Development and validation of novel analytical methodologies for studying analytes of interest in food and environmental matrices

Abstract

El desarrollo de metodologías analíticas robustas es crucial para avanzar en el conocimiento sobre analitos de interés en muestras alimentarias y medioambientales. Estas metodologías permiten la determinación de diversos compuestos, mejorando la capacidad de estudiar su presencia, distribución y posibles implicaciones para la salud, el equilibrio en el ecosistema y la composición intrínseca de estas matrices. En esta tesis doctoral, se utilizaron varias técnicas de preparación de muestra —como extracción con disolventes, extracción asistida por ultrasonidos, microextracción en fase sólida y QuEChERS (rápido, fácil, barato, efectivo, resistente y seguro)— para detectar una amplia gama de analitos utilizando cromatografía de gases o cromatografía líquida acopladas a espectrometría de masas o detección por ionización de llama. En algunos casos, se implementaron etapas adicionales de limpieza para mitigar los efectos de matriz significativos observados en las muestras complejas. El desarrollo de los métodos se realizó en consonancia con los principios de la química analítica verde, y se aplicaron índices azules cuando fue pertinente para evaluar su practicidad. El objetivo fue diseñar tratamientos de muestra simples, eficientes, rentables y rápidos que garantizaran recuperaciones óptimas de los analitos mientras se minimizaban las interferencias de la matriz. Todos los métodos fueron validados conforme a la legislación vigente, en términos de selectividad, límites de detección y cuantificación, linealidad, efectos matriz, exactitud y precisión. Posteriormente, los métodos validados se aplicaron a diferentes muestras de origen medioambiental y alimentario, principalmente productos de la colmena como miel, polen de abeja, cera de abeja, jalea real, y propóleo. A través de enfoques dirigidos y no dirigidos, esta tesis permitió un estudio de varias familias de analitos, como compuestos bioactivos, alcaloides de pirrolizidina y tropano, plaguicidas, plastificantes, y compuestos orgánicos volátiles biogénicos. Los resultados destacan la versatilidad y aplicabilidad de las metodologías desarrolladas, confirmando su capacidad para monitorear un amplio espectro de compuestos de interés en diferentes tipos de muestras. Toda esta investigación establece un marco fundamental para avanzar en los estudios en química alimentaria y medioambiental, subrayando cómo los principios de la química verde, la preparación de muestras y los enfoques cromatográficos pueden integrarse de manera analítica en métodos novedosos.

The development of robust analytical methodologies is crucial for advancing knowledge about analytes of interest in food and environmental samples. These methodologies enable the determination of various compounds, enhancing the ability to study their presence, distribution, and potential implications for health, ecosystem balance, and the intrinsic composition of these matrices. In this doctoral thesis, multiple sample preparation techniques—including solvent extraction, ultrasound-assisted extraction, solid-phase microextraction, and QuEChERS (quick, easy, cheap, effective, rugged, & safe)—were utilized to detect a wide range of analytes using gas chromatography or liquid chromatography coupled with mass spectrometry or flame ionization detection. In some cases, additional clean-up steps were implemented to mitigate significant matrix effects observed in complex samples. The development of the methods was aligned with the principles of green analytical chemistry, and blue indexes were applied when relevant to evaluate their practicality. The goal was to design sample treatment protocols that were simple, efficient, cost-effective, and rapid while ensuring optimal analyte recoveries and minimizing matrix interferences. All methods were validated in compliance with current legislation, considering selectivity, limits of detection and quantification, linearity, matrix effects, accuracy, and precision. Subsequently, the validated methods were applied to various environmental and foodstuffs, primarily beehive products such as honey, bee pollen, beeswax, royal jelly, and propolis. Through both targeted and untargeted approaches, this thesis enabled the investigation of various families of analytes, including bioactive compounds, pyrrolizidine and tropane alkaloids, pesticides, plasticizers, and biogenic volatile organic compounds. The results highlight the versatility and applicability of the developed methodologies, confirming their capability to monitor a wide spectrum of compounds of interest in different types of samples. This research establishes a fundamental framework for advancing studies in food and environmental chemistry, emphasizing how the integration of green chemistry principles, sample preparation techniques, and chromatographic approaches can be analytically harnessed in novel methods.