Instrumental and sensory analyses for the characterization of food, phytotherapeutic or pharmaceutical hemp products

To address the request to develop rapid and easy methods for determining the cannabinoids, an HPLC-UV method (8 min) to separate and quantify the 10 main cannabinoids in hemp inflorescences was developed, and in-house validated. Moreover, the antioxidant activity of cannabidiol (CBD) in two oily matrices was investigated and compared to that of α-tocopherol, in relation to the growing market of oily solutions containing cannabidiol. Then, since no univocal legislation on the evaluation of quality and authenticity of hemp seed oil (HSO) exists, the composition and quality of cold-pressed HSOs were also explored, highlighting a great variability in terms of oxidative state minor compounds content. From the sensory point of view, a panel was trained, a specific sensory wheel and a profile sheet were developed. Due to the Covid-19 pandemic, the sensory evaluation was also performed at home. The panel showed a good performance both in the laboratory and remotely. Moreover, a focus group was used to investigate consumers’ attitudes, pointing out that a high-quality HSO has to be cold-pressed and green for them. Then, the evaluation of stability during the storage of HSOs was investigated. The results showed that photo-oxidation did not seem to significantly affect the quality of the oil during the first 3 months of storage. Finally, a study about the evolution of the volatile profile of 9 HSOs, under accelerated oxidation conditions, allowed identifying volatile markers of HSOs oxidation and freshness. This Ph.D. was developed in the context of the scholarship “Harmonized procedures of analysis of medical, herbal, food and industrial cannabis: development and validation of cannabinoids’ quality control methods, of extraction and preparation of derivatives from the plant raw material, according to the product destination” funded by Enecta S.r.l.

Application of chromatographic and spectroscopic techniques in the evaluation of the lipid fraction of animal products

Lipolysis and oxidation of lipids in foods are the major biochemical and chemical processes that cause food quality deterioration, leading to the characteristic, unpalatable odour and flavour called rancidity. In addition to unpalatability, rancidity may give rise to toxic levels of certain compounds like aldehydes, hydroperoxides, epoxides and cholesterol oxidation products. In this PhD study chromatographic and spectroscopic techniques were employed to determine the degree of rancidity in different animal products and its relationship with technological parameters like feeding fat sources, packaging, processing and storage conditions. To achieve this goal capillary gas chromatography (CGC) was employed not only to determine the fatty acids profile but also, after solid phase extraction, the amount of free fatty acids (FFA), diglycerides (DG), sterols (cholesterol and phytosterols) and cholesterol oxidation products (COPs). To determine hydroperoxides, primary products of oxidation and quantify secondary products UV/VIS absorbance spectroscopy was applied. Most of the foods analysed in this study were meat products. In actual fact, lipid oxidation is a major deterioration reaction in meat and meat products and results in adverse changes in the colour, flavour and texture of meat. The development of rancidity has long recognized as a serious problem during meat handling, storage and processing. On a dairy product, a vegetal cream, a study of lipid fraction and development of rancidity during storage was carried out to evaluate its shelf-life and some nutritional features life saturated/unsaturated fatty acids ratio and phytosterols content. Then, according to the interest that has been growing around functional food in the last years, a new electrophoretic method was optimized and compared with HPLC to check the quality of a beehive product like royal jelly. This manuscript reports the main results obtained in the five activities briefly summarized as follows: 1) comparison between HPLC and a new electrophoretic method in the evaluation of authenticity of royal jelly; 2) study of the lipid fraction of a vegetal cream under different storage conditions; 3) study of lipid oxidation in minced beef during storage under a modified atmosphere packaging, before and after cooking; 4) evaluation of the influence of dietary fat and processing on the lipid fraction of chicken patties; 5) study of the lipid fraction of typical Italian and Spanish pork dry sausages and cured hams.

