Evaluación de la calidad y del proceso de curación del jamón de cerdo ibérico mediante cromatografía de gases - espectrometría de movilidad iónica empleando un sistema de muestreo no destructivo

Abstract

La espectrometría de movilidad iónica (IMS) es una técnica analítica que se basa en la separación de iones gaseosos bajo la influencia de un campo eléctrico a través de una atmósfera de gas inerte a presión atmosférica. En los últimos años, el interés por el uso de esta técnica para el análisis de volátiles de muestras agroalimentarias se ha incrementado paralelamente al interés de los consumidores por conocer el origen y la calidad de los productos alimenticios que adquieren. En este contexto, el sector del jamón ibérico, que es uno de los productos cárnicos con mayor valor en el mercado, sigue en busca de procedimientos para asegurar de manera objetiva la calidad a nivel de régimen de alimentación y pureza racial de los cerdos, que afectan directamente a la calidad organoléptica del jamón. Además, se requiere que toda la cadena comercial pueda verificar la categoría de las piezas independientemente del sistema de trazabilidad de los productores, y que a la vez se pueda garantizar la ausencia de defectos organolépticos o de calidad como el de cala. Debido a que el jamón de bellota 100% ibérico procede de cerdos de pura raza engordados en montanera, pastoreando bellotas y hierba en la dehesa, su producción es más reducida y de un mayor coste, lo que se ve reflejado en su precio de mercado. Por tanto, es obvio que exista una demanda de técnicas instrumentales que sirvan para analizar y diferenciar la calidad del jamón ibérico en laboratorios de rutina a partir de muestras que impliquen el menor daño posible a las piezas, dando seguridad a las empresas implicadas en la cadena de producción y distribución y a los organismos de inspección sobre su calidad y así diferenciar los productos más valiosos. Por ello, la principal motivación de esta Tesis Doctoral fue explorar el potencial de la cromatografía de gases - espectrometría de movilidad iónica (GC-IMS) y otras técnicas instrumentales para desarrollar una metodología objetiva de análisis del jamón que permita discriminar muestras según el régimen de alimentación y la pureza racial del cerdo y según la presencia o no de defectos en las piezas, concretamente de la podredumbre denominada cala. Para lograr este objetivo, se han desarrollado metodologías para tomar decisiones rápidas basadas en muestreos destructivos y no destructivos y en el análisis con GC-IMS, cromatografía de gases - espectrometría de masas (GC-MS) y espectroscopía Raman, con el jamón de bellota 100% ibérico como principal producto estudiado, para asegurar su calidad antes de su salida al mercado y así ayudar a justificar su precio de manera objetiva. Los resultados más relevantes derivados del trabajo experimental realizado en esta Tesis Doctoral se han publicado en seis artículos científicos. En cinco de ellos se usa la GC-IMS para asegurar la calidad del jamón ibérico curado. El resumen gráfico adjunto (Figura 1) muestra los objetivos específicos de cada trabajo y la metodología seguida. A su vez, estos objetivos están descritos en cada uno de los seis bloques en los que se subdivide esta Tesis. El bloque 1 tiene tres capítulos dedicados a: los principales retos analíticos actuales relacionados con el jamón ibérico (capítulo 1.1), las técnicas analíticas que ya han sido empleadas para abordar dichos retos (capítulo 1.2) y a la IMS (capítulo 1.3). El bloque 2 es una descripción detallada de los distintos equipos y materiales empleados en la presente Tesis Doctoral. El bloque 3 aborda el uso de la espectroscopía Raman como técnica de screening en un estudio interlaboratorio para la discriminación de loncheado de jamón ibérico según el régimen de alimentación del cerdo. El bloque 4 incluye tres capítulos dedicados al desarrollo de métodos de confirmación basados en GC-IMS para la clasificación de jamón ibérico por régimen de alimentación y pureza racial y para la detección de defectos. Así, el capítulo 4.1 desarrolla una metodología basada en la GC-IMS para la determinación de volátiles en jamón ibérico loncheado con los que diferenciar el régimen de alimentación del cerdo (bellota o pienso). El capítulo 4.2 describe el desarrollo de una metodología no-destructiva basada en el análisis de agujas impregnadas de grasa con GC-IMS para la determinación de volátiles en piezas intactas de jamón ibérico, con el objetivo de diferenciar el régimen de alimentación del cerdo (bellota o pienso) y su pureza racial. El capítulo 4.3 evalúa dos métodos analíticos que usan la GC-IMS o la GC-MS para la discriminación de jamón ibérico con defecto a través de su perfil volátil con un muestreo no destructivo para la pieza. El bloque 5 incluye dos capítulos dedicados a la transferencia de las metodologías de confirmación desarrolladas en el bloque anterior al ámbito industrial y/o a laboratorios de rutina. En este bloque, el capítulo 5.1 describe una metodología de control de calidad de los análisis realizados con GC-IMS para demostrar la viabilidad de esta técnica para el análisis rutinario de una gran cantidad de muestras en condiciones reales de laboratorio. A su vez, el capítulo 5.2 resume una serie de recomendaciones para calibrar y validar modelos quimiométricos robustos con datos obtenidos con GC-IMS de modo que sirvan como herramienta para predecir la categoría de muestras de alimentos, como el jamón ibérico. Por último, el bloque 6 expone la discusión de los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral. Como anexo final se incluye un listado de la producción científica conseguida.

