Tracking the Chemical Profile of a Food Through the Spoilage Process with GCxGC and ChromaTOF Sync 2D

Význam tématu

Analýza změn chemického složení během procesu znehodnocování potravin je klíčová pro pochopení mechanismů rozkladu, identifikaci biomarkerů mikrobiální aktivity a pro optimalizaci skladovacích podmínek a kontroly kvality. Volatilní a polovoltální látky jsou zpravidla prvním indikátorem aromatických i bezpečnostních změn, takže jejich nontargetované sledování poskytuje cenné informace pro výzkum i průmyslovou praxi.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo sledovat časový průběh chemického profilu domácího rajčete během přirozeného znehodnocování při pokojové teplotě po dobu sedmi dnů. Studie kombinovala komplexní chromatografickou separaci (GCxGC) s rychlou a citlivou detekcí TOFMS a pokročilým softwarovým zpracováním (ChromaTOF Sync 2D) k nontargetované identifikaci a kvantifikaci volatilních látek a ke zjištění časových trendů a markerů rozkladu.

Použitá metodika a instrumentace

Krátký popis experimentu:

• Surovina: čerstvé zahradní rajče rozmixované na kaši, ponechané při pokojové teplotě 7 dní.
• Odběr: denní měření, triplikáty; 3 g vzorku v 20 mL vialce.
• Předzpracování: HS-SPME s tri-fázovým vláknem (PDMS/DVB/C-WR); inkubace 2 min při 40 °C; extrakce 5 min při 40 °C.
• Standardy: alkanová směs pro stanovení retenčních indexů (RI).

Souhrn použitých přístrojů a podmínek (instrumentace):

• Autosampler: LECO L-PAL 3 s termickým desorpčním režimem (desorpce 2 min, split 10:1).
• GCxGC modulace: LECO QuadJet termální modulační systém s 2,5 s modulační dobou a sekundárním ověním +10 °C vůči primárnímu.
• Kolony: 1. dimenze Rxi-5ms (30 m × 0,25 mm, 0,25 µm); 2. dimenze Rxi-17Sil MS (0,6 m × 0,25 mm, 0,25 µm).
• Program pece: start 40 °C (2 min), ramp 6 °C/min do 200 °C, následně 24 °C/min do 250 °C.
• Přenosové teploty a zdroj: transfer line 250 °C, iontová zdrojová teplota 250 °C.
• TOFMS: LECO Pegasus BT/BTX 4D; m/z 35–500; rychlost akvizice 10 spekter/s v GC režimu a 100 spekter/s v GCxGC režimu.

Softwarové zpracování:

• ChromaTOF Sync 2D pro nontargetované vyhledávání píků, dekonvoluci, a zarovnání napříč všemi vzorky do jediné tabulky funkcí s tabulovanými plochami píků a RI ověřením.

Hlavní výsledky a diskuse

Rozsah dat a identifikace:

• GCxGC-TOFMS významně zvýšil kapacitu separace a odhalil přes 300 spolehlivě identifikovaných analytů (spektrální podobnost >700 a souhlas RI s databází).
• ChromaTOF Sync 2D zkompiloval výsledky do jediné feature tabulky se zobrazením trendů jako heatmapy a poskytl nástroje pro vizualizaci časových průběhů a multivariační analýzy (PCA).

Řešení koelucí a přínos GCxGC:

• V mnoha případech docházelo ke koealuci v 1D GC; některé páry však byly úspěšně rozkladeny softwarovou dekonvolucí (např. 3‑methylbutanová kyselina a 2‑methylthioethanol), jiné vyžadovaly druhou dimenzi GCxGC pro úplné chromatografické rozdělení (např. benzaldehyd a 1‑ethyl‑4‑methylbenzen).
• GCxGC tak zvýšilo pokrytí analytů a zlepšilo kvalitu podobnostních skóre a identifikací.

Konkrétní časové trendy vybraných látek:

• Hexanal: vysoká koncentrace v čerstvém vzorku s rychlým poklesem během prvního dne; je spojen s čerstvým, zeleným aroma a jeho pokles koreluje se ztrátou čerstvosti vůně.
• 2‑(methylthio)ethanol: rostoucí po prvním dni, stabilní na zvýšené úrovni; aromatické tóny síry/masitosti.
• 3‑methylbutanová kyselina: postupný nárůst během týdne; aromatické popisy zahrnují „sýrové“, „kyselé“, „zadělané“. Tento růst přispívá k nepříjemným zápachovým charakteristikám.
• Ethanol a octová kyselina: ethanol detekován po prvním dni, octová kyselina následně druhý den — indikátory mikrobiální fermentace/aktivace.

Multivariační analýza:

• PCA ukázala jasnou separaci čerstvých vzorků od zbylých fází procesu (rozlišení podél PC1) a postupné časové uspořádání vzorků, přičemž poslední tři dny tvořily shluk s větší podobností mezi sebou.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy kombinace GCxGC-TOFMS a ChromaTOF Sync 2D:

• Výrazně vyšší kapacita separace a citlivost detekce umožňuje nontargetované objevení nízkoúrovňových markerů rozkladu, které by v 1D GC mohly být skryty.
• Softwarové zpracování sjednocuje data z celé časové řady do jediné feature tabulky, což urychluje identifikaci trendů, analýzu biomarkerů a vizualizaci výsledků (heatmapy, časové profily, PCA).
• Metoda je použitelná pro monitoring kvality potravin, vývoj skladovacích a balicích postupů, identifikaci markerů mikrobiální aktivity a pro R&D zaměřené na senzoriku a shelf‑life studií.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možné směry dalšího rozvoje a aplikací:

• Integrace GCxGC‑TOFMS dat s pokročilými datovými vědami: strojové učení pro predikci bodu zkažení, automatizované výběry biomarkerů.
• Kvantifikace vybraných markerů pomocí cílených metod (SRM/MRM nebo HRMS kvantifikace) pro robustní rutinní sledování.
• Kombinace s olfaktometrickými studiemi (GC‑O) a mikrobiologickým profilováním k propojení chemických znaků s percepčními a biologickými parametry.
• Vylepšení throughputu vzorkování: automatizované SPME protokoly a rychlejší chromatografické programy pro širší studie času/teploty.
• Rozšíření knihoven spekter a RI databází pro lepší identifikace neobvyklých nebo nově vznikajících látek při biodegradaci.

Závěr

Studie demonstrovala, že kombinace GCxGC-TOFMS (Pegasus BTX 4D) a ChromaTOF Sync 2D představuje účinný workflow pro nontargetované sledování chemického profilu potravin během znehodnocování. GCxGC výrazně zlepšuje separaci a rozšíření analytického pokrytí, TOFMS přináší citlivou detekci v širokém m/z rozsahu a ChromaTOF Sync 2D zjednodušuje komplexní zpracování dat, jejich porovnání a vizualizaci časových trendů. Identifikované změny (např. pokles hexanalu, nárůst sírových a mastných kyselin, objevení ethanolu a octové kyseliny) poskytují konkrétní chemické markery, které lze využít pro monitorování čerstvosti, detekci mikrobiální aktivity a pro optimalizaci postupů v potravinářské praxi.

Reference

1. Good Scents Company. Good Scents database. Použito jako zdroj aromatických popisů a poznámek k identifikovaným látkám.