Integrità del grano: nuove prospettive riguardo sicurezza, qualità e autenticità attraverso tecniche analitiche avanzate.

Abstract

Il grano (Triticum spp.) è un cereale la cui coltivazione, originaria della Mesopotamia, si è diffusa in tutto il mondo. Nel 2013, la sua produzione mondiale è stata di 713 milioni di tonnellate, rendendolo il terzo cereale prodotto dopo mais e riso. In termini di utilizzo, rimane la seconda coltivazione ad uso umano dopo il riso e la prima fonte di proteine vegetali nella dieta umana. Purtroppo la sua coltivazione è soggetta ovunque a patologie di campo, che portano ad importanti conseguenze in termini di sicurezza e approvvigionamento di materie prime. Tra i funghi patogeni, quelli del genere Fusarium sono responsabili dello sviluppo della principale patologia del grano, la fusariosi della spiga, e dell’accumulo di micotossine. Oltre alle possibili implicazioni tossicologiche, l’incidenza di fusariosi influenza sia gli aspetti quantitativi che qualitativi della produzione del grano, portando inoltre ad enormi perdite economiche. In questo quadro, di grande importanza sono gli aspetti relativi all’autenticità, in quanto la sostituzione di un ingrediente con uno simile o più economico può verificarsi e incidere direttamente sulla qualità e sulla sicurezza del prodotto finito, dimostrando come qualità, sicurezza e autenticità siano aspetti fortemente legati l’uno all'altro, contribuendo insieme alla valutazione dell'integrità del grano. Esistono ad oggi diversi metodi per valutare la conformità di un alimento in termini di sicurezza, qualità e autenticità. Queste tecniche analitiche, per lo più targeted, prevedono l'analisi di uno o un numero ristretto di composti (micotossine, proteine, DNA, ecc) da una miscela complessa. Tuttavia, un requisito necessario per applicare l'approccio targeted è conoscere l'identità del composto prima che possa essere rilevato, escludendo la sua applicazione per l'analisi dei composti sconosciuti. Considerando però le crescenti esigenze da parte delle autorità normative per il controllo della sicurezza alimentare e della qualità, lo sviluppo di metodologie analitiche innovative e complementari untargeted, è altamente raccomandabile. La ricerca moderna nel campo della scienza alimentare si sta infatti spostando da metodologie classiche a strategie analitiche avanzate in cui le tecniche di spettrometria di massa svolgono un ruolo cruciale. Principale scopo del progetto di dottorato è stato quello di fornire risultati concreti circa il potenziale di queste nuove tecniche basate sulla spettrometria di massa per garantire la sicurezza, la qualità e l'autenticità del grano. La presente tesi di dottorato è organizzata in tre sezioni principali. La prima sezione è dedicata allo studio della sicurezza del grano, mediante l'applicazione di due approcci analitici che rappresentano ad oggi le due alternative più diffuse. In primis è stato sviluppato un metodo immunoenzimatico ELISA per lo screening rapido multi-analita. In secondo luogo, la potenzialità della spettrometria di massa ad alta risoluzione è stata esplorata ed applicata allo studio di tre diverse problematiche legate alla sicurezza alimentare. La seconda sezione riguarda lo studio della qualità di diverse varietà di grano antiche e moderne, prestando particolare attenzione al loro profilo lipidico. L'ultima sezione riporta lo sviluppo di un approccio metabolomico untargeted per studiare le differenze nel profilo lipidico di varietà di grano tenero e duro al fine di rilevarne l’autenticità. I risultati ottenuti durante la presente tesi hanno evidenziato e confermato il potenziale di queste tecniche analitiche emergenti di dare risposte a problemi rilevanti nella scienza degli alimenti, riuscendo a valutare, nello specifico, sicurezza, qualità e autenticità del grano.

Wheat (Triticum spp.) is a cereal grain originally from the Levant region but now cultivated worldwide. In 2013, world production of wheat was 713 million tons, making it the third most-produced cereal after maize and rice. However, in terms of use, it is the second human food crop after rice, and the first source of vegetal proteins in human diet. However, wheat cultivation is affected worldwide from pathogenic diseases, leading to serious issues in terms of safety and security. Among fungal pathogens, those of the Fusarium genera may cause the so-called Fusarium Head Blight (FHB), the most serious disease in wheat, with subsequent accumulation of mycotoxins. Besides possible toxicological implications, FHB incidence strongly affects both quantitative and qualitative aspects of wheat production, potentially leading to enormous economic losses. In this frame, the concept of authenticity have to be taken into account, since the substitution of one ingredient by a similar or cheaper one may occur and have a direct implication for both quality and safety, demonstrating that quality, safety and authenticity are strongly linked one to each other, contributing together to the assessment of the wheat integrity. Note that hundreds of different wheat varieties, having different characteristics and thus prices, are available, and therefore, wheat adulteration represents a critical issue to be aware of. Nowadays, there are many targeted techniques for the evaluation of food compliance in terms of safety, quality, and authenticity. These analytical strategies involve the analysis of one or a small number of compounds (pesticides, mycotoxins, proteins, DNA, etc.) from a complex mixture. Nevertheless, a major requirement to effectively apply the targeted approach, is to know the identity of the compound before it can be detected, excluding its application to the analysis of unknown compounds. Considering that limitation and the increasing requirements from regulatory authorities, the development of novel and complementary untargeted analytical methodologies is highly advisable. Modern research in food science is, indeed, moving on from classical methodologies to advanced analytical strategies, in which high throughput MS-based techniques play a crucial role. In this context, foodomics has been recently defined as a new discipline that studies food domains through the application of advanced omics technologies, in which MS techniques are considered indispensable. The main of the present doctoral project was to provide concrete outputs about the potential of these new high throughput MS-based techniques for assuring wheat safety, quality and authenticity of wheat. This Ph.D. thesis was organized in three main sections. The first section was devoted to study wheat safety, by applying two analytical approaches that have become increasingly prevalent. First, the application of rapid multi-analyte screening methods, such as ELISA, was investigated. Secondly, the development of highly sophisticated multi-analyte methods based on liquid chromatography coupled with high resolution mass spectrometry was explored. The second section was dedicated to the investigation of wheat species and their quality, focusing on the lipid profile of modern and ancient wheat varieties. Throughout the last section, untargeted metabolomics approach was used to differentiate between common and durum wheat with an authenticity purpose. The results obtained highlighted the power of emerging analytical techniques as a valuable approach to gain new insight and successfully assess wheat safety, quality and traceability.