Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8107
Main Title: Formation, characterization and analysis of transformation products of food relevant mycotoxins
Translated Title: Bildung, Charakterisierung und Analyse von Transformationsprodukten lebensmittelrelevanter Mykotoxine
Author(s): Keller, Julia
Advisor(s): Haase, Hajo
Referee(s): Haase, Hajo
Koch, Matthias
Schneider, Rudolf
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Besides mycotoxins found worldwide in food and feed, the occurrence of transformation products (TPs) of mycotoxins poses a further threat for food safety. Simulation methods of natural abiotic and biotic degradation processes leading to TPs have the advantage of being fast and easy. This work investigates the application of several simulation methods to mimic phase I biotransformation reactions of mycotoxins and highlights the strengths and limitations of the tested systems. Also, the instrumental analysis, structural elucidation and toxicity of new TPs is a further key element of this work. Electrochemistry (EC) as method of choice is established for several years in pharmaceutical research. The electrochemical reactor is coupled online to a mass spectrometer and reaction products are analyzed online within minutes. Using a three-electrode flow-through cell the oxidation of zearalenone (ZEN), citrinin (CIT) and dihydroergocristine (DHEC) was achieved. Mostly hydroxylation, dealkylation, dehydrogenation and dimerization were observed. To obtain a comprehensive picture of EC coupled online to mass spectrometry (EC/MS) as reliable simulation technique, it was compared to Fenton-like reaction, UV-C irradiation, enzymatic in vitro assays with liver microsomes and oxidation with Ce(IV)sulfate. The combination of EC/MS and Fenton-like reaction was the most promising one leading to hydroxylated species which were also found in vitro, whereas Ce(IV) dimerized ZEN to several new dimeric species. A further concern for food safety is the lack of available standards of emerging mycotoxins or their TPs. Therefore, two strategies were investigated to produce standards: the electrochemical production with the synthesis cell was implemented as well as the two-staged biosynthesis using different fungal strains. The first stage was used to produce ZEN in high quantities and in a second step the successful stereoselective synthesis of conjugates like ZEN-14-sulfate (ZEN-14-S) and two ZEN-glucosides was achieved. Besides oxidation and conjugation reactions, mycotoxins with 1,3-dicarbonyle moieties can chelate with metal ions. Using fluorescence and UV/Vis spectroscopy, aluminum complexes of CIT and OTA were characterized. The complexation altered the optical properties and in case of CIT, enhanced the fluorescence. This enhancement can be used to decrease the limit of detection when using HPLC-FLD systems in routine analysis. The toxicity of emerging mycotoxins and TPs was assessed using the nematode Caenorhabditis elegans as well-established model organism, which is easy to cultivate and gives reliable toxicological data from different available biotests. CIT, ZEN and ZEN-14-S were tested on parameters like lifespan, reproduction, thermal and oxidative stress resistance as well as the metabolization in vivo. ZEN and ZEN-14-S were reduced to α- and β-zearalenol (ZEL) and α/β-ZEL-14-S and CIT was hydroxylated. CIT and ZEN led to a decrease of lifespan whereas ZEN-14-S had life elongation effects. All tested mycotoxin decreased significantly the reproduction. Taken together with data obtained in vivo and analyzed by HPLC-MS/MS, the worm can be easily used for toxicity tests for a variety of mycotoxins and their TPs.
