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Qualità e sicurezza degli alimenti
http://www.chimica2011.it/ QUALITA’ E SICUREZZA DEGLI ALIMENTI Prof. DANILA MOSCONE Chimica Analitica Dip. di Scienze e Tecnologie Chimiche 1 ALIMENTI Si definiscono alimenti i prodotti commestibili che l’uomo deve assumere per assicurare, insieme con la respirazione, il normale svolgimento delle funzioni fisiologiche dell’organismo. L’assunzione di alimenti risponde ad uno dei bisogni elementari di ogni essere vivente, compreso l’uomo. Ai Aiconsumatori consumatoridevono devono essere offerti alimenti essere offerti alimentididi ALTA ALTAQUALITA’ QUALITA’ee SICURI. SICURI. La catena di produzione alimentare diviene sempre più complessa ed ogni singolo anello della catena deve essere altrettanto forte per salvaguardare la salute dei consumatori. Ciò indipendentemente se l’alimento è prodotto in loco oppure importato da paesi terzi. Il principio guida deve essere: “from field to fork” 2 ALIMENTI Lo studio degli alimenti può essere condotto tenendo presenti quattro aspetti fondamentali: chimico generale (chimica dei principi alimentari: proteine, carboidrati, lipidi, vitamine) analitico (chimica analitica applicata all’esame degli alimenti) tecnologico (descrizione dei processi di preparazione, trattamento e conservazione dei prodotti alimentari) chimico-igienico (contaminazione chimica degli alimenti) Non si può contare solo su questi parametri per sapere se un alimento è sicuro e di qualità! Odore Sapore Aspetto 3 Cosa significa “Alta Qualità dell’Alimento?” tà i i l a Qu ional + Sicurezza iz r t Nu Pesticidi Metalli pesanti Sicurezza Micotossine Chimica etc Sicurezza Microbiologica Stima di malattie di origine alimentare negli Stati Uniti ogni anno 76 milioni di persone si ammalano 5,000 persone muoiono! Sono stati identificati più di 250 tipi diversi di malattie a trasmissione alimentare. 4 Anche un piccolo assaggio non ci mette al sicuro…. Solo 10 batteri possono causare alcune malattie di origine alimentare! Mal di stomaco Diarrea Febbre OOPS! Disidratazione (a volte severa) 5 Condizioni gravi meno comuni, ma possibili Meningite Paralisi Morte Persone con un elevato rischio per malattie a trasmissione alimentare Donne in attesa Bambini ed anziani persone con sistema immunitario indebolito e persone con alcune malattie croniche 6 Costo delle malattie a trasmissione alimentare • 10 - 83 miliardi di $ ciascun anno • Costi specifici: Spese mediche Azioni legali Affari persi Cosa proponiamo noi? Nuovi metodi di analisi della qualità e salubrità degli alimenti tramite l’utilizzo di biosensori 7 CHE COS’E’ UN BIOSENSORE? Un biosensore è un strumento analitico in cui è presente un elemento biologico strettamente connesso o integrato con un trasduttore di segnale. Che cos’è un trasduttore di segnale? Sensore:: un dispositivo che converte una forma di energia in un’ un’altra, altra cioè che trasforma una grandezza fisica che si vuole misurare in un segnale di natura diversa (tipicamente elettrico) più facilmente misurabile o memorizzabile. •sensori di luce (o sensori ottici): fotocellule, tubi fotoelettrici •sensori di calore: calorimetri. •sensori di radiazione: contatori Geiger. •sensori di corrente