Development of advanced methodologies based on high resolution mass spectrometry for food of animal origin authenticity characterization

Abstract

The economically motivated replacement of substances with more abundant and cheaper, has led to an imperative need of development of analytical methodologies to reassure food authenticity and safety. Food of animal origin, especially those who are designated as Protected Designation of Origin (PDO), are in the spotlight of such fraudulent practices due to their high nutritional value and their wide consumption. To this aspect, a wide range of regulations has been established to reassure authenticity and protect consumers. However, there is still room for improving the established authenticity approaches. Recently, High Resolution Mass Spectrometry (HMRS) presented to be an emerging analytical technique to address authenticity issues, providing fast, reproducible, and reliable results. Initially, in this thesis, an introduction on food of animal origin omics-based authenticity studies and the established legislative framework are being presented. HRMS methodologies combined with chemometrics are being reported, while a thorough description on the state-of-the-art HRMS analytical techniques is being performed. The experimental section of this thesis is comprised of the following three parts: (i) Exploitation of MALDI-HRMS technology for the development of fast and reliable advanced methodologies for dairy products authenticity investigation (Chapter 3), (ii) RP- & HILIC-HRMS 3D-metabolomics analytical platforms for dairy products authenticity studies (Chapter 4), (iii) Targeted & untargeted 4D-metabolomics in animal muscle tissues authenticity assessment, exploiting RP- & HILIC-HRMS analytical platforms incorporated with Trapped Ion Mobility Mass Spectrometry (LC-TIMS-TOFMS)(Chapter 5).The extensive, in-depth analysis of the HRMS-based analytical approaches, presented through this thesis, provides holistic authenticity assessment workflows, contributing to a better comprehension of the complex analytical landscape in food of animal origin authenticity.

Η οικονομικά υποκινούμενη αντικατάσταση συστατικών των τροφίμων με πιο άφθονες και φθηνότερες, έχει οδηγήσει σε επιτακτική ανάγκη ανάπτυξης αναλυτικών μεθοδολογιών για τη διασφάλιση της αυθεντικότητας τους. Τα τρόφιμα ζωικής προέλευσης, ειδικότερα εκείνα που φέρουν ενδείξεις όπως Προστατευόμενης Ονομασίας Προέλευσης (ΠΟΠ), βρίσκονται στο επίκεντρο τέτοιων δόλιων πρακτικών λόγω της υψηλής διατροφικής τους αξίας και της ευρείας κατανάλωσής τους. Ως προς αυτή την πτυχή, έχει θεσπιστεί ένα ευρύ φάσμα κανονισμών για τη διασφάλιση της αυθεντικότητας και την προστασία των καταναλωτών, ωστόσο, υπάρχει ακόμη περιθώριο για τη βελτίωση των υπαρχουσών μεθοδολογιών. Η Φασματομετρία Μαζών Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας (HMRS) αποτελεί μείζονος σημασίας αναλυτική τεχνική ως προς τη συνεισφορά της σε ζητήματα αυθεντικότητας, παρέχοντας γρήγορα, αναπαραγώγιμα και αξιόπιστα αποτελέσματα.Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται μια εκτενής εισαγωγή στις μελέτες αυθεντικότητας τροφίμων ζωικής προέλευσης με βάση τις ωμικές προσεγγίσεις, καθώς και το αντίστοιχο νομοθετικό πλαίσιο. Περιγράφονται αναλυτικά οι υπάρχουσες HRMS μεθοδολογίες σε συνδυασμό με χημειομετρικά εργαλεία, ενώ παράλληλα γίνεται εκτενής αναφορά στις δυνατότητες των σύγχρονων HRMS τεχνικών. Το πειραματικό μέρος αποτελείται από τα ακόλουθα τρία μέρη: (i) Αξιοποίηση τεχνολογίας MALDI-HRMS για την ανάπτυξη γρήγορων και αξιόπιστων προηγμένων μεθοδολογιών για τη διερεύνηση αυθεντικότητας γαλακτοκομικών προϊόντων (Κεφάλαιο 3), (ii) RP- & HILIC-HRMS αναλυτικές πλατφόρμες 3D-μεταβολομικής για μελέτες αυθεντικότητας γαλακτοκομικών προϊόντων (Κεφάλαιο 4) και (iii) Στοχευμένη και μη στοχευμένη 4D-μεταβολομική για τη διερεύνηση αυθεντικότητας ζωικών μυϊκών ιστών, αξιοποιώντας RP- & HILIC-HRMS αναλυτικές πλατφόρμες ενσωματωμένες με Φασματομετρία Ιοντικής Ευκινησίας (LC-TIMS-TOFMS) (Κεφάλαιο 5).Η αξιοποίηση των HRMS μεθοδολογιών, που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή, δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας ολιστικών προσεγγίσεων τεκμηρίωσης της αυθεντικότητας, συμβάλλοντας στην διαλεύκανση του περίπλοκου αναλυτικού τοπίου, όσον αφορά τα τρόφιμα ζωικής προέλευσης.