et hurtigt dataindsamlingssystem 7 . Et komplet spektrum er typiskErhvervet om et sekund, selvom højere tidsopløsning kan opnås i henhold til signalet til støjniveauet, og en kvantitativ estimering af VOC-hovedrumkoncentrationen kan tilvejebringes selv uden kalibrering 9 , 10 .
Figur 1: Skematisk illustration af en PTR-MS. Skematisk repræsentation af PTR-MS instrumentet. HC: ekstern ionkilde med hul katode; SD: kilde drift VI, venturi-type indløb; EM, elektron multiplikator; FC1-2, flow controllere. Gengivet med tilladelse fra Boschetti et al. 7 . Klik her for at se en større version af denne figur.
11 . PTR er af stor interesse for miljømæssige, atmosfæriske, fødevare-, teknologiske, medicinske og biologiske videnskaber 12 .
VOC i forbindelse med matmatricer er af stor interesse for fødevarevidenskab og teknologi på grund af deres vigtige rolle på molekylær basis af biologiske fænomener forbundet med lugt og smagsoplevelse og dermed i fødevareaccept. Derfor er vores interesse for realtid og ikke-invasiv påvisning af VOC primært beskæftiger sig med sensoriske kvaliteter af mad. Hertil kommer, at hvis vi overvejer muligheden for at detektere ødelæggelse og patogene mikroorganismer ved hjælp af frigivne VOC 13 og / eller at overvåge flygtige organiske forbindelser som markører folloVinge teknologiske processer ( fx Maillard biprodukter under termiske behandlinger) 14 , bliver det klart, hvordan VOC identifikation og kvantificering er områder af interesse for fødevarekvalitetsstyring 6 . Flere nyere anvendelser af PTR-MS-teknologier til hurtig overvågning og kvantificering af VOC i fødevarematricer vidner om den brede anvendelse af disse analytiske tilgange ( tabel 1 ).
| Madmatrix | Slags ansøgning | Kort beskrivelse | Reference |
| Smør | Screening / karakterisering | Geografiske oprindelse af europæiske boldere | 15 |
| Yoghurt | Bioprocessovervågning | Evolution under mælkesyre ferførelse | 16 |
| Korn barer | In vivo måling | Nosespace under forbrug af kornstænger med varierende sukker sammensætning | 17 |
| Væskesystemer | Simulerede mundtlige tilstande | Evaluering af tunge tryk og mundtlige forhold i en model mund | 18 |
| Æble | In vivo måling | Nosespace under forbrugs æble med forskellige genetiske, teksturelle og fysisk-kemiske parametre | 19 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Differentiering af specialkoffer | 20 |
| Druemost | Screening / karakterisering | Effekt af madlavningsprocessen | 21 |
| Smagfulde slik | In vivo måling | Bestemmelse på paneldeltagere ved hjælp af forskelligeDirekte massespektrometri metoder | 22 |
| skinke | Screening / karakterisering | Effekt af svineopdrætningssystemet | 23 |
| Brød | Simulerede mundtlige tilstande | Simulering af brødaroma under masticering | 24 |
| Mælk | Screening / karakterisering | Overvågning af fotooxidationsinducerede dynamiske ændringer i mælk | 25 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Mangfoldighed i brændt kaffe fra forskellige geografiske oprindelser | 26 |
| Brød | Bioprocessovervågning | Virkning af forskellige gærstartere under alkoholisk gæring | 27 |
| Kaffe | In vivo måling | Nosespace under forbrug af forskellige stegte kaffepræparater | 28 |
| Screening / karakterisering | Virkning af produktionssted, produktionssystem og varianter | 29 | |
| Brød | Bioprocessovervågning | Virkning af mel, gær og deres interaktion under alkoholisk gæring | 30 |
| svampe | Screening / karakterisering | Holdbarhed af tørrede porcini svampe | 31 |
| Yoghurt | Bioprocessovervågning | Virkning af forskellige starterkulturer under mælkefermentering | 32 |
| Æble | Screening / karakterisering | Mangfoldighed i en æble germplasm samling | 33 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Sporing af kaffe oprindelse | 34 |
| Kaffe | In vivo måling | Kombination af aDynamisk sensorisk metode og in vivo nosespace analyse for at forstå kaffe opfattelse | 35 |
Tabel 1: Liste over videnskabelige undersøgelser, der bruger PTR-ToF-MS i fødevaresektoren. Ikke-udtømmende liste over videnskabelige undersøgelser, der bruger PTR-baserede metoder til overvågning af VOC-indhold i fødevarerelaterede forsøg.
