Tecnologie per il miglioramento della qualità e della sicurezza degli alimenti

Tecniche cromatografiche ed elettroforetiche miniaturizzate applicate all’analisi degli alimenti
Persone di contatto
: Zeineb Aturki, Salvatore Fanali

Analisi di fitosteroli in olio extra vergine d’oliva con metodica nano-LC

Obiettivo dell’attività di ricerca è offrire tecniche alternative o complementari alle tecniche cromatografiche convenzionali.
L’attività di ricerca è focalizzata sullo sviluppo di tecnologie e protocolli separativi innovativi mediante cromatografia liquida nano, elettroforesi ed elettrocromatografia capillare. Tali tecniche sono caratterizzate da basso impatto ambientale, sono economicamente convenienti, permettono analisi veloci e sono facilmente accoppiabili alla spettrometria di massa, indispensabile per l’identificazione di composti in matrici complesse. Fondamentale in questo contesto è lo sviluppo di sistemi di preconcentrazione off-line e on-line per la purificazione dei campioni e l’incremento della sensibilità.
Le tecnologie sviluppate sono applicate allo studio di diverse classi di composti (polifenoli, vitamine, fitosteroli, nucleotidi, aminoacidi) naturalmente presenti o addizionati agli alimenti. La loro determinazione, oltre a costituire un valore aggiunto per la promozione dell’alimento stesso, rappresenta un utile strumento sia per definirne la tracciabilità sia per smascherare eventuali adulterazioni o frodi commerciali. Altro aspetto importante dell’analisi degli alimenti è garantirne la sicurezza, per cui le stesse tecniche sono impiegate per la determinazione di contaminanti (pesticidi, antibiotici, steroidi). In questo ambito, anche la determinazione della chiralità dei composti riveste un ruolo importante; è stato osservato, per esempio, che la presenza di amminoacidi della serie D è indice di contaminazione batterica in diverse matrici alimentari.

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Sviluppo di tecnologie e protocolli di Risonanza Magnetica (NMR in soluzione, NMR HR-MAS) per lo studio delle matrici alimentari in assenza di o con limitati interventi separativi
Persone di contatto
: Anatoly Sobolev, Donatella Capitani

La attività di ricerca è finalizzata allo sviluppo di metodi di Risonanza Magnetica ad alto campo per lo studio della metabolomica degli alimenti. La Risonanza Magnetica Nucleare permette infatti di ottenere l’impronta digitale dell’alimento mostrando in un unico esperimento i segnali di tutti i metaboliti presenti nel campione e ottenendo così il profilo metabolico che costituisce “l’impronta digitale” dell’alimento stesso. Rispetto ad altre tecniche analitiche la Risonanza Magnetica Nucleare ha il vantaggio di non richiedere eccessive manipolazioni del campione che possono portare alla sua alterazione: il campione viene infatti analizzato tal quale o sottoposto a semplici operazione di estrazione. L’uso di queste tecniche accompagnato a metodi di analisi statistica dei dati sperimentali consente di studiare gli alimenti in base a criteri di tracciabilità, salubrità, valorizzazione e proprietà nutraceutiche. Viceversa i modelli ottenuti applicando questo approccio ad un grande numero di campioni consentono di tracciare un alimento di cui non si conosca la provenienza, di verificare se l’alimento rispetti certi  criteri di salubrità e infine di evidenziare frodi.
Il gruppo di ricercatori del laboratorio di Risonanza Magnetica dell’IMC da oltre 16 anni si occupa della caratterizzazione di alimenti (olio di oliva, spigole, birra, tartufi, farine, caffè, grano, kiwi, mirtilli, pere, pomodori, lattughe, cicoria, puntarelle, zafferano) dal punto di vista della tracciabilità, della salubrità e della valorizzazione nell’ ambito di vari progetti regionali, nazionali ed Europei. Gli studi riguardanti l’olio extra vergine di oliva hanno dimostrato che la spettroscopia NMR accoppiata a metodi di analisi statistica è in grado di dare informazioni sull’origine geografica degli oli, la cultivar, la qualità e la genuinità.

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Sviluppo di tecnologie e protocolli di Risonanza Magnetica a basso campo per lo studio di matrici alimentari (SHELF LIFE, PROCESSI DI ESSICCAMENTO, MATURAZIONE, STRESS IDRICO)
Persone di contatto
: Noemi Proietti, Valeria Di Tullio

Mediante rilassometria NMR a basso campo si studia il contenuto e la distribuzione dell’acqua in matrici alimentari senza alcuna manipolazione del campione, ottenendo informazioni  sulla shelf life dell’alimento, la sua conservazione nel tempo, su processi e trattamenti industriali quali per esempio cottura ed essiccamento. Inoltre, utilizzando strumentazione NMR portatile è possibile eseguire misure direttamente in campo su frutti e piante intere senza necessità di campionamento. Questo approccio permette di seguire nel tempo la crescita, la maturazione, la risposta allo stress idrico e a processi industriali consentendo di ottimizzare sia l’uso di risorse idriche, sia il processo industriale di essiccamento della frutta.

