The challenge of LC/MS/MS multi-mycotoxin analysis - Heracles battling the Hydra?

Mycotoxins are secondary metabolites of filamentous fungi. They pose a health risk to humans and animals due to their harmful biological properties and common occurrence in food and feed. Liquid chromatography/mass spectrometry (LC/MS) has gained popularity in the trace analysis of food contaminants. In this study, the applicability of the technique was evaluated in multi-residue methods of mycotoxins aiming at simultaneous detection of chemically diverse compounds. Methods were developed for rapid determination of toxins produced by fungal genera of Aspergillus, Fusarium, Penicillium and Claviceps from cheese, cereal based agar matrices and grains. Analytes were extracted from these matrices with organic solvents. Minimal sample clean-up was carried out before the analysis of the mycotoxins with reversed phase LC coupled to tandem MS (MS/MS). The methods were validated and applied for investigating mycotoxins in cheese and ergot alkaloid occurrence in Finnish grains. Additionally, the toxin production of two Fusarium species predominant in northern Europe was studied. Nine mycotoxins could be determined from cheese with the method developed. The limits of quantification (LOQ) allowed the quantification at concentrations varying from 0.6 to 5.0 µg/kg. The recoveries ranged between 96 and 143 %, and the within-day repeatability (as relative standard deviation, RSDr) between 2.3 and 12.1 %. Roquefortine C and mycophenolic acid could be detected at levels of 300 up to 12000 µg/kg in the mould cheese samples analysed. A total of 29 or 31 toxins could be analysed with the method developed for agar matrices and grains, with the LOQs ranging overall from 0.1 to 1250 µg/kg. The recoveries ranged generally between 44 and 139 %, and the RSDr between 2.0 and 38 %. Type-A trichothecenes and beauvericin were determined from the cereal based agar and grain cultures of F. sporotrichioides and F. langsethiae. T-2 toxin was the main metabolite, the average levels reaching 22000 µg/kg in the grain cultures after 28 days of incubation. The method developed for ten ergot alkaloids from grains allowed their quantification at levels varying from 0.01 to 10 µg/kg. The recoveries ranged from 51 to 139 %, and the RSDr from 0.6 to 13.9 %. Ergot alkaloids were measured in barley and rye at average levels of 59 and 720 µg/kg, respectively. The two most prevalent alkaloids were ergocornine and ergocristine. The LC/MS methods developed enabled rapid detection of mycotoxins in such applications where several toxins co-occurred. Generally, the performance of the methods was good, allowing reliable analysis of the mycotoxins of interest with sufficiently low quantification limits. However, the variation in validation results highlighted the challenges related to optimising this type of multi-residue methods. New data was obtained about the occurrence of mycotoxins in mould cheeses and of ergot alkaloids in Finnish grains. In addition, the study revealed the high mycotoxin-producing potential of two common fungi in Finnish crops. The information can be useful when risks related to fungal and mycotoxin contamination will be assessed.

Mykotoksiinit eli homemyrkyt ovat homesienten tuottamia sekundaarisia aineenvaihduntatuotteita. Esiintyessään elintarvikkeissa ja rehuissa ne muodostavat terveysriskin ihmisille ja eläimille haitallisten vaikutustensa johdosta. Mykotoksiinien kemiallinen määrittäminen on haastavaa, koska pitoisuudet ovat yleensä pieniä ja samassa tuotteessa voi esiintyä useita eri toksiineja. Nestekromatografia yhdistettynä massaspektrometriaan (LC/MS) on osoittautunut tehokkaaksi menetelmäksi jäämäanalytiikassa, ja sitä sovelletaan yhä enenevässä määrin myös mykotoksiinimäärityksissä. Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin tekniikan soveltuvuutta mykotoksiinien ns. monijäämäanalytiikassa tavoitteena kehittää menetelmiä useiden, kemiallisesti erilaisten toksiinien samanaikaiseen määrittämiseen. Tutkimuksessa kehitetyt menetelmät soveltuivat 9-31 mykotoksiinin määrittämiseen juustoista, viljoista ja viljapohjaisista agar-alustoista. Menetelmät olivat toteutukseltaan yksinkertaisia sisältäen liuotinuuton, mahdollisimman vähän näytteenesikäsittelyvaiheita, yhdisteiden nestekromatografisen erotuksen ja massaspektrometrisen tunnistuksen sekä kvantitoinnin. Validointi osoitti menetelmien suorituskyvyn riittäväksi toteamaan halutut mykotoksiinit tarkasti ja toistettavasti riittävän pienillä pitoisuustasoilla. Suorituskyky vaihteli kuitenkin eri mykotoksiinien välillä heijastaen määritysolosuhteiden optimoinnin vaikeutta tämänkaltaisissa monijäämämenetelmissä. Kehitettyjä menetelmiä sovellettiin tutkittaessa mykotoksiinien pitoisuuksia homejuustoissa ja ergotalkaloidien esiintyvyyttä suomalaisessa viljassa. Lisäksi kartoitettiin kahden Pohjois-Euroopassa yleisen punahomeen, Fusarium sporotrichioides- and F. langsethiae lajien, kykyä tuottaa mykotoksiineja viljapohjaisilla kasvualustoilla. Tulokset osoittivat, että roquefortiini C:tä ja mykofenolihappoa voi esiintyä sinihomejuustoissa, vaikkakin pitoisuudet olivat melko pieniä. Ergotalkaloideja todettiin yleisesti rukiissa ja ohrassa, mutta pitoisuustasot ja alkaloidityypit vaihtelivat näytekohtaisesti. Tutkittujen Fusarium-lajien osoitettiin pystyvän tuottamaan laboratorio-olosuhteissa suuria pitoisuuksia trikotekeeneja ja beauverisiinia. Tutkimuksessa kehitetyt LC/MS menetelmät mahdollistivat mykotoksiinien nopean määrittämisen sovelluksissa, joissa useita toksiineja oli tarpeen määrittää samoista näytteistä. Menetelmät olivat toteutukseltaan yksinkertaisia, ja siten niitä voidaan jatkossa muunnella erilaisiin käyttötarpeisiin. Tutkimuksessa saatiin uutta tietoa mykotoksiinien esiintyvyydestä juustoissa ja viljoissa sekä punahomeiden kyvystä tuottaa toksiineja. Tuloksia voidaan käyttää hyväksi arvioitaessa elintarvikkeiden turvallisuutta ja Fusarium-homeiden muodostamaa riskiä niiden kasvaessa viljoissa niin pelloilla kuin varastossa.