I nyere undersøgelser rapporterede vi om anvendelsen af PTR-ToF-MS kombineret med et automatiseret prøveudtagningssystem og skræddersyede dataanalyseværktøjer for at øge prøvetagningsautomatisering og pålidelighed og dermed forøge potentialet i denne teknik 7 , 10 , 13 . Dette gjorde det muligt for os at screene, hvad angår VOC-indhold, store prøvesæt ( fx fødevarer af forskellig oprindelse med mange replikater, hele germoplasmer) for at analysere indflydelsen fra flere forsøgsmetoder ved VOC-frigivelse ( fx forskellige koncentrationerAf en given ingrediens, forskellige intensiteter af en specifik teknologisk parameter) og til overvågning af VOC i forbindelse med en given bioproces ( f.eks. Enzymatisk oxidation, alkoholisk gæring). Her for at eksemplificere potentialet hos PTR-ToF-MS i agro-fødevaresektoren, præsenterer vi tre paradigmatiske anvendelser: påvisning af VOC'er frigivet under mælkesyredyrering af yoghurt induceret af forskellige mikrobielle starterkulturer (on-line bioprocessovervågning ), Overvågningen af VOC i forbindelse med forskellige æblekulturer (storskala screening) og in vivo- studiet af retronasal VOC-frigivelse, mens du drikker kaffe (nosespaceanalyse).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollen følger retningslinierne i vores institutionelle udvalg om menneskelig forskningsetik.
1. Prøveforberedelse og autosamplerbetingelser
- On-line bioprocessovervågning: Påvisning af VOC'er frigivet under mælkesyrestyring af yoghurt
BEMÆRK: Dette afsnit af protokollen repræsenterer en del af proceduren rapporteret af Benozzi et al. 32- Tilsæt 5 ml pasteuriseret mælk til hvert hætteglas (20 ml hætteglas af glas udstyret med PTFE / silikone septa). Bemærk den anvendte type mælk og opvarm prøverne hurtigt til 45 ° C. Overfør dem til en multifunktionel GC autosampler udstyret med en temperaturreguleret bakke (45 ° C).
- Brug autosamplerens robotarm til at inokulere hætteglassene med de mikrobielle starterkulturer (i overensstemmelse med specifikationerne fra starterkultivitetsproducenten). Indstil inkubationstiden i henhold til typologien for det ønskede yoghurt og til specifikationenS rapporteret af starterkulturproducent. Indstil autosampler til bekvemt at analysere en prøve efter den anden, opnå en online VOC-overvågning af mælkesyrestyring under yoghurtpræparation.
- Stort screening: overvågning af VOC i forbindelse med forskellige æblegenotyper
BEMÆRK: Dette afsnit af protokollen repræsenterer en del af proceduren rapporteret af Farneti et al. 33 , 36- Prøve æbler i den ønskede fase af modning / bevaring ( f.eks. Ved kommerciel høstfase). Vælg mindst fem homogene frugter uden synlig skade for hver klon. Opbevar æblerne i den ønskede periode ved stuetemperatur (25 ° C) eller opbevares i køleskab (4 ° C).
- Indsaml fem cylindriske plader (1,7 cm diameter og 1 cm tykkelse) fra hvert æble med en kødbladprøveplader. Medtag en del af cortexvæv, og undgå kernedelen med frø.Homogeniser straks prøverne og frys i flydende nitrogen. Opbevares ved -80 ° C indtil analyse.
- Før analysen anbringes tre replikater af 2,5 g æbleprøven fra hvert biologisk replikat i hætteglassene (20 ml hætteglas af glas udstyret med PTFE / silikonsepta). Bland prøven med 2,5 ml deioniseret vand, 1 g natriumchlorid, 12,5 mg ascorbinsyre og 12,5 mg citronsyre, og hold prøverne ved 4 ° C indtil analyse (maks. 3 dage).
- Inkuber prøverne ved 40 ° C, og indstil derefter autosampleren til automatisk at analysere VOC'erne.
- Nosespace analyse: Undersøgelse af retronasal frigivelse af VOC under kaffedrikke
BEMÆRK: Dette afsnit af protokollen repræsenterer en del af proceduren rapporteret af Romano et al. 28- Forbered brewed kaffe fra malet kaffe prøver.
- Brug en kaffemaskine: rapporter vand / pulverforholdet, hvilken type mineralvand der anvendes,Typen af kaffemaskine og den procedure, der er vedtaget for at opnå kaffedrikken (mængder er en funktion af kaffemaskinens dimension).