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Uso delle radiazioni ionizzanti sugli alimenti
Persone di contatto:
Pietro Ragni

Irraggiatore gamma Nordion presso l’IMC

Il trattamento degli alimenti con le radiazioni ionizzanti è un metodo sicuro per ottenere sia l’estensione della shelf-life, sia un controllo delle affezioni alimentari dirette o indirette (cross-contamination), tramite la riduzione/eliminazione della popolazione patogena. Circa 50 paesi accettano tale trattamento per più di 50 tipi di cibi. L’UE studia la possibilità di armonizzare la situazione promovendo una lista di cibi trattabili. Il costo è competitivo con quello di trattamenti alternativi, i risultati ottenuti spesso migliori. La legislazione italiana permette il trattamento di: a) patate, cipolla ed agli, b) spezie, erbe disidratate e condimenti. La legge 94/2001, accogliendo le direttive UE ha permesso l’irraggiamento anche per cibi il cui trattamento è permesso in altri paesi dell’UE, previa autorizzazione. Il trattamento viene svolto in idonei impianti utilizzando i raggi beta o gamma; 10 kGy è il limite approvato dalla WHO per irraggiamento senza prescrizioni (1983 Codex Alimentarius Commission). Poiché in genere gli alimenti sono sottoposti al trattamento già imballati, è molto importante realizzare anche lo studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti sull’imballaggio.
Da quasi vent’anni nel nostro Istituto abbiamo condotto studi sia su vari tipi di imballaggio per rilevare gli eventuali effetti chimico-fisici indotti sui polimeri, sia su alcuni alimenti anche in comparazione con altri tipi di trattamenti. Tali studi sono stati effettuati usando un irraggiatore gamma per ottenere un irraggiamento omogeneo del campione e la spettroscopia NMR per studiare gli effetti.
Le imprese alimentari possono essere interessate a questo trattamento per tre ragioni: 1) studiare l’effetto indotto dalle radiazioni ionizzanti sul prodotto d’interesse e valutare la percentuale di abbattimento della carica batterica in funzione della dose; 2) analizzare eventuali additivi o componenti del proprio prodotto che si sa (o si sospetta) siano stati irraggiati per valutare eventuali effetti indotti; 3) analizzare gli eventuali effetti indotti dalle radiazioni ionizzanti sul packaging utilizzato prima di procedere alla scelta industriale per l’irraggiamento.

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Tecniche separative per un approccio metabolomico allo studio di matrici alimentari.
Persona di contatto:
Isabella Nicoletti, Danilo Corradini

L’attività di ricerca è indirizzata allo sviluppo di metodiche analitiche separative innovative per l’identificazione a quantificazione di molecole biologicamente attive in matrici naturali complesse di interesse in campo fitochimico, agro-alimentare e nutraceutico. Le ricerche sono finalizzate a definire indici di qualità e tipicità e proprietà salutistiche degli alimenti attraverso l’individuazione di indicatori chimici in grado di descrivere, a livello molecolare, caratteristiche e peculiarità degli ingredienti utilizzati, quali, ad esempio, la loro origine botanica e/o geografica, e le variazioni che questi subiscono lungo tutta la filiera di produzione, distribuzione e conservazione. Le metodiche analitiche sviluppate utilizzano tecniche separative a elevate prestazioni, principalmente cromatografia liquida (HPLC), accoppiate alla spettrometria di massa (MS) e alla spettrofotometria nella regione del visibile e vicino ultravioletto (UV-Vis). Queste tecniche consentono di sviluppare metodi analitici molto specifici e selettivi, capaci di identificare e dosare, tra tutti i composti chimici presenti in un alimento, quelli correlabili alle proprietà di qualità e/o tipicità che è necessario porre in evidenza. Esempi di queste attività sono forniti dagli studi condotti nell’ambito di diverse filiere di  rilevante importanza per l’area mediterranea quali il settore vitivinicolo, cerealicolo e olivicolo. Le ricerche condotte nell’ambito vitivinicolo sono state focalizzate sullo studio del patrimonio polifenolico che conferisce alle uve e ai vini particolari proprietà organolettiche (gusto, colore) e costituisce un’importante fonte d’informazione per lo studio di caratterizzazione del frutto e per il controllo dei processi chimici e fisici che avvengono nel corso della produzione e dell’invecchiamento del vino stesso. Gli studi condotti nell’ambito del settore cerealicolo sono principalmente rivolti a sviluppare tecniche analitiche per valutare l’effetto dei principali processi di trasformazione del grano duro (macinazione, decorticazione, pastificazione) sul contenuto e sulla distribuzione degli acidi fenolici nei suoi prodotti di trasformazione (semola, crusca, pasta alimentare), oltre allo studio dei fattori genetici (cultivar) e ambientali (luogo e anno di coltivazione) che ne determinano il contenuto nella cariosside. Gli studi che interessano l’olio extra vergine di oliva sono invece primariamente rivolti all’identificazione dei composti fenolici ai quali possono essere principalmente ricondotte le proprietà salutistiche di quest’alimento, tra le quali la protezione dallo stress ossidativo, per la quale l’European Food Safety Authority (EFSA) ha recentemente riconosciuto, come messaggio salutistico ammissibile in etichetta, la dicitura “i polifenoli dell’olio di oliva contribuiscono alla protezione dei lipidi ematici dallo stress ossidativo” unicamente per oli di oliva con contenuto minimo di idrossitirosolo e derivati (oleuropeina e tirosolo) di 250 mg/Kg.

