Molecular cartography of the metabolome of typical food products of the Basilicata region by using high resolution mass spectrometry

Abstract

I marchi di Designazione di Origine Protetta (DOP) e di Indicazione Geografica Protetta (IGP), insieme a quello relative alle Specialità Tradizionali Garantite (STG), sono strumenti creati dall’Unione Europea (UE) che identificano un prodotto alimentare come originario di una locazione specifica, dove una certa qualità, reputazione e altre caratteristiche specifiche sono essenzialmente attribuibili all’origine geografica. I prodotti alimentari protetti con tali marchi di Indicazione Geografica (GI) si distinguono da altri simili della stessa categoria per il legame unico che hanno con il loro territorio d’origine. Anche se il sistema dei marchi di qualità ha apportato un miglioramento marcato nella protezione dei prodotti alimentari tradizionali, la minaccia di possibili frodi alimentari persiste e alterazioni molto sofisticate degli alimenti rendono necessario l’utilizzo di tecnologie all’avanguardia per la protezione dei prodotti alimentari a marchio. La caratterizzazione dei prodotti alimentari mediante la tecnica della Spettrometria di Massa (MS) è migliorata enormemente durante gli ultimi anni grazie allo sviluppo e alla maggiore disponibilità in operazioni di routine della tecnica di ionizzazione Electrospray (ESI). Tuttavia, è ora chiaro che i prodotti alimentari consistono in matrici complesse e la Spettrometria di Massa ad Alta Risoluzione con sorgente ESI ed analizzatore a Risonanza Ionica Ciclotronica a Trasformata di Fourier (ESI-FT-ICR MS) è attualmente una delle poche tecniche capaci di identificare migliaia di piccole molecole in pochi minuti. In questo lavoro di tesi, è stato effettuato uno screening del profilo fitochimico di alcuni prodotti tradizionali protetti da marchio di qualità della regione Basilicata (Italia) mediante l’utilizzo della tecnica della Spettrometria di Massa ESI-FT-ICR MS. I dati ottenuti dall’analisi di tali matrici alimentari sono stati utilizzati per effettuare una rapida valutazione del relativo profilo metabolico convertendo i valori dei rapporti massa-carica (m/z) accurati in formule chimiche putative. In questo modo, sono state ottenute mappe di formule elementari, o impronte digitali molecolari, costruendo diagrammi di Van Krevelen bidimensionali, grazie al quale è stata possibile un’identificazione diretta delle differenti classi di metaboliti presenti. In questo modo, è stata confermata la presenza di importanti classi di biomolecole, quali tannini, amminoacidi, acidi grassi, carboidrati e polifenoli. Inoltre, sono state osservate differenze tra diagrammi di Van Krevelen relative a matrici alimentari appartenenti alla stessa specie, cosa che riflette differenze tra profili metabolici e supporta la presenza di marcatori molecolari. Dunque, le impronte digitali molecolarisisono dimostrate essere uno strumento innovativo che potrebbe essere decisivo nell’autenticazione e tracciabilità dei prodotti alimentari tradizionali. [a cura dell'Autore]

Protected Designation of Origin (PDO) and Protected Geographical Indication (PGI) are, together with Traditional Speciality Guaranteed (TSG), the instruments created by the European Union (EU) to protect Geographical Indications (GIs) within the European framework as indications which identify a good as originating in a specific location, where a given quality, reputation or other characteristic of the good is essentially attributable to its geographical origin. Food products with a protected geographical status distinguish from other similar products of the same category for the link with the region they originate from. Despite the improvement this quality scheme provided to the protection of unique foodstuff, the threat of food fraud is still present and sophistication of adulteration of food products is making the utilization of the most advanced technologies compulsory for labelled food product protection. Mass spectral characterization of food materials has advanced rapidly in the past few years, mostly due to the development and now routine availability of electrospray ionization (ESI). However, it is now clear that food products exist as complex mixtures and High resolution Electrospray Ionization Fourier transformIon Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (ESI FT-ICR MS) at high magnetic fields is currently a techniques capable of resolving thousands of individual molecules in few minutes. In this work, a Mass Spectrometry-based phytochemical screening was performed on several traditional food products produced in the Basilicata region (Italy) labelled with geographical indication marks of quality. High Resolution ESI-FT-ICR MS data obtained from food sample analyses were used to perform a rapid evaluation of metabolome by converting accurate m/z values in putative elemental formulas. Molecular formula maps, or molecular fingerprints, were obtained by making 2D Van Krevelen plots, that lead to a direct identification of different classes of metabolites. The presence of important metabolite classes, i.e. fatty acid derivatives, tannins, amino acids and peptides, carbohydrates and polyphenolic derivatives, was assessed. Moreover, differences among Van Krevelen plots could be noticed from their direct comparison, thus reflecting differences in promoted biochemical pathways and suggesting the presence of biomarkers, that can eventually be identified by a target approach. Thus, molecular fingerprints prove to be an innovative tool that could be useful for food authentication and traceability. [edited by Author]