- Brug en kaffekop med seks kopper, der er kendt i Italien som en "moka", med 450 ml vand og 30 g kaffepulver. Sæt den bryggede kaffe i et kar og overfør det i et termostatvandbad (60 ° C).
- For hver kaffebrygging overføres 7,5 ml alikvoter til en polystyrenkop (40 ml) med en plastikkappe. Har hver panelist smag af drikkevaren i henhold til protokollen: i) 30 s fri vejrtrækning, ii) en enkelt kaffepip efterfulgt af en hurtig svulm og iii) 3 min vejrtrækning i en ergonomisk glasnosepiece 28 .
- Gentag hele eksperimentet i tre på hinanden følgende dage, randomisere rækkefølgen af kaffeprøver og paneldeltagere hver dag.
- Udfør prøveudtagning ved at anvende et ergonomisk nosepiece med engangsbrug i siliconegummi til panelets næse. Tilslut nOsepiece til PTR-ToF-MS ved hjælp af et PEEK-rør, der kun opvarmes i den første del i kontakt med panelets krop, opvarmes derefter ved 110 ° C i en indløbsslange, der forbinder prøveudtagningsgrænsefladen med PTR-MS instrument.
BEMÆRK: I tabel 2 er en liste over produkter analyseret med analoge procedurer til dem, der er rapporteret af Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 og Romano et al. 28 er rapporteret.
- Forbered brewed kaffe fra malet kaffe prøver.
| Madmatrix | Antal og slags prøver | Reference |
| Æble | Forfatterne screenede en samling repræsenteret af 190 tiltrædelser, sammensat af både gamle og nye æblekulturer | 33 |
| Yoghurt | Fire startere blev analyseret med hensyn til VOC'er frigivet under lactisk fermentering af yoghurt (A, FD-DVS YF-L812 Yo-Flex, Chr. Hansen; B, FD-DVS YC-380 Yo-Flex, Chr. Hansen; C, FD -DVS YC-X11 Yo-Flex, Chr. Hansen; D, YO-MIX 883, Danisco) | 32 |
| Kaffe | Tre forskellige slags malet kaffe fremstillet af en enkelt ren Arabica kaffeblanding blev anvendt: medium stegt, mørkt stegt og koffeinfri medium stegt | 28 |
Tabel 2: Liste over analyserede produkter. Liste over produkter analyseret med analoge procedurer til dem, der er rapporteret af Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 og Romano et al. 28
2. Eksperimentel design og praktiske forholdsregler
- Udfør mindst tre interdag biologiske replikaTes, hver med tre tekniske replikater, for hver eksperimentel tilstand.
- Inden prøveinkubation og analyse spolas hovedrummet med ren luft i 1 minut ved 200 sccm for hvert hætteglas.
- Klargør et blanktryk for hver forsøgsmodus, inkubér og analyser blanktet under de samme betingelser i prøverne.
- Randomize rækkefølgen af prøver / emner til analyse.
- På samme måde som andre metoder, der bruges til at detektere VOC, skal du begrænse brugen af parfumerede plejeprodukter, såvel som tyggegummi og cigaretter, inden du bruger instrumentet. Tæt tæt på alle flygtige kemikalier i laboratoriet, og kontroller luftudkast så meget som muligt under testen 37 .
3. Optimering og analyse af PTR-MS Instrument
BEMÆRK: Instrumentbetingelserne er beskrevet i referencerne ( fx Makhoul et al . 27 ).
- Udfør headspace målinger af prøverne med en handelAl PTR-ToF-MS-apparat i standardkonfigurationsfunktionen.
- Direkte indsprøjt luft i PTR-MS drivrørets hovedrum uden nogen behandling. Der er en kontinuerlig strøm af prøveluft gennem PTR-MS, så injektion opnås ved simpelthen at indsætte enden af PTR-MS-indløb i prøvehovedrummet.
- Indstil og konstant verificere følgende ioniseringsforhold i drivrøret: 110 ° C drivrørstemperatur, 2,30 mbar driftstryk, 550 V driftspænding. Dette fører til et E / N forhold på ca. 140 Td (1 Td = 10-17 cm 2 V - 1 s - 1 ). Indløbsledningen består af et PEEK kapillarrør (indvendig diameter 0,04 in.) Opvarmet ved 110 ° C. Som standard indstiller indløbsstrømmen til 40 sccm.