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Personale di ricerca coinvolto:
Giancarlo Angelini
Zeineb Aturki
Donatella Capitani
Francesca D’Acunzo
Valeria Di Tullio
Salvatore Fanali
Laura Lilla
Edo Lilla
Noemi Proietti
Anatoly Sobolev
Alessandro Tozzi
Ornella Ursini

 

Principali collaborazioni
Università di Messina, persona di contatto: Prof. Luigi Mondello
Università Campus Bio-Medico di Roma, persona di contatto: Dott.ssa Chiara Fanali
CSIC-CIAL, Madrid, Spagna, persona di contatto: Dr Alejandro Cifuentes
Università de La Laguna, Tenerife, Spagna, persona di contatto: Dr Javier Hernández-Borges
Università Olomouc, Rep. Ceca, persona di contatto: Prof. Petr Bednar
Istituto di Frutticoltura, CRA, persona di contatto: Dr. Flavio Roberto De Salvador
Sustainable Agricultural Systems Laboratory, Maryland, USA, persona di contatto: Dr. Autar Mattoo
Universidad Nacional Autonoma de Mexico

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Pubblicazioni rilevanti

Fanali C., Rocco A., D’Orazio G., Dugo L., Mondello L., Aturki Z.
“Determination of key flavonoid aglycones by means of nano-liquid chromatography for the analysis of dietary supplements and food matrices”
Electrophoresis 2015, 36, 1073-1081.

D’Orazio G., Asensio-Ramos M., Hernández-Borges J., Rodríguez-Delgado M.A., Fanali S.
“Evaluation of the combination of a dispersive liquid-liquid microextraction method with micellar electrokinetic chromatography coupled to mass-spectrometry for the determination of estrogenic compounds in milk and yogurt”
Electrophoresis 2015, 36, 615- 625.

Capitani D., Sobolev A.P., Delfini M., Vista S., Antiochia R., Proietti N., Bubici S., Ferrante G., Carradori S., Roberto De Salvador F., Mannina L.
“NMR methodologies in the analysis of blueberries”
Electrophoresis 2014, 35, 1615-1628.

Sobolev A. P., Neelam A., Fatima T., Shukla V., Handa A. K., Mattoo A.K.
“Genetic introgression of ethylene-suppressed transgenic tomatoes with higher-polyamines trait overcomes many unintended effects due to reduced ethylene on the primary metabolome”
Frontiers in Plant Science 2014, 5, article 632, 1-9.

Rocco A., Fanali C., Dugo L., Mondello L.
“A nano-LC/UV method for the analysis of principal phenolic compounds in commercial Citrus juices and evaluation of antioxidant potential”
Electrophoresis 2014, 35, 1701–1708.

Fanali C., Dugo L., Rocco A.
“Nano-liquid chromatography in nutraceutical analysis: Determination of polyphenols in bee pollen”
J Chromatogr A 2013, 1313, 270-274.

Capitani D., Sobolev A.P., Tomassini A., Sciubba F., De Salvador R., Mannina L., Delfini M.
“Peach Fruit: A Metabolic Comparative Analysis Of Two Varieties With Different Resistance To Insect Attacks By NMR Spectroscopy”
Agric. Food Chem. 2013, 61, 1718-1726.

Capitani D., Mannina L., Proietti N., Sobolev A. P., Tomassini A., Miccheli A., Di Cocco M. E., Capuani G., De Salvador R.F., Delfini M.
“Metabolic Profiling and Outer Pericarp Water State in Zespri, CI.GI, and Hayward Kiwifruits”
Agric. Food Chem. 2013, 61, 1727−1740.

