High-resolution mass spectrometry methodologies in the food chemistry field
- Autores: Francisco José Díaz Galiano
- Directores de la Tesis: Amadeo Rodríguez Fernández-Alba (dir. tes.), Carmen María Ferrer Amate (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 443
- Títulos paralelos:
- Metodologías de espectrometría de masas de alta resolución en el campo de la química de los alimentos
- Tribunal Calificador de la Tesis: Triantafyllos Albanis (presid.), María del Mar Gómez Ramos (secret.), Damiá Barceló Culleres (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Avanzada por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
- español
Desde principios del siglo XX, el análisis de alimentos se considera una disciplina completa, generalmente sometida a una regulación sólida. Una de las técnicas de mayor utilidad en este campo es la cromatografía, en sus distintas modalidades, acoplada a espectrometría de masas, cuyo alcance y posibilidades se han ido ampliando de forma constante desde su aparición. Los instrumentos de baja resolución son actualmente la versión más popular de la espectrometría de masas, en parte debido a su sensibilidad, pero su limitado poder de resolución los hace poco apropiados para caracterizar compuestos desconocidos o para distinguir especies muy similares composicional y estructuralmente. En contraposición, la espectrometría de masas de alta resolución ofrece la posibilidad de diferenciar iones cuya relación masa/carga es extremadamente próxima, por lo que esta instrumentación constituye una herramienta potente y versátil en el ámbito de la seguridad y calidad alimentaria. Dos de los espectrómetros de masas de alta resolución más comunes son el basado en el tiempo de vuelo y la trampa electrostática orbital u Orbitrap.
La metabolómica es otra disciplina clave en el análisis de alimentos, ya que se ocupa de evaluar los cambios producidos en el metaboloma (fundamentalmente, en los metabolitos secundarios, tanto en número como en abundancia) producidos como consecuencia de sus distintos orígenes geográficos, de cultivo o de procesado. Los estudios llevados a cabo durante esta Tesis Doctoral se centran en la combinación de técnicas de espectrometría de masas de alta resolución con enfoques metabolómicos, tanto dirigidos como no dirigidos, así como el procesamiento de los datos obtenidos mediante modelos quimiométricos.
Por un lado, se ha desarrollado una estrategia metabolómica utilizando un detector de tipo Orbitrap con la que, por primera vez, se han estudiado las diferencias entre tomates cultivados orgánica y convencionalmente de forma controlada mediante espectrometría de masas de alta resolución, mostrando además su superioridad frente a la espectrometría de masas de relaciones isotópicas en cuanto a la caracterización de ambos tipos de cultivo. Este estudio ha desvelado diferencias significativas en el perfil metabolómico de ambos tipos de cultivo, y ha permitido clasificar de manera muy efectiva muestras desconocidas de tomate de la misma variedad.
Posteriormente, trabajando también con muestras cultivadas de forma controlada, se ha aplicado la estrategia anterior a la evaluación de posibles intentos de fraude en cultivos orgánicos. Los análisis han desvelado diferencias entre cultivos de tomates dependiendo de la cantidad de fertilizantes sintéticos utilizados, en especial en relación al contenido de gerberina, un metabolito con actividad antifúngica cuya concentración en las muestras es inversamente proporcional a la presencia de fertilizantes sintéticos. En relación con el estudio anterior, la espectrometría de masas de relaciones isotópicas ha demostrado nuevamente ser una alternativa menos fiable para la detección de fraude.
Por otro lado, un enfoque similar ha permitido caracterizar nuevos productos naturales exclusivos de la miel de mnuka. Este producto alimenticio, muy valorado y bajo una elevada presión en términos de fraude, se encuentra caracterizado legalmente solamente por cuatro productos naturales, además de por un marcador genético. Utilizando una estrategia de análisis no dirigido basada en la espectrometría de masas de tiempo de vuelo, se han descrito 19 productos naturales, muchos de los cuales no se habían descrito nunca en esta miel e, incluso, nunca previamente en ninguna otra matriz. En este estudio se han evaluado también los posibles intentos de fraude de miel de mnuka, incluyendo su mezcla con otras mieles similares, la adición artificial de los cuatro biomarcadores legalmente establecidos y la combinación de ambos métodos. Los modelos quimiométricos basados en los 19 productos naturales han demostrado ser útiles en la detección de todos estos tipos de fraude.
Otro tema de interés relativo a la química de los alimentos es la seguridad de los materiales que se encuentran en contacto con éstos. La metodología metabolómica desarrollada se ha empleado también para evaluar este tipo de materiales sintéticos en contacto con los alimentos bajo condiciones reales de uso, es decir, la cocción de los alimentos en contacto con dichos materiales. Mediante análisis no dirigidos utilizando un detector de tipo Orbitrap, se han estudiado las diferencias que presentaban patatas cocinadas en el microondas dentro de bolsas constituidas por polipropileno y tereftalato de polietileno frente a patatas crudas, patatas hervidas, y patatas cocinadas en vidrio dentro del mismo microondas. Además de determinar que algunos aditivos plásticos se transferían en cantidades mucho mayores a las patatas cocinadas dentro del plástico frente a las demás, se ha detectado por primera vez un compuesto formado in situ resultante de la reacción entre un producto natural y un aditivo plástico.
