Innovaciones en plataformas analíticas empleando estrategias metabolómicas para la determinación de micotoxinas y otros contaminantes en muestras biológicas y alimentos

Abstract

La metabolómica consiste en un análisis exhaustivo y cuantitativo de todos los metabolitos de un sistema, siendo los metabolitos aquellas moléculas que presentan una masa molecular inferior a 1500 Da. Las aplicaciones de la metabolómica al análisis de alimentos se conocen como “foodómica”, una ciencia que permite monitorizar los cambios de la composición de los alimentos en términos de análisis composicional, seguridad alimentaria, clasificación de alimentos y trazabilidad. El desarrollo de métodos eficientes que permitan una evaluación fiable de las sustancias o componentes peligrosos que pueden poner en peligro la seguridad y la calidad de los alimentos ha constituido recientemente un importante reto en el ámbito de la Química Analítica. En este sentido, la foodómica se ha consolidado como una disciplina reconocida para elevar y asegurar los estándares de seguridad alimentaria, destacando sus aplicaciones en el control de micotoxinas en alimentos. Las micotoxinas son compuestos tóxicos resultantes del metabolismo secundario de varios hongos filamentosos, principalmente las especies Fusarium, Aspergillus, Penicillium y Alternaria. Estos compuestos pueden aparecer de forma natural en cereales, frutos secos, especias, cacao, café, frutas y verduras susceptibles de contaminación fúngica, afectando a la salud de los humanos y de los animales. Por tanto, sus niveles en alimentos están estrictamente restringidos por la legislación europea. Sin embargo, existe un grupo de micotoxinas denominadas emergentes, sobre las cuales no hay legislación establecida, siendo de gran importancia aportar estudios de ocurrencia sobre ellas para facilitar su futura legislación. Considerando los bajos niveles de concentración a los que se encuentran estas toxinas y el efecto matriz debido a las muestras, es fundamental desarrollar nuevos métodos analíticos de gran sensibilidad y selectividad. El tratamiento de la muestra es una etapa trascendental en el desarrollo de un método analítico. Por este motivo, la investigación en el campo de la Química Analítica en los últimos tiempos se ha centrado en el desarrollo de técnicas miniaturizadas de preparación de muestras. Estas técnicas tienen como objetivo conjunto lograr la preconcentración de los analitos de interés y simplificar la matriz, lo cual va en consonancia con los principios de la Química Analítica Verde. Las técnicas de microextracción surgen al desarrollar técnicas miniaturizadas que permitan la extracción y preconcentración de los analitos. En ellas, las cantidades utilizadas de fase extractante son del orden de microgramos o microlitros, según tengan lugar en fase sólida o líquida. En esta Tesis Doctoral se han desarrollado tratamientos de muestras miniaturizados para el control de micotoxinas, principalmente micotoxinas emergentes, en muestras poco exploradas hasta la fecha, incluyendo pimentón, paté y muestras para alimentación animal. Otro objetivo significativo dentro del ámbito de la metabolómica y foodómica es la exploración de compuestos bioactivos. Por ello, en esta Tesis Doctoral las estrategias dirigidas y no dirigidas han permitido evaluar la metabolización del propil propano tiosulfonato (PTSO), y el comportamiento de otros compuestos bioactivos presentes en cítricos y aguacate. Finalmente, la foodómica se emplea como herramienta para establecer similitudes y diferencias entre productos alimentarios, proporcionando de esta manera información primordial sobre las propiedades sensoriales y nutricionales de los alimentos, así como para determinar la huella espectral y autenticidad de los mismos. En este sentido, en los últimos Capítulos de esta Tesis, se han aplicado estrategias de foodómica para la monitorización de compuestos orgánicos volátiles que permitan estudiar y establecer la calidad de ciertos alimentos como el aceite de oliva o la miel. Para ello se han acoplado detectores como MS o la espectrometría de movilidad iónica (IMS) a la GC empleando inyección en espacio de cabeza (HS) para minimizar el tratamiento de muestra, permitiendo la caracterización del perfil de compuestos orgánicos volátiles con gran selectividad y sensibilidad.

Metabolomics consists of an exhaustive and quantitative analysis of all metabolites in a system, metabolites being those molecules with a molecular mass of less than 1500 Da. The applications of metabolomics to food analysis are known as "foodomics”, a science that allow the monitoring of changes in food composition in terms of compositional analysis, food safety, food classification and traceability. The development of efficient methods that allow a reliable assessment of hazardous substances or components that may endanger the safety and quality of food has recently been a major challenge in the field of analytical chemistry. In this sense, foodomics has established itself as a recognized discipline to raise and ensure food safety standards, highlighting its applications in the control of mycotoxins in food. Mycotoxins are toxic compounds resulting from the secondary metabolism of several filamentous fungi, mainly Fusarium, Aspergillus, Penicillium and Alternaria species. These compounds can occur naturally in cereals, nuts, spices, cocoa, coffee, fruits and vegetables susceptible to fungal contamination, affecting the health of humans and animals. Therefore, their levels in food are strictly restricted by European legislation. However, there is a group of mycotoxins known as emerging mycotoxins, for which there is no established legislation, and it is of great importance to provide studies on their occurrence in order to facilitate their future legislation. Considering the low concentration levels at which these toxins are found and the matrix effect due to the samples, it is essential to develop new analytical methods of high sensitivity and selectivity. Sample treatment is a crucial step in the development of an analytical method. For this reason, research in the field of analytical chemistry has recently focused on the development of miniaturized sample preparation techniques. These techniques are jointly aimed at achieving preconcentration of the analytes of interest and simplifying the matrix, which is in line with the principles of Green Analytical Chemistry. Microextraction techniques arise from the development of miniaturized techniques that allow the extraction and preconcentration of analytes. In these techniques, the quantities of extractant phase used are of the order of micrograms or microliters, depending on whether they take place in solid or liquid phase. In this Doctoral Thesis, miniaturized sample treatments have been developed for the control of mycotoxins, mainly emerging mycotoxins, in samples little explored to date, including paprika, pâté and animal feed samples. Another significant objective within the field of metabolomics and foodomics is the exploration of bioactive compounds. Therefore, in this PhD Thesis, targeted and untargeted strategies have allowed to evaluate the metabolization of propyl propane thiosulfonate (PTSO), and the behavior of other bioactive compounds present in citrus and avocado. Finally, foodomics is used as a tool to establish similarities and differences between food products, thus providing essential information on the sensory and nutritional properties of foods, as well as to determine the spectral fingerprint and authenticity of the same. In this sense, in the last chapters of this Thesis, foodomics strategies have been applied for the monitoring of volatile organic compounds to study and establish the quality of certain foods such as olive oil or honey. For this purpose, detectors such as MS or ion mobility spectrometry (IMS) have been coupled to GC using headspace injection (HS) to minimize sample treatment, allowing the characterization of the profile of volatile organic compounds with high selectivity and sensitivity.