Determinación de glicoalcaloides procedentes de solanáceas comestibles en alimentos y subproductos de interés mediante estrategias analíticas sostenibles y miniaturizadas para la evaluación de su seguridad y valorización

• Autores: Isabel Martínez García
• Directores de la Tesis: Isabel Sierra Alonso (dir. tes.), Sonia Morante Zarcero (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2026
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Noelia Rosales Conrado (presid.), Natalia Casado Navas (secret.), Jose Camara (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias por la Universidad Rey Juan Carlos
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Texto completo no disponible (Saber más ...)
• Resumen

  • La garantía de la inocuidad y calidad de los alimentos constituye un desafío central en los sistemas alimentarios contemporáneos, al estar estrechamente vinculada tanto a la protección de la salud pública como a la preservación del valor nutricional y funcional de los productos. En este contexto, los cultivos pertenecientes al género Solanum, como la patata (Solanum tuberosum), el tomate (Solanum lycopersicum) y la berenjena (Solanum melongena), representan una fracción esencial de la dieta a nivel global y constituyen una fuente relevante de metabolitos especializados con actividad biológica. Entre estos compuestos, los glicoalcaloides (GAs) destacan por su particular relevancia, debido a su dualidad funcional: mientras que a dosis controladas pueden presentar propiedades bioactivas de interés, niveles elevados se asocian a efectos adversos sobre la salud, lo que plantea importantes implicaciones desde el punto de vista de la seguridad alimentaria.

    En matrices alimentarias que contienen solanáceas comestibles como patata, tomate y/o berenjena, la presencia de GAs está sujeta a una elevada variabilidad condicionada por factores genéticos, agronómicos y tecnológicos. Los GAs son alcaloides esteroidales formados por un núcleo lipofílico al que se unen cadenas de azúcares mediante enlaces glicosídicos en el carbono C-3 del esqueleto esteroidal, lo que determina su polaridad, estabilidad y comportamiento toxicológico. Dentro del perfil de GAs que aparece en estos alimentos, los α-GAs (aquellos en los que el núcleo aglicónico esteroidal presenta dicho enlace glicosídico con cadenas de azúcares intactas), como la α-solanina y la α-chaconina en patata, representan las formas mayoritarias, es decir, aquellas presentes en mayor proporción, constituyendo los compuestos predominantes desde el punto de vista cuantitativo y toxicológico. En el caso de la patata, estos compuestos se concentran preferentemente en la piel, lo que convierte a este subproducto en un tejido de especial interés tanto desde el punto de vista toxicológico, debido a su actual consumo, como por su potencial valorización como fuente de obtención de estos compuestos. Asimismo, los procesos de transformación, tanto culinarios como industriales, pueden modificar significativamente su concentración y perfil químico, dando lugar a la formación de productos de degradación, formados principalmente por sus formas parcialmente desglucosiladas como β- y γ-GAs o sus agliconas (formas completamente exentas de la fracción glucídica por hidrólisis del enlace glicosídico, quedando únicamente el núcleo esteroidal), cuya contribución a la toxicidad global aún no está completamente caracterizada. Esta complejidad estructural y dinámica resalta la necesidad de desarrollar metodologías analíticas avanzadas que permitan una caracterización integral de estos compuestos en diferentes matrices alimentarias, incluyendo productos frescos, procesados y alimentos destinados a poblaciones vulnerables.

    Desde una perspectiva toxicológica, organismos internacionales como la autoridad europea de seguridad alimentaria (EFSA) han establecido valores de referencia para los principales GAs de la patata, como la α-solanina y la α-chaconina, evidenciando la necesidad de monitorizar su presencia en alimentos de consumo habitual. La evaluación del riesgo se ve particularmente condicionada por la variabilidad en los niveles de exposición, siendo los grupos de población infantil especialmente sensibles. En este sentido, la generación de datos fiables sobre los niveles de GAs en distintas matrices alimentarias, incluyendo productos procesados como snacks y alimentos infantiles, resulta esencial para apoyar el desarrollo de marcos regulatorios más sólidos y fundamentados científicamente.

