Metodologías de espectrometría de masas de alta resolución en el campo de la química de los alimentos

Abstract

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 mānuka. 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 mānuka, 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.