Ανάπτυξη και επικύρωση μεθόδων για τη χαρτογράφηση του μεταβολικού περιεχομένου τροφίμων με σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές

Abstract

The aim of this PhD dissertation is the development and validation of cutting-edge analytical methods for mapping the metabolic content of Greek foods. To achieve this goal, modern analytical techniques such as gas and liquid chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS, UPLC-MS/MS, UHPLC-HRMS) and appropriate software and statistical models for the processing of results and the emergence of biomarkers of authenticity were applied. Pre-treatment of food samples prior to analysis plays a crucial role in any proposed analytical method and was also one of the subjects of this study. Another objective of the thesis is to support research and development of new value-added food products and to evaluate innovative liquid chromatography column materials for application in metabolomics studies. In order to achieve the aim of the thesis, two methods of gas chromatography coupled with mass spectrometry were developed to support the authenticity (discrimination of geographical origin, variety and year of harvest) and quality (correlation with organoleptic evaluation, fermentation pathway study) of Greek products such as olive oil and table olives. In the field of food safety, examples are given of the development and validation of rapid and simple targeted UPLC-MS/MS methods for the determination of coumarin in bakery products and four biogenic amines in tuna samples. The example of UPLC-HRMS method development for the lipid analysis of egg yolks following intervention in the diet of hens with xylanase enzyme administration is also described. Finally, a "green" lipidomic UHPLC-TOF/MS method was developed with a column of reduces dimensions for the first time for the analysis of olive oil samples from different countries (Greece, Israel, Spain, Cyprus, Palestine) and statistically significant lipids/indicators of geographical origin were highlighted. The quality control samples (QCs) of the various countries were then analysed by the modern technique of cyclic ion mobility and the separation of lipid isomers was achieved. All the individual studies confirmed the potential of omics technologies and are important tools in the fields of Analytical Chemistry and Food Analysis. It is expected that the use of mass spectrometry will increase rapidly in the upcoming years and new developments in analytical techniques (miniaturisation, automation) and sample preparation will bring us closer to the development of fast, cost-effective and simple methods that are in line with the Principles of Green Chemistry and offer the analysis of an even larger number of compounds in a single analysis.

Κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η επικύρωση αναλυτικών μεθόδων αιχμής για τη χαρτογράφηση του μεταβολικού περιεχομένου ελληνικών τροφίμων. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού, εφαρμόστηκαν σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές όπως είναι η αέρια και υγρή χρωματογραφία συζευγμένη με φασματομετρία μάζας (GC-MS, UPLC-MS/MS, UHPLC-HRMS) και κατάλληλα λογισμικά και στατιστικά μοντέλα για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων και την ανάδειξη των δεικτών που διαφοροποιούν τα δείγματα π.χ. δεικτών αυθεντικότητας. Η προκατεργασία των δειγμάτων τροφίμων πριν από την ανάλυση διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο σε κάθε προτεινόμενη αναλυτική μέθοδο και αποτέλεσε επίσης αντικείμενο της παρούσας μελέτης. Ένας ακόμη στόχος της διατριβής είναι η εφαρμογή των νέων μεθόδων στην υποστήριξη της έρευνας στην ανάπτυξη νέων προϊόντων διατροφής προστιθέμενης αξίας. Τέλος έγινε αξιολόγηση καινοτόμων υλικών στηλών υγρής χρωματογραφίας για εφαρμογή σε μεταβολομικές μελέτες. Προκειμένου να επιτευχθεί ο σκοπός της διατριβής, αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι αέριας χρωματογραφίας συζευγμένης με φασματομετρία μαζών για την υποστήριξη της αυθεντικότητας (διάκριση γεωγραφικής προέλευσης, ποικιλίας και έτους συγκομιδής) και της ποιότητας (συσχέτιση με οργανοληπτική αξιολόγηση, μελέτη πορεία ζύμωσης) Ελληνικών προϊόντων όπως το ελαιόλαδο και η επιτραπέζια ελιά. Στον τομέα της ασφάλειας τροφίμων, δίνονται τα παραδείγματα ανάπτυξης και επικύρωσης γρήγορων και απλών στοχευμένων μεθόδων UPLC-MS/MS για τον προσδιορισμό κουμαρίνης σε προϊόντα αρτοποιίας και τεσσάρων βιογενών αμινών σε δείγματα τόνου. Επίσης, περιγράφεται το παράδειγμα ανάπτυξης μεθόδου UPLC-HRMS για τη λιπιδομική ανάλυση κρόκων αυγών έπειτα από παρέμβαση στη διατροφή των ορνίθων με χορήγηση του ενζύμου ξυλανάση. Τέλος, αναπτύχθηκε για πρώτη φορά μια μη στοχευμένη μέθοδος λιπιδομικής UHPLC-TOF/MS με στήλη μειωμένων διαστάσεων για την ανάλυση δειγμάτων ελαιόλαδου από διαφορετικές χώρες (Ελλάδα, Ισραήλ, Ισπανία, Κύπρος, Παλαιστίνη) και αναδείχθηκαν στατιστικώς σημαντικά λιπίδια/δείκτες γεωγραφικής προέλευσης. Τα δείγματα ελέγχου (QCs) των διαφορετικών χωρών αναλύθηκαν στη συνέχεια με τη σύγχρονη τεχνική της κυκλικής ιοντικής ευκινησίας και κατέστη δυνατός ο διαχωρισμός ισομερών λιπιδίων. Όλες οι επιμέρους μελέτες, επιβεβαίωσαν τη δυναμική των ομικών τεχνολογιών και αποτελούν σημαντικά εργαλεία στους τομείς της Αναλυτικής Χημείας και των Τροφίμων. Αναμένεται ότι η χρήση της φασματομετρίας μάζας θα αυξηθεί ραγδαία τα επόμενα χρόνια και οι νέες εξελίξεις στις αναλυτικές τεχνικές (σμίκρυνση, αυτοματοποίηση) και στην προκατεργασία του δείγματος θα μας φέρουν πιο κοντά στην ανάπτυξη γρήγορων, οικονομικά αποδοτικών και απλών μεθόδων που θα συμβάλουν στην ανίχνευση ακόμα μεγαλύτερου αριθμού ενώσεων με μία και μόνο ανάλυση.