Estrategias analíticas basadas en técnicas espectrométricas y enfoques quimiométricos para garantizar la seguridad alimentaria

Abstract

Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el desarrollo de métodos analíticos que permitan la monitorización de contaminantes y compuestos de interés, así como la aplicación de estrategias analíticas que permitan dar una respuesta decisiva sobre la calidad y seguridad de distintos alimentos. De esta manera, en esta Tesis Doctoral se distinguen dos secciones: la primera sección se centra en el estudio de la exposición y acumulación de micotoxinas en el organismo, mientras que la segunda sección aborda diferentes estrategias para el control de calidad de diversos alimentos. Las micotoxinas son metabolitos secundarios producidos por hongos filamentosos de varias especies; principalmente Aspergillus, Penicillium, Fusarium y Alternaria. Estos contaminantes pueden producirse de manera natural en cereales, café, frutos secos, especias, y frutas y verduras susceptibles de contaminación fúngica, pudiendo causar efectos adversos en la salud humana y animal, ya que pueden acumularse en distintos órganos y tejidos. En consecuencia, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) establece contenidos máximos permitidos para varias micotoxinas en alimentos con objeto de garantizar la calidad y seguridad del producto. El método más común para evaluar la exposición de micotoxinas se basa en la combinación de datos de contaminación con datos de consumo; sin embargo, este enfoque presenta ciertas limitaciones, ya que no tiene en cuenta diversos factores como la variabilidad de los niveles de contaminación en los alimentos, el comportamiento de las micotoxinas frente al procesado de alimentos, el consumo individual y la toxicocinética y toxicodinámica de cada micotoxina. En esta Tesis Doctoral se desarrollan métodos analíticos para la detección y cuantificación de estos contaminantes en distintos tejidos biológicos con el objetivo de estudiar la ocurrencia y acumulación de las micotoxinas en el organismo. Además, se estudia el uso de biomarcadores para evaluar la exposición a las micotoxinas mediante la monitorización de estos contaminantes y sus metabolitos derivados. Se proponen tratamientos de muestra miniaturizados para el control de micotoxinas que permitan la preconcentración de estos contaminantes, debido a las bajas concentraciones esperadas principalmente en las muestras biológicas. Para su identificación y cuantificación se han aplicado estrategias de análisis dirigidas y no dirigidas mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas en tándem (MS/MS) y de alta resolución (HRMS). Por otro lado, se ha empleado la cromatografía de gases acoplada a distintos detectores como MS y espectrometría de movilidad iónica (IMS) con inyección por espacio de cabeza (HS) para la monitorización de compuestos de interés y la caracterización de alimentos aplicando estrategias analíticas dirigidas y no dirigidas. Los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) presentes en los alimentos se consideran parámetros relevantes para evaluar su calidad y atributos sensoriales debido a su contribución en el desarrollo del aroma. La obtención del perfil de VOCs mediante estas técnicas analíticas ha permitido el control microbiano del zumo de granada y la caracterización de miel de distintos orígenes botánicos. También se ha empleado la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) como técnica de análisis rápida y no destructiva para la caracterización de pimentón con Denominación de Origen Protegida (DOP), con el objetivo de garantizar su autenticidad y evitar posibles adulteraciones. Como resultado, las técnicas analíticas generan una gran cantidad de datos complejos que requieren de un procesamiento para obtener información químicamente relevante. La quimiometría se define como el conjunto de metodologías estadísticas y matemáticas que permiten extraer dicha información reduciendo la dimensionalidad de los datos. Estas herramientas se han aplicado al análisis de alimentos y muestras biológicas para el desarrollo de análisis univariantes y multivariantes con fines exploratorios, discriminativos y predictivos, así como la identificación de compuestos desconocidos.

The objective of this Doctoral Thesis is the development of analytical methods for monitoring contaminants and relevant compounds, and the application of analytical strategies to provide a decisive response on food quality and safety. Therefore, two sections are presented in this Doctoral Thesis: the first section focuses on the exposure and accumulation of mycotoxins in the organism, and the second section deals with different strategies for the quality control of various foods. Mycotoxins are secondary metabolites produced by filamentous fungi of various species; mainly Aspergillus, Penicillium, Fusarium and Alternaria. These contaminants can be naturally produced in cereals, coffee, nuts, spices, and fruits and vegetables susceptible to fungal contamination, and can lead to adverse effects on human and animal health, being able to accumulate in different organs and tissues. Consequently, the European Food Safety Authority (EFSA) establishes maximum contents for several mycotoxins in food to ensure product quality and safety. Contamination data combined with consumption data is usually used to assess exposure to mycotoxins; however, variations in contamination levels in food, mycotoxin behavior in relation to food processing, individual consumption, and the toxicokinetics and toxicodynamics of each mycotoxin are not considered by this approach. Analytical methods for the detection and quantification of these contaminants in various biological tissues were developed in this Doctoral Thesis, to study the occurrence and accumulation of mycotoxins in the organism. In addition, the potential of exposure biomarkers was explored by monitoring these contaminants and derived metabolites. Miniaturized sample treatments for mycotoxin control were proposed to allow the preconcentration of these contaminants, due to the low concentrations expected mainly in biological samples. Targeted and untargeted analysis strategies were applied for the identification and quantification of these contaminants using liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (MS/MS) and high-resolution mass spectrometry (HRMS). On the other hand, gas chromatography coupled to MS or ion mobility spectrometry (IMS) with headspace injection (HS) was used for the monitoring of relevant compounds and food characterization applying targeted and untargeted analytical strategies. Volatile organic compounds (VOCs) in food are considered relevant parameters for assessing food quality and sensory attributes due to their contribution to aroma development. The VOC profile obtained by the above-mentioned analytical techniques allowed the microbial control of pomegranate juice and the characterization of honey of different botanical origins. Near infrared spectroscopy (NIR) was also used as a fast and non-destructive analysis technique for the characterization of paprika with Protected Designation of Origin (PDO), to guarantee its authenticity and avoid possible adulterations. Analytical techniques generate complex data that require processing to obtain chemically relevant information. Chemometrics is defined as the set of statistical and mathematical methodologies that extract relevant information by reducing data dimensionality. These tools were applied to the analysis of food and biological samples for the development of univariate and multivariate analyses for exploratory, discriminative and predictive purposes, as well as the identification of unknown compounds.