    Paralelamente, los GAs, debido a sus efectos bioactivos a niveles controlados, presentan un creciente interés en el ámbito de la valorización de subproductos agroindustriales. Fracciones tradicionalmente consideradas residuos, como las pieles de patata, pueden contener concentraciones elevadas de estos compuestos, lo que las convierte en potenciales fuentes de moléculas bioactivas de alto valor añadido. En este contexto, el desarrollo de esta línea de investigación requiere una caracterización analítica rigurosa que garantice su seguridad y permita establecer condiciones de uso adecuadas, favoreciendo su integración en estrategias sostenibles de aprovechamiento de recursos alineadas con la economía circular.

    En este escenario, la química analítica verde (GAC) emerge como una estrategia para el desarrollo de metodologías sostenibles, orientadas a minimizar el consumo de disolventes, energía y materiales, sin comprometer la calidad de los resultados analíticos. Este principio no se considera un elemento complementario, sino un criterio de diseño analítico intrínseco a las metodologías analíticas contemporáneas. En este sentido, la implementación de técnicas miniaturizadas y el empleo de materiales adsorbentes innovadores permiten mejorar la eficiencia, selectividad y reproducibilidad de los métodos, al tiempo que reducen su impacto ambiental. Este planteamiento resulta especialmente relevante en el análisis de matrices alimentarias complejas, donde los efectos de matriz y la baja concentración de los analitos representan desafíos significativos.

    En base a estas consideraciones, el objetivo principal de la presente Tesis Doctoral ha sido el desarrollo y aplicación de metodologías analíticas avanzadas, miniaturizadas y sostenibles para la determinación de GAs y sus productos de degradación en matrices alimentarias de relevancia, incluyendo pieles de patata frescas y sometidas a diferentes tratamientos culinarios y productos procesados de consumo directo como snacks y alimentos infantiles, que incluyen en su composición patata, tomate o berenjena, con el fin de abordar sus implicaciones en seguridad alimentaria y en la valorización de subproductos agroindustriales. Para ello, se han implementado estrategias innovadoras de preparación de muestra, como extracción asistida por ultrasonidos (UAE), extracción en fase sólida miniaturizada (µSPE) y plataformas avanzadas poco exploradas como extracción en fase sólida miniaturizada en punta de pipeta asistida por colector de vacío (VMA-PT-SPE) y extracción por dispersión de matriz en fase sólida asistida por homogeneización con perlas (HA-MSPD), combinadas con cromatografía líquida de alta resolución acoplada a detector de arreglo de diodos (HPLC-DAD) y cromatografía líquida de ultra alta resolución acoplada a espectrometría de masas en tándem (UHPLC-MS/MS), que permiten una determinación sensible y selectiva de los compuestos de interés.

    La Tesis Doctoral se estructura en tres capítulos principales. El primer capítulo corresponde a un artículo de revisión en el que se analiza de manera crítica el conocimiento disponible sobre la determinación de GAs en alimentos que contienen solanáceas comestibles como patata, tomate y/o berenjena, abordando los avances metodológicos más relevantes y, en muchos casos, poco explorados hasta la fecha en el ámbito de la preparación de muestra, separación y detección instrumental, así como las principales limitaciones analíticas actuales, tales como la ausencia de metodologías plenamente estandarizadas, la escasa disponibilidad de materiales de referencia certificados y la necesidad de ampliar el alcance analítico hacia compuestos minoritarios y productos de transformación. Asimismo, se discuten las tendencias emergentes en el desarrollo de estrategias analíticas más sostenibles, enmarcadas en los principios de la GAC.