- Indstil prøveudtagningstid per kanal for ToF-opkøb til 0,1 ns, hvilket svarer til 350.000 kanaler for et massespektrum på op til m / z = 400. Hvert enkelt spektrum er summen af ca. 28.600 opkøb, der varer 35Μs hver, hvilket resulterer i en tidsopløsning på 1 s.
BEMÆRK: Spectra lagres derefter kontinuerligt. Spektrometriske signaler vokser fra et baggrundsniveau til en stabil værdi om få sekunder (den tid der er nødvendig for at erstatte gassen i indløbslinjerne), og kun spektrene erhvervet efter denne forbigående betragtes i yderligere analyse.
4. Skræddersyet data analyse
BEMÆRK: Skræddersyet dataanalyse er udviklet ved hjælp af en procedure i MATLAB.
- Korrigere tælletab som følge af iondetektors dødtid via en metode baseret på Poisson-statistik som beskrevet af Cappellin et al. 10 .
- Udfør intern kalibrering ifølge en fremgangsmåde beskrevet af Cappellin et al. 38 for at opnå en god masse nøjagtighed (op til 0,001 Th).
- Udfør sammensat annotation, der sammenligner opnåede spektrale data med fragmenteringsdata af referencestandarder og med data rUdleveret i den videnskabelige litteratur.
- Udfør støjreduktion, baseline fjernelse og peak intensitet ekstraktion ifølge Cappellin et al. 39 , ved hjælp af modificerede gaussere til at passe til toppe.
- Beregn peak intensitet i ppbv (dele per milliard i volumen) via formlen beskrevet af Lindinger et al. 5 ved anvendelse af den passende reaktionshastighedskoefficient eller en konstant værdi for reaktionshastighedskoefficienten (k = 2,10-9 cm3s -1 ), når den underliggende forbindelse ikke er kendt. Sidstnævnte introducerer en systematisk fejl på op til 30%, som kan redegøres for, hvis den faktiske koefficient er kendt 40 .
- Mine dataene ved at udføre Principal Component Analysis, Variance Analysis, Tukey's post-hoc test og anden statistisk test / analyse, der tilpasser eksisterende pakker udviklet ved hjælp af R ( f.eks. Cappellin et al.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den flygtige profil af prøver resulterede i et komplet massespektrum for det ønskede massevalg erhvervet hvert sekund. I figur 2 er et eksempel på de opnåede gennemsnitlige spektre under yoghurt on-line bioprocessen givet 32 . I hvert spektrum kan der identificeres mere end 300 massetoppe i m / z-området op til 250 Th 32 .
Figur 2: Gennemsnitlige PTR-ToF-MS spektre af en prøve af inokuleret mælk under yoghurtfremstilling. Lavmassegruppe af de gennemsnitlige PTR-ToF-MS spektre af en prøve af podet mælk under yoghurtfremstilling: Der er identificeret mere end 300 massetoppe i m / z-området op til 250 Th. Gengivet med tilladelse fra Benozzi et al. 32 .Ove.com/files/ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.
I de følgende tilfælde rapporterer vi resultater opnået ved hjælp af den foreslåede skræddersyede dataanalyse for de tre applikationer, der er beskrevet i protokollen. Vi understreger, at hele dataanalysen kan udføres i løbet af et eller nogle få dage ved hjælp af skræddersyet software udviklet i vores laboratorium 10 , 40 . I figur 3 viser VOC-detektion under mælkesyredyring af yoghurt (on-line bioprocessovervågning) forskellige fermentationskinetikker af ni udvalgte massetoppe svarende til fire forskellige kommercielle starterkulturer 32 . Hvis den molekylære top er mættet, som for acetaldehyd i dette eksempel, kan den tilsvarende 13- C-isotopolog anvendes til at estimere concention.
De fleste af disse flygtige stoffer udviste klassisk mikrobiellignende kinetik, med en indledende forsinkelsesfase efterfulgt af en vækstfase og en postlogfase 32 . Interessant nok tillod onlineanalysen for første gang at fremhæve en bestemt udtømningskinetik for fire svovlholdige forbindelser ( fx kinetik rapporteret for methanethiol, figur 3e ).