elettrica: galvanometri, amperometri. Analita Componente biologico Quali sono gli elementi biologici? biologici I più più diversi…… diversi…… •Enzimi •Anticorpi •DNA •Batteri •Fettine di tessuto animale o vegetale •…… Trasduttore di segnale Registratore 8 Cosa hanno in comune? Biosensore Analita/biorecettore/trasduttore/processore di segnale Naso Piccole molecole/membrana olfattiva/cellule nervose/cervello Occhi Luce Visibile /bastoncelli e coni/ cellule nervose/cervello Analiti • piccole molecole glucosio, alcool, CO, CO2, agenti nervini, urea, pesticidi, aspirina, paracetamolo, penicillina, TNT, colesterolo, amminoacidi • bio-macromolecole DNA, RNA, enzimi, proteine, ormoni, virus • batteri antrace, E. coli, Salmonella 9 Recettori Biologici Interazioni Biologiche • • • di • Interazioni deboli, non-covalenti Spontanee (self-assembly) Altamente specifiche (differenze anche un singolo atomo) Complementare (chiave/serratura) Enzima Anticorpo Acido Nucleico Trasduttore di segnale •Fibre Ottiche Sempre più usate grazie allo sviluppo di fibre che possono trasportare fotoni a siti remoti. Assorbimento, reflettanza, fluorescenza, scattering, chemiluminescenza, etc. Quantum dots (cristalli semiconduttori di dimensioni nanometriche). Cristalli Piezoelettrici Generano correnti elettriche grazie alla vibrazione di quarzi quando piccole quantità di analiti si legano a recettori biologici immobilizzati. Promettenti per interazioni anticorpo/antigene, DNA 10 Trasduttore di segnale • Misuratore Termico Formazione/rottura di legami chimici in reazioni enzimatiche che provocano variazioni di entalpia. Inoltre, variazioni di calore di soluzione specialmente con formazione di specie cariche (p. es. protoni). Tipicamente possono essere misurate ≈ millesimi di °K di variazione di temperatura. • Sensori elettrochimici (elettrodi) elettrodi) Amperometrico: Il più comunemente usato in reazioni enzimatiche che implicano ossidasi e riduttasi. Glucosio ossidasi, Colesterolo ossidasi, etc. Potenziometrico: reazioni che implicano variazioni significative di pH Es. penicillinasi, ureasi. Esempi di biosensori Strumento per la misura del Glucosio nel sangue (per pazienti diabetici) 11 Il Padre dei Biosensori Enzima Glucosio Ossidasi…. + Trasduttore elettrochimico… Professor Leland C Clark Jnr 1918–2005 ELETTRODO + ENZIMA = biosensore CAMPIONE STRUMENTO 12 Glucosio Acido Gluconico Glucosio Ossidasi Ossigeno Acqua ossigenata Elettrodi Stampati Produzione di massa Basso costo Monouso 1 cm Piccoli volumi di campione 13 14 ELETTRODI STAMPATI ELETTRODO + ENZIMA 15 Potentiostato - Galvanostato PG580 Uniscan Instruments 16 Esempi di biosensori test di gravidanza ’Biosensore’ per CO dei vecchi minatori di carbone Misura l’ormone hCG nelle urine. ANTRACE BIACORE Applicazioni in analisi degli alimenti: Carboidrati, vitamine, acidi organici, Composizione Pesticidi, antibiotici, tossine, ormoni Freschezza dei pesci Maturazione del formaggio Controllo del confezionamento Controllo della cottura Analisi Sensoriale Determinazione dei Patogeni Salmonella spp. Clostridium botulinum E. coli 17 ANALIZZATORE BIOCHIMICO YSI 2700 SELECT CARATTERISTICHE TECNICHE : Ammontare di campione : da 5 a 65 microlitri. Tempo di Risposta: circa 