    El segundo capítulo incluye dos estudios experimentales centrados en la piel de patata, considerada la principal zona de acumulación de GAs. En el primero de ellos, se desarrolla y valida un método analítico miniaturizado, rápido y sostenible basado en UAE para la determinación de α-solanina y α-chaconina en pieles de patata frescas, alcanzando recuperaciones cercanas al 100% y una adecuada precisión y selectividad, incorporando además una reducción significativa del volumen de disolvente y del tiempo de extracción en comparación con los procedimientos convencionales de extracción sólido-líquido (SLE), lo que supone una mejora sustancial en términos de eficiencia analítica y sostenibilidad del proceso. La aplicación de este método a pieles frescas de distintas variedades comerciales revela concentraciones elevadas de GAs, lo que refuerza el interés de esta matriz tanto desde el punto de vista de la seguridad alimentaria como de su posible valorización para su extracción y utilización como fuente de compuestos bioactivos. Asimismo, se observaron diferencias significativas entre variedades, lo que pone de manifiesto la importancia de la selección de la materia prima para ambos fines. En el segundo estudio, con el fin de evaluar la seguridad del consumo de las pieles de patata como otra vía de aprovechamiento, se evalúa el efecto de diferentes tratamientos culinarios sobre el contenido de GAs en piel de patata. Para ello, se añade a la etapa de UAE una nueva etapa de purificación basada en µSPE empleando sílices mesoporosas ordenadas, en concreto 25 mg de SBA-15 funcionalizadas con grupos octadecilsilano (C18), denominada (SBA-15-C18), orientadas a mejorar la selectividad del proceso mediante la eliminación eficaz de interferencias de matriz, observándose reducciones significativas asociadas a procesos térmicos; los resultados relativos a los distintos tratamientos mostraron reducciones especialmente en técnicas como fritura en aceite, horneado y fritura de aire (a altas temperaturas), que inducen degradaciones superiores al 75%. Estos resultados evidencian el papel del procesado doméstico en la modulación de la exposición dietética a estos compuestos.

    El tercer capítulo aborda la determinación de GAs en productos procesados poco estudiados de consumo directo y alimentos infantiles, integrando el desarrollo metodológico con su aplicación a muestras reales. En primer lugar, se desarrolla y valida una plataforma innovadora de purificación miniaturizada basada en UAE seguida de VMA-PT-SPE, que permite un control preciso del flujo y una notable reducción del consumo de material adsorbente y disolventes. Esta estrategia, empleando una sílice mesoporosa no ordenada como es la MSU-2 funcionalizada con C18 (MSU-2-C18), proporciona mejoras significativas en términos de reproducibilidad, recuperación y eficiencia extractiva en matrices complejas como snacks de patata, permitiendo la determinación no solo de los compuestos mayoritarios, sino también de productos de degradación y agliconas. Posteriormente, se aplicó esta metodología analítica a una gran variedad de muestras de snacks de patata, incorporando asimismo GAs característicos del tomate para su determinación en productos que lo incluyen como ingrediente, configurando así un método multicomponente orientado al análisis simultáneo de estos compuestos de interés, lo que permite identificar la influencia del procesado y la formulación en su perfil final. Esta evaluación sistemática permite establecer patrones de variabilidad entre productos, así como realizar una aproximación a la exposición dietética de GAs derivada del consumo habitual de este tipo de alimentos, contribuyendo a la estimación del riesgo asociado. Finalmente, se desarrolla un innovador método multicomponente basado en HA-MSPD miniaturizada para la determinación simultánea de los GAs y derivados más abundantes en patata, tomate y berenjena en alimentos infantiles en cuyos ingredientes se incluyen estos vegetales, empleando como material adsorbente MSU-2, permitiendo la extracción y purificación simultáneas en una única etapa, con una reducción significativa del tiempo de análisis y del consumo de disolventes. Este trabajo constituye la primera aplicación descrita de cuantificación de este tipo de compuestos en alimentos infantiles de estas características. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto una notable variabilidad entre muestras y poniendo de manifiesto la importancia del control de materias primas y procesos en productos destinados a poblaciones vulnerables.

