Application of metabolomic profiling and fingerprinting approaches to food fraud cases

Abstract

[eng] Food fraud is an intentional and misleading act in food that generally does not comply with food law and is motivated by economic gain. It encompasses several fraudulent practices such as deception during manufacture, diversion into illicit supply chains, interventions with the food product, or misrepresentation. In this context, the coming to light of the horse meat scandal at the beginning of 2013 highlighted the shortcomings of the European system against food fraud, increasing concern and interest among European citizens and administrative bodies.

Under these circumstances, in recent years, omics tools —comprising genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics, and elementomics/isotopollomics— have been applied to solve food fraud issues, along with biostatistics and chemometrics. In most cases, their application has relied on profiling (focusing on determining targeted secondary chemical markers) or fingerprinting approaches (based on the unspecific detection of instrumental responses without assuming any previous knowledge about the sample composition), overcoming the traditional targeted analysis. In particular, since a food product’s metabolome varies according to its biological nature and several external conditions (i.e., either from a natural or anthropogenic origin), metabolomics has shown excellent potential to assess several issues related to its authenticity and quality.

Therefore, in this thesis, several metabolomic profiling and fingerprinting approaches were developed to address different food fraud cases. In this line, liquid chromatography coupled to low- or high-resolution mass spectrometry (LC–LRMS, LC–HRMS) was proposed for the targeted approaches. In contrast, non-targeted methods were based on liquid chromatography with ultraviolet detection (LC-UV) or fluorescence detection (LC-FLD), LC–HRMS, or direct mass spectrometry (MS)-based techniques. Furthermore, non-supervised and supervised chemometric techniques allowed sample assignation and classification. As a result, the proposed analytical methodologies were successfully applied to several food products —including paprika, nuts and seeds, hen eggs, vegetable oils, and red wine— guaranteeing their classification and authentication regarding the geographical origin, botanical origin, production system, or quality category.

[cat] El frau alimentari és un acte intencionat i enganyós produït en els aliments que, generalment, no compleix amb la legislació alimentària i que està motivat per un benefici econòmic. La sortida a la llum de l’escàndol de la carn de cavall a principis del 2013 va posar de manifest les mancances del sistema europeu contra el frau alimentari, augmentant la preocupació i l’interès entre els ciutadans i els organismes administratius europeus. En aquestes circumstàncies, en els darrers anys, s’han aplicat eines òmiques —que inclouen la genòmica, la transcriptòmica, la proteòmica, la metabolòmica i l’elementòmica/isotopol·lòmica— per resoldre qüestions relacionades amb el frau alimentari, juntament amb bioestadística i quimiometria. En la majoria dels casos, la seva aplicació s’ha efectuat mitjançant estratègies basades en perfils (centrant-se en la determinació dirigida de marcadors químics secundaris) o empremtes dactilars (basades en la detecció inespecífica de respostes instrumental sense assumir cap coneixement previ sobre la composició de la mostra), superant l’anàlisi dirigida tradicional. En concret, com que el metaboloma d’un producte alimentari varia segons la seva naturalesa biològica i un seguit de condicions externes (siguin d’origen natural o antropogènic), la metabolòmica ha demostrat un excel·lent potencial per avaluar diverses qüestions relacionades amb la seva autenticitat i qualitat. En aquesta tesi, es van desenvolupar diverses estratègies de perfils i empremtes dactilars metabolòmiques per abordar alguns casos de frau alimentari. Així, es va proposar la cromatografia líquida acoblada a l’espectrometria de masses de baixa o alta resolució (LC–LRMS, LC–HRMS) per als enfocaments dirigits. En canvi, els mètodes no dirigits es van basar en la cromatografia líquida amb detecció ultraviolada (LC-UV) o fluorescent (LC-FLD), LC–HRMS o tècniques basades en l’espectrometria de masses (MS) directa. A més, tècniques quimiomètriques no supervisades i supervisades van permetre l’assignació i classificació de les mostres. Com a resultat, les metodologies analítiques proposades es van aplicar amb èxit a diferents productes alimentaris —incloent el pebre vermell, fruits secs i llavors, ous de gallina, olis vegetals i vi negre— garantint-ne la classificació i autenticació pel que fa a l’origen geogràfic, l’origen botànic, el sistema de producció o la categoria de qualitat.