Por último, se ha evaluado también la combinación de la espectrometría de masas de alta resolución con la movilidad iónica, la cual permite caracterizar los compuestos mediante una variable adicional a su comportamiento cromatográfico y su espectro de masas, la sección de colisión transversal. Los resultados de este estudio han permitido ahondar en la reproducibilidad de estos análisis y en las ventajas derivadas de los mismos en términos de mejora de métodos analíticos para la detección y cuantificación de contaminantes como los compuestos per- y polifluoroalquilados en matrices alimentarias complejas.
Esta Tesis Doctoral se divide en cuatro capítulos. El primero de ellos describe el desarrollo de la espectrometría de masas, desde sus inicios hasta la actualidad. El segundo de ellos versa sobre la evolución de los métodos para el análisis de alimentos, enfocado en el desarrollo de estrategias metabolómicas y en la identificación de compuestos en estudios no dirigidos en el ámbito de la autenticación de alimentos y la lucha contra el fraude. El tercer capítulo discute, por su parte, los métodos analíticos enfocados en el análisis de materiales de contacto con los alimentos. Finalmente, el cuarto capítulo recoge los principios y desarrollo de la movilidad iónica, haciendo especial hincapié en su combinación con la espectrometría de masas.
- English
From the dawn of the 20th century, food analysis has been recognised as a comprehensive discipline, generally subjected to robust regulation. Chromatography, with its diverse modalities, when paired with mass spectrometry, has emerged as an instrumental technique in this realm. Its potential and applicability have experienced constant growth since its introduction. Low-resolution instruments are currently the most prevalent form of mass spectrometry, largely due to their sensitivity. However, their limited resolving power makes them suboptimal for characterising unknown compounds or distinguishing species that are compositionally and structurally very similar. Conversely, high-resolution mass spectrometry provides the capability to differentiate ions with closely matched mass-to-charge ratios, positioning this instrumentation as a powerful, versatile tool in the food safety, quality, and authentication fields. Time-of-flight and electrostatic orbital ion trap (Orbitrap) devices are two of the most commonly used high-resolution mass spectrometers.
Metabolomics stands as another pivotal discipline in food analysis, dedicated to the evaluation of the changes in the metabolome –primarily in secondary metabolites, in terms of their number and abundance– caused by different geographical origins, cultivation methods, or processing techniques. The research undertaken during this thesis centres around the combination of high-resolution mass spectrometry techniques with both targeted and non-targeted metabolomic approaches, along with the processing of the resulting data using chemometric models.
In this regard, a metabolomic strategy has been developed employing an Orbitrap detector, facilitating, for the first time, the examination of the differences between organic and conventional tomatoes grown under controlled conditions using high-resolution mass spectrometry. This study has also highlighted its advantage over isotope ratio mass spectrometry in terms of characterising both cultivation types. This study unveiled significant differences in the metabolic profiles of both cultivation types, enabling a highly effective classification of unknown samples of the same tomato variety.
Additionally, employing samples from controlled cultivations, the previously described strategy was extended to evaluate potential fraud attempts in organic tomato crops. The analysis revealed differences among crops, depending on the amount of synthetic fertilisers used. This was especially noticeable in relation to gerberin content, an antifungal metabolite whose concentration in samples inversely correlates with the presence of synthetic fertilisers. In line with the prior study, isotope ratio mass spectrometry has again proven less reliable for detecting fraud.
In a similar vein, an equivalent approach facilitated the characterisation of unique natural products found in manuka honey, a highly prized food product frequently subject to fraudulent activities. Legally, ¯ it is characterised by only four natural products and a genetic marker. By employing a non-targeted analysis strategy based on time-of-flight mass spectrometry, 19 natural products were identified, several of which had never been documented before in this honey or any other matrix. Possible fraud attempts involving manuka honey, including its adulteration with other similar honeys, the artificial addition of ¯ the four legally established biomarkers, and a combination of both methods were also evaluated in this study. Chemometric models centred on the 19 natural products proved successful in the detection of all these types of fraud.
Another topic of keen interest within food chemistry pertains to the safety of materials that come into contact with food. The metabolomic methodology developed was extended to assess synthetic materials in contact with food under actual usage conditions, in this case, during the cooking process. Through non-targeted analyses using an Orbitrap type detector, differences between potatoes microwaved inside polypropylene and polyethylene terephthalate bags were compared against raw potatoes, boiled potatoes, and potatoes microwaved in glass containers. Besides identifying that certain plastic additives were transferred in significantly larger quantities to potatoes cooked within plastic bags, a compound formed in situ as a result of a reaction between a natural product and a plastic additive was detected for the first time.
Finally, the coupling of high-resolution mass spectrometry with ion mobility was evaluated. This provides an additional variable for compound characterisation besides chromatographic behaviour and mass spectrum data, the collision cross-section. The outcomes of this investigation have facilitated deeper understanding of the reproducibility of these analyses and the associated benefits in terms of enhancing analytical methods for the detection and quantification of contaminants, such as per- and polyfluoroalkylated substances, in complex food matrices.
This thesis is structured into four chapters. The first delineates the evolution of mass spectrometry, from its inception to the present day. The second revolves around the progression of methods for food analysis, focusing on the development of metabolomic strategies and the identification of compounds through non-targeted studies in the field of food authentication and fraud prevention. The third chapter is devoted to analytical methods centred on the analysis of food contact materials. The final chapter is devoted to the principles and progression of ion mobility, emphasising its coupling with mass spectrometry
- español
