Development of innovative analytical strategies for the geographical and varietal authentication of food products highly susceptible to fraud

Abstract

[eng] Due to globalization and the expansion of food supply chains, food fraud has become a global issue, especially for high-value foods such as olive oil and nuts. These products are highly valued for their nutritional benefits and sensory properties, which are strongly influenced by their varietal and geographical origin. Driven by economic gain, they are often mislabelled to exploit premium prices associated with specific regions or varieties. The problem is exacerbated by ineffective official control methods, posing both economic risks and significant threats to public health. This doctoral thesis aims to develop and validate new analytical methodologies to verify the geographical and varietal authenticity of high-value foods, specifically virgin olive oil, hazelnuts, and pine nuts. To achieve this, isotopic and metabolic marker-based methods were used, including both target and untargeted approaches. For virgin olive oil, two methods were compared: sesquiterpene hydrocarbon fingerprinting and stable isotopes of carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O). Sesquiterpene fingerprinting proved more effective, offering greater sensitivity, specificity, and robustness for both geographical and varietal authentication. For hazelnuts, a method to analyse stable isotope ratio of O, and C and H of fatty acids was developed alongside three untargeted metabolic methods: triglyceride, unsaponifiable fraction, and spectroscopic fingerprinting. While the isotopic method distinguished between regions with different pedoclimatic conditions, the metabolic methods proved superior. Triglyceride fingerprinting achieved lower accuracy but was fast and simple and consequently suggested for screening. Conversely, fingerprinting of the unsaponifiable fraction was more laborious but offered higher accuracy as a confirmation method. Combining these methods enhanced efficiency reducing workload. Finally, the spectroscopic method, being simpler, faster and more accurate than triacylglycerol analysis, was also a suitable screening method. For pine nuts, strontium isotopic analysis failed to differentiate Mediterranean from Asian pine nuts, demonstrating that a single isotopic marker is inadequate for complex geographic authentication. However, terpene fingerprinting was successful in distinguishing Mediterranean pine nuts from other origins, proving to be a direct and efficient authentication method. Overall, metabolic fingerprinting methods have shown superior effectiveness for the geographical and varietal authentication of these foods, positioning them as suitable support tools to official control methods. However, limitations related to their transferability and the lack of standardized validation protocols are their main current challenges.

[spa] Debido a la globalización y la expansión de las cadenas de suministro de alimentos, el fraude alimentario se ha convertido en una práctica extendida, con impactos globales. Alimentos de alto valor comercial, como el aceite de oliva y los frutos secos, son objetivos claros de estas prácticas fraudulentas, motivadas por el beneficio económico. Estos productos, son muy apreciados por sus beneficios nutricionales y propiedades sensoriales, los cuales están fuertemente influenciados por su origen geográfico y variedad. Esto los hace especialmente susceptibles a falsificaciones en su etiquetado para aprovechar los precios premium asociados a determinadas regiones o variedades. Esta situación se ve agravada por la falta o ineficiencia de los métodos de control oficiales. Además del perjuicio económico para el consumidor y la industria, el fraude alimentario también representa un riesgo significativo para la salud pública. Por ello, es necesario desarrollar nuevas metodologías analíticas que permitan verificar el origen geográfico y varietal de estos productos, protegiendo así los derechos de los consumidores y previniendo el fraude. El objetivo principal de esta tesis doctoral es garantizar la autenticidad varietal y geográfica de productos alimentarios de alto valor, como el aceite de oliva virgen, las avellanas y los piñones, mediante el desarrollo de técnicas analíticas y quimiométricas robustas y fiables basadas en marcadores adecuados. Para alcanzar este objetivo, se han implementado métodos basados en marcadores isotópicos y metabólicos, utilizando enfoques targeted y untargeted en los tres alimentos estudiados. Se han evaluado sus ventajas y limitaciones para identificar los métodos más adecuados. En el caso del aceite de oliva virgen, se compararon dos metodologías para verificar el origen geográfico mediante el desarrollo de modelos de clasificación: el fingerprinting de los hidrocarburos sesquiterpénicos y el análisis de isótopos estables de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Los resultados demostraron que el fingerprinting de los sesquiterpenos es más efectivo, proporcionando mayor sensibilidad, especificidad y robustez. Este método también se aplicó con éxito a la autenticación varietal del aceite de oliva, validándose como una herramienta eficaz para la autenticación tanto geográfica como varietal. Para las avellanas, se desarrolló un método para analizar el ratio isotópico de O, y de C y H de los ácidos grasos para autenticar el origen geográfico, así como tres métodos metabólicos untargeted (fingerprinting de triacilglicéridos, fracción insaponificable y espectroscópico) para verificar simultáneamente la variedad y procedencia. Aunque el método isotópico permitió distinguir entre regiones con diferentes condiciones climatológicas y geológicas, fue superado por los métodos metabólicos. El fingerprinting de triacilglicéridos, aunque menos eficiente, por su rapidez y sencillez resultó adecuado para el cribado masivo de muestras. Por otro lado, el fingerprinting de la fracción insaponificable era más laborioso, pero ofrecía una gran eficiencia como método de confirmación. La combinación de ambos métodos mejoró la eficiencia y mantuvo una alta exactitud en la clasificación. Por último, el método espectroscópico, al ser más rápido sencillo, y exacto que el fingerprinting de triacilglicéridos también resultó ser un método de cribado adecuado. En cuanto a los piñones, el análisis isotópico de estroncio no logró diferenciar los piñones mediterráneos de los asiáticos, evidenciando que un solo marcador isotópico no es suficiente para abordar la complejidad de la autenticación geográfica de productos agroalimentarios. Sin embargo, el fingerprinting de terpenos permitió construir modelos robustos capaces de diferenciar eficazmente los piñones mediterráneos de los asiáticos, demostrando ser un método directo, rápido y eficiente para su autenticación. En general, los métodos de fingerprinting metabólico han demostrado ser más eficaces para la autenticación geográfica y varietal de los tres alimentos, posicionándose como herramientas de apoyo adecuadas a los métodos de control oficiales. Sin embargo, las limitaciones relacionadas con su transferibilidad y la falta de protocolos de validación estandarizados son sus principales desafíos actuales.