Caratterizzazione mediante HPLC-MS di modifiche post-trasduzionali di proteine istoniche

Gli istoni sono proteine basiche che possono essere classificate in varie classi: H1, H2A, H2B, H3 e H4. Queste proteine formano l’ottamero proteico attorno al quale si avvolge il DNA per formare il nucleosoma che è l’unità fondamentale della cromatina. A livello delle code N-terminali, gli istoni possono essere soggetti a numerose modifiche posttraduzionali quali acetilazioni, metilazioni, fosforilazioni, ADP-ribosilazioni e ubiquitinazioni. Queste modifiche portano alla formazione di diversi siti di riconoscimento per diversi complessi enzimatici coinvolti in importanti processi come la riparazione e la replicazione del DNA e l’assemblaggio della cromatina. La più importante e la più studiata di queste modifiche è l’acetilazione che avviene a livello dei residui amminici della catena laterale dell’amminoacido lisina. I livelli corretti di acetilazione delle proteine istoniche sono mantenuti dall’attività combinata di due enzimi: istone acetil transferasi (HAT) e istone deacetilasi (HDAC). Gli enzimi appartenenti a questa famiglia possono essere suddivisi in varie classi a seconda delle loro diverse caratteristiche, quali la localizzazione cellulare, la dimensione, l’omologia strutturale e il meccanismo d’azione. Recentemente è stato osservato che livelli aberranti di HDAC sono coinvolti nella carcinogenesi; per questo motivo numerosi gruppi di ricerca sono interessati alla progettazione e alla sintesi di composti che siano in grado di inibire questa classe enzimatica. L’inibizione delle HDAC può infatti provocare arresto della crescita cellulare, apoptosi o morte cellulare. Per questo motivo la ricerca farmaceutica in campo antitumorale è mirata alla sintesi di inibitori selettivi verso le diverse classi di HDAC per sviluppare farmaci meno tossici e per cercare di comprendere con maggiore chiarezza il ruolo biologico di questi enzimi. Il potenziale antitumorale degli inibitori delle HDAC deriva infatti dalla loro capacità di interferire con diversi processi cellulari, generalmente non più controllati nelle cellule neoplastiche. Nella maggior parte dei casi l’attività antitumorale risiede nella capacità di attivare programmi di differenziamento, di inibire la progressione del ciclo cellulare e di indurre apoptosi. Inoltre sembra essere molto importante anche la capacità di attivare la risposta immunitaria e l’inibizione dell’angiogenesi. Gli inibitori delle HDAC possono essere a loro volta classificati in base alla struttura chimica, alla loro origine (naturale o sintetica), e alla loro capacità di inibire selettivamente le HDAC appartenenti a classi diverse. Non è ancora chiaro se la selettività di queste molecole verso una specifica classe di HDAC sia importante per ottenere un effetto antitumorale, ma sicuramente inibitori selettivi possono essere molto utili per investigare e chiarire il ruolo delle HDAC nei processi cellulari che portano all’insorgenza del tumore. Nel primo capitolo di questa tesi quindi è riportata un’introduzione sull’importanza delle proteine istoniche non solo da un punto di vista strutturale ma anche funzionale per il destino cellulare. Nel secondo capitolo è riportato lo stato dell’arte dell’analisi delle proteine istoniche che comprende sia i metodi tradizionali come il microsequenziamento e l’utilizzo di anticorpi, sia metodi più innovativi (RP-LC, HILIC, HPCE) ideati per poter essere accoppiati ad analisi mediante spettrometria di massa. Questa tecnica consente infatti di ottenere importanti e precise informazioni che possono aiutare sia a identificare gli istoni come proteine che a individuare i siti coinvolti nelle modifiche post-traduzionali. Nel capitolo 3 è riportata la prima parte del lavoro sperimentale di questa tesi volto alla caratterizzazione delle proteine istoniche mediante tecniche cromatografiche accoppiate alla spettrometria di massa. Nella prima fase del lavoro è stato messo a punto un nuovo metodo cromatografico HPLC che ha consentito di ottenere una buona separazione, alla linea di base, delle otto classi istoniche (H1-1, H1-2, H2A-1, H2A-2, H2B, H3-1, H3-2 e H4). La separazione HPLC delle proteine istoniche ha permesso di poter eseguire analisi accurate di spettrometria di massa mediante accoppiamento con un analizzatore a trappola ionica tramite la sorgente electrospray (ESI). E’ stato così possibile identificare e quantificare tutte le isoforme istoniche, che differiscono per il tipo e il numero di modifiche post-traduzionali alle quali sono soggette, previa estrazione da colture cellulari di HT29 (cancro del colon). Un’analisi così dettagliata delle isoforme non può essere ottenuta con i metodi immunologici e permette di