• Título:  MÉTODOS MULTIVARIABLES CUALIMÉTRICOS PARA EL ASEGURAMIENTO Y CONTROL DE LA CALIDAD EN EL ÁMBITO DE LA SOBERANÍA Y CALIDAD ALIMENTARIA
• Autor:  PEREZ BELTRAN, CHRISTIAN HAZAEL
• Universidad:  Universidad de Granada
• Departamento:  Química analítica
• Fecha de Lectura:  24/03/2023
• Programa de doctorado:  Programa de Doctorado en Química por la Universidad de Granada
• Dirección: 
  • Jiménez Carvelo, Ana María (DIRECTOR)
  • CUADROS RODRÍGUEZ, LUIS (DIRECTOR)
• Tribunal: 
  • RUISÁNCHEZ CAPELÁSTEGUI, ITZIAR (PRESIDENTE)
  • GONZÁLEZ CASADO, ANTONIO (SECRETARIO)
  • Ruiz Samblás, Cristina (VOCAL)
• Descriptores: 
  • QUIMICA ANALITICA
  • INTELIGENCIA ARTIFICIAL
• Fichero de tesis:
• ISBN:  9788411177924
• https://digibug.ugr.es/bitstream/handle/10481/81249/95212.pdf?sequence=4&isAllowed=y
• Resumen:
  Motivación de la tesis El uso de herramientas estadísticas multivariable o quimiométricas para el control y aseguramiento de la calidad de procesos y productos es una rutina hoy en día implantada en la industria farmacéutica. Estos procedimientos estadísticos pueden involucrar el tratamiento de datos basados en el uso de números individuales (enfoque univariable) o de vectores/matrices de datos (enfoque multivariable) relacionados directamente con la calidad del producto final. El enfoque multivariable es el de mayor uso y utilidad debido a la gran cantidad de información relevante que se obtiene del control de procesos. Sin embargo, a pesar de su recomendable uso, la industria alimentaria en general, y los laboratorios analíticos en particular lo utilizan en muy poca o nula medida para el aseguramiento de calidad de productos alimenticios. Esta falta de aplicación puede deberse al desconocimiento de su existencia, desconfianza o por la creencia infundada que son herramientas bastante complejas. Este déficit de uso podría estar ocasionando una pérdida de valiosa información analítica que podría contribuir al mejoramiento continuo, aseguramiento de la calidad, aumento en la confianza de sus métodos analíticos y de sus resultados. Contrariamente a lo que ocurre en la industria farmacéutica, los laboratorios analíticos que trabajan en el ámbito alimentario aún siguen haciendo uso exclusivo del enfoque univariable para el control y seguimiento de la calidad de sus productos alimenticios. Dichas actividades suelen ser realizadas y analizadas de manera individual, cuando es posible tomar en cuenta múltiples datos para su mejor tratamiento y entendimiento mediante acciones sugeridas por las Tecnología Analítica para Procesos (PAT, 'Process Analytical Technology') [1] y la Calidad mediante el Diseño (QbD, 'Quality by Design') [2], logrando obtener datos más significativos, métodos analíticos optimizados y productos alimenticios de mayor calidad. Dado este contexto, es sumamente importante el desarrollo, actualización y adopción del enfoque multivariable en los laboratorios analíticos dentro de sus actividades de aseguramiento y control de calidad de productos alimenticios, por lo que esta tesis doctoral toma esa dirección y parte de la siguiente hipótesis: Es posible implementar el uso de herramientas matemáticas/estadísticas, recomendadas por organismos internacionales y utilizadas por la industria farmacéutica, en laboratorios del ámbito alimentario para desarrollar métodos analíticos multivariable capaces de facilitar el proceso de control y aseguramiento de calidad de productos alimenticios. La razón principal de ello reside en que, mediante el uso de un enfoque multivariable los procedimientos de producción y/o evaluación de calidad se podrían agilizar y optimizar. Teniendo como objetivo: Desarrollar nuevos métodos analíticos multivariable cualimétricos que sean rápidos, confiables y eficientes para el aseguramiento y control de calidad de productos alimenticios, demostrando su aplicabilidad con el Tequila, aceite de oliva virgen y virgen extra. Desarrollo teórico En 1948 fue reconocido el concepto Derecho Alimentario (del inglés, 'Right to Food) en la Declaración de Derechos Humanos de las Naciones Unidas, pero