Study and evaluation of key factors in food and environment for human health concerns

This thesis, developed in collaboration with the Key Laboratory of Natural Resources of the Changbai Mountain and Functional Molecules - Yanbian University Ministry of Education (Yanji City, Jilin) and the BonassisaLab srl analysis centre (Foggia, Italy), is focused on the development and optimization of analytical methods suitable for the identification and quantification in food and environmental matrices of emerging contaminants. A compound can be defined as an emerging contaminant if: it has appeared only recently thanks to the development of new analytical and investigation methodologies; the toxicity mechanisms are not fully understood; it is under legislative revisions to include new information not previously taken into account. Emerging contaminants are considered a fashionable research topic to the present day and most of them give a challenge for laboratories and regulatory agencies. Furthermore, the potential risks for human health related to their intake and/or exposure have led to deeper interest by consumer organizations and producers and are leading to the approval of more restrictive laws about their determination and quantification. Then, the studies are currently focused on: a) classification of new emerging contaminants, unknown compounds or molecules for which their toxicity has been proven; b) research on contaminants already known for which the effects on ecosystems have not been fully studied and understood; c) study of emerging issues related to known contaminants, for a better understanding of the risks related to them considering the environment and human health. In this research project, the development and optimization of analytical methods for the determination of some emerging contaminants in food and environmental matrices coupling liquid and gas chromatography with mass spectrometry were described. Five novel analytical methods for the determination and quantification of pyrethroids (PYRs) in animal-origin products (1), polychlorinated biphenyls (PCBs) in egg (2) and milk samples (3), matrine and oxymatrine (MT, OMT) in vegetables (4) and benzene derivatives (BDs) in sea-water (5) were developed. The first work mentioned deals with the determination of six PYRs (phenothrin, permethrin, cyfluthrin, cypermethrin, deltamethrin, fenvalerate) in egg and meat samples by a sensitive and reproducible screening analytical method based on gas chromatography and electron capture detection (GC-ECD). A fast cleanup procedure based on solid-phase extraction was used. An efficient separation was obtained with a total analysis time of less than 60 min, including the extraction-purification steps. Good responses for the six pyrethroids were obtained in a range of 50−500 μg L−1, with linear coefficients higher than 0.9992. Instrumental limits of detection were between 0.22 and 0.63 μg L−1, corresponding to 0.04 and 0.13 μg kg−1 in the matrix. Detection limits in chicken eggs and various meat samples, calculated on spiked samples, were in the range of 0.05−0.25 μg kg−1 and 0.07−0.23 μg kg−1, respectively. The validation results confirmed that the proposed GC-ECD method can be used as a reliable screening tool for the determination of pyrethroids in official check analyses. The method was extensively validated following the European directives, demonstrating its conformity in terms of selectivity, sensitivity, recovery, precision, and measurement uncertainty. The second work was about a sensitive and reproducible screening analytical method for the determination of six non-dioxin-like polychlorinated biphenyls (NDL-PCBs, congener 28, 52, 101, 138, 153, 180) in chicken eggs based on accelerated solvent extraction (ASE) procedure for the fat extraction and determination, a solid-phase extraction (SPE) sample clean-up process, and a gas chromatography – electron capture detection (GC-ECD) analysis. The optimized chromatographic separation, in less than 25 min, returned good responses for the six NDL-PCBs in the range of 2.5–60.0 μg L−1, with correlation coefficients always higher than 0.9995. Instrumental limits of detection were between 0.08–0.35 μg L−1, corresponding to 0.05 and 0.23 ng g−1 fat in the matrix, while method detection limits, calculated on spiked egg samples, ranged from 1.6 to 3.5 ng g−1 fat. The method has been extensively validated in terms