Figur 3: Fermenteringskinetik af ni udvalgte massetopper under yoghurtfermentering ved anvendelse af fire forskellige starterkulturer. Fermenteringskinetik af ni udvalgte massetoppe: ( a ) acetaldehyd, ( b ) diacetyl, ( c ) 2-hydroxy-3-pentanon / pentansyre, ( d ) benzaldehyd, ( e ) metHanethiol, ( f ) acetoin, ( g ) butansyre, ( h ) 2-butanon, ( i ) heptansyre (midler til tre replikater ± standardafvigelse) (foreløbig identifikation). Åben cirkel (○), ikke-podet mælk; Fyldt firkant (■), fyldt cirkel (●), fyldt trekant (▲) og fyldt rhombi (♦) svarer til fire forskellige mikrobielstartere, der er enestående brugt til pilot yoghurtgæring. Stjerner indikerer statistisk signifikante forskelle (ANOVA, p <0,05) blandt kommercielle forretter. Gengivet med tilladelse fra Benozzi et al. 32 . Klik her for at se en større version af denne figur.
For nylig har vi fundet VOC i forbindelse med en stor æblesamling repræsenteret af 190 accessioNs (eksempel på mulig ansøgning til storskala) 33 . Det horisontale dendrogram baseret på den definerede VOC-inventar tilknyttet samlingen fremhæver tilstedeværelsen af seks hovedklynger, hovedsageligt bestemt af estere og alkoholer ( figur 4 ). Disse resultater fik os til at definere et Alcohols / Esters-indeks og foreslå det som en ny frugtkvalitetsbeskrivelse, der er egnet som en yderligere karakterisering af æbler 33 .
Figur 4: Varmekort og todimensionelle hierarkiske dendrogrammer af VOC-mønstrene vurderet i 190 apple-tiltrædelser af PTR-ToF-MS. Varmekort og todimensionelle hierarkiske dendrogrammer af VOC-mønstrene vurderes i 190 apple-tiltrækninger af PTR-ToF-MS (ved anvendelse af en tærskel på 25 ppbv). Applesorter er grupperet og grupperet af rækker, mens VOCForbindelser er organiseret af kolonner. Cultivar-klynger er defineret ved tallene 1 til 6, og grupper af forbindelser er defineret ved bogstaverne A til D. Reprintet med tilladelse fra Farneti et al. 33 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Vi konkluderer med dette afsnit med resultater, der vidner om den mulige anvendelse af PTR-ToF-MS i in vivo- studiet af retronasal VOC-frigivelse (nosespace-analyse). Figur 5 (venstre side) beskriver de kumulative profiler for fem kaffetestere repræsenteret ved hjælp af radiale plotter, en grafisk løsning typisk for sensorisk analyse 28 . I denne undersøgelse blev der lavet mellemsteg, mørk stegt og koffeinfri mediumstegt kaffeprøver fra en enkelt ren Arabica-blanding, og underkastetDet hedder til fem paneldeltagere 28 . Resultaterne viste tilstedeværelsen af reproducerbare og relevante forskelle mellem paneldeltagere, som det fremgår af paneldeltagerne p1 og p2 i figur 5 (højre side) 28 .
Figur 5: Radiale tegninger, der repræsenterer frigivelsesprofiler for en valgt parameter ( dvs. område) og tre kaffetyper. Radiale tegninger, der repræsenterer frigivelsesprofiler for en valgt parameter ( dvs. område) og tre kaffetyper (medium stegt, mørkt stegt og koffeinfri medium stege stammer fra en enkelt ren Arabica blanding). Til venstre: Kumulative profiler for fem panelister; Til højre: individuelle profiler for to udvalgte panelister (nemlig p1 og p2). Værdierne blev nedskåret ved at dividere med de respektive standardafvigelser. De halvcirkelformede bands på Ydre margener repræsenterer kemiske klasser, baseret på foreløbig topidentifikation. Cirkler angiver signifikante forskelle blandt kaffetyper (ANOVA og Tukey's test, p <0,05). Gentrykt med tilladelse fra Romano et al. 28 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Eksempel på hurtig-GC PTR-ToF-MS kromatogrammer. Kromatogrammer opnået fra en rødvin (seks replikater) og fire udvalgte toppe, forsynet forsynet med estere. Gentrykt med tilladelse fra Romano et al. 45 .Et = "_ blank"> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protonoverførselsreaktionsmassespektrometri (PTR-MS) koblet til tidsfrekvensanalysatorer (ToF) repræsenterer et gyldigt kompromis mellem behovet for identifikation og kvantificering af flygtige organiske forbindelser og nødvendigheden af hurtig analytisk profilering. Den høje masseopløsning, der karakteriserer ToF massanalysatoren, giver / giver relevant følsomhed og massespektre med betydeligt informativt indhold. Desuden forbedrer anvendelsen af PTR-ToF-MS kombineret med en autokampler og skræddersyede dataanalyseværktøjer, der øger graden af automatisering, potentialernes potentiale.
