Gıda Örneklerinde Otomatik Örnekleme Sistemi ve Özelleştirilmiş Veri Analizi ile Birleştirilen PTR-ToF-MS: Biyolojik İşlem İzleme, Tarama ve Burun Uzayı Analizi
May 11th, 2017
Proton Transfer Reaksiyon Süresi Uçuş Kütle Spektrometresi, uçucu organik bileşiklerin yüksek hassasiyetli, hızlı ve invaziv olmayan analizine izin verir. Potansiyelini göstermek için üç örnek veriyoruz: yoğurdun laktik asit fermantasyonu (on-line biyoproses izleme), farklı elma genotipleri (büyük ölçekli tarama) ve kahve içtikten sonra retronazal boşluk (burun boşluğu analizi).
Bu makalenin genel amacı, gıda bilimi ve teknolojisinde doğrudan uçucu organik bileşik analizi için PTR-ToF-MS'nin potansiyelini ve özellikle otomatik numune alma ve özel veri analizinin önemini göstermektir. Uçucu organik bileşik, hem lezzet ve koku algısını kontrol ettikleri hem de gıda kalitesinin izlenmesi için bir araç sağladıkları için gıda bilimi ve teknolojisinde önemli bir rol oynamaktadır. Yüksek hassasiyet ve hızlı ve doğrudan enjeksiyon, PTRMS'yi biyoproses izleme, büyük veri setlerinin taranması ve burun boşluğu analizi için uçucu organik bileşik salınımının izlenmesi için en iyi seçeneklerden biri haline getirir.
Ayrıca, PTRMS tarafından çok kısa sürede kullanılan büyük ve karmaşık veri kümelerinin uygun şekilde kullanılması için gerekli olan uygun verileri ve analiz araçlarını geliştiriyoruz. Metodolojimizin gelecekteki gösterimi, SENSOMICS, metabolomik, yol analizi ve fonemik gibi farklı istatistiksel ve bilimsel alanlardan aramalara ilham verebilir. İlk deneye başlamak için, PTFE silikon septa ile donatılmış 20 mililitrelik cam şişelere beş mililitre pastörize süt ekleyin.
Ardından numuneleri bir sıcaklık kontrol tepsisi ile donatılmış çok işlevli bir GC otomatik numune alma cihazına aktarın. Şişeleri mikrobiyal başlangıç kültürleri ile aşılamak için otomatik numune alma cihazının robotik kolunu kullanın, inkübasyon süresini istenen prosesin tipolojisine ve starter kültür üreticisi tarafından bildirilen spesifikasyonlara göre ayarlayın. Ardından, otomatik numune alma cihazını, yoğurt hazırlama sırasında laktik asit fermantasyonunun çevrimiçi bir uçucu organik bileşik izlemesi elde etmek için birbiri ardına numuneyi analiz edecek şekilde ayarlayın.
İkinci deney, her çeşit için gözle görülür bir hasar olmaksızın istenen olgunlaşma aşamasında en az beş elma seçer. Elmaları istenen süre boyunca dört santigrat derecede saklayın. Bunu takiben, korteks dokusunun bir kısmını içeren ve tohumlu çekirdek kısımdan kaçınan bir et bıçağı örnekleyici ile her elmadan beş silindirik disk toplayın.
Numuneleri ve sıvı nitrojeni dondurduktan sonra homojenize edin. Her çeşitten 2,5 gram elma örneğinin üç kopyasını 20 mililitrelik cam şişelere yerleştirin. Her numuneyi, bir gram sodyum klorür, 12.5 miligram askorbik asit ve 12.5 miligram sitrik asidin 2.5 mililitre deiyonize su içinde çözülmesiyle elde edilen bir antioksidan çözelti ile karıştırın.
Numuneleri 40 santigrat derecede inkübe edin. Ardından, uçucu organik bileşikleri otomatik olarak analiz etmek için otomatik örnekleyiciyi ayarlayın. Son deney için, 450 mililitre su ve 30 gram kahve tozu kullanarak altı fincanlık ocak üstü kahve makinesi ile öğütülmüş kahve örneklerinden demlenmiş kahve hazırlayın.
Demlenmiş kahveyi bir şişeye aktarın ve şişeyi 60 santigrat derece termostatik su banyosuna yerleştirin. Su tozu oranını, kullanılan maden suyu türünü, kahve makinesi tipini ve kahve içeceğini elde etmek için benimsenen prosedürü bildirin. Her kahve demlemesi için 7,5 mililitrelik alikotları plastik kapaklı 40 mililitrelik polistiren bir bardağa aktarın.
Her panelistin protokole göre içeceği tatmasını sağlayın. PTR-ToF-MS, her panelistin burnunda tek kullanımlık ergonomik silikon kauçuk burun parçası aracılığıyla Burun boşluğu konsantrasyonunu sürekli olarak örnekler. Bu burun parçası, oda sıcaklığında panelist ile temas halinde olan ve kalan tüp 110 santigrat derecede ısıtılan bir PIC tüpü ve numune alma arayüzünü cihaza bağlayan bir giriş hortumu ile PTR-ToF-MS'ye bağlanır.
Numunelerin kafa boşluğu ölçümlerini gerçekleştirmek için, PTRMS girişinin ucunu numune kafası boşluğuna sokarak PTRMS sürüklenme tüpü kafa boşluğuna doğrudan hava enjekte edin. Ölçümlerden önce ve ölçümler sırasında, 140 Townsend'lik bir E/N oranına yol açmak için sürüklenme tüpünde aşağıdaki iyonizasyon koşullarını ayarlayın ve sürekli olarak doğrulayın. Otomatik örnekleyici kullanılıyorsa, minimum giriş akışını 40 standart santimetre küp olarak ayarlayın.