of selectivity, sensitivity, recovery, precision, ruggedness, and measurement uncertainty, following the European Directives. In the third work, the study regarded the determination of the six NDL-PCBs in milk samples by GC-ECD and mass spectrometry, following a multivariate optimization process of the sample extraction procedure by Box-Behnken design through the global desirability function. Three factors were involved in refining the extraction conditions: the acetone percentage in the extraction mixture, the sample/solvent ratio, and the extraction time. The three-factor design required 26 experiments that were carried out in duplicate and in a randomized order to minimize the bias effects of uncontrolled variables. The optimized factors (acetone percentage: 30%; sample-to-solvent ratio: 0.11 g mL-1; extraction time: 45 min) ensured a low solvent consumption and a reduced extraction time, allowing a rapid and simultaneous preparation of multiple sample extracts. The method was validated according to the European directives through the evaluation of linearity, selectivity, LOD, LOQ, recovery, precision, and ruggedness. The fourth work consisted of the development of a rapid LC/tandem MS method for the quantitative determination of matrine-based biopesticides for the analysis of fruit and vegetable samples. A simple extraction process by acidified methanol was selected, ensuring reduced solvent consumption and time, and allowing a simultaneous preparation of multiple sample extracts. Excellent chromatographic results were obtained in terms of peak shape and efficiency, in less than 10 min. Method validation was performed according to the European directives through the evaluation of selectivity, linearity, detection and quantification limits, recovery, and precision. Under the optimal extraction and chromatographic conditions, good responses were observed in the range of 5–200 μg L-1, with correlation coefficients higher than 0.9984. Instrumental limits of detection were 0.032 and 0.033 μg L-1 for matrine and oxymatrine, respectively. Detection limits in oranges, apples, fennels, and tomatoes, calculated for matrine and oxymatrine on spiked samples, were in the range 0.13–1.5 μg kg-1 and 0.17-0.30 μg kg-1, respectively. The validated method was then successfully applied to the determination of matrine and oxymatrine in 102 commercially available samples of fruit and vegetables. Finally, the last chapter concerned the Benzene Derivatives (BDs), a class of environmental pollutants whose exposure poses a grave risk to human health. These compounds rapidly diffuse from the atmosphere to the marine ecosystem: for this reason, their monitoring in seawater is every day more compelling. For their determination in seawater at trace levels, nanoconfined liquid phase nano extraction (NLPNE) has been applied to the gas chromatography coupled with mass spectrometry analyses (GC/MS). Ex-situ and in-situ NLPNE procedures have been developed and optimized in terms of extraction capabilities, analysis time, precision, and accuracy. Compared to the traditional extraction procedures, based on solid-phase microextraction (SPME) and liquid-liquid extraction (LLE), the proposed NLPNE methods allowed rapid on-site analysis of benzene compounds with low solvent consumption, higher enrichment factors, and improved automation grade. Determination coefficients ranging from 0.9929 to 0.9997 were obtained for all BDs in the range 0.10–500 ng mL-1 and 5.00–500 ng mL-1, for ex-situ and in-situ NLPNE, respectively. Ex-situ and in-situ limits of detection ranged from 0.2 to 7.6 ng mL-1 and 0.04–1.00 ng mL-1. Our results suggest that NLPNE coupled to GC-MS can be considered a powerful technique for high-throughput analyses of trace compounds in environmental, food, and biological samples.

