Zwarte doos of rode aardbei? SIFT-MS toegepast in aromaonderzoek.

De aardbei is wereldwijd één van de meest geliefde vruchten, voornamelijk vanwege haar smaak. De algemene smaak van een product, in het Engels ook wel flavour genoemd, bestaat eigenlijk uit twee componenten: smaak (in het Engels taste, alles wat men met de tong waarneemt) en aroma, de geur van een product, welke we met de neus waarnemen. Vooral aroma is belangrijk voor de perceptie en acceptatie van een product door consumenten. Het aroma van aardbeien is erg complex en bestaat uit vele componenten vanuit diverse chemische klassen. De huidige methode om aroma te meten is Gas Chromatografie – Massa Spectrometrie (GC-MS), en wordt gezien als de ‘gouden standaard’ op het gebied van aroma metingen. Deze techniek is echter tijdrovend en niet geschikt voor analyses van grote aantallen stalen. Metingen van verse producten zoals aardbei vereisen immers een steekproef die groot genoeg is om te kunnen corrigeren voor biologische variatie tussen de vruchten. Dit werk introduceert daarom een nieuwe techniek, Selected Ion Flow Tube – Mass Spectrometry (SIFT-MS) voor het meten van aardbei aroma.

SIFT-MS was oorspronkelijk ontwikkeld rond 1980 om reacties tussen ionen en neutrale moleculen in interstellaire nevels en gaswolken te bestuderen. Sindsdien is het toepassingsgebied verruimd naar meer aardse onderwerpen, waaronder levensmiddelentechnologie. Anders dan de meeste analytische massaspectrometrie technieken vereist SIFT-MS geen kalibratie en kan het real-time gebruikt worden. Daarnaast kan het staal direct gemeten worden en is er noch voorbehandeling van het staal nodig, noch opconcentratie van het aroma. Aangezien SIFT-MS geen gebruik maakt van chromatografie werd de impact van deze verminderde hoeveelheid aan informatie bestudeerd. Hiervoor werden in een verkennend onderzoek datasets van verschillende niveaus van detail geconstrueerd uit GC-MS data, om zo de data output van SIFT-MS na te bootsen.

Het effect van deze verminderde hoeveelheid aan informatie werd bestudeerd om de invloed hiervan op het discriminerend vermogen van de aroma analyses te kunnen bepalen, in vergelijking tot de standaard methode van deconvolutie welke gebruik maakt van informatie van zowel chromatografie als de massa spectra. Zowel de ‘volledig ionen chromatogram’ als het ‘cumulatieve massa spectrum’ konden grote verschillen succesvol aantonen, zoals verschillen tussen cultivars. Echter kleine verschillen bleken moeilijker detecteerbaar, zoals verschillen binnen cultivars, en alle analyses waren minder reproduceerbaar in vergelijking tot de standaard deconvolutie methode.

Na het verkennend data onderzoek werd de toepasbaarheid van SIFT-MS voor aardbei aroma metingen getest en de plus- en minpunten van de techniek onderzocht en vergeleken met GC-MS. Vervolgens werden SIFT-MS en GC-MS tegelijkertijd toegepast op aroma metingen van aardbeien op verschillende stadia van rijpheid. De analyses met SIFT-MS bleken 11 keer sneller dan GC-MS. Beide technieken resulteerde in vergelijkbare resultaten, maar de detectielimiet van SIFT-MS bleek lager dan van GC-MS, gezien de datapunten van de SIFT-MS analyse meer verspreid lagen over de plot van de principale componenten analyse (PCA), en de GC-MS datapunten vertoonden meer overlap. De meest belangrijke aroma componenten per rijpheidsstadium (groen of rood) werden tentatief geïdentificeerd aan de hand van de GC-MS data. Aangezien GC-MS staalvoorbereiding vereist, wat meestal inhoudt dat de vrucht geblend wordt met zout, werd ook het effect van staalvoorbereiding gemeten door de geblende stalen ook met SIFT-MS te meten. Dit liet zien dat staalvoorbereiding wellicht leidt tot artefacten maar verder onderzoek is nodig om dit nader te bepalen.