no fue hasta 1996 cuando se formalizó la adopción del término "Derecho a una Alimentación Adecuada" ('Right to Adequate Food') durante la realización de la Cumbre Mundial sobre Alimentación. Allí, se adoptó la definición de seguridad alimentaria y expresa que existe seguridad alimentaria cuando todas las personas tienen en todo momento acceso físico y económico a suficientes alimentos inocuos y nutritivos para satisfacer sus necesidades y preferencias alimenticias a fin de llevar una vida activa y sana [3]. Unos años más tarde, durante el año 2003, se erigió el término de soberanía alimentaria, el cual se define como el derecho de las personas a definir su propia alimentación y agricultura; de proteger y regular su producción agrícola doméstica y de comercializar para lograr objetivos de desarrollo sostenible; de determinar el grado en el cual quieren ser autosuficientes; y de restringir el ingreso de productos no deseados en sus mercados [4]. La soberanía alimentaria no niega la comercialización, al contrario, promueve la formulación de políticas y prácticas de comercio que sirvan para los derechos de las personas para una producción alimentaria segura, sana y ecológicamente sostenible. Para lograr los objetivos planteados por la seguridad y soberanía alimentaria es necesario implementar puntos de control de calidad durante los procesos de elaboración de los productos alimenticios, así como al producto final. Estos controles de calidad consideran los aspectos de seguridad (p.ej., física, química y microbiológico) y, sensorial y nutricional, siendo el color, sabor, apariencia y textura factores críticos para la calidad sensorial de los alimentos [5]. En sus inicios, el punto de control de calidad era implementado únicamente cuando el producto estaba finalizado, denominada como Calidad mediante el Ensayo (QbT, 'Quality by Testing'), obteniendo solamente un resultado por análisis (enfoque univariable). Normalmente, la aplicación del enfoque univariable utiliza como dato de partida un número o escalar (tensor de orden 0), relacionado con compuestos específicos en la muestra, tal como la concentración de un contaminante obtenida a través de una calibración univariable o la temperatura de una sustancia obtenida con un termómetro; mientras que el enfoque multivariable hace uso de vectores (tensor de orden 1), matrices (tensor de orden 2) o cubos (tensor de orden 3) [6]. No obstante, el enfoque univariable sigue siendo aplicado en la industria alimentaria para controlar la calidad de procesos y sistemas multifactoriales complejos, como lo son los alimentos, ocasionando pérdida de información al no considerar otras variables que podrían estar interaccionando entre sí, lo cual conlleva a tomar decisiones ineficientes o erróneas y a elaborar productos y subproductos alimenticios de baja calidad, así como llevar a cabo un gasto elevado de reactivos y disolventes. Por tanto, es necesario y aconsejable cambiar a un enfoque multivariable cuando se trata de recabar toda la información e interacciones relacionadas con el proceso de producción y el alimento para asegurar y controlar la calidad de una manera más sencilla y eficiente. En cromatografía de líquidos, los cromatogramas son considerados señales inespecíficas cuando se obtienen en un periodo corto de tiempo y la resolución de los picos y su separación no es el objetivo principal y, en técnicas espectroscópicas, cuando se realizan las mediciones directamente sobre las matrices alimenticias. Estas señales inespecíficas contienen información de los compuestos que conforman la muestra, sobre los cuales se desconoce su identificación a priori [7]. La utilización de estas señales inespecíficas ha generado la aplicación de la metodología de trabajo conocida como 'huellas instrumentales'. La metodología de huellas instrumentales consiste en una obtención rápida y simple de una señal única y característica para cada muestra analizada, relacionada con sus propiedades y composición química, mediante un instrumento analítico capaz de generar, captar y almacenar enormes cantidades de datos en