La presente tesi, sviluppata in collaborazione con il Key Laboratory of Natural Resources of the Changbai Mountain and Functional Molecules - Yanbian University Ministry of Education (Yanji City, Jilin) e il centro di analisi BonassisaLab srl (Foggia, Italia), è incentrata sullo sviluppo e l’ottimizzazione di metodi di analisi adatti alla identificazione e quantificazione di contaminanti emergenti in matrici alimentari e ambientali. Un composto può essere definito contaminante emergente se: è apparso solo recentemente, anche grazie allo sviluppo di nuove metodologie analitiche e di indagine; i meccanismi di tossicità non sono ancora completamente compresi; è oggetto di revisioni legislative che includono nuove informazioni, non prese in considerazione precedentemente. Il loro studio è quindi di elevato interesse per la ricerca, e la determinazione analitica per la maggior parte di tali contaminanti rappresenta una sfida per i laboratori e gli enti governativi. Inoltre, i potenziali rischi per la salute umana a seguito di una loro assunzione e/o esposizione hanno portato ad un maggiore interesse nei loro confronti anche da parte delle organizzazioni dei consumatori e dei produttori e, conseguentemente, alla approvazione di leggi sempre più restrittive per la loro determinazione e quantificazione. Gli studi in questo settore sono attualmente incentrati su: a) classificazione di nuovi contaminanti emergenti, composti o molecole non noti per i quali è stata comprovata la loro tossicità; b) ricerche su contaminanti già noti per i quali gli effetti sugli ecosistemi non sono stati pienamente studiati e compresi; c) studio di problemi emergenti relativi a contaminanti noti, per una migliore comprensione dei rischi ad essi correlati dal punto di vista ambientale e per la salute umana. Il presente progetto di dottorato si innesta in questa tematica di ricerca ed è consistito nello sviluppo e l’ottimizzazione di metodi analitici per la determinazione di alcuni contaminanti emergenti in matrici alimentari ed ambientali mediante tecniche cromatografiche (GC, LC) abbinate a spettrometria di massa (MS). Nello specifico, cinque metodi analitici innovativi sono stati proposti per la determinazione dei piretroidi (PYR) in prodotti di origine animale (1), policlorobifenili (PCB) in campioni di uova (2) e latte (3), matrina e ossimatrina (MT, OMT ) in prodotti di origine vegetale (4) e derivati del benzene (BD) in campioni di acqua marina (5). Il primo lavoro menzionato ha riguardato la determinazione di sei PYRs (fenotrina, permetrina, ciflutrin, cipermetrina, deltametrina, fenvalerato) in campioni di uova e carne utilizzando un metodo analitico di screening sensibile e riproducibile mediante gascromatografia e rivelazione a cattura di elettroni (GC-ECD). Per la fase di preparazione del campione, è stata ottimizzata una procedura di purificazione basata sull'estrazione in fase solida (SPE); è stata ottenuta una separazione efficiente con un tempo di analisi totale inferiore a 60 minuti, comprendendo tutte le fasi analitiche dalla estrazione-purificazione fino alla determinazione cromatografica. Il metodo è stato ampiamente validato seguendo le direttive europee, dimostrandone la conformità in termini di selettività, sensibilità, recupero, precisione e incertezza di misura. Sono stati ottenuti ottimi risultati in termini di linearità in un intervallo di concentrazione compreso tra 50 e 500 μg L-1, con coefficienti lineari superiori a 0.9992. I limiti strumentali di rivelabilità sono risultati compresi tra 0.22 e 0.63 μg L-1, corrispondenti a 0.04 e 0.13 μg kg-1 in matrice. I limiti di rivelabilità nelle uova di gallina e in vari campioni di carne, calcolati su campioni additivati a concentrazioni note di piretroidi, sono rispettivamente compresi nell'intervallo di 0.05 e 0.25 μg kg-1 e 0.07 e 0.23 μg kg-1. I risultati della validazione analitica hanno confermato che il metodo proposto può essere utilizzato in modo affidabile per la determinazione dei piretroidi nelle analisi di controllo ufficiali. Il secondo lavoro ha riguardato un metodo analitico di screening, sensibile e riproducibile, per la determinazione e la quantificazione di sei policlorobifenili non diossino-simili (NDL-PCB, congeneri 28, 52, 101, 138, 153, 180) in uova di gallina basato sull'estrazione accelerata con solvente (ASE) per la determinazione della quantità di grasso da sottoporre ad un processo di purificazione tramite estrazione in fase solida (SPE) con analisi gascromatografica accoppiata ad una rivelatore a cattura di elettroni (GC-ECD). La separazione cromatografica ottimizzata, della durata inferiore ai 25 min, garantisce buone risposte strumentali per i sei NDL-PCB nell'intervallo tra 2.5 e 60.0 μg L-1, con coefficienti di correlazione sempre superiori a 0.9995. I limiti strumentali di rivelabilità sono risultati compresi tra 0.08 e 0.35 μg L-1, corrispondenti a 0.05 e 0.23 ng g-1 di grasso nella matrice, mentre i limiti di rivelabilità del metodo, calcolati su campioni di uova fortificate con