Den elektroniske næse: en hurtig objektiv måling af frø-kvalitet? Per V. Nielsen BioCentrum-DTU

Transkript

1 Den elektroniske næse: en hurtig objektiv måling af frø-kvalitet? Per V. Nielsen BioCentrum-DTU

2 genda Baggrund ekspertiser på DTU Hurtigmetoder til mykologisk kvalitets måling Hvad er en elektronisk næse? Eksempler på anvendelser Korn Ost Mykotoxiner Konklusion / diskussions punkter

3 Food Ecology: ll food products have their own specific group of microorganisms associate to them The Microbiota Spoilage Fermentation

4 Ecophysiology of Food-borne Fungi environmental conditions and stress The Food ecosystem Natural preservation systems Storage Spices and herbs Microbial interaction Water relations Extreme atmospheric conditions Processing Eco-physiology of food-borne fungi Germination Growth Reproduction Spoilage Fermentation Metabolites Chemometrics

5 The Food ecosystem Natural preservation systems Storage Spices and herbs Microbial interaction Water relations Extreme atmospheric conditions Processing Characterisation of moulds 75 Eco-physiology of food-borne fungi Chemometrics Simulation (C-incubators, M-Pack equipment, respirometer) Microscopy Bactometer Germination Growth Reproduction Spoilage Fermentation Metabolites Design and nalysis (Exp. design and Chemometrics) Impedance units ^2 1^3 1^4 1^ Time (h) Morphology (Visual, Colour, NIR, Video meter) Visual, NIR, E-nose Metabolism: E-nose, flavour/ off-flavour flavour, (TLC, HPLC, GC-MS, respiration)

6 Konventionelle- / Hurtigmetoder Nogle overvejelser Hvad ønsker vi at opnå ved brug af vores metoder? Kvantitative metoder detekterer kontaminationsniveauet (CFU) eller biomasse Kvalitative metoder detekterer specifikke arter eller grupper af arter.

7 ccelererede konventionelle metoder Mykotoksin dannende cerialie associerede svampe DRYES/DG18 Xerophilie svampe DG18/MY5G Fusarium CZID spergillus flavus og. parasiticus FP Syre tolerante svampe (P. roqueforti) DYS DYRES FP CZID

8 Direkte udlæg eller suspension

9 Byg i lufttæt silo I 18 måneder % Pen. roqueforti Paecilomyces sp. Eurotium sp. Candida sp. DRBC Direkte 1 Fort FP Direkte 1 Fort DRYES Direkte 1 Fort DG18 Direkte Fort

10 Mykologiske hurtigmetoder Direct methods Howard mould count DEFT (direct epifluorescens filter technique) Turbidimetrc measurement combined with 2 phase separation Chemical and Biochemical methods Bioluminescens - TP Chitin Ergosterol Enzymes Secondary metabolites Volatile organic compounds (VOC) Immunological methods Molecular biological methods Impedimetri

11 What are the characteristics of an fungal isolate? Morphology Microscopic structures Macroscopic structures Color Growth characteristics Growth rate on specific substrates / growth conditions Resistance / tolerance Secondary metabolites Mycotoxins Volatiles Molecular characters

12 De vigtigste svampe metabolitter

13 Lugte sansen - det olfaktoriske system Mønstergenkender (rigtig neural netværk) Sensor array: 1 7 celler med ~1 forskellige receptor typer Limbiske system Olfaktoriske epithel Prøveudtagning og prøveforberedelse (filtrering, justering af temperatur, fugtighed, tryk og flow hastighed)

14 Den elektronisk næse Opbygning Gas opsamling og transportsystem (flow injection) Uspecifikke kemiske sensorer (8 48 stk.) Multivariat-kalibrering og -dataanalyse (neurale netværk / PC, cluster analyse) Bloodhound bygger på conducting polymer sensor teknologi dsorbtionen i toplaget svarer til interaktionen mellem componenter i en gasstrøm og den stationære fase i en GC-kollonne

15 Essentielle fysiske og kemiske egenskaber ved lugtstoffer Tilstrækkelig høj damp tryk Lav polaritet Overflade aktiv Delvis opløselige i vand og i fedt Molekylevægt under 3 (der er ikke nogen kendt lugt stof der har en molekylevægt på over 294) E-næse sensors Mennesket kan skelne ca. 9 lugte Metal oxide sensors (MOS) Surface acoustic wave sensors Quartz crystal microbalance Conducting polymer sensor

