Integrated Risk Assessment Model for Multiple Mycotoxins in the Food Value Chain: a scientific approach for food security and sustainability

Abstract

As micotoxinas são compostos tóxicos produzidos por diferentes fungos que contaminam alimentos e que ocorrem naturalmente numa vasta gama de produtos, constituindo uma ameaça para a saúde humana e animal devido aos seus efeitos adversos, que vão desde perturbações gastrointestinais à mutagenicidade e cancro. As significativas perdas económicas estão associadas à baixa rentabilidade da produção, bem como à segurança dos produtos. A exposição a estas toxinas ocorre pela ingestão de produtos contaminado à base de cereais ou de origem animal devido a ração contaminada. Foram definidos regulamentos a nível mundial para estabelecer níveis máximos permitidos em alimentos para consumo animal e humano devido à sua importância para a saúde pública e ao seu impacto económico. O milho, sendo uma cultura cerealífera e representando uma cadeia de valor alimentar complexa, é propenso a esta contaminação na produção, armazenamento e distribuição, levando à bioacumulação e/ou ao aparecimento de uma coocorrência sinérgica ou aditiva de diferentes micotoxinas. Embora existam cada vez mais dados e esforços para compreender os padrões das micotoxinas e desenvolver estratégias adequadas para limitar a sua exposição, continuam a ser escassos os dados sobre métodos multi-analito e multi-matriz que incluam uma avaliação completa das cadeias de valor alimentar, nomeadamente do milho.Para colmatar a lacuna de conhecimento sobre este problema mundial, o objetivo desta tese foi desenvolver e validar, através do cumprimento das diretrizes europeias, métodos multi-analito e multi-matriz exatos, específicos e precisos, com um procedimento único de extração por QuEChERS, seguido de deteção por UHPLC-MS/MS de micotoxinas regulamentadas e emergentes em sementes, plantas em floração, milho-grão, silagem, ração animal e leite cru. Os métodos validados foram aplicados para caraterizar amostras reais de campos agrícolas (sementes, plantas em floração, milho-grão e forragem) e explorações leiteiras (silagem de milho e de erva, e ração animal) portuguesas, o que permitiu uma primeira visão do cenário micotóxico em Portugal, abrangendo diferentes fases de uma cadeia de produção em crescimento. Estudos de ocorrência e coocorrência de micotoxinas foram efetuados no leite cru, em linha com o interesse crescente do seu consumo, para avaliar a exposição humana e caraterização do risco. Os dados obtidos reforçam a necessidade de métodos analíticos multi-classe adequados para tomar decisões de gestão rigorosas no sentido de desenvolver e implementar estratégias sustentáveis e adequadas de mitigação e prevenção de micotoxinas.

Mycotoxins are toxic compounds produced by different food-contaminating fungi that naturally occur in a wide range of commodities, posing major threats to animal and human health due to their adverse effects ranging from gastrointestinal disorders to mutagenicity and cancer. Significant economic losses are associated with low crop yields and production profitability, as well as product safety. Exposure to these toxins occur by ingesting contaminated cereal based-products, or products originating from animals fed with contaminated feed. Worldwide regulations have been implemented to establish permitted maximum levels in certain feed and food commodities due to their public health significance and economic impact. Maize, being a cereal crop and representing a complex value chain that provides multiple feed and food products, is prone to these contamination in production, storage, and distribution, leading to bioaccumulation and/or appearance of synergistic or additive co-occurrence of different mycotoxins. Although there are data and increasing efforts to understand mycotoxin patterns and develop appropriate strategies to limit the exposure to mycotoxins, scarce data on multi-analyte and multi-matrix analysis comprising full assessment on feed and food value chains, namely for maize, are still an issue.To address the knowledge gap on this worldwide problem, the aim of this thesis was first to develop and validate through compliance of European guidelines, accurate, specific, and precise multi-analyte and multi-matrix methods as a unique QuEChERS-based extraction and clean-up procedure followed by UHPLC-MS/MS detection of regulated and emerging mycotoxins in crop seeds, flowering plants, maize grain and silage, animal feed, and raw milk. Application of the validated methods was performed to characterize real samples from Portuguese fields (seeds, flowering plants, maize grains, and maize forage) and dairy farms (maize silage, grass silage, and complete animal feed), which allowed a first insight on the mycotoxic scenario in Portugal comprehending different stages of a growing feed and food production and consumption chain. A mycotoxin occurrence and co-occurrence study was ultimately performed on raw milk, in line with the growing interest of its consumption, to design a human exposure assessment and risk characterization. Obtained data reinforce the need of proper analytical multi-analyte methods to fulfil accurate and precise management decisions towards sustainable and appropriate mycotoxin mitigation and prevention strategies.