eseguire un’indagine molto accurata delle modifiche delle proteine istoniche correlandole ai diversi stadi della progressione del ciclo e alla morte cellulare. Il metodo messo a punto è stato convalidato mediante analisi comparative che prevedono la stessa separazione cromatografica ma accoppiata a uno spettrometro di massa avente sorgente ESI e analizzatore Q-TOF, dotato di maggiore sensibilità e risoluzione. Successivamente, per identificare quali sono gli specifici amminoacidi coinvolti nelle diverse modifiche post-traduzionali, l’istone H4 è stato sottoposto a digestione enzimatica e successiva analisi mediante tecniche MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS. Queste analisi hanno permesso di identificare le specifiche lisine acetilate della coda N-terminale e la sequenza temporale di acetilazione delle lisine stesse. Nel quarto capitolo sono invece riportati gli studi di inibizione, mirati a caratterizzare le modifiche a carico delle proteine istoniche indotte da inibitori delle HDAC, dotati di diverso profilo di potenza e selettività. Dapprima Il metodo messo a punto per l’analisi delle proteine istoniche è stato applicato all’analisi di istoni estratti da cellule HT29 trattate con due noti inibitori delle HDAC, valproato e butirrato, somministrati alle cellule a dosi diverse, che corrispondono alle dosi con cui sono stati testati in vivo, per convalidare il metodo per studi di inibizione di composti incogniti. Successivamente, lo studio è proseguito con lo scopo di evidenziare effetti legati alla diversa potenza e selettività degli inibitori. Le cellule sono state trattate con due inibitori più potenti, SAHA e MS275, alla stessa concentrazione. In entrambi i casi il metodo messo a punto ha permesso di evidenziare l’aumento dei livelli di acetilazione indotto dal trattamento con gli inibitori; ha inoltre messo in luce differenti livelli di acetilazione. Ad esempio il SAHA, potente inibitore di tutte le classi di HDAC, ha prodotto un’estesa iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MS275 selettivo per la classe I di HDAC, ha prodotto modifiche molto più blande. E’ stato quindi deciso di applicare questo metodo per studiare la dose e la tempo-dipendenza dell’effetto di quattro diversi inibitori delle HDAC (SAHA, MS275, MC1855 e MC1568) sulle modifiche post-traduzionali di istoni estratti da cellule HT29. Questi inibitori differiscono oltre che per la struttura chimica anche per il profilo di selettività nei confronti delle HDAC appartenenti alle diverse classi. Sono stati condotti quindi studi di dose-dipendenza che hanno consentito di ottenere i valori di IC50 (concentrazione capace di ridurre della metà la quantità relativa dell’istone meno acetilato) caratteristici per ogni inibitore nei confronti di tutte le classi istoniche. E’ stata inoltre calcolata la percentuale massima di inibizione per ogni inibitore. Infine sono stati eseguiti studi di tempo-dipendenza. I risultati ottenuti da questi studi hanno permesso di correlare i livelli di acetilazione delle varie classi istoniche con la selettività d’azione e la struttura chimica degli inibitori somministrati alle cellule. In particolare, SAHA e MC1855, inibitori delle HDAC di classi I e II a struttura idrossamica, hanno causato l’iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MC1568 (inibitore selettivo per HDAC di classe II) ha prodotto l’iperacetilazione solo di H4. Inoltre la potenza e la selettività degli inibitori nel provocare un aumento dei livelli di acetilazione a livello delle distinte classi istoniche è stata correlata al destino biologico della cellula, tramite studi di vitalità cellulare. E’ stato osservato che il SAHA e MC1855, inibitori potenti e non selettivi, somministrati alla coltura HT29 a dose 50 μM producono morte cellulare, mentre MS275 alla stessa dose produce accumulo citostatico in G1/G0. MC1568, invece, non produce effetti significatici sul ciclo cellulare. Questo studio ha perciò dimostrato che l’analisi tramite HPLC-ESI-MS delle proteine istoniche permette di caratterizzare finemente la potenza e la selettività di nuovi composti inibitori delle HDAC, prevedendone l’effetto sul ciclo cellulare. In maggiore dettaglio è risultato che l’iperacetilazione di H4 non è in grado di provocare modifiche significative sul ciclo cellulare. Questo metodo, insieme alle analisi MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS che permettono di individuare l’ordine di acetilazione delle lisine della coda N-terminale, potrà fornire importanti informazioni sugli inibitori delle HDAC e potrà essere applicato per delineare la potenza, la selettività e il meccanismo di azione di nuovi potenziali inibitori di questa classe enzimatica in colture cellulari tumorali.