Eén van de minpunten van SIFT-MS is de bijbehorende kinetische bibliotheek, deze is erg summier in vergelijking met de wijdverbreide massa spectra bibliotheek voor GC-MS, van het Nationale Instituut van Standaarden (NIST). Drie specifieke aardbei componenten (ethyl isovaleraat, mesifuran en trans-2-hexenyl acetaat) werden bestudeerd en hun reactiesnelheidsconstantes werden bepaald, evenals hun product ion verdeling. Deze parameters werden toegevoegd aan de kinetische bibliotheek om later in deze thesis toegepast te kunnen worden. De kennis van deze parameters maakt identificatie en kwantificatie van deze componenten mogelijk, en uiteindelijk zullen geur activiteits waardes berekend kunnen worden.

Momenteel worden SIFT-MS massa spectra gekwantificeerd met die massa-over-lading waardes (m/z waardes) die geen last hebben van overlappende fragmenten. Dit resulteert vaak in het gebruik van slechts één m/z waarde en dit maakt kwantificatie van complexe stalen nagenoeg onmogelijk. Daarom werd er een nieuwe methode van data analyse ontwikkeld, welke gebruik maakt van het volledige massa spectrum voor alle drie de reagent ionen. De methode is gebaseerd op het fitten van het gemeten SIFT-MS spectrum met een gesimuleerd spectrum, deze laatste is gebaseerd op componenten die op voorhand geselecteerd zijn en waar de SIFT-MS spectra van bekend zijn. De methode werd getest en de toepasbaarheid besproken aan de hand van analyses van verschillende stalen. De beste resultaten werden verkregen voor stalen met een simpele en gekende samenstelling, maar de methodiek is niet erg geschikt voor analyse van complexe stalen of stalen van onbekende samenstelling. De initiële selectie van componenten en fragmenten die dezelfde m/z waardes delen bemoeilijken de analyse en dit kan mogelijk leiden tot een incorrecte identificatie en kwantificatie van vluchtige componenten. De toepasbaarheid van deze methode om componenten de identificeren werd getest maar dit bleek vooral op statistiek gebaseerd te zijn en had geen realiteitswaarde (de geïdentificeerde componenten waren niet aanwezig in het gemeten staal, waarvan de samenstelling gekend was). Een tweede probleem is de kinetische bibliotheek van SIFT-MS, aangezien deze nog niet zo volledig is als voor GC-MS kunnen de product ionen van onbekende componenten onjuist toegewezen worden aan gekende componenten. Daarnaast bevat de bibliotheek weinig informatie over secundaire producten (H2O adducten) aangezien de vorming hiervan afhankelijk is van de vochtigheid van het staal. Deze secundaire producten hebben mogelijk wel een effect hebben op de product ion verdeling en de intensiteit van de ionen. Dit kan voorkomen worden door de componenten te bestuderen onder de condities van het uiteindelijke staal, aangezien dan niet alleen de secundaire producten zelf,  maar ook de ratio van primaire tot secundaire producten gekend zullen zijn. Verdere aanpassingen van de methodologie zijn vereist om zo vals positieve identificaties te voorkomen van componenten die niet aanwezig zijn in het staal. Uiteindelijk werden tentatieve geur activiteit waardes berekend voor de sensorisch meest belangrijke aardbei aroma componenten, maar deze waardes moeten voorzichtig geïnterpreteerd worden aangezien de kwantificatie van deze componenten af hangt van de selectie van componenten aan het begin, en de waardes van overlappende product ionen kunnen aan de verkeerde component worden toegewezen.

Dit onderzoek heeft uitgewezen dat SIFT-MS succesvol kan worden toegepast in het vakgebied van na oogst biologie en technologie. Het kan worden toegepast als een snelle meettechniek om vruchten te classificeren aan de hand van hun aromatische vingerafdruk, bijvoorbeeld volgens cultivar, stadium van rijpheid, oogstmoment en wellicht in de toekomst bewaarconditie. De minpunten van SIFT-MS zijn het gebrek aan een chromatografie-stap en de onvolledigheid van de kinetische bibliotheek. Een andere manier om een scheidingsstap aan SIFT-MS analyses toe te voegen is het gebruik van een warmte desorptie unit,  welke aroma componenten kan scheiden op basis van kookpunt en ze zo achtereenvolgens in de SIFT-MS introduceert. Met betrekking op de volledigheid van de SIFT-MS kinetische bibliotheek kunnen nieuwe componenten worden toegevoegd door de reacties van deze componenten met de drie reagent ionen, H3O+, NO+ en O2+, te bestuderen. Met betrekking tot de vochtigheid van het uiteindelijke staal wordt er geadviseerd deze metingen onder de condities van het staal te doen, om zo de H2O cluster formatie in beeld te brengen.