Elemental metabolomics: development of elemental fingerprinting for food authentication

Abstract

The aim of this dissertation was to study the use of elemental metabolomics for food authentication. The dissertation points out opportunities using beyond trace elements, rare earth elements as authenticity markers. The authenticity of food is a rapidly growing field, mainly due to consumer concerns and awareness of food quality and safety. Of particular importance is the declaration of specific quality features in high value products. Therefore, there is a need for new methodologies for the analysis of value-added products. Thus, analytical chemists, based on their knowledge of techniques and methodologies, lead the research of the authenticity of food. The theoretical part presents the research trends of the sector, highlighting the prospects of the analytical techniques in the field together with the most common applications each has in the field. In addition, a detailed explanation is given as to why elemental fingerprints, and in particular rare earth elements, are reliable indicators of authenticity, especially for the identification of geographical origin. The experimental part is divided into four main parts: a) identification of the geographical origin of PDO Fava Santorinis, b) study of the effect of seasonal variation on the elemental fingerprint of Fava Santorinis, c) study of the effect of the bioavailability of trace and rare earth elements on the authenticity of Fava Santorinis and d) authenticity of honey by means of elemental fingerprinting and synchronous fluorescence spectroscopy. Elemental profiles were obtained using the inductively coupled plasma mass spectrometry technique (ICP-MS).As far as the identification of the geographic origin of Fava Santorinis is concerned, the discrimination of the samples was carried out using multidimensional elemental fingerprints. The fingerprint data were further analyzed by multivariate chemometric techniques, using both rare earth and trace elements separately, as well as creating a hybrid model between the two. Using the hybrid model, 100% success was achieved by dividing the samples by category. In addition, during the study of the effect of the seasonal variation on the authenticity of Fava Santorinis, samples were gathered during the same period from three consecutive harvesting years. After multivariate analysis of the data, it wasobserved that using trace elements, classification up to 100% was achieved of the harvest years. Using rare earth elements, however, the separation was impossible, which is based on the logic of the fact that the distribution profile of rare earths is based on the morphology of the geological area rather than the seasonal variation. In the study of the effect of bioavailability of the elements on the authenticity of Fava Santorinis, complete digestion and mild extractions were performed on soil samples from the respective fields of Fava samples. It was observed that the bioavailability of rare earth elements followed the same pattern regardless of the origin of the soil, so their composition in the plant reflects the geology of the origin. Finally, in the study of honey authentication, samples from Greece and Poland were analyzed using their elemental fingerprint and they were separated according to their geographic origin, botanical type and production process (organic or conventional). Separation was accomplished using multivariate chemometric techniques combining data from rare earth and trace elements. The discrimination of botanical type and geographical origin was successful with most methods, as opposed to the production process, which was provoked by the large variety of samples. The same samples were also analyzed with synchronous fluorescence spectroscopy, in which data obtained using the same chemometric techniques. The results were also satisfactory, since successful discrimination was achieved in most cases.

Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να μελετηθεί η χρήση της στοιχειακής μεταβολομικής στην αυθεντικότητα των τροφίμων. Η διατριβή αναδεικνύει τις σπάνιες γαίες και τα ιχνοστοιχεία ως δείκτες αυθεντικότητος. Η αυθεντικότητα των τροφίμων είναι ένα ραγδαίως ανερχόμενο πεδίο, κυρίως λόγω της ανησυχίας και ευαισθητοποίησης των καταναλωτών σχετικά με την ποιότητα και ασφάλεια των τροφίμων. Ιδιαίτερης σημασίας είναι η δήλωση συγκεκριμένων χαρακτηριστικών ποιότητας σε προϊόντα υψηλής αξίας. Ως εκ τούτου, υπάρχει ανάγκη για νέες μεθοδολογίες ανάλυσης σε προϊόντα προστιθέμενης αξίας. Έτσι, οι αναλυτικοί χημικοί, με βάση τις γνώσεις τους σχετικά με τις τεχνικές και μεθοδολογίες, οδηγούν την έρευνα της αυθεντικότητας των τροφίμων. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζονται οι ερευνητικές τάσεις του τομέα, υπογραμμίζοντας τις προοπτικές των αναλυτικών τεχνικών στο τομέα μαζί με τις συνηθέστερες εφαρμογές που έχει η κάθε μία στο πεδίο. Ακόμη, δίνεται αναλυτική εξήγηση στο γιατί τα στοιχειακά αποτυπώματα, και ιδιαίτερα οι σπάνιες γαίες, αποτελούν αξιόπιστους δείκτες αυθεντικότητας, ειδικά μάλιστα για τον προσδιορισμό της γεωγραφικής προέλευσης. Το πειραματικό μέρος χωρίζεται σε τέσσερα κύρια μέρη: α) προσδιορισμός της γεωγραφικής προέλευσης ΠΟΠ Φάβας Σαντορίνης, β) μελέτη της επίδρασης της εποχιακής διακύμανσης στο στοιχειακό αποτύπωμα της Φάβας Σαντορίνης, γ) μελέτη της επίδρασης της βιοδιαθεσιμότητας των ιχνοστοιχείων και σπανίων γαιών στην αυθεντικότητα της Φάβας Σαντορίνης και δ) αυθεντικότητα μελιού μέσω στοιχειακών αποτυπωμάτων και φθορισμομετρίας σύγχρονης σάρωσης. Τα στοιχειακά προφίλ ελήφθησαν με τη χρήση της τεχνικής φασματομετρίας μαζών - επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP-MS). Όσον αφορά τον προσδιορισμό της γεωγραφικής προέλευσης της Φάβας Σαντορίνης, η διάκριση των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας πολυδιάστατα στοιχειακά αποτυπώματα. Τα δεδομένα των αποτυπωμάτων αναλύθηκαν περαιτέρω με πολυπαραμετρικές χημειομετρικές τεχνικές, χρησιμοποιώντας τόσο τις σπάνιες γαίες και τα ιχνοστοιχεία ξεχωριστά, όσο και δημιουργώντας ένα υβριδικό μοντέλο μεταξύ των δύο. Χρησιμοποιώντας το υβριδικό μοντέλο επετεύχθη διαχωρισμός των δειγμάτων ανά κατηγορία με επιτυχία 100%. Επιπλέον, κατά τη μελέτη της επίδρασης της εποχιακής διακύμανσης στην αυθεντικότητα της Φάβας Σαντορίνης, λήφθηκαν δείγματα την ίδια περίοδο από τρείς διαφορετικές χρονιές. Μετά από πολυπαραμετρική ανάλυση των δεδομένων παρατηρήθηκε ότι χρησιμοποιώντας τα ιχνοστοιχεία επετεύχθη έως και 100% διαχωρισμός των ετών συγκομιδής. Χρησιμοποιώντας όμως τις σπάνιες γαίες ο διαχωρισμός ήταν αδύνατος, κάτι το οποίο εξηγείτε μάλλον διότι το προφίλ κατανομής των σπανίων γαιών βασίζεται στην μορφολογία της γεωλογικής περιοχής και όχι τόσο στην εποχιακή διακύμανση. Κατά τη μελέτη της επίδρασης της βιοδιαθεσιμότητας των στοιχείων στην αυθεντικότητα της Φάβας Σαντορίνης, πραγματοποιήθηκε ολική χώνευση και ήπιες εκχυλίσεις σε δείγματα χωμάτων από τα αντίστοιχα πεδία των δειγμάτων Φάβας. Παρατηρήθηκε ότι η βιοδιαθεσιμότητα των σπανίων γαιών ακολουθούσε το ίδιο πρότυπο ανεξαρτήτως προέλευσης του χώματος, οπότε η σύσταση τους στο φυτό και στον καρπό αντικατοπτρίζει και τη γεωλογία του μέρους προέλευσης. Τέλος, στη μελέτη της αυθεντικότητας μελιού, αναλύθηκαν δείγματα από Ελλάδα και Πολωνία και χρησιμοποιώντας το στοιχειακό τους αποτύπωμα έγινε διαχωρισμός τους ανάλογα τη γεωγραφική τους προέλευση, τον βοτανικό τους τύπο ενώ δεν έγινε δυνατή η διάκριση της μεθόδου παραγωγής (συμβατική ή βιολογική). Ο διαχωρισμός επετεύχθη με τη χρήση πολυπαραμετρικών χημειομετρικών τεχνικών χρησιμοποιώντας δεδομένα από τις σπάνιες γαίες αλλά και τα ιχνοστοιχεία. Ο διαχωρισμός του βοτανικού τύπου αλλά και της γεωγραφικής προέλευση ήταν επιτυχής με τις περισσότερες μεθόδους, σε αντίθεση με τη μέθοδο παραγωγής. Επίσης τα ίδια δείγματα αναλύθηκαν και σε φθορισμόμετρο σύγχρονης σάρωσης, στα οποία δεδομένα που ελήφθησαν χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες χημειομετρικές τεχνικές ανάλυσης. Τα αποτελέσματα ήταν επίσης ικανοποιητικά, αφού επετεύχθη επιτυχής κατηγοριοποίηση στις περισσότερες περιπτώσεις.