Food safety in wine: optimization of analytical controls and evaluation of production technologies

This PhD thesis has been proposed to validate and then apply innovative analytical methodologies for the determination of compounds with harmful impact on human health, such as biogenic amines and ochratoxin A in wines. Therefore, the influence of production technology (pH, amino acids precursor and use of different malolactic starters) on biogenic amines content in wines was evaluated. An HPLC method for simultaneous determination of amino acids and amines with precolumnderivatization with 9-Fluorenyl-methoxycarbonyl chloride (FMOC-Cl) and UV detection was developed. Initially, the influence of pH, time of derivatization, gradient profile were studied. In order to improve the separation of amino acids and amines and reduce the time of analysis, it was decided to study the influence of different flows and the use of different columns in the chromatographic method. Firstly, a C18 Luna column was used and later two monolithic columns Chromolith in series. It appeared to be suitable for an easy, precise and accurate determination of a relatively large number of amino acids and amines in wines. This method was then applied on different wines produced in the Emilia Romagna region. The investigation permitted to discriminate between red and white wines. Amino acids content is related to the winemaking process. Biogenic amines content in these wines does not represent a possible toxicological problem for human health. The results of the study of influence of technologies and wine composition demonstrated that pH of wines and amino acids content are the most important factors. Particularly wines with pH > 3,5 show higher concentration of biogenic amines than wines with lower pH. The enrichment of wines by nutrients also influences the content of some biogenic amines that are higher in wines added with amino acids precursors. In this study, amino acids and biogenic amines are not statistically affected by strain of lactic acid bacteria inoculated as a starter for malolactic fermentation. An evaluation of different clean-up (SPE-MycoSep; IACs and LLE) and determination methods (HPLC and ELISA) of ochratoxin A was carried out. The results obtained proved that the SPE clean-up are reliable at the same level while the LLE procedures shows lowest recovery. The ELISA method gave a lower determination and a low reproducibility than HPLC method.

Semi-synthetic bile acids as novel drug candidate in liver diseases: physico-chemical characterization and HPLC-ES-MS/MS methods for their quali-quantitative analysis in different experimental animal models

The physico-chemical characterization, structure-pharmacokinetic and metabolism studies of new semi synthetic analogues of natural bile acids (BAs) drug candidates have been performed. Recent studies discovered a role of BAs as agonists of FXR and TGR5 receptor, thus opening new therapeutic target for the treatment of liver diseases or metabolic disorders. Up to twenty new semisynthetic analogues have been synthesized and studied in order to find promising novel drugs candidates. In order to define the BAs structure-activity relationship, their main physico-chemical properties (solubility, detergency, lipophilicity and affinity with serum albumin) have been measured with validated analytical methodologies. Their metabolism and biodistribution has been studied in “bile fistula rat”, model where each BA is acutely administered through duodenal and femoral infusion and bile collected at different time interval allowing to define the relationship between structure and intestinal absorption and hepatic uptake ,metabolism and systemic spill-over. One of the studied analogues, 6α-ethyl-3α7α-dihydroxy-5β-cholanic acid, analogue of CDCA (INT 747, Obeticholic Acid (OCA)), recently under approval for the treatment of cholestatic liver diseases, requires additional studies to ensure its safety and lack of toxicity when administered to patients with a strong liver impairment. For this purpose, CCl4 inhalation to rat causing hepatic decompensation (cirrhosis) animal model has been developed and used to define the difference of OCA biodistribution in respect to control animals trying to define whether peripheral tissues might be also exposed as a result of toxic plasma levels of OCA, evaluating also the endogenous BAs biodistribution. An accurate and sensitive HPLC-ES-MS/MS method is developed to identify and quantify all BAs in biological matrices (bile, plasma, urine, liver, kidney, intestinal content and tissue) for which a sample pretreatment have been optimized.