concentrazioni note di analita, variano da 1.6 a 3.5 ng g-1 di grasso. Infine, il metodo è stato ampiamente validato in termini di selettività, sensibilità, recupero, precisione, robustezza e incertezza di misura, seguendo le linee guida europee. Nel terzo lavoro, lo studio ha riguardato la determinazione dei sei NDL-PCB analizzati precedentemente in campioni di latte mediante GC-ECD e spettrometria di massa, previa ottimizzazione multivariata della procedura di estrazione del campione attraverso il disegno sperimentale di Box-Behnken (BBD) e la funzione di desiderabilità. Nella definizione delle condizioni di estrazione sono stati considerati tre fattori: la percentuale di acetone nella miscela di estrazione, il rapporto campione/solvente e il tempo di estrazione. Il design a tre fattori ha richiesto 26 esperimenti che sono stati eseguiti in duplicato e in ordine randomizzato per ridurre al minimo gli effetti di distorsione delle variabili non controllate. I fattori ottimizzati (percentuale di acetone: 30%; rapporto campione/solvente: 0.11 g mL-1; tempo di estrazione: 45 min) hanno assicurato un basso consumo di solvente e un tempo di estrazione molto ridotto, consentendo una preparazione rapida e simultanea dei campioni. Il metodo è stato validato secondo le direttive europee attraverso la valutazione della linearità, selettività, LOD, LOQ, recupero, precisione e robustezza. Il quarto lavoro ha riguardato la determinazione quantitativa di biopesticidi a base di matrina in campioni di frutta e verdura tramite cromatografia liquida accoppiata a spettrometira di massa tandem. È stato sviluppato un processo di estrazione molto rapido mediante metanolo acidificato che garantisce tempi e consumi di solvente altamente ridotti e consente la preparazione simultanea di più campioni. Ottimi risultati cromatografici sono stati ottenuti in meno di 10 min. La validazione del metodo è stata eseguita secondo le direttive europee attraverso la valutazione della selettività, della linearità, dei limiti di rivelabilità e quantificazione, di recupero e precisione. Nelle condizioni ottimizzate di estrazione e separazione cromatografica sono state osservate buone risposte nell'intervallo di calibrazione 5-200 μg L-1 ottenendo coefficienti di correlazione superiori a 0.9984. I limiti strumentali di rivelabilità sono rispettivamente pari a 0.032 e 0.033 μg L-1 per la matrina e l'ossimatrina. I limiti di rivelabilità in arance, mele, finocchi e pomodori, calcolati su campioni fortificati con soluzioni standard di matrina e ossimatrina sono compresi rispettivamente nell'intervallo 0.13-1.5 μg kg-1 e 0.17-0.30 μg kg-1. Il metodo, dopo la validazione, è stato applicato con successo alla determinazione di matrina e ossimatrina in 102 campioni di frutta e verdura disponibili in commercio. Infine, l'ultimo capitolo ha riguardato i derivati del benzene (BD), una classe di contaminanti ambientali la cui esposizione rappresenta un grave rischio per la salute umana. Questi composti si diffondono molto rapidamente dall'atmosfera all'ecosistema marino e, per questo motivo, il loro monitoraggio in acqua di mare è molto importante. Per le analisi in traccia di questi composti nei campioni di acqua marina, è stata messa a punto una metodica di nanoestrazione in fase liquida nanoconfinata (NLPNE) abbinata alla determinazione gascromatografica e spettrometria di massa (GC/MS). Le procedure NLPNE ex-situ e in-situ sono state sviluppate e ottimizzate in termini di capacità di estrazione, tempo di analisi, precisione e accuratezza. Rispetto alle tradizionali procedure di estrazione, basate sulla microestrazione in fase solida (SPME) e sull'estrazione liquido-liquido (LLE), i metodi NLPNE qui proposti hanno consentito una rapida analisi in loco dei composti benzenici con basso consumo di solvente, fattori di arricchimento più elevati e con ottimi livelli di automazione. Sono stati ottenuti coefficienti di determinazione compresi tra 0.9929 e 0.9997 per tutti i BD nell'intervallo tra 0.10 e 500 ng mL-1 e 5.00 e 500 ng mL-1, rispettivamente utilizzando la tecnica NLPNE ex situ e in situ. I limiti di rivelabilità ex-situ e in-situ variano da 0.2 a 7.6 ng mL-1 e 0.04-1.00 ng mL-1. I risultati ottenuti suggeriscono che la metodica NLPNE accoppiata a GC-MS può essere considerato una tecnica performante per l’analisi ad alto rendimento di composti in tracce in campioni ambientali, alimentari e biologici.