D’Orazio G., Rocchi S., Fanali S.
“Nano-liquid chromatography coupled with mass spectrometry: separation of sulfonamides employing non-porous core-shell particles”
Chromatogr. A 2012, 1255, 277-285.

Fanali C., Rocco A., Aturki Z., Mondello L., Fanali S.
“Analysis of polyphenols and methylxantines in tea samples by means of nano-liquid chromatography utilizing capillary columns packed with core–shell particles”
Chromatogr. A 2012, 1234, 38-44.

Mannina L., Sobolev A. P., Viel S.
“Liquid state 1H high field NMR in food analysis”
Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2012, 66, 1-39.

Fanali C., Dugo L., D’Orazio G., Lirangi M., Dachà M., Dugo P., Mondello L.
“Analysis of anthocyanins in commercial fruit juices by using nano-liquid chromatography-electrospray-mass spectrometry and high-performance liquid chromatography with UV-vis detector”
Sep. Sci. 2011, 34 150-159.

Capitani D., Mannina L., Proietti N., Sobolev A.P., Tomassini A., Miccheli A., Di Cocco M.E., Capuani G., De Salvador R., Delfini M.
“Monitoring of metabolic profiling and water status of Hayward kiwifruits by Nuclear Magnetic Resonance”
Talanta 2010, 82, 1826-1838.

Fanali S., Aturki Z., D’Orazio G., Rocco A., Ferranti A., Mercolini L., Raggi M.A.
“Analysis of Aloe-based phytotherapeutic products by using nano-LC-MS”
J Sep Sci. 2010, 33, 2663-2670.

Blando F., Albano C., Liu Y., Nicoletti I., Corradini D., Tommasi N., Gerardi C., Mita G., Kitts D.D.
Polyphenolic composition and antioxidant activity of the under-utilised Prunus mahaleb L. fruit.
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Effects of durum wheat debranning on total antioxidant capacity and on content and profile of phenolic acids.
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Martini D., Taddei F., Ciccoritti R., Pasquini M., Nicoletti I., Corradini D., D’Egidio M.G.
Variation of total antioxidant activity and of phenolic acid, total phenolics and yellow coloured pigments in durum wheat (Triticum turgidum L. var. durum) as a function of genotype, crop year and growing area.
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Martini D., Taddei F., Nicoletti I., Ciccoritti R., Corradini D., D’Egidio M.G
Effects of Genotype and Environment on Phenolic Acids Content and Total Antioxidant Capacity in Durum Wheat.
Cereal Chemistry, 2014, 91 (4), 310-317.

Nicoletti I., Martini D., De Rossi A., Taddei F., D’Egidio M.G., Corradini, D.
Identification and Quantification of Soluble Free, Soluble Conjugated, and Insoluble Bound Phenolic Acids in Durum Wheat (Triticum turgidum L. var. durum) and Derived Products by RP-HPLC on a Semimicro Separation Scale.
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Nicoletti I., Bellincontro A., De Rossi A., De Sanctis F., Tiberi D., Pietromarchi P., Botondi R., Corradini D., Mencarelli F.
Postharvest dehydration of Nebbiolo grapes grown at altitude is affected by time of defoliation.
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De Rossi P., Ricelli A., Reverberi M., Bello C., Fabbri A.A., Fanelli C., De Rossi A., Corradini D., Nicoletti I.
Grape variety related trans-resveratrol induction affects Aspergillus carbonarius growth and ochratoxin A biosynthesis.
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Mencarelli F., Bellincontro A., Nicoletti I., Cirilli M., Muleo R., Corradini D.
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Bellincontro A., Nicoletti I., Valentini M., Tomas A., De Santis D., Corradini D., Mencarelli F.
Integration of Non-Destructive Techniques with Destructive Analyses to Study Postharvest Water Stress of Wine Grapes.
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D’Introno A., Paradiso A., Scoditti E., D’Amico L., De Paolis A., Carluccio M. A., Nicoletti I., De Gara L., Santino A., Giovinazzo G.
Antioxidant and anti-inflammatory properties of tomato fruits synthesizing different amounts of stilbenes.
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Nicoletti I., Bello C., De Rossi A., Corradini D.
Identification and quantification of phenolic compounds in grapes by HPLC-PDA-ESI-MS on a semimicro separation scale.
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Nicoletti, Isabella; De Rossi, Antonella; Giovinazzo, Giovanna; Corradini, Danilo.
Identification and quantification of stilbenes in fruits of transgenic tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill.) by reversed phase HPLC with photodiode array and mass spectrometry detection.
Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55 (9), 3304-3311.