90 secondi APPLICAZIONI Destrosio Saccarosio Destrosio in patate Destrosio e Saccarosio in latte concentrato Lattate nella carne Etanolo in birra e vini Lattosio in formaggi Glutammati in brodi Colina in mangimi Destrosio e Saccarosio in gelati 18 SENZYTEC 1 è un analizzatore in grado di determinare diversi analiti negli alimenti, come zuccheri, acidi, etanolo; è sufficiente scegliere l’appropriato sensore usa e getta, inserirlo nella sonda ed aggiungere poche gocce di campione per una rapida misura ANALISI DEL VINO • Glucosio • Zuccheri (glucosio + fruttosio) • Etanolo • L-Malico • L-Lattico • D-Lattico • Fruttosio • Saccarosio • Polifenoli ANALISI DELLA FRUTTA •Glucosio •Zuccheri (Glucosio + Fruttosio) •Etanolo 19 Valutazione dello stato di freschezza dei prodotti della pesca Indicatore di freschezza: freschezza: la degradazione dei nucleotidi, nel muscolo di pesce Dopo la morte del pesce: ATP ADP AMP IMP HXR HX X U DEGRADAZIONE dove ATP, ADP, AMP = adenosina trifosfato, trifosfato, adenosina difosfato, difosfato, adenosina monofosfato IMP, HXR = inosina monofosfato, monofosfato, inosina HX, X, U = ipoxantina, xantina, acido urico 20 Poiché Poiché l'ATP, ADP ed AMP scompaiono circa 24 ore dopo la morte, per potere valutare la freschezza del pesce, è stato introdotto un parametro K1 basato sulla degradazione dei rimanenti composti, che può essere definito come segue: K1 = (HXR + HX) / (IMP + HXR + HX) * 100 All’ All’aumentare del K1 diminuisce il grado di freschezza del pesce: K1 < 20 è molto fresco, 20 < K1 < 40 deve essere cucinato, K1 > 40 non è l’alimentazione umana. consigliabile per Valutazione dello stato di freschezza dei prodotti della pesca E' quindi possibile stimare la freschezza del pesce misurando soltanto tre dei sei metaboliti. Le reazioni enzimatiche coinvolte nella dell'IMP ad acido urico sono le seguenti: degradazione IMP -- NT---> ---> HXR + Pi HXR + Pi -- NP ---> ---> HX + ribosioribosio-1-fosfato HX + 2O2-- XO ---> ---> UA + 2H2O2 Dove NT, NP, XO e Pi rappresentano rispettivamente la 5’-nucleotidasi, nucleotidasi, la nucleoside fosforilasi, la xantina ossidasi ed il fosfato. 21 Valutazione dello stato di freschezza dei prodotti della pesca 14 Trote iridee conservate in differenti condizioni di temperatura : 12 T = ambiente, 4oC, 4 oC con ghiaccio -80 oC 10 per 1 mese, poi scongelate e mantenute a 4oC per 3 mesi, poi scongelate e mantenute a 4oC Punti -20 oC 8 6 4 2 0 0 1 3 4 5 6 7 8 A T ambiente la conducibilità conducibilità elettrica scende al di sotto di 10 già già al primo giorno 100 80 K% 2 A 4 oC la conducibilità conducibilità elettrica scende al di sotto di 10 dopo il terzo giorno 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 giorni 18°C 4° C 4°C con ghiaccio Scong. dopo 30d a -20°C Scong. dopo 90d a -80°C 8 A 4 oC con ghiaccio la conducibilità conducibilità elettrica scende al di sotto di 10 dopo il 5 giorno Per i pesci congelati non si è osservata conducibilità conducibilità elettrica Monitoraggio della fermentazione alcolica in relazione a diverse tecniche di vinificazione in rosso 22 Di Majo Norante (CB) 400 Q di “Montepulciano d’Abruzzo” in fermentore 650 Q di “Aglianico” fermentato in un fermentore verticale termocondizionato verticale