El sensor de alimentos tipo velcro, hecho de una serie de microagujas de seda, puede perforar los envases de plástico para tomar muestras de alimentos en busca de signos de deterioro y contaminación bacteriana. Crédito:Imagen:Felice Frankel
El conjunto de microagujas de seda que cambian de color podría ayudar a detener los brotes y evitar el desperdicio de alimentos.
Los ingenieros del MIT han diseñado un sensor de alimentos similar a un velcro, hecho de una serie de microagujas de seda, que atraviesa los envases de plástico para probar los alimentos en busca de signos de deterioro y contaminación bacteriana.
Las microagujas del sensor están moldeadas a partir de una solución de proteínas comestibles que se encuentran en los capullos de seda y están diseñadas para atraer líquido hacia la parte posterior del sensor, que está impresa con dos tipos de tinta especializada. Una de estas “biotintas” cambia de color al entrar en contacto con un fluido de cierto rango de pH, lo que indica que el alimento se ha echado a perder; el otro cambia de color cuando detecta bacterias contaminantes como la E patógena. coli .
Los investigadores conectaron el sensor a un filete de pescado crudo al que habían inyectado una solución contaminada con E. coli. Después de menos de un día, encontraron que la parte del sensor que estaba impresa con biotinta de detección de bacterias cambió de azul a rojo, una clara señal de que el pescado estaba contaminado. Después de algunas horas más, el biotinta sensible al pH también cambió de color, lo que indica que el pescado también se había echado a perder.
Los resultados, publicados hoy (9 de septiembre de 2020) en la revista Advanced Functional Materials , son un primer paso hacia el desarrollo de un nuevo sensor colorimétrico que puede detectar signos de deterioro y contaminación de los alimentos.
Los investigadores conectaron el sensor a un filete de pescado crudo al que le habían inyectado una solución contaminada con E. coli. Después de menos de un día, encontraron que la parte del sensor que estaba impresa con biotinta de detección de bacterias cambió de azul a rojo, una clara señal de que el pescado estaba contaminado. Después de algunas horas más, el biotinta sensible al pH también cambió de color, lo que indica que el pescado también se había echado a perder.
Crédito:Imagen:Jose-Luis Olivares, MIT. Textura del sensor cortesía de los investigadores
Dichos sensores inteligentes de alimentos podrían ayudar a prevenir brotes como la reciente contaminación por salmonella en cebollas y melocotones. También podrían evitar que los consumidores desechen alimentos que pueden haber pasado la fecha de caducidad impresa, pero que de hecho aún son consumibles.
“Hay una gran cantidad de alimentos que se desperdician debido a la falta de un etiquetado adecuado, y estamos tirando alimentos sin siquiera saber si están en mal estado o no”, dice Benedetto Marelli, profesor asistente de desarrollo profesional de Paul M. Cook en el Departamento de MIT. Ingeniería civil y medioambiental. “La gente también desperdicia mucha comida después de los brotes, porque no está segura de si la comida está realmente contaminada o no. Una tecnología como esta daría confianza al usuario final para no desperdiciar alimentos”.
Los coautores de Marelli en el artículo son Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. y A. John Hart.
Seda y estampado
El nuevo sensor para alimentos es producto de una colaboración entre Marelli, cuyo laboratorio aprovecha las propiedades de la seda para desarrollar nuevas tecnologías, y Hart, cuyo grupo desarrolla nuevos procesos de fabricación.
Hart desarrolló recientemente una técnica de floxografía de alta resolución, realizando patrones microscópicos que pueden habilitar sensores y componentes electrónicos impresos de bajo costo. Mientras tanto, Marelli había desarrollado un sello de microagujas a base de seda que penetra y entrega nutrientes a las plantas. En una conversación, los investigadores se preguntaron si sus tecnologías podrían combinarse para producir un sensor de alimentos impreso que monitoree la seguridad de los alimentos.
Esta ilustración esquemática muestra el sistema de control de la calidad de los alimentos propuesto que utiliza conjuntos de microagujas de seda con biotintas impresas como sensores colorimétricos. Crédito:Imagen cortesía de los investigadores
“Evaluar la salud de los alimentos simplemente midiendo su superficie a menudo no es suficiente. En algún momento, Benedetto mencionó el trabajo de microagujas de su grupo con plantas, y nos dimos cuenta de que podíamos combinar nuestra experiencia para hacer un sensor más efectivo”, recuerda Hart.
