Analytical Approaches for the Quality and Food Safety assessment of Olive Oil: Volatile Organic Compounds profiles, Antioxidants and Phthalates content monitoring

Abstract

In the plant kingdom, many fruits and seeds provide edible oils. However, olive oil, often referred to as "liquid gold," is the most important and widely used in the Mediterranean diet. Its nutritional value is considered to be twice that of cereals and ten times greater than that of wine. It is estimated that approximately 3 million tons of olive oil are consumed worldwide every year. This doctoral thesis focused on the study of olive oil, addressing three main themes aimed at deepening the understanding of this food matrix, from its chemical composition to the factors affecting its quality and safety. The first theme investigated the evolution of volatile organic compounds throughout the shelf life of olive oil, focusing on markers associated with positive attributes and sensory defects. A robust method was developed using solid-phase microextraction in headspace mode (HS-SPME), coupled with gas chromatography and mass spectrometry (GC/MS). This method allowed the identification of significant variations in the levels of volatile organic compounds (VOCs), particularly those derived from the lipoxygenase (LOX) pathway, over time. Principal component analysis (PCA) revealed a clear distinction between the volatile profiles of extra virgin olive oils and deteriorated oils. The relationship between E-2-hexenal and acetic acid proved to be a potential indicator for predicting the sensory disqualification of olive oil based on the evolution of volatile compounds during storage. The second theme explored the potential of olive oil as a nutraceutical product, em- phasizing the antioxidants hydroxytyrosol and tyrosol, both recognized for their health-promoting properties. A method was developed to efficiently extract these compounds from the by-products of olive oil production. These compounds were concentrated and added to the final olive oil, resulting in enriched olive oil and a concentrated antioxidant extract with functional applications.The third theme focused on the presence of plasticizers in olive oil, aiming to identify and quantify phthalate esters. Through a critical review, various analytical methods used for quantifying phthalates in olive oils and wines were evaluated, discussing analytical challenges and mitigation strategies. Additionally, a study was conducted to monitor contamination by plasticizers, including 23 phthalates and 9 phthalate substitutes, throughout the olive oil production and storage process. Using liquid-liquid extraction with hexane/methanol and analysis by gas chromatography coupled with tandem mass spectrometry (GC-MS/MS), with detection limits ranging from 0.001 to 0.103 mg/kg, it was observed that plasticizer levels progressively increased as olive oil went through production stages. The main sources of contamination were identified, highlighting the importance of minimizing plastic use along the production line and during storage. Diisononyl phthalate (DINP) was the most prevalent compound, found at concentrations exceeding the migration limits established by the European Union in some olive oils. The results presented in this thesis contribute to a deeper understanding of the quality, safety, and functional potential of olive oil, offering practical solutions to optimize its production and preservation, as well as promoting its valorization as a high-value-added food product.

No reino vegetal, inúmeros frutos e sementes são fontes de óleos comestíveis. Entre eles, destaca-se o azeite, frequentemente chamado de "ouro líquido", que ocupa uma posição central na dieta mediterrânica. O seu valor nutritivo é estimado como sendo duas vezes superior ao dos cereais e dez vezes maior do que o do vinho. Estima-se que, anualmente, cerca de 3 milhões de toneladas de azeite sejam consumidas em todo o mundo. A presente tese de doutoramento centrou-se no estudo do azeite, abordando três temáticas principais que visam aprofundar o conhecimento sobre esta matriz alimentar, desde a sua composição química até a fatores que afetam a sua qualidade e segurança. No primeiro tema, foi investigada a evolução dos compostos orgânicos voláteis ao longo da vida útil do azeite, com foco nos marcadores associados aos atributos positivos e defeitos sensoriais. Foi desenvolvido um método robusto utilizando microextração em fase sólida em espaço de cabeça (HS-SPME) acoplada à cromatografia gasosa e espectrometria de massas (GC/MS), que permitiu identificar variações significativas nos níveis de compostos orgânicos voláteis (COVs), especialmente os derivados da via lipoxigenase (LOX), ao longo do tempo. A análise por componentes principais (PCA) revelou uma clara distinção entre os perfis voláteis de azeites virgem extra e de azeites deteriorados. A relação entre o E-2-hexenal e o ácido acético demonstrou ser um possível indicador para prever a desqualificação sensorial do azeite com base na evolução dos compostos voláteis durante o armazenamento. O segundo tema explorou o potencial do azeite como um produto nutracêutico, com ênfase nos antioxidantes, hidroxitirosol e tirosol, ambos reconhecidos pelas suas propriedades benéficas para a saúde. Foi desenvolvido um método que permite a extração eficiente destes compostos a partir dos subprodutos da produção de azeite. Estes compostos foram concentrados e adicionados ao azeite final, resultando num azeite enriquecido e num extrato antioxidante concentrado com aplicações funcionais. O terceiro tema focou-se na presença de plastificantes no azeite, com o objetivo de identificar e quantificar ésteres de ftalato. Através de uma revisão crítica avaliou-se diversos métodos analíticos aplicados na quantificação de ftalatos em azeites e vinhos, discutindo-se os desafios analíticos e as estratégias de mitigação. Adicionalmente, foi conduzido um estudo que acompanhou a contaminação por plastificantes, 23 ftalatos e 9 substitutos de ftalatos ao longo do processo de produção e armazenamento do azeite. Através de extração líquido-líquido com hexano/metanol e análise por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (GC-MS/MS), com limite de deteção entre 0.001 to 0.103 mg/kg, observou-se que os níveis de plastificantes aumentavam progressivamente à medida que o azeite passava pelas etapas de produção. Foram identificadas as possíveis principais fontes de contaminação, destacando a importância de minimizar o uso de plásticos tanto ao longo da linha de produção quanto no armazenamento. O diisononil ftalato (DINP) foi o composto mais prevalente, sendo encontrado em concentrações superiores aos limites de migração estabelecidos pela União Europeia em alguns azeites. Os resultados apresentados nesta tese contribuem para a compreensão aprofundada da qualidade, segurança e potencial funcional do azeite, oferecendo soluções práticas para otimizar a sua produção e conservação, além de promover a sua valorização como um alimento de elevado valor agregado.