forma de espectros, cromatogramas, termogramas, voltamperogramas, electroferograma o imágenes, entre otros. A causa de la complejidad de las señales obtenidas, es necesario recurrir a técnicas avanzadas de tratamiento de datos para lograr la extracción de información útil y relevante, que generalmente no se manifiesta de forma explícita, que ayuden a autentificar de forma inequívoca la muestra analizada, tal como las que forman parte del área de estudio de la quimiometría. De acuerdo a la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, 'International Union of Pure and Applied Chemistry') la quimiometría se define como la ciencia que utiliza métodos matemáticos y estadísticos para extraer la mayor información de un grupo de señales analíticas complejas [8]. Paralelamente, el organismo de normalización estadounidense, actualmente denominado ASTM International, (que proviene de la denominación originaria, 'American Society for Testing and Materials') define a los métodos de análisis multivariable como una herramienta apropiada para explorar y manejar grandes conjuntos de datos heterogéneos, mapear datos de alta dimensionalidad en representaciones de menos dimensión, exponer correlaciones significativas entre variables multivariadas dentro de un solo conjunto de datos o correlaciones significativas entre variables multivariadas a través de conjuntos de datos [9]. Entre estas herramientas quimiométricas, destacan aquellas conocidas como de reconocimiento de pautas, que se dividen en dos grupos principales: (i) técnicas de reconocimiento de pautas no supervisado y (ii) técnicas de reconocimiento de pautas supervisado, dentro de las cuales se pueden encontrar distintos y variados modelos estadísticos/matemáticos. Dichas herramientas estadísticas han sido utilizadas esta tesis doctoral en conjunto con la técnica de cromatografía de líquidos y técnicas no destructivas, como espectroscopía de infrarrojo medio con transformada de Fourier (FTIR), de infrarrojo cercano (NIR) y espectroscopia Raman con sistema de compensación espacial (SORS), para el desarrollo de diferentes métodos analíticos multivariable que contribuyan al aseguramiento y control de calidad alimentario, específicamente, del aceite de oliva y tequila. La alta demanda del aceite de oliva y tequila despierta un gran interés por parte de personas y/u organizaciones que buscan obtener beneficios económicos de manera ilícita realizando fraude alimentario, lo cual convierte a estos productos en blancos claros y propensos a sufrir modificaciones mediante la adulteración y/o falsificación. Por un lado, la adulteración hace referencia a la sustitución y/o adición deliberada y no declarada de sustancias o compuestos con el fin de modificar la composición intrínseca original del alimento para obtener mayores rendimientos económicos y de producción [10]. Por otro lado, la falsificación se define como la operación de imitación, reacondicionamiento, reconstrucción, alteración de las características de calidad, con el objetivo de obtener productos similares a los originales [11,12]. Entre los fraudes más comunes con respecto al aceite de oliva son aquellos relacionados con los aceites de oliva virgen (AOV) y virgen extra (AOVE), ya que son los que alcanzan los precios más superiores en el mercado. Uno de los fraudes es su mezclado con otros aceites de menor calidad, los cuales son más baratos de producir, aumentando los márgenes de producción y ganancias económicas de manera ilegal. Otro fraude es su etiquetado engañoso, declarando que un aceite de oliva de menor calidad (p.ej., refinado o de orujo) es AOVE, o también ocultar el verdadero lugar de origen del aceite [13]. Mientras que los fraudes más comunes relacionados con el tequila también tienen que ver con su mal etiquetado, indicando que un tequila de una clase inferior y más económica (Tequila Reposado) pertenece a una clase superior de mayor precio (Tequila Extra-Añejo); adición de compuestos edulcorantes a tequilas de clases inferiores para darles la apariencia de tequilas añejos o extra añejos y, la más grave de