Ion mobility spectrometry (IMS) is an analytical technique based on the separation of gaseous ions under the influence of an electric field through an inert gas atmosphere. In recent years, interest in the use of this technique for the analysis of volatiles in agri-food samples has increased in parallel with the interest of consumers in knowing the origin and quality of the food products they buy. In this context, the Iberian ham sector continues to search for procedures to objectively ensure the quality of its products at the level of feeding regime and racial purity of the pigs, which directly affect the organoleptic quality of the ham. In addition, the entire commercial chain must be able to verify the category of the pieces independently of the traceability system implemented by the producers, and at the same time guarantee the absence of organoleptic defects such as "cala". As acorn-fed 100% Iberian ham comes from purebred pigs fattened in an open range, grazing on acorns and natural pastures, its production is smaller and involves a higher cost, which is reflected in its market price; it is a product of differentiated quality linked to the fattening of Iberian pigs in the dehesa. Therefore, it is obvious that there is a demand for instrumental techniques to analyze Iberian ham in routine laboratories from samples that involve the least possible damage to the pieces, responding to companies and inspection bodies about their quality and thus differentiate the most valuable products. Therefore, the main motivation of this doctoral thesis was to explore the potential of gas chromatography-ion mobility spectrometry (GC-IMS) and other instrumental techniques to develop an objective methodology for analyzing ham that would make it possible to discriminate samples according to the feeding regime and racial purity of the pig and according to the presence or absence of defects in the pieces, specifically the spoilage known as “cala”. To achieve this objective, methodologies have been developed to make rapid decisions based on destructive and non-destructive sampling and analysis with GC-IMS, gas chromatographymass spectrometry (GC-MS) and Raman spectroscopy; with acorn-fed Iberian ham as the main product to be studied, to ensure its quality before it goes on the market and thus help to justify its price objectively. The most relevant results derived from the experimental work carried out in this doctoral thesis have been published in six scientific articles. Five of them use GC-IMS to ensure the quality of cured Iberian ham. The attached graphical summary (Figure 1) shows the specific objectives of each paper and the methodology followed to achieve them. In turn, these objectives are described in the chapters corresponding to each block of the six into which this thesis is subdivided, each with different chapters. Block 1 has three chapters dedicated to: the main current analytical challenges related to Iberian ham (chapter 1.1), the analytical techniques that have already been used to address these challenges (chapter 1.2) and IMS (chapter 1.3). Block 2 is a detailed description of the different equipment and materials used in this thesis (chapter 2.1). Block 3 deals with the use of Raman spectroscopy as a screening technique in an interlaboratory study for the discrimination of sliced Iberian ham according to the feeding regime of the pig (chapter 3.1). Block 4 includes three chapters dedicated to the development of confirmation methods based on GC-IMS for the classification of Iberian ham by feeding regime and racial purity and for the detection of defects. Chapter 4.1 develops a methodology based on GC-IMS for the determination of volatiles in sliced Iberian ham to differentiate the product based on the pig's feeding regime (acorn or feed). Chapter 4.2 describes the development of a non-destructive methodology based on the analysis of fat impregnated needles with GC-IMS for the determination of volatiles in intact pieces of Iberian ham, with the aim of differentiating the product on the basis of the pig's feeding regime (acorn or feed) and its racial purity. Chapter 4.3 evaluates two analytical methods that use GC-IMS or GC-MS to discriminate defective Iberian ham through its volatile profile with non-destructive sampling for the piece. Block 5 includes two chapters dedicated to transferring the confirmation methodologies developed in the previous block to the industrial setting and/or routine laboratories. In this block, chapter 5.1 describes a methodology for quality control of the analyses performed with GC-IMS to demonstrate the feasibility of this technique for the routine analysis of a large number of samples under real laboratory conditions. Chapter 5.2 summarizes a series of recommendations for calibrating and validating robust chemometric models with GC-IMS data to serve as a tool for predicting the category of agrifood samples, such as Iberian ham. Finally, section 6 presents the discussion of the results obtained in this doctoral thesis. A list of the scientific production achieved is included as a final appendix.