Anouk Bosman

Het beschermen van de voedselvoorziening en het minimaliseren van schadelijke mycotoxine besmetting zijn nauw met elkaar verbonden. Recente gegevens wijzen erop dat de sociaaleconomische impact van deze stoffen wereldwijd toeneemt, met aanzienlijke verschillen tussen regio’s en bevolkingsgroepen. Toegang tot betrouwbare, doelgerichte detectiemethoden is daarom essentieel. Draagbare detectiesystemen maken tijdige besluitvorming mogelijk op kritieke punten in de voedselvoorziening en verbeteren het monitoren en risicobeheer. Hierdoor groeit de vraag naar draagbare detectiesystemen voor mycotoxinen. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat mid-infrarood (MIR) spectroscopie geschikt is voor draagbare mycotoxine detectie, maar er blijven beperkingen bestaan door het gebrek aan meetzekerheid en detectie capaciteit. Het onderzoek in deze thesis beschrijft hoe deze beperking kan worden opgelost door innovatieve methodes te introduceren die monstervoorbereiding integreren en MIR-spectroscopie verbeteren. Daardoor wordt directe detectie van mycotoxinen in voeding op gereguleerde niveaus mogelijk. Deze innovaties richten zich op de ontwikkeling van een nieuw, 3D-geprint apparaat voor monstervoorbewerking en op de ontwikkeling van ‘selective paper-enhanced infrared spectroscopy’ (S-PEIRS). In Hoofdstuk 1 werden de motivatie en de wetenschappelijke achtergrond van het werk in dit proefschrift geïntroduceerd, waarbij de onderwerpen mycotoxineanalyse, geïntegreerde monstervoorbereiding met behulp van 3D-printen, papiergebaseerde microfluidica en IR-spectroscopie aan bod kwamen.

In Hoofdstuk 2 beschreef ik de ontwikkeling van een betaalbaar 3D-geprint apparaat dat past in een bestaande methode voor het meten van mycotoxinen buiten het laboratorium. Besmette tarwekorrels werden gemalen met het apparaat, daartoe uitgerust met een universele accuboormachine, en de deeltjes werden intern gezeefd. Het vermalen en verkrijgen van gezeefde tarwedeeltjes duurde slechts vijf minuten. Daarnaast konden tien nieuwe gebruikers het apparaat bedienen met minimale instructies. Door het modulaire ontwerp kon extractie van deoxynivalenol (DON) direct worden uitgevoerd in het apparaat. Na het opbrengen van het extract op een laterale flowtest kon DON worden gedetecteerd, en de volledige workflow kon in 15 minuten worden afgerond. De efficiëntie van het 3D-geprinte apparaat werd vergeleken met een molen uit het laboratorium, en de nieuwe workflow toonde een sterk verband met de laboratoriumanalyse. Deze ontwikkelingen laten duidelijk het potentieel van 3D-printen zien voor geïntegreerde monstervoorbereiding buiten het laboratorium.

In Hoofdstuk 3 werd een nieuw methodologisch kader geïntroduceerd om de beperkingen van MIR-spectroscopie voor detectie op gereguleerde niveaus te overwinnen. In de Europese Unie is de toegestane limiet voor DON in onbewerkte tarwe vastgesteld op maximaal 1000 µg/kg. Bij deze lage concentraties zijn DON-moleculen niet detecteerbaar met standaard MIR-spectroscopie instrumenten, en zeker niet in complexe matrices zoals tarwe. De nieuwe methode, S-PEIRS, omvat de volgende stappen: (i) zuivering van tarwe-extracten met eenvoudige immuno-affiniteitschemie, (ii) ophopen van DON-moleculen in een papieren strip, (iii) MIR-analyse van de opgehoopte stoffen op de papieren strip en, (iv) diepgaande data-analyse om het moleculaire kenmerk van DON bij een specifieke golflengte te detecteren, zo laag als 1000 µg/kg in verschillende tarwesoorten. Daarmee, toont S-PEIRS het potentieel van IR-spectroscopie met papier als innovatieve methode voor voedselveiligheidsanalyse met moleculaire meetzekerheid.

In Hoofdstuk 4 werd S-PEIRS uitgebreid om een andere, nog veel strenger gereguleerde mycotoxine kwantitatief te detecteren; namelijk ochratoxine A (OTA). OTA komt vaak voor in voedingsmiddelen zoals granen, wijn, koffie en specerijen. De toegestane limiet die door de EU is vastgesteld voor wijn is slechts 2 µg/kg, wat 500 keer lager is dan de limiet voor DON in tarwe. OTA-moleculen vertonen verschillende ladingen bij variërende pH. Deze eigenschap werd gebruikt om OTA over te brengen van een groot wijnvolume naar een klein extract, waardoor de concentratie aanzienlijk werd verhoogd. Vervolgens werd S-PEIRS aangepast om het moleculaire kenmerk van OTA bij een specifieke golflengte te detecteren. Door verdere zuivering van het extract en verrijking van OTA-moleculen in de papieren strip werd kwantitatieve detectie van OTA tot 2 µg/kg in wijn mogelijk. Dit is de eerste keer dat zulke lage concentraties kwantitatief konden worden gemeten met MIR spectroscopie en dit verbreedt de verdere toepassing van MIR voor streng gereguleerde stoffen, ook buiten het gebied van voedselveiligheid.

In Hoofdstuk 5 beschreef ik in een algemene beschouwing de belangrijkste onderwerpen van het proefschrift, namelijk geïntegreerde 3D-geprinte monsterpreparatie en S-PEIRS, inclusief de belangrijkste uitdagingen en successen, en een vooruitblik op toekomstig onderzoek met voorlopige resultaten.