Torrevento (BA) volume 270 Hl •volume 800 Hl •SO2 4 g/Hl •SO2 5 g/Hl •yeast S.cerevisiae20 g/Hl •yeast S.cerevisiae 20 g/Hl •T 26-38 °C •T 21 - 28 °C •volume 300 e 150 Hl •SO2 5 g/Hl •yeast S.cerevisiae25g/Hl •T 17-30°C Solopaca (BN) 140 Q di uve “Montepulciano” e “Troia” in botti d’acciaio rotanti MONITORAGGIO DI METABOLITI DETERMINANTI DELLA FERMENTAZIONE ALCOLICA Applicazione in enopolio di biosensori elettrochimici (FIA) per il dosaggio di glucosio, fruttosio, glicerolo ed etanolo durante la fermentazione alcolica al fine di controllarne il decorso ed eventuali anomalie. Glucosio + O2 GOD→ acido gluconico +H2O2 Fruttosio + 2 PMS+FDH→ chetofruttosio + 2 PMSH PMSH----->2 PMS+ + 2e Etanolo + O2 AO→ acetaldeide +H2O2 Glicerolo + ATP (Mg2+) GK→ glicerolo-3-p + ADP Glicerolo-3-p +O2 + H2O GPO→ glicerone-3-p+H2O2 23 Azienda viti-vinicola Di Majo Norante(CB) 400 Q.li di uve “Montepulciano d’Abruzzo” divise in due partite da 200 Q.li e vinificate in fermentatori verticali termocondizionati: capacità 270 Hl cicli di innaffiatura a pioggia del cappello 3’/4h SO2 4 g/Hl lieviti S.cerevisiae 20 g/Hl temperatura 21 - 28 °C Tesi “triplice delestage” 140 14 120 12 glucosio fruttosio etanolo 80 Delestage Delestage 10 8 60 6 Svinatura 40 Delestage 20 10 20 30 40 4 2 0 0 % vol g/L 100 La fermentazione 50 60 70 80 90 0 100 alcolica termina prima nella tesi “triplice delestage” (65 ore) rispetto alla tesi “duplice delestage”(75 ore) e presenta una fase “lag” minore 140 14 120 12 100 10 80 8 Svinatura glucosio fruttosio etanolo 60 40 6 Delestage 4 Delestage 20 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 % vol g/L Tesi “duplice delestage” Il delestage aggiuntivo a 20 ore dall’inizio ha favorito la crescita dei lieviti incrementando la velocità di fermentazione Tempo (ore) 24 Tesi “rimontaggi” (ogni 2 ore) 140 14 120 12 10 glucosio fruttosio etanolo 80 Svinatura 60 8 6 40 4 20 2 0 % vol g/L 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Tempo (ore) Fase “lag” breve (rapido adattamento dei lieviti al mezzo) e difficoltà a consumare completamente il fruttosio L’elevata temperatura raggiunta (38°C), in sinergia con l’effetto tossico dell’etanolo, può aver modificato, nei lieviti, la funzionalità dei sistemi di trasporto di membrana degli zuccheri Di Majo N.-Tesi “duplice delestage” 7 16 6 14 g/L olo Etan 10 4 8 3 6 Delastage 2 Gli 1 % vol 12 5 4 lo cero Delastage 2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Torrevento-Tesi “unico delestage” 9 16 8 14 7 12 g/L 10 5 olo an Et 4 3 i Gl 2 o lo cer 8 Svinatura 6 4 Delestage 2 1 0 0 0 10 20 30 40 50 Tempo (ore) 60 70 80 %vol 6 Rapido incremento della concentrazione di glicerolo ed etanolo e della velocità di fermentazione subito dopo l’operazione di svuotamento Il fenomeno è attribuito all’accumulo dei due alcoli nella cellula durante la fase di stress anaerobico ed al loro rilascio nel mezzo in seguito alla ripresa della funzionalità della membrana dovuta alla ossigenazione spinta 25 Cosa significa “Alta Qualità dell’Alimento?” tà i i l a Qu ional + Sicurezza iz r t Nu Pesticidi Metalli pesanti Sicurezza Micotossine Chimica etc Pesticidi Sicurezza Microbiologica derrate alimentari acqua Concentrazioni ammissibili in (µ µg/L) delle