På de mange forsknings- og teknologiske områder, hvor flygtig sammensætningsdetektion kan være relevant, kræver fødevarevidenskab og teknologi især følsomhed, højtidelig opløsning og direkte analyse. På den ene side er referencemetoderne til VOC-analyse baseret på gaskromatografi, som giver mere specificitet, men er jegNtersynligvis langsommere og kan kun opnå lignende følsomhed på bekostning af yderligere forbehandlings- eller koncentrationsprocedurer. Nogle hurtige analyser, som f.eks. Næse-rummet, kan ikke udføres med GC-baserede metoder. Andre undersøgelsesskærmbilleder af mange prøver ved hjælp af PTR-MS og GC som komplementære tilgange: PTR_MS muliggør målinger af meget store prøvesæt, mens GC-analyse af reducerede undergrupper giver yderligere oplysninger til en bedre fortolkning af PTR-MS-data 40 . På den anden side er der foreslået andre hurtige tilgange til VOC-analyse, fx de baseret på e-næser eller MS-e-næser eller specifikke sensorer. Disse er meget billigere sammenlignet med PTR-MS, men giver generelt meget lav følsomhed.
PTR-ToF-MS-analyse tilvejebringer information om massen af de observerede spektrometriske toppe, som generelt ikke er tilstrækkelig til entydig forbindelseidentifikation. Desuden, trods den bløde kemiske ionisering, protontrAnsfer induceret fragmentering er ikke altid ubetydelig. I nogle tilfælde kan fragmenteringsmønsteret være til hjælp ved foreløbig identifikation 41 . Ikke desto mindre opstår der brug for teknologiske løsninger, som forbedrer analytisk evne til PTR-ToF-MS. Med hensyn til dette punkt repræsenteres en interessant udvikling af teknikken ved anvendelse af primære moder ioner ud over H3O + . Det omskiftelige reagension (SRI) system 4 kan alternativt producere i samme hule katodekilde forskellige forældreioner, såsom NO + og 02 + . Denne fremgangsmåde, der ændrer ioniseringsbetingelserne og følgelig fragmentet og klyngedannelsen, øger antallet af forbindelser der er detekterbare og muliggør adskillelsen af nogle isomere forbindelser 42 , 43 . Et par applikationer inden for fødevarevidenskab og teknologi er allerede tilgængelige, såsom VOC detErminering i tørhærdet skinke 23 , kaffe 34 og ethylenbestemmelse i frugt 43 . En anden teknologisk løsning, der er egnet til at klare vanskeligheder med nøjagtig sammensat identifikation, er repræsenteret af hurtig-GC / PTR-ToF-MS-metoden 44 . På grund af de reducerede separationstider udvider fast-GC analytiske evner uden at gå på kompromis med den analytiske gennemgang af PTR-ToF-MS 44 . Merværdien af teknikken er godt repræsenteret i figur 6 , og viser kromatogrammer opnået for fire toppe, der er forsøgsvis identificeret som esterfragmenter fra hovedrummet af en rødvin 45 . Ud over den vigtige adskillelse af forskellige isomere fragmenter inden for samme top blev en interessant ønsket bivirkning ved anvendelsen af et hurtigt kromatografisk adskillelsestrin repræsenteret ved hurtig eluering (og følgelig væsentlig eliminatioN) ethanol. Faktisk fremkalder ethanol en uønsket effekt i PTR-baseret analyse af alkoholiske matricer på grund af reduktionen af hydroniumioner og den deraf følgende dannelse af dimerer og trimerer (ethanolklynger, ethanol og vandklynger og tilsvarende fragmenter), der fører til tilstedeværelsen Af toppe, der væsentligt kompromitterede den korrekte spektretolkning 46 . For nylig er der blevet foreslået andre udviklinger for at forbedre følsomheden af PTR-MS apparater, som endnu ikke er testet i fødevarevidenskab og teknologi 47 , 48 .
Som konklusion giver hurtig og ikke-invasiv PTR-ToF-MS analyse af flygtige forbindelser kombineret med automatisk prøveudtagning og skræddersyet datahåndtering og analyse et nyt værktøj, der giver mulighed for effektivt at adressere adskillige temaer inden for fødevarevidenskab og teknologi og supplerer resultater opnået ved andre teknikker .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Biasioli, F., Yeretzian, C., Märk, T. D., Dewulf, J., Van Langenhove, H. Direct-injection mass spectrometry adds the time dimension to (B)VOC analysis. Trends Analyt Chem. 30 (7), 1003-1017 (2011).