16 Ergosterol Hvede korn: w =,94 ~26-3% vand Ergosterol CFU 5 Time, days Sporulation Schnürer, Olsson, Börjesson, 1999 Fungal Genetics and Biology

17 pplying Electronic Nose (e-nose) technology for the Prediction of Danish Blue Cheese Quality Predicted Y Elements: 22 Slope: Offset: Correlation: RMSEP: SEP: Bias: Me Me 43 Me Me Y Reference prediction of w, (Y-var, PC): (C 12: Lauric,1)

18 Opbygning af karakter,4,35,3,25,2,15 Total area % 2-Butanone 1-PropanOH 2-meth 2-Pentanone 2-Pentanol Disulfide dimeth 1-Butanol 3meth 1-Butanol 2meth 2-Hexanone Butanoic acid 2-Heptanone 2-Heptanol 2-Octanone 3methbutButanoate 8-Nonen-2-one 2-Undecanone GC-MS,1,5 roma compound changes with time 5 weeks Sensorik 8 weeks 12 weeks Lugt Smag Teksture River i næsen Sødme Modstand Valle Svampeagtig Flager Syrlig Salt Cremet Skimmel Frugtagtig Smeltet Smørsyre Fløde Smuldre Frugtagtig Syrlig Skimmel Bitter Ef tersmag roma compounds?? real bsorbsion Desorption Respons Max respons E-næse

19 Opbygning af karakter: Kombination af metoder GC-MS Sensorik PC2 c b c b c a c a a a b b bc b c a b a b b b 12 Weeks 5 Weeks b a b a bc GC-MS 5-12, X-expl: 54%,16% PC results fra GC-MS data. 7% variation af dataene forklaret Scores a c a b a c c b c ab c 8 Weeks a a PC2 C C a a a a 5 Weeks B PC1 C C 8 Weeks PC2 B 5 Weeks E-nose 5-12, X-expl: 82%,11% Scores B B B C C B B BC C B C B B Scores 8 Weeks Sensory 5-12, X-expl: 27%,16%?? C C C 12 Weeks B C B B B PC1 C C B B 12 Weeks PC results fra BH 114 data. 93% variation af dataene forklaret B C C PC1 PC results fra sensoriske data. 43% variation af dataene forklaret E-næse

20 Sammenhæng mellem e-næse data og GC-MS Kombination af data fra E-næse og GC-MS fra de samme oste gjorde det muligt at optimere brugen af den elektroniske næses sensorer til blåskimmelos te prøver PC2 2-octanol 1-pentanol 2-Undecanon 1/Des. 13/Des. Disulfide d 1Butanol 2m 2-Nonanone 5/Des. 1Butanol 8/Des. 11/Des. 3m 2/Des. 14/Des. 9/Des. 3/Des. 13/bs. 8-Nonen-2-o 1/bs. 2-Octanone 11/bs. 7/bs. 1/Div. 3/bs. 2-Heptanone 7/Div. 6/Des. 2-Heptanol X- and Y-loadings 14/bs. 8/bs. 2/bs. 1/bs. Isopentyl h 2methylbuty 13/Div. 2-Hexanone 5/bs. 9/bs. 6/Div. 1methylprop 3methylbuty ethylbutano octan 6/rea Methyl deca ethyl hexan 1/Des. Butanoic methyl ac 1/rea hexa 2methylprop 9/Div. 5/Div. 5/rea 9/rea 1PropOH 2me 3methylbuty 2-Butanone 2/Div. 2/rea 2-Pentanol 8/Div. 14/Div. 14/rea 8/rea 1/rea 2methylprop 11/rea isoproh 1/Div. Propan 3/rea Butan acid acid 13/rea 1-Pentene 2-Nonanol 1-Heptene 3/Div. methyl buta 2-Pentanone 7/rea 11/Div GCMS V e-nose,x-expl: 64%,17% Y-expl: 56%,14% 7/Des. 6/bs. PC1 Loadings plot fra PLS analyse. GC-MS data (X variabler) med E-næse data (Y variabler).