sostanze tossiche nelle acque di uso potabile Parametro Concentrazione massima ammissibile Antiparassitari 0.1 per componenti totali 0.5 Idrocarburi policiclici aromatici 0.2 Cianuri 50 Arsenico 10 Cadmio 5 Mercurio 1 Piombo 50 26 PESTICIDI ORGANOFOSFATI CARBAMMATI TRASMISSIONE DELL’ IMPULSO NERVOSO 27 BIOSENSORE PER LA MISURA DI PESTICIDI SPE Biosensore: -enzima Acetilcolinesterasi Acetiltiocolina + H2O AChE Tiocolina + acido acetico elettroattiva MISURA 3 Steps Step 1: misura dell’attività enzimatica iniziale (i0) Step 2: inibizione Step 3: misura dell’attività enzimatica residua (ii) Step 1 Tampone + substrato misura dell’attività enzimatica prima dell’esposizione al pesticida (i0) 28 Step 2 tempo di incubazione lavaggio Soluzione con Pesticida I%=[( i0-ii)/i0]•100 Step 3 Tampone + substrato misura dell’attività enzimatica dopo dell’esposizione al pesticida (ii) STUDIO DEL DESTINO DEI PESTICIDI DURANTE LA FERMENTAZIONE ALCOLICA Paraoxon Aldicarb 29 Determinazione del Piombo nel latte Massimo livello ammissibile • Acqua potabile 10 µg/l • Ari a 0.5 µg/m3 • Alimenti 0,02-1 mg/Kg Latte = 0.02 mg/kg (Dir. 92/46/CEE) 30 Il Piombo si misura ….. ASSORBIMENTO ATOMICO ICP-MS Strumento Elettrochimico SPE Sensor 31 Analisi di Stripping 1 – STEP di PRE-CONCENTRAZIONE Il Pb2+ è ridotto a Pb° e accumulato sulla superficie del sensore su cui è stato depositato un film di bismuto 2 – STEP di STRIPPING Current Il Pb viene ridisciolto riossidandolo e si osserva un picco la cui altezza è proporzionale alla concentrazione del Pb nel latte 40 30 20 10 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 Potential (V) METODO UFFICIALE AOAC DI TRATTAMENTO DEL LATTE Seccare i campioni per tutta la notte a 120 °C Collocare il campione in forno a 250 °C ed aumentare lentamente la temperatura a 350 °C fino a quando cessano i fumi prodotti Aumentare la temperatura lentamente a 500° 500°C Lasciar incenerire per tutta la notte a 500° ° 500 C Se la cenere è grigia invece che bianca: HNO3 + 3 h di forno PROBLEMI: METODO LUNGO E TEMPERATURE MOLTO ALTE 32 Trattamento del LATTE 1. Addizione di H2O2 e Sonicazione per 30 min 2. Addizione di HClO4 e Sonicazione per 15 min 3. Addizione di HCl e Centrifugazione Precipitazione delle Proteine Acidi a 48000g per 10 min 4. Filtrazione del supernatante 5. Diluzione 1:4 latte 6. Filtrato a pH 2 TEMPO TOTALE = 1 h Sviluppo di un programma ad hoc 33 Procedura di misura 20 ppb 10 ppb milk 20 ppb 10 ppb milk REAZIONE ENZIMATICA P SEGNALE ELETTROCHIMICO YYY S YYY 34 TRICOTECENI TIPO-A ED AFLATOSSINA B1 Tricotecene di tipo-A TDI*: 0.06 µg/kg: T-2 + HT-2 Livello Massimo Circa 200 ppb 25-50 ppb (baby food) Fusarium T-2 HTHT-2 * t-TDI: Temporary-Tolerable Daily Intake Aflatossina B1 O Livello Massimo O O 2 ppb – Maize, cereal, etc. O 5 ppb – Unprocessed food O Aspergillus OMe AFB1 MISURA AFLATOSSINA B1 Trattamento del campione 4 EC50 = 1.2 ng/ml LOD = 0.2 ng/ml WR = 0.2 - 5 ng/ml 25.0 g di grano macinato + 2.5 g di NaCl 500 µl di AFB1 o PBS Centrifugazione a 6000 rpm per 10 min 3 Current (µA) Estrazione per 3 min ad alta velocità di agitazione con 50 ml di metanolo/acqua (80/20) 2 1 Diluzione 1:5 v/v in PBS Centrifugazione a 6000 rpm per 10 min 0 0.1 1 10 100 AFB1 (ng mL-1) Misura