- Berchtold, C., Bosilkovska, M., Daali, Y., Walder, B., Zenobi, R. Real-time monitoring of exhaled drugs by mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 33 (5), 394-413 (2014).
- Hansel, A., et al. Proton transfer reaction mass spectrometry: on-line trace gas analysis at the ppb level. Int J Mass Spectrom Ion Process. 149, 609-619 (1995).
- Jordan, A., et al. An online ultra-high sensitivity Proton-transfer-reaction mass-spectrometer combined with switchable reagent ion capability PTR + SRI - MS). Int J Mass Spectrom. 286 (1), 32-38 (2009).
- Lindinger, W., Hansel, A., Jordan, A. On-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels by means of proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) medical applications, food control and environmental research. Int J Mass Spectrom Ion Process. 173 (3), 191-241 (1998).
- Biasioli, F., Gasperi, F., Yeretzian, C., Märk, T. D. PTR-MS monitoring of VOCs and BVOCs in food science and technology. Trends Analyt Chem. 30 (7), 968-977 (2011).
- Campbell-Sills, H., et al. Advances in wine analysis by PTR-ToF-MS: Optimization of the method and discrimination of wines from different geographical origins and fermented with different malolactic starters. Int J Mass Spectrom. , 42-51 (2016).
- Jordan, A., et al. A high resolution and high sensitivity proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometer (PTR-TOF-MS). Int J Mass Spectrom. 286 (2-3), 122-128 (2009).
- Lindinger, W., Hansel, A., Jordan, A. Proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS): on-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels. Chem Soc Rev. 27 (5), 347-375 (1998).
- Cappellin, L., et al. On data analysis in PTR-TOF-MS: From raw spectra to data mining. Sens Actuators B Chem. 155 (1), 183-190 (2011).
- Ellis, A. M., Mayhew, C. A. Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry: Principles and Applications. , John Wiley & Sons. Chichester, West Sussex. (2012).
- Blake, R. S., Monks, P. S., Ellis, A. M. Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Chem Rev. 109 (3), 861-896 (2009).
- Romano, A., Capozzi, V., Spano, G., Biasioli, F. Proton transfer reaction-mass spectrometry: online and rapid determination of volatile organic compounds of microbial origin. Appl Microbiol Biotechnol. 99 (9), 3787-3795 (2015).
- Pollien, P., Lindinger, C., Yeretzian, C., Blank, I. Proton transfer reaction mass spectrometry, a tool for on-line monitoring of acrylamide formation in the headspace of maillard reaction systems and processed food. Anal Chem. 75 (20), 5488-5494 (2003).
- Maçatelli, M., et al. Verification of the geographical origin of European butters using PTR-MS. J Food Compost Anal. 22 (2), 169-175 (2009).
- Soukoulis, C., et al. Proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry monitoring of the evolution of volatile compounds during lactic acid fermentation of milk. Rapid Commun Mass Spectrom. 24 (14), 2127-3134 (2010).
- Heenan, S., et al. PTR-TOF-MS monitoring of in vitro and invivo flavour release in cereal bars with varying sugar composition. Food Chem. 131 (2), 477-484 (2012).
- Benjamin, O., Silcock, P., Beauchamp, J., Buettner, A., Everett, D. W. Tongue pressure and oral conditions affect volatile release from liquid systems in a model mouth. J Agric Food Chem. 60 (39), 9918-9927 (2012).
- Ting, V. J. L., et al. In vitro and in vivo flavor release from intact and fresh-cut apple in relation with genetic, textural, and physicochemical parameters. J Food Sci. 77 (11), 1226-1233 (2012).
- Özdestan, Ö, et al. Differentiation of specialty coffees by proton transfer reaction-mass spectrometry. Food Res Int. 53 (1), 433-439 (2013).
- Dimitri, G., et al. PTR-MS monitoring of volatiles fingerprint evolution during grape must cooking. LWT-Food Sci Technol. 51 (1), 356-360 (2013).
- Déléris, I., et al. Comparison of direct mass spectrometry methods for the on-line analysis of volatile compounds in foods. J Mass Spectrom. 48 (5), 594-607 (2013).
- Sánchez del Pulgar, J., et al. Effect of the pig rearing system on the final volatile profile of Iberian dry-cured ham as detected by PTR-ToF-MS. Meat Sci. 93 (3), 420-428 (2013).
- Onishi, M., Inoue, M., Araki, T., Iwabuchi, H., Sagara, Y. A PTR-MS-based protocol for simulating bread aroma during mastication. Food Bioproc Tech. 5 (4), 1228-1237 (2010).