todas por poner en riesgo la vida del consumidor, la producción de tequila o mezclado de tequilas auténticos con alcoholes no permitidos, como lo es el metanol en la mayoría de los casos, o propanol, etilenglicol, entre otros [14,15], lo cual sigue siendo un problema hoy en día a pesar del gran número de métodos analíticos existentes para verificar la autenticidad del tequila [16]. Hoy en día, la detección de este tipo de adulteraciones y/o falsificaciones suele ser tardía, ya que se descubren una vez que los productos se encuentran en el mercado, tanto nacional como internacional, así como también suele ser larga y laboriosa debido a que esta detección se realiza mediante métodos analíticos convencionales en laboratorios analíticos especializados. Ante esta situación, el uso de una novedosa metodología, denominada agnostización instrumental [17,18], podría ser de gran utilidad para combatir la adulteración y/o falsificación que sufren los productos alimenticios al ser transportados desde su lugar de origen hasta su punto de venta y/o consumo. Esto, gracias a que la agnostización instrumental permite la obtención de huellas instrumentales estandarizadas que puedan ser comparables aun cuando: (i) hayan sido obtenidas en dos o más instrumentos analíticos similares, (ii) las condiciones de los instrumentos analíticos varíen debido a su inherente particularidad, o (iii) los tiempos e intensidades de las señales sean distintos [18]. Para lograrlo, esta metodología se basa en dos fases: (1) establecimiento previo de un conjunto de valores estandarizados de tiempos, constantes independientes del sistema (SRS, 'standard retention scores') y (2) estandarización tanto las intensidades como los tiempos de retención, utilizando los SRS previamente establecidos, que constituye la etapa de agnostización propiamente dicha. Conclusión Se han desarrollado cinco nuevos métodos analíticos multivariable rápidos, confiables y eficientes con aplicabilidad demostrada en la autentificación de la calidad del tequila y aceite de oliva, por lo que podrían ser implementados en la industria alimentaria para aumentar la eficiencia en el aseguramiento y control de calidad de estos productos alimenticios. Se exploró la utilidad de la metodología agnostización instrumental sobre huellas cromatográficas de aceite de oliva, obtenidas mediante cromatografía de líquidos acoplada a un detector ultravioleta/visible (LC-UV/Vis), para construir modelos matemáticos con análisis discriminante mediante regresión parcial de mínimos cuadrados (PLS-DA) y modelado flexible e independiente por analogía de clases (SIMCA) capaces de detectar adulteraciones en dichos aceites. Se demostró el valor intrínseco que posee la agnostización instrumental para transferir métodos analíticos multivariable entre laboratorios utilizando para ello huellas cromatográficas agnostizadas de Tequila Blanco, obtenidas mediante HPLC con un sistema de detección de diodos (DAD) en laboratorios diferentes con las cuales se desarrolló una base de datos global y un modelo matemático único para diferenciar entre las categorías '100 % de agave' y 'mixto' de muestras de Tequila Blanco, analizadas en España y México. También se aplicaron las distintas técnicas espectroscópicas FTIR, NIR y SORS para desarrollar distintos métodos analíticos multivariable capaces de autentificar la calidad de las categorías de muestras de Tequila Blanco mediante técnicas de reconocimiento de pautas supervisado, como PLS-DA, sistema de aprendizaje automático mediante vectores soporte (SVM), SIMCA, k-vecinos cercanos (kNN), así como para cuantificar su contenido alcohólico con las técnicas de calibración multivariable PLSR y SVMR. Finalmente, se propuso la aplicación de estos métodos analíticos multivariable en las cadenas alimentarias de cada una de las industrias olivarera y tequilera. Bibliografía [1] US FDA, Guidance for industry: PAT ¿ A framework for innovative pharmaceutical development, manufacturing, and quality assurance, U.S. Food and Drug Administration, 2004. 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