ToF alımının kanal başına örnekleme süresini bir ana şarj oranı aralığına ayarlayın. İyon dedektörünün ölü zamanından kaynaklanan sayım kayıplarını düzeltmek ve dahili kalibrasyon, bileşik açıklama gürültüsü azaltma ve tepe ekstraksiyonu gerçekleştirmek için kendi geliştirdiği yazılımı kullanın. Temel bileşik analiz, varyans analizi, Tukey'in post-hoc testi ve diğer istatistiksel analizleri gerçekleştirerek, Matlab kullanılarak geliştirilen mevcut paketleri uyarlayarak verileri çıkarın.
Üç deney, metodolojimizin uygulanmasına ilişkin örnekler sunar: biyoproses izleme, numune setlerinin taranması ve in vivo burun boşluğu analizi. Numunelerin çevrimiçi uçucu organik bileşik profili, her saniye tam bir kütle spektrumu verir ve yoğurt fermantasyonu sırasında elde edilen ortalama spektrumlarda 300'den fazla kütle zirvesi tanımlanabilir. Dört farklı starter kültür kullanılarak yoğurt fermantasyonu sırasında seçilen dokuz kütle tepe noktasının fermantasyon kinetiği burada gösterilmektedir.
Bu uçucuların çoğu, bir başlangıç gecikme fazı, ardından bir büyüme fazı ve bir log sonrası faz ile klasik mikrobiyal benzeri kinetik sergiledi. İlginç bir şekilde, çevrimiçi analiz, çok düşük bir konsantrasyonda bile duyusal bir etkiye sahip olabilen dört kükürt içeren bileşik için belirli tükenme kinetiğini vurguladı. 198 seans ile temsil edilen büyük bir elma koleksiyonu ile ilişkili uçucu organik bileşiklere dayanan dendrogram, esas olarak esterler ve alkoller tarafından belirlenen altı ana kümenin varlığını vurgulamaktadır.
Radyal grafikler aracılığıyla temsil edilen beş kahve test cihazı için kümülatif profiller burada gösterilmektedir. Sonuçlar, panelist P bir ve P iki için belirgin olduğu gibi, panelistler arasında tekrarlanabilir ve ilgili farklılıkların varlığını göstermektedir. Numunelerin farkı, en çok denenen metodoloji, uçucu organik bileşik salınımı hakkında güvenilir veriler sağlayabilir ve bu da yöntemlerimizle karşılaştırıldığında daha kısa sürede elde edilebilir.
Çok sayıda numuneyi ölçme imkanı, yaklaşımımızın temel özelliğidir. Çünkü biyolojik numunelerin canlılığının kontrol edilmesine ve izlenmesine izin verir. Bu gelişmeden sonra, bu metodoloji, uçucu organik bileşiklerin izlenmesi ile ilgili farklı alanlardaki araştırmacılara, salınımları ile genetik ve popülasyonların taranması arasındaki bağlantıyı araştırmak için iyi para ödedi.
Bu videoyu izledikten sonra, meyvelerin oynaklığını analiz etmek için gıda ve teknoloji analizinde PTR-ToF-MS'nin potansiyelini nasıl keşfedeceğiniz konusunda iyi bir fikre sahip olmalısınız. Deneyiniz sırasında numunelerin ve ölçüm hattının havaya maruz kaldığını lütfen unutmayın. Bu nedenle, bazı uçucu organik bileşik kaynaklarını eklemekten kaçının.
PTRMS'nin bir diğer avantajı, çözücülerin veya tehlikeli boyaların kullanımını içermemesi ve yeşil bir kimya tekniği olmasıdır. Ancak, numunelerinizin son derece tehlikeli olabileceğini unutmayın.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu çalışma, gıda biliminde uçucu organik bileşiklerin analizi için Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS) potansiyelini göstermektedir. Yöntem, yüksek hassasiyet ve hızlı, non-invaziv analiz yetenekleriyle öne çıkmaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Gıda Bilimi
- Analitik Kimya
- Uçucu Organik Bileşikler
Arka Plan
- Uçucu organik bileşikler, gıdalarda lezzet ve koku algısı için kritik öneme sahiptir.
- Bu bileşiklerin analizi yoluyla gıda kalitesi izlenebilir.
- PTR-ToF-MS doğrudan ve hızlı analiz sunar, bu da onu çeşitli uygulamalar için uygun kılar.
- Otomatik örnekleme ve özel veri analizi, yöntemin etkinliğini artırır.
Çalışmanın Amacı
- Gıda bilimi ve teknolojisi alanında PTR-ToF-MS'in yeteneklerini sergilemek.
- Uçucu bileşik analizinde otomatik örneklemenin önemini vurgulamak.
- Büyük ve karmaşık veri setleri için veri analiz araçları geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry (PTR-ToF-MS).
- Yoğurdun süt asidi fermantasyonunun on-line biyoproses izlenmesi.
- Farklı elma genotiplerinin büyük ölçekli taraması.
- Kahve tüketimi sonrası burun boşluğu analizi.
Ana Sonuçlar
- Yoğurdun fermantasyonunda uçucu organik bileşiklerin başarılı izlenmesi.
- Lezzet profillemesi için çeşitli elma genotiplerinin etkili taraması.
- Kahve tüketimi sonrası retronasal boşluk analizi üzerine içgörüler.
- Yöntemin farklı gıda bilimi alanlarında uygulanabilirliğinin gösterimi.
Sonuçlar
- PTR-ToF-MS, uçucu organik bileşiklerin analizi için güçlü bir araçtır.
- Yöntem, çeşitli bilimsel alanlarda araştırmayı teşvik edebilir.
- Gelecekteki uygulamalar, gıda kalitesi ve duyusal algı hakkındaki anlayışımızı geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