elettrochimica curva standard in PBS TEMPO TOTALE DI ANALISI (incluso trattamento) MENO di 25 min!!! Misura AFB1 nel solvente di estrazione AFB1 in estratti di grano 35 Analisi di BATTERI PATOGENI negli alimenti Salmonella, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus and E. coli sono considerati la maggior causa di tossinfezioni alimentari nei paesi industrializzati. I metodi colturali standard richiedono fino a 5-6 giorni per dare un risultato. Metodo colturale standard per la Salmonella (ISO 6579:2002) • Pre-arricchimento per permettere multiplicazione delle cellule danneggiate; la riattivazione e la • Arricchimento Selettivo per aumentare il rapporto tra il batterio in esame e i microrganismi competitori; • Isolamento su agar selettivo delle colonie caratteristiche; •Conferma tramite tests biochimici e sierologici. Tempo: fino a 5 giorni Il nostro obiettivo è stato lo sviluppo di immunosistemi elettrochimici semplici e rapidi per la misura specifica della Salmonella. Secondo la legislazione Europea, la Salmonella deve essere assente in 25g di prodotto alimentare. 36 Immunosensore Elettrochemico Principio di misura MISURA HRP PAB - salmonella MAb anti-mouse IgG IMB Elettrodo Screen Printed magnete CURVA DI CALIBRAZIONE USANDO LE MBs Salmonella Corrente (µA) 20 16 12 8 4 1 .e + 3 1 .e + 4 1 .e + 5 1 .e + 6 1 .e + 7 1 .e + 8 1 .e + 9 S . E n te r itid is LOD = 3 x 103 CFU/ml 37 CAMPIONI SPERIMENTALMENTE CONTAMINATI PORK 18 CHICKEN 20 16 15 Current (µ µ A) Current (µ µ A) 14 12 10 10 8 6 5 4 2 0 0 0 2 4 6 8 10 0 12 2 4 BEEF 18 6 8 10 12 Pre-enrichment Time (h) Pre-enrichment Time (h) TURKEY 25 16 20 12 Current (µ µ A) Current (µ µ A) 14 15 10 8 10 6 4 5 2 0 0 0 2 4 6 8 10 0 12 2 4 6 8 10 12 Pre-enrichment Time (h) Pre-enrichment Time (h) ▲ Campioni sperimentalmente contaminati (1-10 cell/25g) ● Campioni non-contaminati (negativi al test microbiologico) Il tempo minimo di pre-arricchimento è risultato variabile, probabilmente a causa della presenza di microrganismi competitori naturalmente contenuti nei campioni di carne. Tuttavia un massimo di 6h di pre-arricchimento è stato sufficiente per rivelare la presenza di salmonella in tutti i casi. Analisi dei campioni di carne non sperimentalmente contaminati con metodo elettrochimico, PCR e metodo colturale classico Samples ELIME PCR Cultural Method pork - - - pork - - - pork + + + turkey - - - chicken - - - chicken + + + chicken - - - beef - - - beef - - - beef + + + Agglutination method S. infantis S. Enteritidis S. Anatum 10 campioni di carne non sperimentalmente contaminati sono stati analizzati e solo tre di questi campioni sono risultati positivi per Salmonella con il metodo classico culturale, la PCR (dopo 5 ore di pre-arricchimento) ed il metodo elettrochimico (dopo 6 ore di pre-arricchimento). 38 B.E.A.T. BioElettroAnalitica “Tor Vergata” Il gruppo: Prof. G. Palleschi Prof. D. Moscone Dr G. Volpe Dr L. Micheli Dr F. Ricci Dr F. Arduini Dr F. Valentini Dr S. Piermarini Visiting Prof. A.Amine Dr Dr Dr Dr Dr Dr Dr Dr Dr Dr Dr J. D. V. D. G. F. F. A. D. A. U. Calvo Quintana Neagu Biagiotti Romanazzo Adornetto Caprio Dell’Unto De Stefano Migliorelli Porchetta Sozzo …gli studenti in tesi… www.uniroma2.it/dipartim/BEAT 39