Chemical characterization and identification of new bioactive compounds in food and food by-products by high resolution mass spectrometry and advanced chemometrics

Abstract

This dissertation presents a comprehensive 4D lipidomic workflow across various food matrices—pork, chicken, avocados, and marine oils—to address food authenticity, quality, and nutritional profiling challenges. Greece, a key producer of pork and chicken, faces increased demand for authentic, high-quality meat products, which are often vulnerable to adulteration. Through UPLC coupled with Trapped Ion Mobility Spectrometry (TIMS) connected with high-resolution mass spectrometry (HRMS), this research develops a 4D lipidomics protocol to characterize the lipid composition of Greek pork and chicken, identifying nearly 400 lipid compounds and enhancing species-specific understanding of nutritional and sensory attributes. Additionally, the protocol is extended to classify pork cuts, revealing distinct lipid biomarkers that contribute to traceability, quality control, and fraud prevention within the meat industry. Building on this methodology, the study applies 4D lipidomics to the authentication of Hass avocados from different Spanish regions, identifying glycerolipid biomarkers such as TAGs and DAGs that reflect geographic and agronomic influences, thus supporting regulatory and consumer trust efforts in the avocado market. Lastly, the research explores lipidomic profiling in marine by-products, examining oils from Greek fish and mollusk sources. Highlighting the rich omega-3 and omega-6 content of these oils, this study reveals bioactive lipid signatures essential for cardiovascular and cognitive health. Advanced chemometric analyses further underscore the distinct lipid profiles of fish, mollusk, and roe samples, contributing to sustainability, nutritional profiling, and authenticity verification in marine products. This dissertation underscores the value of 4D lipidomics as a robust tool for foodomics, driving innovation in food quality assessment, traceability, and authenticity verification across animal and plant-based foods. Through targeted biomarker discovery and rigorous profiling, this work enhances our understanding of food quality, safety, and nutritional impact, with significant implications for consumer health and industry standards.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο πρωτόκολλο λιπιδωμικής τεσσάρων διαστάσεων, με εφαρμογή σε διάφορες κατηγορίες τροφίμων— κρέας χοιρινό, κοτόπουλο, αβοκάντο και ιχθυέλαια—με σκοπό την αντιμετώπιση προκλήσεων που αφορούν την αυθεντικότητα, την ποιότητα και τη διατροφική αξία των τροφίμων. Η Ελλάδα, ως μεγάλος παραγωγός χοιρινού και κοτόπουλου, αντιμετωπίζει αυξανόμενη ζήτηση για αυθεντικά και υψηλής ποιότητας προϊόντα κρέατος, τα οποία συχνά είναι ευάλωτα σε νοθεία. Με χρήση φασματομετρίας ιοντικής ευκινησίας (IMS) και φασματομετρία μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας, αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο λιπιδομικής τεσσάρων διαστάσεων για τον χαρακτηρισμό της λιπιδικής σύστασης του ελληνικού χοιρινού και κοτόπουλου, με ταυτοποίηση σχεδόν 400 λιπιδικών ενώσεων. Επιπλέον, το πρωτόκολλο επεκτάθηκε στην ταξινόμηση τμημάτων μυϊκών ιστών χοιρινού και αποκάλυψε μοναδικούς δείκτες λιπιδίων που συμβάλλουν στην ιχνηλασιμότητα, στον ποιοτικό έλεγχο και στην πρόληψη απάτης στη βιομηχανία κρέατος. Στην συνέχεια, το πρωτόκολλο αυτό εφαρμόστηκε για την μελέτη της αυθεντικότητας αβοκάντο Hass από διαφορετικές περιοχές της Ισπανίας, εντοπίζοντας δείκτες γλυκερολιπιδίων, όπως TAGs και DAGs, που αντικατοπτρίζουν γεωγραφικές και αγρονομικές επιρροές. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη του λιπιδικού προφίλ σε ισχυέλαια παραγόμενα από παραπροϊόντα ιχθυρών. Εστιάζοντας στην πλούσια περιεκτικότητα αυτών των ελαίων σε ω-3 και ω-6 λιπαρά οξέα, η μελέτη αναδεικνύει βιοδραστικά λιπίδια, απαραίτητα για την καρδιαγγειακή υγεία και την γνωστική λειτουργία. Χρήση προηγμένων τεχνικών χημειομετρίας υπογραμμίζει περαιτέρω τα διακριτά λιπιδικά προφίλ σε δείγματα ψαριών, μαλακίων και αυγοτάραχου, συμβάλλοντας στη βιωσιμότητα, τη διατροφική ανάλυση και την επαλήθευση αυθεντικότητας των θαλάσσιων προϊόντων. Αυτή η διατριβή υπογραμμίζει την αξία της 4D λιπιδωμικής ως ένα ισχυρό εργαλείο στη μελέτη των τροφίμων (foodomics), προωθώντας την καινοτομία στην αξιολόγηση ποιότητας, την ιχνηλασιμότητα και την μελέτη της αυθεντικότητας σε τρόφιμα ζωικής και φυτικής προέλευσης. Μέσω στόχευσης/ανακάλυψης μορίων βιοδεικτών και μελέτης των λιπιδικών προφίλ, αυτή η διατριβή ενισχύει την κατανόηση μας για την ποιότητα και τον διατροφικό αντίκτυπο των τροφίμων, με σημαντικές επιπτώσεις στην υγεία των καταναλωτών και την βιομηχανία.