Neben bereits bekannten Mykotoxinen, welche weltweit in Lebens- und Futtermitteln auffindbar sind, stellt das Vorhandensein von natürlichen Transformationsprodukten (TPs) ein weiteres Risiko für Mensch und Tier dar. Verschiedene Simulationsmodelle zur Nachahmung biotischer und abiotischer Abbauprozesse haben den Vorteil schnell und einfach durchführbar zu sein. Diese Arbeit untersucht die Anwendbarkeit diverser Simulationsmodelle auf Mykotoxine und bewertet die Stärken und Schwächen. Die instrumentelle Analyse, strukturelle Aufklärung und Toxizität neuentdeckter TPs ist ein weiteres wichtiges Element der vorliegenden Arbeit. Die Elektrochemie als Methode der Wahl wird schon seit Jahren in der Pharmazeutik eingesetzt, um Biotransformationsreaktionen zu simulieren. Hierfür wird der elektrochemische Reaktor mit einem Massenspektrometer gekoppelt und erlaubt so die minutenschnelle Analyse von TPs. Unter Verwendung einer Durchflusszelle wurde die Oxidation von Zearalenon (ZEN), Citrinin (CIT) und Dihydroergocristin (DHEC) untersucht. Hierbei konnten als typische Reaktionen die Hydroxylierung, Dehydrogenierung, Dealkylierung und Dimerisierung der Mykotoxine festgestellt werden. Die Elektrochemie wurde ebenfalls mit alternativen Simulationstechniken verglichen. Hierzu zählt die Bestrahlung mit UV-C Licht, die Fenton-like Reaktion, in vitro Tests mit Lebermikrosomen und die Oxidation mit Ce(IV)Sulfat. Die Kombination aus EC und Fenton-like Reaktion führte zu den meisten Übereinstimmungen hydroxylierter Spezies, welche auch in vitro gefunden wurden. Die Reaktion von ZEN mit Ce(IV) führte hingegen zu zahlreichen neuen ZEN Dimeren. Eine weitere Problematik ist der Mangel an verfügbaren Mykotoxin Standards. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Ansätze zur Herstellung von Reinsubstanzen verfolgt. Zum einen die Verwendung der EC-Synthesezelle mit der mg-Mengen generiert werden können und die Etablierung einer zweistufigen Biosynthese mithilfe verschiedener Pilzstämme. Im ersten Schritt wurde ZEN biosynthetisch hergestellt, um dann im Weiteren zu ZEN-14-Sulfat (ZEN-14-S) und ZEN-Glucosiden umgewandelt zu werden. Neben Oxidation und Konjugation können Mykotoxine auch mit Metallionen komplexieren, wenn sie über eine 1,3-Dicarbonyl Funktionalität verfügen. Mithilfe von Fluoreszenz- und UV/Vis-Spektroskopie wurden Ochratoxin A- und CIT-Aluminium Komplexe charakterisiert. Die Komplexierung geht bei CIT mit einer starken Fluoreszenzverstärkung einher, welche optimal in die Routineanalyse miteingebunden werden kann, um die Nachweisgrenze von CIT zu verbessern. Die Toxizität von Mykotoxinen und ihren TPs sollte mithilfe des Nematoden Caenorhabditis elegans untersucht werden. Dieser Modelorganismus ist überaus leicht zu handhaben und ermöglicht die Erfassung diverser toxikologisch relevanter Daten. Hierfür wurden die Auswirkungen von CIT, ZEN und ZEN-14-S auf Parameter wie Lebenslänge, Reproduktion und Stresstoleranz untersucht. In vivo konnte die Reduktion von ZEN zu α- und β-Zearalenol (ZEL) und von ZEN-14-S zu ZEL-14-S mittels HPLC-MS/MS festgestellt werden, wohingegen CIT oxidiert wird. Verglichen zur Kontrollgruppe, führten CIT und ZEN zu einer Verkürzung der mittleren Lebensdauer, während ZEN-14-S diese verlängerte. Weiterhin reduzierten die drei getesteten Mykotoxine die Anzahl der Nachkommen signifikant in Abhängigkeit zur eingesetzten Konzentration. Die Kombination von Biotests und der Untersuchung von Metaboliten in vivo mit C. elegans ist noch nicht fest etabliert, kann jedoch für verschiedene Mykotoxine und deren TPs überaus sinnvoll sein.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/8984
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8107
Exam Date: 13-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 29-May-2019
DDC Class: 543 Analytische Chemie
Subject(s): mycotoxins
electrochemistry
oxidation
metal complexes
transformation products
Mykotoxine
Elektrochemie
Oxidation
Metallkomplexe
Transformationsprodukte
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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