Development of photonics based methodologies for the assessment of agricultural products and environmental pollutants

Abstract

Quality control and safety of agrifood products are of high importance due to their high commercial and nutritional value, these products are prone to fraud. In addition, due to poor collection and management practices, there is a possibility of contamination with various pollutants. Often, in these products pollutants are detected that threaten the health of consumers and thus make it making the products unsafe. The detection of adulterants and contaminants in agrifood is carried out using modern analytical techniques which are accurate but expensive, time-consuming and performed in specialised analytical laboratories. As it has been established in recent years, the application of spectroscopic methods is an alternative approach to the study of agrifood products with significant applications and potential in the quality control and safety of foods. Optical spectroscopic techniques can provide information on the chemical composition and require no or minimal pretreatment of the samples. These methods are rapid, environmentally friendly, and have a low analysis cost. Combining optical spectroscopic methods with multivariate statistical techniques leads to methodologies with great potential in the authenticity and quality control of agri-food products. They provide useful information about the origin (e.g. geographical, botanical), quality, and the detection of adulteration, as well as the detection of various contaminants in agrifood products. The aim of this doctoral thesis is the development and application of photonics methodologies in olive oil and honey products. Specifically, in honey, a systematic study was carried out for the first time on a large number of samples and with different optical spectroscopic techniques to distinguish the botanical origin and to predict physicochemical parameters such as sugars, electrical conductivity, moisture, and HMF. A systematic study was also carried out on olive oil to determine its variety and predict its chemical composition in terms of fatty acids (saturated, monounsaturated, polyunsaturated), sterols and polyphenolic content. In addition, the detection of contaminants (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, mineral oils) in olive oil was achieved for the first time with a fast and low-cost optical spectroscopy methodology. The work was carried out at the Laboratory of Photonics Applications for Agrofood and Environment of the Institute of Electronic Structure and Laser of FORTH. This thesis's primary goal is to develop appropriate methods based on photonics that could be applied to food products, providing a fast and low-cost alternative methodology to control these products' origin, safety and quality. Implementing and developing optical spectroscopic methods will be a valuable analytical tool for all those involved in producing, standardising, and distributing food products.

Ο ποιοτικός έλεγχος και η ασφάλεια των προϊόντων αγροδιατροφής είναι υψίστης σημασίας εξαιτίας της υψηλής εμπορικής και διατροφικής αξίας τους, είναι ευάλωτα σε προσπάθειες νοθείας. Επίσης, ως αποτέλεσμα κακών πρακτικών συλλογής και διαχείρισης των προϊόντων υπάρχει η περίπτωση επιμόλυνσης τους με διάφορους επιμολυντές. Συχνά, στα προϊόντα αυτά ανιχνεύονται ουσίες που απειλούν την υγεία των καταναλωτών και καθιστούν έτσι τα προϊόντα ανασφαλή. Η ανίχνευση νοθευτών και επιμολυντών στα τρόφιμα πραγματοποιείται με σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές οι οποίες είναι ακριβείς αλλά έχουν μεγάλο κόστος, είναι χρονοβόρες και διεξάγονται σε εξειδικευμένα αναλυτικά εργαστήρια. Όπως έχει διαπιστωθεί τα τελευταία χρόνια, η εφαρμογή φασματοσκοπικών μεθόδων αποτελεί μια εναλλακτική προσέγγιση στη μελέτη προϊόντων αγροδιατροφής με σημαντικές εφαρμογές και δυνατότητες στον έλεγχο της ποιότητας και ασφάλειας των τροφίμων. Οι οπτικές αναλύσεις δίνουν πληροφορίες για τη χημική σύσταση των δειγμάτων και απαιτούν ελάχιστη ως καθόλου προεπεξεργασία του δείγματος. Επιπλέον χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος ανάλυσης, είναι ταχείς, και περιβαλλοντικά φιλικές. Ο συνδυασμός αυτών των τεχνικών με μεθόδους πολυπαραγοντικής στατιστικής ανάλυσης οδηγεί σε μεθοδολογίες με πολλές δυνατότητες στον έλεγχο αυθεντικότητας και ποιότητας προϊόντων αγροδιατροφής. Μέσω αυτών εξάγονται χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την προέλευση (π.χ. γεωγραφική, βοτανική), την ποιότητα και την ανίχνευση νοθείας, καθώς και την ανίχνευση διαφόρων επιμολυντών στα προϊόντα αγροδιατροφής. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μεθοδολογιών φωτονικής σε προϊόντα ελαιολάδου και μελιού. Συγκεκριμένα, στο μέλι πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά μια συστηματική μελέτη σε μεγάλο αριθμό δειγμάτων και με διαφορετικές τεχνικές οπτικής φασματοσκοπίας για την διάκριση της βοτανικής προέλευσης και την πρόβλεψη φυσικοχημικών παραμέτρων όπως σάκχαρα, ηλεκτρική αγωγιμότητα, υγρασία, HMF. Επίσης, συστηματική μελέτη πραγματοποιήθηκε και στο ελαιόλαδο με σκοπό την εξακρίβωση της ποικιλίας του και την πρόβλεψη της χημικής του σύστασης ως προς τα λιπαρά οξέα (κορεσμένα, μονοακόρεστα, πολυακόρεστα), στερόλες και πολυφαινόλες. Επιπλέον, επιτεύχθηκε η ανίχνευση επιμολυντών (Πολυκυκλικοί Αρωματικοί Υδρογονάνθρακες, ορυκτέλαια) σε ελαιόλαδο, για πρώτη φορά με μια γρήγορη και χαμηλού κόστους μεθοδολογία οπτικής φασματοσκοπίας. Η εργασία περατώθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμογών Φωτονικής για την Αγροδιατροφή και το Περιβάλλον του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ. Απώτερος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη κατάλληλων μεθόδων βασισμένων στη φωτονική, με δυνατότητα εφαρμογής τους στο πεδίο των τροφίμων, παρέχοντας μία γρήγορη και χαμηλού κόστους εναλλακτική μεθοδολογία για έλεγχο ταυτότητας, ποιότητας και ασφάλειας. Η εφαρμογή και ανάπτυξη οπτικών φασματοσκοπικών μεθόδων θα αποτελέσει ένα πολύτιμο αναλυτικό εργαλείο για όλους εκείνους που εμπλέκονται στην αλυσίδα παραγωγής, τυποποίησης και διανομής προϊόντων διατροφής.