21 Quality control in the food industry PC2 Scores 2. E-nose readings of a good and a not so good batch of Black Castello cheese on day 6 to day 25 after production good two batches,x-expl: 82%,13% flowery taste PC1

22 Måle på lager, prediktere senere kvalitet Batch Modning Sensorer dage 1 dage 16 dage 21 dage dage 6 dage 1 dage 16 dage 21 dage dage Ingen information Kvalitet 6 uger efter pakning SY/Gh 1 SY/Gh 2 SY/Gh 3 SY/Gh 4 SY/Gh 5 SY/LG 1 P4/1 1 T3/1 2 SY/Gh 3 SY/LG 4 P4/1 4 T3/ B

23 Brugen af kvalitetskort model C2 : 26.29% Gråvhid grhv_5312 grhv_5312 1B 1 1B 1B 11B grhv_ B Lys B brun_5261 brun_5268 brun_ B brun_ B brun_ B brun_ B 21 21B B 21 21B 17 21B Brun Meget grøn mggr_5247 mggr_5247 mggr_ B 17B 17B 17B okay_ okay_527 okay_524 okay_5233 okay_5228 1B okay_ B 17 2B B 1 mggr_ okay_5185 1B 1B B okay_5185 okay_527 1B 1 okay_524 17B 1 17B 1B 1B 1B praf_ okay_ OK B B14B praf_5214 praf_ B 1B 1 1B 1B B B B 2B B Prik affald Ikke til bedømmelse Bare pletter B baple_5275 baple_ baple_ B 19B 19B 19B Væsker Ikke til bedømmelse C1 : 65.23% Graf taget fra α M.O.S. software. DF model over kvalitet ydre uanset alderen.

24 Contaminants can be detected already after 3 days, which is before growth is visible Differentiation between contaminants and mixtures is possible after 7 days (just before visible growth). Differentiation between contaminants is more clear when samples with mixtures are taken out. (day 7) Growth conditions 11% O 2 25% CO 2,965 a w 5.25 ph 1 conidia per sample (5 ml cheese substrate) Center points 3, X-expl: 96%,3%,%.5 Control PRD PRD PRD PRG PRD PRG PRG PRG PRD PRG DH PRG PRP PRP PRP DH PRP PRP DH DH DH PRP GCDH PRO Contaminants GC GC GC PRO GC PRO GC PRO -.5 PVE 6 PVE PVE -1.5 PVE 2-1. PRO PRO -.5 Scores Y -8 X 1.5 Center points 7, X-expl: 88%,11%,1% GC DH DH -2.5 DH DH DH Control GC DH -.5 PVE PVE PVE GC GC GC 2-1. Y PVE -X PRD PRG PRP PRP PRD PRD PRP PRP PRG PRP PRD PRD PRG PRD -8 PRO 4 Mix Mix -6 PRO PRO PRP PRG 6-4 -X Control -Y -2 GC Pure cultures PVE PVE DH PVE GC GC DH PVE PRO PROGC PVE DH PVE PRO PRO PRO GC DH PRO PRO PRO 2 4 Cheese starter P. roqueforti Cheese starter P. roqueforti PRO

25 2 dys on PD an,x-expl: 79%,11%,4% Scores P. verrucosum (4 isolates) on cheese and PD measured by e- nose 2 days after inoculation. Citrinin production is measured 11 days after inoculation. X -Y

26 6 4 2 Predicted Y Elements: 16 Slope: Offset: Correlation: RMSEP: SEP: Bias: dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage 7 dage 14 dage 14 dage 14 dage maxvmikrlog ude, (Y-var, PC): (G.candidum,5) Measured Y Predicted Y Elements: Slope: Offset: Correlation: RMSEP: SEP: Bias: dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 dage1 dage1 1 dage dage 7 dage 1 1 dage dage 1 1 dage dage 1 dage7 dage 1 dage 1 dage 14 dage 14 dage 14 dage 1 dage 1 1 dage dage 1 dage 1 dage 1 dage 1 1 dage dage 14 dage 14 dage 28 dage dage 14 dage dage dage dage 28 dage 14 dage 28 dage 28 dage 28 dage maxvmikrlog ude, (Y-var, PC): (P.roqueforti,5) Measured Y

27 Diskussions punkter Hvad ønsker vi Kvalitativ eller kvantitativ Pris Tilgængelighed Hastighed Total cfu giver sjælden det svar vi søger Identifikation på artsniveau er oftest vigtig for at vurdere sikkerhed måske ikke mulig med E-næse? ndre kvalitets parametre, oxidation, spiring Hvad kendes om produktet: lagring og behandling

28 Hvis du ikke kan finde den rigtige vej..brug næsen! Gandalf fra Ringenes Herre