    En conjunto, los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral aportan avances significativos tanto a nivel metodológico como aplicado. Desde el punto de vista analítico, se han desarrollado herramientas innovadoras que combinan miniaturización, sostenibilidad y alto rendimiento, contribuyendo al avance de la química analítica de alimentos en línea con la GAC. Desde una perspectiva aplicada, los resultados generan información relevante sobre la presencia, transformación y exposición a GAs en matrices alimentarias de consumo habitual y poco estudiadas, incluyendo escenarios de especial interés como el consumo de snacks y alimentos infantiles. Asimismo, se pone de manifiesto el potencial de valorización de subproductos como la piel de patata, para la extracción de GAs y su aplicación para la preparación de alimentos funcionales y nutracéuticos bajo condiciones que garanticen la seguridad alimentaria.

    En este marco, la investigación se alinea con la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, contribuyendo de manera transversal a varios Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). Esta alineación se refleja en la contribución a la mejora de la seguridad alimentaria y la protección de la salud pública (ODS 3: Salud y Bienestar), al fortalecimiento de la calidad y disponibilidad de alimentos básicos (ODS 2: Hambre Cero), al impulso de modelos de producción más eficientes y responsables mediante la valorización de subproductos agroindustriales (ODS 12: Producción y Consumo Responsables), al desarrollo de metodologías analíticas innovadoras basadas en miniaturización y eficiencia instrumental (ODS 9: Industria, Innovación e Infraestructura), y a la reducción del impacto ambiental asociado a los procesos analíticos mediante la aplicación de principios de la GAC (ODS 13: Acción por el Clima).

    Por tanto, esta investigación contribuye de manera integrada al conocimiento de los GAs en el ámbito alimentario, proporcionando bases científicas sólidas para la mejora del control de calidad, la evaluación del riesgo y el desarrollo de estrategias sostenibles de aprovechamiento de recursos, en línea con los retos actuales de los sistemas alimentarios y los principios de la bioeconomía y la GAC.

    The guarantee of food safety and quality constitutes a central challenge in contemporary food systems, as it is closely linked both to the protection of public health and to the preservation of the nutritional and functional value of products. In this context, crops belonging to the Solanum genus, such as potato (Solanum tuberosum), tomato (Solanum lycopersicum), and eggplant (Solanum melongena), represent an essential fraction of the global diet and constitute a relevant source of specialized metabolites with biological activity. Among these compounds, glycoalkaloids (GAs) stand out due to their particular relevance, owing to their functional duality: while at controlled doses they may present bioactive properties of interest, elevated levels are associated with adverse health effects, which raises important implications from a food safety perspective.

    In food matrices containing edible Solanaceae such as potato, tomato, and/or eggplant, the presence of GAs is subject to high variability conditioned by genetic, agronomic, and technological factors. GAs are steroidal alkaloids formed by a lipophilic nucleus to which sugar chains are attached through glycosidic bonds at the C-3 position of the steroidal skeleton, determining their polarity, stability, and toxicological behavior. Within the GA profile present in these foods, α-GAs (those in which the steroidal aglycone nucleus presents said glycosidic linkage with intact sugar chains), such as α-solanine and α-chaconine in potato, represent the major forms, i.e., those present in the highest proportion, constituting the predominant compounds from a quantitative and toxicological point of view. In potato, these compounds are preferentially concentrated in the peel, which turns this by-product into a tissue of particular interest both from a toxicological standpoint, due to its current consumption, and for its potential valorization as a source of these compounds. Likewise, processing operations, both culinary and industrial, can significantly modify their concentration and chemical profile, leading to the formation of degradation products, mainly consisting of partially deglycosylated forms such as β- and γ-GAs or their aglycones (fully devoid of the sugar moiety due to hydrolysis of the glycosidic bond, leaving only the steroidal nucleus), whose contribution to overall toxicity has not yet been fully characterized. This structural and dynamic complexity highlights the need to develop advanced analytical methodologies that enable a comprehensive characterization of these compounds in different food matrices, including fresh products, processed foods, and foods intended for vulnerable populations.

