Crédito:Oficina de noticias del MIT
En un esfuerzo por reducir la pérdida de alimentos debido al deterioro, los investigadores del MIT desarrollaron un nuevo sensor que detecta pequeñas cantidades de etileno, un gas que promueve la maduración de las plantas. Los sensores de bajo costo están hechos de láminas de nanotubos de carbono laminados con átomos de cobre agregados y cuestan aproximadamente 25 centavos, mientras que agregar un chip RFID para comunicación inalámbrica solo agregaría otros 75 centavos al costo total.
Cada año, los supermercados de EE. UU. pierden aproximadamente el 10 por ciento de sus frutas y verduras debido al deterioro, según el Departamento de Agricultura. Para ayudar a combatir esas pérdidas, el profesor de química del MIT, Timothy Swager, y sus estudiantes han construido un nuevo sensor que podría ayudar a los comerciantes y distribuidores de alimentos a controlar mejor sus productos.
Los nuevos sensores, descritos en la revista Angewandte Chemie , puede detectar pequeñas cantidades de etileno, un gas que favorece la maduración de las plantas. Swager imagina sensores económicos adheridos a cajas de cartón de productos agrícolas y escaneados con un dispositivo portátil que revelaría la madurez del contenido. De esa forma, los tenderos sabrían cuándo poner ciertos artículos a la venta para moverlos antes de que maduren demasiado.
"Si podemos crear equipos que ayuden a las tiendas de comestibles a administrar las cosas con mayor precisión y tal vez reducir sus pérdidas en un 30 por ciento, eso sería enorme", dice Swager, profesor de química John D. MacArthur.
La detección de gases para monitorear el suministro de alimentos es una nueva área de interés para Swager, cuya investigación anterior se ha centrado en sensores para detectar explosivos o agentes de guerra química y biológica.
“La comida es algo que es realmente importante para crear sensores, y vamos tras la comida en un sentido amplio”, dice Swager. También está buscando monitores que puedan detectar cuándo los alimentos se vuelven mohosos o desarrollan un crecimiento bacteriano, pero como su primer objetivo, eligió el etileno, una hormona vegetal que controla la maduración.
Las plantas secretan cantidades variables de etileno a lo largo de su proceso de maduración. Por ejemplo, los plátanos permanecerán verdes hasta que liberen suficiente etileno para comenzar el proceso de maduración. Una vez que comienza la maduración, se produce más etileno y la maduración se acelera. Si ese plátano amarillo perfecto no se come en su punto máximo de madurez, el etileno lo volverá marrón y blando.
Los distribuidores de frutas intentan ralentizar este proceso manteniendo muy bajos los niveles de etileno en sus almacenes. Dichos almacenes emplean monitores que utilizan cromatografía de gases o espectroscopia de masas, que pueden separar gases y analizar su composición. Esos sistemas cuestan alrededor de $1200 cada uno.
“En este momento, la única vez que las personas monitorean el etileno es en estas enormes instalaciones, porque el equipo es muy costoso”, dice Swager.
Detección de madurez
Financiado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, el equipo del MIT construyó un sensor que consiste en una serie de decenas de miles de nanotubos de carbono:láminas de átomos de carbono enrollados en cilindros que actúan como "autopistas" para el flujo de electrones.
Para modificar los tubos para detectar gas etileno, los investigadores agregaron átomos de cobre, que sirven como "golpes de velocidad" para reducir la velocidad de los electrones que fluyen. "Cada vez que pones algo en estos nanotubos, estás haciendo baches porque estás tomando este sistema perfecto y prístino y le estás poniendo algo", dice Swager.
Los átomos de cobre retardan un poco los electrones, pero cuando el etileno está presente, se une a los átomos de cobre y retarda aún más los electrones. Al medir cuánto se ralentizan los electrones, una propiedad también conocida como resistencia, los investigadores pueden determinar cuánto etileno está presente.
Para hacer que el dispositivo sea aún más sensible, los investigadores agregaron pequeñas gotas de poliestireno, que absorbe el etileno y lo concentra cerca de los nanotubos de carbono. Con su última versión, los investigadores pueden detectar concentraciones de etileno tan bajas como 0,5 partes por millón. La concentración requerida para la maduración de la fruta suele estar entre 0,1 y una parte por millón.
Los investigadores probaron sus sensores en varios tipos de frutas (plátano, aguacate, manzana, pera y naranja) y pudieron medir con precisión su madurez al detectar la cantidad de etileno que secretaban las frutas.
El autor principal del artículo que describe los sensores es Birgit Esser, un postdoctorado en el laboratorio de Swager. El estudiante de posgrado Jan Schnorr también es autor del artículo.
John Saffell, director técnico de Alphasense, una empresa que desarrolla sensores, describe el enfoque del equipo del MIT como riguroso y centrado. “Este sensor, si se diseña e implementa correctamente, podría reducir significativamente el nivel de deterioro de la fruta durante el envío”, dice.
“En un momento dado, hay miles de contenedores de carga en los mares, transportando fruta y esperando que llegue a su destino con el grado de madurez correcto”, agrega Saffell, quien no participó en esta investigación. "Los costosos sistemas analíticos pueden monitorear la generación de etileno, pero en el negocio de envío sensible a los costos, no son económicamente viables para la mayoría de las frutas enviadas".
Swager solicitó una patente sobre la tecnología y espera iniciar una empresa para comercializar los sensores. En el trabajo futuro, planea agregar un chip de identificación por radiofrecuencia (RFID) al sensor para que pueda comunicarse de forma inalámbrica con un dispositivo portátil que muestre los niveles de etileno. El sistema sería extremadamente económico:alrededor de 25 centavos por el sensor de nanotubos de carbono más otros 75 centavos por el chip RFID, estima Swager.
"Esto se podría hacer con dispositivos electrónicos absolutamente baratos, casi sin energía", dice.
Referencia:"Detección selectiva de gas etileno usando dispositivos basados en nanotubos de carbono:utilidad en la determinación de la madurez de la fruta" por la Dra. Birgit Esser, Jan M. Schnorr y el Prof. Dr. Timothy M. Swager, 19 de abril de 2012, Angewandte Química .
DOI:10.1002/anie.201201042