- Beauchamp, J., Zardin, E., Silcock, P., Bremer, P. J. Monitoring photooxidation-induced dynamic changes in the volatile composition of extended shelf life bovine milk by PTR-MS. J Mass Spectrom. 49 (9), 952-958 (2014).
- Yener, S., et al. PTR-ToF-MS characterisation of roasted coffees (C. arabica) from different geographic origins. J Mass Spectrom. 49 (9), 929-935 (2014).
- Makhoul, S., et al. Proton-transfer-reaction mass spectrometry for the study of the production of volatile compounds by bakery yeast starters. J Mass Spectrom. 49 (9), 850-859 (2014).
- Romano, A., et al. Nosespace analysis by PTR-ToF-MS for the characterization of food and tasters: The case study of coffee. Int J Mass Spectrom. 365, 20-27 (2014).
- Muilwijk, M., Heenan, S., Koot, A., van Ruth, S. M. Impact of production location, production system, and variety on the volatile organic compounds fingerprints and sensory characteristics of tomatoes. J Chem. 2015, 981549 (2015).
- Makhoul, S., et al. Volatile compound production during the bread-making process: effect of flour, yeast and their interaction. Food Bioproc Tech. 8 (9), 1925-1937 (2015).
- Aprea, E., et al. Volatile compound changes during shelf life of dried Boletus edulis: comparison between SPME-GC-MS and PTR-ToF-MS analysis. J Mass Spectrom. 50 (1), 56-64 (2015).
- Benozzi, E., et al. Monitoring of lactic fermentation driven by different starter cultures via direct injection mass spectrometric analysis of flavour-related volatile compounds. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
- Farneti, B., et al. Comprehensive VOC profiling of an apple germplasm collection by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (4), 838-850 (2014).
- Yener, S., et al. Tracing coffee origin by direct injection headspace analysis with PTR/SRI-MS. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
- Charles, M., et al. Understanding flavour perception of espresso coffee by the combination of a dynamic sensory method and in-vivo nosespace analysis. Food Res Int. 69, 9-20 (2015).
- Farneti, B., et al. Untargeted metabolomics investigation of volatile compounds involved in the development of apple superficial scald by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (2), 341-349 (2014).
- Bean, H. D., Zhu, J., Hill, J. E. Characterizing Bacterial Volatiles using Secondary Electrospray Ionization Mass Spectrometry (SESI-MS). J Vis Exp. (52), e2664 (2011).
- Cappellin, L., et al. Extending the dynamic range of proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometers by a novel dead time correction. Rapid Commun Mass Spectrom. 25 (1), 179-183 (2011).
- Cappellin, L., et al. On Quantitative Determination of Volatile Organic Compound Concentrations Using Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry. Environ Sci Technol. 46 (4), 2283-2290 (2012).
- Cappellin, L., et al. PTR-ToF-MS and data mining methods: a new tool for fruit. Metabolomics. 8 (5), 761-770 (2012).
- Yeretzian, C., Jordan, A., Lindinger, W. Analysing the headspace of coffee by proton-transfer-reaction mass-spectrometry. Int J Mass Spectrom. 223, 115-139 (2003).
- Sulzer, P., et al. From conventional proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) to universal trace gas analysis. Int J Mass Spectrom. 321, 66-70 (2012).
- Cappellin, L., et al. Ethylene: Absolute real-time high-sensitivity detection with PTR/SRI-MS. The example of fruits, leaves and bacteria. Int J Mass Spectrom. 365, 33-41 (2014).
- Ruzsanyi, V., Fischer, L., Herbig, J., Ager, C., Amann, A. Multi-capillary-column proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 1316, 112-118 (2013).
- Romano, A., et al. Wine analysis by FastGC proton-transfer reaction-time-of-flight-mass spectrometry. Int J Mass Spectrom. 369, 81-86 (2014).
- Aprea, E., Biasioli, F., Märk, T. D., Gasperi, F. PTR-MS study of esters in water and water/ethanol solutions: Fragmentation patterns and partition coefficients. Int J Mass Spectrom. 262 (1-2), 114-121 (2007).
- Sulzer, P., et al. A Proton Transfer Reaction-Quadrupole interface Time-Of-Flight Mass Spectrometer (PTR-QiTOF): High speed due to extreme sensitivity. Int J Mass Spectrom. 368, 1-5 (2014).
- Barber, S., et al. Increased Sensitivity in Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry by Incorporation of a Radio Frequency Ion Funnel. Anal Chem. 84 (12), 5387-5391 (2012).
