Innovative analytical strategies for food safety: biorecognition platforms and emerging mass spectrometry-based techniques

The present PhD Thesis explores innovative analytical methods for the detection of hidden allergens from food or food related samples. Hidden allergens in food pose a significant food safety concern, leading to a wide range of hypersensitivity reactions in adult and child consumers. When food allergens, commonly proteins or glicoproteins, are deliberately added to food but not declared on product labels or are present unintentionally due to cross contamination, they become hidden allergens. Compliance with food labeling regulations, such as EU Regulation No. 1169/2011, is vital to prevent adverse reactions and misuse of precautionary labels, despite the lack of specific regulation for hidden allergens. Currently, there is no cure for food allergy, necessitating the careful avoidance of allergenic foods. In this context, there is a call for sensitive and reliable methods for the determination of allergenic components in food. Innovative mass spectrometry techniques and biorecognition platforms, also based on micro and nanosized materials, emerged as important analytical advancements with potential in the field of food allergens. A general introduction (Chapter 1) about new trends and perspectives in analytical chemistry, with particular attention to ambient mass spectrometry and biosensing platforms, is followed by two chapters (Chapter 2 and Chapter 3) both focalized on lysozyme from chicken egg as case study of an allergenic protein. Chapter 2 was aimed at investigating the potentialities of aptamers as emerging biomimetic receptors for selective and high affinity recognition of allergenic proteins. A critical assessment of potentialities and limits of anti lysozyme aptamers, depending on different conditions that influence binding to the target, is performed by means of a properly devised multi technique approach, which involved fluorescence titration, circular dichroism, electrochemical apta assay, and asymmetrical flow field-flow fractionation. To the best of our knowledge, this represents one of the first studies that critically determines the actual potentialities of aptamers throughout a “multifaceted analytical approach”, and the first of its kind regarding anti lysozyme aptamers. Chapter 3 was aimed at investigating the potentialities of Swab Touch Spray Mass Spectrometry (Swab TS-MS), an Ambient Mass Spectrometry (AMS) technique, for the detection of surface contaminating allergenic proteins. Since Swab TS-MS exploits the swab used for sampling as a probe for direct ionization, this technique resulted particularly suitable for the intended purpose. After preliminary experiments proving Swab TS-MS feasibility for the detection of proteins (after digestion), a study of the experimental conditions was performed; analytical quality parameters were assessed carrying out experiments also with egg white powder matrix. In parallel, swabbing strategies were studied by conventional hyphenated LC-ESI-MS/MS method, developing an in situ digestion/swabbing strategy to be directly coupled with Swab TS-MS approach. To the best of our knowledge, this represent the first time Swab TS-MS is exploited for detection of proteins, developing a method that could be used for the development of cleaning procedures. In addition, potentialities of Paper Spray MS (PS-MS) were investigated as an alternative AMS method for protein detection.

La presente Tesi di Dottorato riguarda l’investigazione di strategie analitiche innovative per la rivelazione di allergeni nascosti negli alimenti e in prodotti ad essi correlati. La tematica degli allergeni è di particolare interesse nell’ambito della sicurezza alimentare, in quanto possono provocare reazioni di ipersensibilità con conseguenze molto gravi per i consumatori. Quando gli allergeni alimentari, comunemente proteine o glicoproteine, vengono deliberatamente aggiunti al cibo ma non dichiarati nelle etichette dei prodotti o sono presenti involontariamente a causa di cross-contaminazione, vengono denominati “allergeni nascosti”. L’ottemperanza al Regolamento Europeo N. 1169/2011 sull’etichettatura degli alimenti è di enorme importanza per prevenire reazioni avverse e una scorretta etichettatura dei prodotti alimentari, nonostante sia assente un regolamento specifico per gli allergeni nascosti. Attualmente, non esiste una cura per le allergie alimentari, il che rende fondamentale evitare il consumo di ingredienti allergenici. In questo ambito, sono necessari metodi analitici affidabili per la determinazione di proteine allergeniche in alimenti. Tecniche innovative basate sulla spettrometria di massa o sull’uso di elementi di bioriconoscimento, in associazione a micro- e nanomateriali, sono emerse negli ultimi anni come importanti sviluppi analitici, con un notevole potenziale nel campo di applicazione degli allergeni alimentari. La Tesi è composta da tre capitoli: nel Capitolo 1 è presente una introduzione generale riguardo le nuove tendenze e prospettive in chimica analitica, con un particolare focus sulla spettrometria di massa e le piattaforme biosensoristiche; i seguenti due capitoli riguardano le attività di ricerca svolte durante il periodo del Dottorato di ricerca, entrambe aventi come caso di studio la proteina allergenica lisozima da bianco d’uovo. Il Capitolo 2 riguarda l’investigazione delle potenzialità degli aptameri come elementi di riconoscimento biomimetico ad alta affinità e selettività di un determinato target. In particolare, viene effettuata una valutazione critica delle potenzialità e dei limiti di aptameri selezionati per riconoscere con alta affinità il lisozima; la valutazione tiene in considerazione le differenti condizioni che influenzano il legame al target, attraverso un approccio multi-tecnica, che comprende le tecniche di spettroscopia di fluorescenza, dicroismo circolare, apta-saggio elettrochimico, frazionamento in campo flusso - flusso asimmetrico (AF4). Il presente studio si inserisce tra i primi volti ad evidenziare alcune rilevanti criticità associate ad aptameri già ampiamente utilizzati in letteratura, focalizzando l’attenzione sugli aptameri anti-lisozima. Il Capitolo 3 riporta la valutazione delle potenzialità della tecnica Swab Touch Spray-Mass Spectrometry (Swab TS-MS), facente parte del gruppo di tecniche Ambient Mass Spectrometry (AMS), per la rivelazione di residui di proteine allergeniche su superfici di lavoro. Poichè la tecnica Swab TS-MS sfrutta lo swab utilizzato per il campionamento da superficie come un supporto per la ionizzazione, questa tecnica è particolarmente adatta per lo scopo previsto. Dopo esperimenti preliminari che dimostrano la capacità della tecnica Swab TS-MS nel rilevare le proteine (in seguito a digestione enzimatica), è stato condotto uno studio sulle condizioni sperimentali da utilizzare per l’analisi; i parametri di qualità analitica sono stati valutati effettuando anche analisi su matrice di bianco d’uovo in polvere. In parallelo, sono state studiate delle strategie di campionamento con swab con rivelazione attraverso tecnica LC-ESI-MS/MS, che ha permesso di sviluppare una procedura di digestione in situ seguita da campionamento per il diretto accoppiamento con la tecnica Swab TS-MS. Al meglio delle nostre conoscenze, questa rappresenta la prima volta in cui la tecnica Swab TS-MS viene sfruttata per la rivelazione di proteine, sviluppando un metodo che potrebbe essere utilizzato per lo sviluppo di nuove procedure di pulizia di superfici di lavoro. Inoltre, sono state indagate le potenzialità della tecnica Paper Spray-MS (PS-MS) come metodo AMS alternativo per la rivelazione di proteine.