    From a toxicological perspective, international organizations such as the European Food Safety Authority (EFSA) have established reference values for the main potato GAs, such as α-solanine and α-chaconine, highlighting the need to monitor their presence in commonly consumed foods. Risk assessment is particularly influenced by variability in exposure levels, with infant population groups being especially sensitive. In this regard, the generation of reliable data on GA levels in different food matrices, including processed products such as snacks and infant foods, is essential to support the development of more robust and scientifically grounded regulatory frameworks.

    In parallel, GAs, due to their bioactive effects at controlled levels, have attracted increasing interest in the field of agro-industrial by-product valorization. Fractions traditionally considered waste, such as potato peels, may contain high concentrations of these compounds, making them potential sources of high value-added bioactive molecules. In this context, the development of this research line requires rigorous analytical characterization that ensures safety and allows the establishment of appropriate conditions for use, promoting their integration into sustainable resource utilization strategies aligned with the circular economy.

    Within this scenario, Green Analytical Chemistry (GAC) emerges as a strategy for the development of sustainable methodologies aimed at minimizing the consumption of solvents, energy, and materials without compromising analytical performance. This principle is not considered a complementary element but rather an intrinsic analytical design criterion of contemporary analytical methodologies. In this sense, the implementation of miniaturized techniques and the use of innovative adsorbent materials allow improvements in efficiency, selectivity, and reproducibility, while reducing environmental impact. This approach is particularly relevant in the analysis of complex food matrices, where matrix effects and low analyte concentrations represent significant challenges.

    Based on these considerations, the main objective of this Doctoral Thesis was the development and application of advanced, miniaturized, and sustainable analytical methodologies for the determination of GAs and their degradation products in relevant food matrices, including fresh potato peels subjected to different culinary treatments and processed products for direct consumption such as snacks and infant foods containing potato, tomato, or eggplant, in order to address their implications for food safety and agro-industrial by-product valorization. To this end, innovative sample preparation strategies were implemented, such as Ultrasound-Assisted Extraction (UAE), miniaturized Solid-Phase Extraction (µSPE), and advanced and scarcely explored platforms such as Vacuum-Assisted Pipette-Tip Solid-Phase Extraction (VMA-PT-SPE) and Homogenization-Assisted Matrix Solid-Phase Dispersion (HA-MSPD), combined with High-Performance Liquid Chromatography with Diode Array Detection (HPLC-DAD) and Ultra-High-Performance Liquid Chromatography coupled to tandem Mass Spectrometry (UHPLC-MS/MS), enabling sensitive and selective determination of the target compounds.

    The Doctoral Thesis is structured into three main chapters. The first chapter corresponds to a review article in which the available knowledge on GA determination in foods containing edible Solanaceae such as potato, tomato, and/or eggplant is critically analysed, addressing the most relevant methodological advances, many of which remain scarcely explored to date in sample preparation, separation, and instrumental detection, as well as current analytical limitations, such as the absence of fully standardised methodologies, limited availability of certified reference materials, and the need to extend the analytical scope towards minor compounds and transformation products. Furthermore, emerging trends in the development of more sustainable analytical strategies framed within GAC principles are discussed.

    The second chapter includes two experimental studies focused on potato peel, considered the main accumulation site of GAs. In the first study, a fast, miniaturized, and sustainable analytical method based on UAE was developed and validated for the determination of α-solanine and α-chaconine in fresh potato peels, achieving recoveries close to 100% and adequate precision and selectivity, while significantly reducing solvent volume and extraction time compared to conventional Solid-Liquid Extraction (SLE) procedures. This represents a substantial improvement in analytical efficiency and process sustainability. Application of this method to fresh peels from different commercial varieties revealed high GA concentrations, reinforcing the interest of this matrix both from a food safety perspective and for its potential valorization as a source of bioactive compounds. Significant differences among varieties were also observed, highlighting the importance of raw material selection for both purposes.

