Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

EFFECT OF FORMULATION ON PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES, WATER STATUS AND STABILITY OF PASTA, TOMATO SAUCE AND READY TO EAT PASTA MEALS

Ready to eat pasta meals are an important segment of convenience food, but these products are subjected to significant changes in physico-chemical properties during storage, which reduce their acceptability at the time of consumption. A deep understanding of the properties of the single phases, their dependence upon formulation, and the changes they undergo during storage is very important to intelligently intervene on products properties to improve their quality at the time of consumer’s consumption. This work has focused on the effect of formulation on physico-chemical properties of pasta and tomato sauce with a special focus on mechanical/rheological attributes and water status. Variable considered in pasta formulation were gluten, glycerol and moisture content and their effect was studied in both freshly cooked or shelf-stable cooked pasta. The effect of multiple hydrocolloids (at different levels) was considered in the case of tomato sauce. In the case of pasta, it was found that water content was indeed a very important variable in defying pasta mechanical properties and water status. Higher moisture contents in pasta resulted in softer samples and reduced the changes in physico-chemical parameters during storage. Glycerol was found to favor water uptake and to soften the pasta matrix, acting as plasticizer and increasing molecular mobility. The addition of gluten hardened pasta but did not affect the water status. The combination of higher amount of gluten (15%, g gluten / 100 g product) with higher moisture content (59-65%, g water / 100 g product) were found to minimize the physico-chemical changes occurring in RTE pasta meals during storage, improving quality at longer storage times. Hydrocolloids added into tomato sauce modulated its mechanical attributes and water status in very different manner, depending on hydrocolloid type and concentration. This may allow to produce tomato sauce for different applications and that are expected to have different performance if placed in contact with pasta in a RTE meal. Future work should include an investigation of how the interaction between the two phases (pasta and sauce) can be modulated and controlled by controlling the properties of the single phases with the goal of obtaining highly acceptable products also at longer storage times.