Aroma and Metabolite Analysis Using GC-MS and LC-MS and Approach to Craft Beer Development

Význam tématu

Analytické charakterizování aroma a metabolitů v pivu je klíčové pro objektivní hodnocení kvality a vývoje nových pivních produktů. Tradiční senzorické testy doplňuje vysoce citlivá chromatograficko-hmotnostní spektrometrie, která umožňuje kvantifikovat stovky sloučenin a odhalit vzájemné interakce aroma a metabolických drah.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo komplexně porovnat piva připravená se dvěma komerčními kvasinkovými kmeny (London Ale, American Ale) a dvěma kmeny divokých kvasinek. Analýza zahrnovala:

• GC-MS aroma analýzu pomocí Smart Aroma Database
• cílenou metabolomiku s GC-MS a LC-MS využitím Smart Metabolites Database a Method Package for Primary Metabolites
• necílenou metabolomiku s LC-QTOF pro identifikaci neznámých sloučenin

Použitá instrumentace

Pro aroma analýzu

• HS-20 NX headspace sampler (trap-mode Tenax TA)
• GCMS-QP2020 NX (single-quadrupole GC-MS)

Pro cílenou metabolomiku

• GCMS-TQ8040 NX (triple-quadrupole GC-MS) s Smart Metabolites Database Ver. 2
• Nexera X3 + LCMS-8060NX (triple-quadrupole LC-MS) s Method Package for Primary Metabolites Ver. 3

Pro necilenou metabolomiku

• Nexera X3 + LCMS-9050 (quadrupole time-of-flight LC-MS)
• Signpost MS multivariate software a LabSolutions Insight Explore pro putativní identifikaci

Hlavní výsledky a diskuse

• Aroma PCA jasně oddělila piva s komerčními a divokými kvasinkami. Ve vzorku Wild Yeast 2 dominovaly p-vinylguaiacol, styren a beta-damascenon, což koresponduje se senzorickým vjemem pikatní, kořeněné vůně.
• Cílená GC-MS metabolomika detekovala 235 sloučenin (aminokyseliny, organické kyseliny, cukry). Volcano analýza ukázala pro Wild Yeast 2 vysoký obsah laktitolu a maltózy a nízký obsah izoleucinu a valinu.
• Cílená LC-MS metabolomika detekovala 104 látek (aminokyseliny, vitaminy, nukleobáze). Wild Yeast 2 vykazoval vyšší prolin a 2-aminobutyrát, nižší symetrický dimetylarginin ve srovnání s Wild Yeast 1.
• Nečílená LC-QTOF analýza identifikovala 4309 iontových stop. Pomocí PCA a následného workflow (určení přesné hmotnosti, ChemSpider, fragmentní atribuce) byl nalezen neznámý marker komerčních piv – ferulová kyselina.

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaná GC-MS/LC-MS/LC-QTOF platforma poskytuje rozsáhlé informace o aroma i metabolomech, nahrazuje subjektivní senzoriku objektivními daty a umožňuje cílené úpravy receptur a fermentačních podmínek. Pomáhá optimalizovat výběr surovin i kvasinek pro nová pivní stylová provedení.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Prohloubení multiomické integrace dat a mapování metabolických drah.
• Využití umělé inteligence pro predikci senzorických vlastností na základě analytických profilů.
• Rozšíření workflow do dalších potravinářských a biotechnologických odvětví.
• Nasazení vysokorozlišujícího QTOF a orbitrap instrumentace pro hlavně nalezení stopových neznámých markerů.

Závěr

Studie demonstrovala, že kombinace GC-MS aroma analýzy, cílené GC-MS/LC-MS metabolomiky a necilené LC-QTOF analýzy nabízí ucelený pohled na aromatickou a metabolickou charakteristiku piva. Identifikovány byly klíčové aroma sloučeniny i metabolity ovlivňující fermentaci. Získaná data byla úspěšně využita pro společný vývoj nového belgického IPA piva KOCHO.

Reference

1) Multi-omics Analysis Package. Shimadzu Corp., 2024.
2) GC/MS and LC/MS Analysis of Metabolites in Hepatitis Model Mouse Serum. Application News, Shimadzu Corp., 2024.
3) Pretreatment Procedure Handbook for Metabolite Analysis. Shimadzu Corp., 2024.