Crédit :Bureau de presse du MIT
Dans un effort pour réduire les pertes de nourriture dues à la détérioration, les chercheurs du MIT ont développé un nouveau capteur qui détecte de minuscules quantités d'éthylène, un gaz qui favorise la maturation des plantes. Les capteurs à faible coût sont fabriqués à partir de feuilles de nanotubes de carbone enroulés avec des atomes de cuivre ajoutés et coûtent environ 25 cents, tandis que l'ajout d'une puce RFID pour la communication sans fil n'ajouterait que 75 cents supplémentaires au coût total.
Chaque année, les supermarchés américains perdent environ 10 % de leurs fruits et légumes à cause de la détérioration, selon le ministère de l'Agriculture. Pour lutter contre ces pertes, le professeur de chimie du MIT Timothy Swager et ses étudiants ont construit un nouveau capteur qui pourrait aider les épiciers et les distributeurs alimentaires à mieux surveiller leurs produits.
Les nouveaux capteurs, décrits dans la revue Angewandte Chemie , peut détecter de minuscules quantités d'éthylène, un gaz qui favorise la maturation des plantes. Swager envisage les capteurs peu coûteux attachés aux boîtes en carton de produits et scannés avec un appareil portable qui révélerait la maturité du contenu. De cette façon, les épiciers sauraient quand mettre certains articles en vente pour les déplacer avant qu'ils ne soient trop mûrs.
"Si nous pouvions créer des équipements qui aideront les épiceries à gérer les choses avec plus de précision, et peut-être à réduire leurs pertes de 30 %, ce serait énorme", déclare Swager, professeur de chimie John D. MacArthur.
La détection de gaz pour surveiller l'approvisionnement alimentaire est un nouveau domaine d'intérêt pour Swager, dont les recherches précédentes se sont concentrées sur des capteurs pour détecter des explosifs ou des agents de guerre chimiques et biologiques.
"La nourriture est quelque chose qui est vraiment important pour créer des capteurs, et nous recherchons la nourriture au sens large", déclare Swager. Il recherche également des moniteurs qui pourraient détecter quand les aliments moisissent ou développent une croissance bactérienne, mais comme première cible, il a choisi l'éthylène, une hormone végétale qui contrôle la maturation.
Les plantes sécrètent des quantités variables d'éthylène tout au long de leur processus de maturation. Par exemple, les bananes resteront vertes jusqu'à ce qu'elles libèrent suffisamment d'éthylène pour démarrer le processus de maturation. Une fois que la maturation commence, plus d'éthylène est produit et la maturation s'accélère. Si cette banane jaune parfaite n'est pas consommée à pleine maturité, l'éthylène la rendra brune et pâteuse.
Les distributeurs de fruits tentent de ralentir ce processus en maintenant des niveaux d'éthylène très bas dans leurs entrepôts. Ces entrepôts utilisent des moniteurs qui utilisent la chromatographie en phase gazeuse ou la spectroscopie de masse, qui peuvent séparer les gaz et analyser leur composition. Ces systèmes coûtent environ 1 200 $ chacun.
"À l'heure actuelle, la seule fois où les gens surveillent l'éthylène, c'est dans ces immenses installations, car l'équipement est très coûteux", déclare Swager.
Détecter la maturité
Financée par le Bureau de recherche de l'armée américaine par l'intermédiaire de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, l'équipe du MIT a construit un capteur composé d'un réseau de dizaines de milliers de nanotubes de carbone :des feuilles d'atomes de carbone enroulées dans des cylindres qui agissent comme des « autoroutes » pour le flux d'électrons.
Pour modifier les tubes afin de détecter le gaz éthylène, les chercheurs ont ajouté des atomes de cuivre, qui servent de «ralentisseurs» pour ralentir les électrons en circulation. "Chaque fois que vous mettez quelque chose sur ces nanotubes, vous créez des ralentisseurs, car vous prenez ce système parfait et vierge et vous mettez quelque chose dessus", déclare Swager.
Les atomes de cuivre ralentissent un peu les électrons, mais lorsque l'éthylène est présent, il se lie aux atomes de cuivre et ralentit encore plus les électrons. En mesurant le ralentissement des électrons (une propriété également connue sous le nom de résistance), les chercheurs peuvent déterminer la quantité d'éthylène présente.
Pour rendre l'appareil encore plus sensible, les chercheurs ont ajouté de minuscules billes de polystyrène, qui absorbe l'éthylène et le concentre près des nanotubes de carbone. Avec leur dernière version, les chercheurs peuvent détecter des concentrations d'éthylène aussi faibles que 0,5 partie par million. La concentration requise pour la maturation des fruits est généralement comprise entre 0,1 et une partie par million.
Les chercheurs ont testé leurs capteurs sur plusieurs types de fruits (banane, avocat, pomme, poire et orange) et ont pu mesurer avec précision leur maturité en détectant la quantité d'éthylène sécrétée par les fruits.
L'auteur principal de l'article décrivant les capteurs est Birgit Esser, postdoc dans le laboratoire de Swager. L'étudiant diplômé Jan Schnorr est également l'auteur de l'article.
John Saffell, le directeur technique d'Alphasense, une société qui développe des capteurs, décrit l'approche de l'équipe du MIT comme rigoureuse et ciblée. "Ce capteur, s'il est conçu et mis en œuvre correctement, pourrait réduire considérablement le niveau de détérioration des fruits pendant le transport", déclare-t-il.
"À tout moment, il y a des milliers de conteneurs de fret sur les mers, transportant des fruits et espérant qu'ils arrivent à destination avec le bon degré de maturité", ajoute Saffell, qui n'a pas participé à cette recherche. "Des systèmes analytiques coûteux peuvent surveiller la génération d'éthylène, mais dans le secteur du transport maritime, sensible aux coûts, ils ne sont pas économiquement viables pour la plupart des fruits expédiés."
Swager a déposé un brevet sur la technologie et espère créer une entreprise pour commercialiser les capteurs. Dans des travaux futurs, il prévoit d'ajouter une puce d'identification par radiofréquence (RFID) au capteur afin qu'il puisse communiquer sans fil avec un appareil portable qui afficherait les niveaux d'éthylène. Le système serait extrêmement bon marché - environ 25 cents pour le capteur de nanotubes de carbone plus 75 cents supplémentaires pour la puce RFID, estime Swager.
"Cela pourrait être fait avec des appareils électroniques absolument bon marché, avec presque aucune alimentation", dit-il.
Référence :"Détection sélective du gaz éthylène à l'aide de dispositifs à base de nanotubes de carbone :utilité dans la détermination de la maturité des fruits" par le Dr Birgit Esser, Jan M. Schnorr et le professeur Dr Timothy M. Swager, 19 avril 2012, Angewandte Chimie .
DOI :10.1002/anie.201201042