El equipo buscó crear un sensor que pudiera perforar la superficie de muchos tipos de alimentos. El diseño que se les ocurrió consistía en una serie de microagujas hechas de seda.
"La seda es completamente comestible, no tóxica y se puede usar como ingrediente alimentario, y es lo suficientemente robusta desde el punto de vista mecánico para penetrar a través de un amplio espectro de tipos de tejidos, como la carne, los duraznos y la lechuga", dice Marelli.
Una detección más profunda
Para hacer el nuevo sensor, Kim primero preparó una solución de fibroína de seda, una proteína extraída de los capullos de las polillas, y vertió la solución en un molde de microagujas de silicona. Después de secar, retiró el conjunto resultante de microagujas, cada una de las cuales medía aproximadamente 1,6 milímetros de largo y 600 micrones de ancho, aproximadamente un tercio del diámetro de una hebra de espagueti.
Luego, el equipo desarrolló soluciones para dos tipos de biotinta:polímeros imprimibles que cambian de color y que se pueden mezclar con otros ingredientes de detección. En este caso, los investigadores mezclaron en una biotinta un anticuerpo que es sensible a una molécula en E. coli . Cuando el anticuerpo entra en contacto con esa molécula, cambia de forma y empuja físicamente el polímero circundante, lo que a su vez cambia la forma en que la biotinta absorbe la luz. De esta forma, la biotinta puede cambiar de color cuando detecta bacterias contaminantes.
A la izquierda, puede ver un ejemplo de la matriz de microagujas con 100 agujas. A la derecha hay una imagen SEM de una sola aguja. Crédito:Imagen cortesía de los investigadores
Los investigadores crearon un biotinta que contenía anticuerpos sensibles a E. coli , y un segundo biotinta sensible a los niveles de pH que están asociados con el deterioro. Imprimieron la biotinta sensible a bacterias en la superficie de la matriz de microagujas, en el patrón de la letra "E", junto a la cual imprimieron la biotinta sensible al pH, como una "C". Ambas letras aparecieron inicialmente en color azul.
Luego, Kim incrustó poros dentro de cada microaguja para aumentar la capacidad de la matriz para extraer fluido a través de la acción capilar. Para probar el nuevo sensor, compró varios filetes de pescado crudo en un supermercado local e inyectó en cada filete un líquido que contenía E. coli , Salmonella, o el fluido sin ningún contaminante. Puso un sensor en cada filete. Luego, esperó.
Después de aproximadamente 16 horas, el equipo observó que la "E" cambió de azul a rojo, solo en el filete contaminado con E. coli , lo que indica que el sensor detectó con precisión los antígenos bacterianos. Después de varias horas más, tanto la "C" como la "E" de todas las muestras se pusieron rojas, lo que indica que todos los filetes se habían echado a perder.
Los investigadores también encontraron que su nuevo sensor indica contaminación y deterioro más rápido que los sensores existentes que solo detectan patógenos en la superficie de los alimentos.
“Hay muchas cavidades y agujeros en los alimentos donde se incrustan los patógenos, y los sensores de superficie no pueden detectarlos”, dice Kim. “Así que tenemos que conectarnos un poco más para mejorar la confiabilidad de la detección. Con esta técnica de perforación, tampoco tenemos que abrir un paquete para inspeccionar la calidad de los alimentos”.
El equipo está buscando formas de acelerar la absorción de fluidos por parte de las microagujas, así como la detección de contaminantes por parte de las biotintas. Una vez que se optimiza el diseño, prevén que el sensor podría usarse en varias etapas a lo largo de la cadena de suministro, desde los operadores en las plantas de procesamiento, que pueden usar los sensores para monitorear los productos antes de que se envíen, hasta los consumidores que pueden optar por aplicar los sensores. en ciertos alimentos para asegurarse de que sean seguros para comer.
Referencia:"Una tecnología de microagujas para el muestreo y la detección de bacterias en la cadena de suministro de alimentos" por Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., A. John Hart y Benedetto Marelli, 9 de septiembre de 2020, Avanzado Materiales funcionales .
DOI:10.1002/adfm.202005370
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) del MIT, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.