    In the second study, in order to assess the safety of potato peel consumption as another valorization route, the effect of different culinary treatments on GA content was evaluated. For this purpose, a purification step based on µSPE using ordered mesoporous silicas was added to the UAE process, specifically 25 mg of SBA-15 functionalized with octadecylsilane (C18) groups (SBA-15-C18), aimed at improving selectivity through efficient removal of matrix interferences. Significant reductions associated with thermal processing were observed; results showed particularly strong decreases in processes such as deep-frying, baking, and air frying (at high temperatures), which induced degradation exceeding 75%. These findings highlight the role of domestic processing in modulating dietary exposure to these compounds.

    The third chapter addresses the determination of GAs in scarcely studied processed products for direct consumption and infant foods, integrating methodological development with application to real samples. First, an innovative miniaturized purification platform based on UAE followed by VMA-PT-SPE was developed and validated, enabling precise flow control and a marked reduction in adsorbent material and solvent consumption. This strategy, employing a non-ordered mesoporous silica (MSU-2) functionalized with C18 groups (MSU-2-C18), provided significant improvements in reproducibility, recovery, and extraction efficiency in complex matrices such as potato snacks, enabling determination not only of major compounds but also degradation products and aglycones. Subsequently, this methodology was applied to a wide variety of potato snack samples, also incorporating tomato-characteristic GAs for their determination in products containing it as an ingredient, thus establishing a multicomponent method for simultaneous analysis of these compounds and allowing identification of the influence of processing and formulation on their final profile. This systematic evaluation enabled the establishment of variability patterns among products and an estimation of dietary exposure to GAs from habitual consumption, contributing to risk assessment. Finally, an innovative multicomponent method based on miniaturized HA-MSPD was developed for the simultaneous determination of the most abundant GAs and derivatives from potato, tomato, and eggplant in infant foods containing these vegetables, using MSU-2 as adsorbent, enabling simultaneous extraction and purification in a single step with a significant reduction in analysis time and solvent consumption. This work constitutes the first described application for quantification of these compounds in infant foods of this type. The results revealed notable variability among samples, highlighting the importance of raw material and process control in products intended for vulnerable populations.

    Overall, the results obtained in this Doctoral Thesis provide significant advances both at methodological and applied levels. From an analytical perspective, innovative tools combining miniaturization, sustainability, and high performance have been developed, contributing to the advancement of food analytical chemistry in line with GAC. From an applied perspective, the results provide relevant information on the presence, transformation, and exposure to GAs in commonly consumed and scarcely studied food matrices, including scenarios of particular interest such as snacks and infant foods. Furthermore, the potential valorization of by-products such as potato peel is highlighted for the extraction of GAs and their application in the preparation of functional and nutraceutical foods under conditions ensuring food safety.

    In this framework, the research aligns with the United Nations 2030 Agenda for Sustainable Development, contributing transversally to several Sustainable Development Goals (SDGs). This alignment is reflected in contributions to improving food safety and public health protection (SDG 3: Good Health and Well-being), strengthening the quality and availability of staple foods (SDG 2: Zero Hunger), promoting more efficient and responsible production models through agro-industrial by-product valorization (SDG 12: Responsible Consumption and Production), fostering innovative analytical methodologies based on miniaturization and instrumental efficiency (SDG 9: Industry, Innovation and Infrastructure), and reducing the environmental impact associated with analytical processes through the application of GAC principles (SDG 13: Climate Action).

    Therefore, this research contributes in an integrated manner to the knowledge of GAs in the food domain, providing a solid scientific basis for improved quality control, risk assessment, and the development of sustainable resource utilisation strategies, in line with current challenges in food systems and the principles of bioeconomy and GAC.