Credito:MIT News Office
Nel tentativo di ridurre la perdita di cibo dovuta al deterioramento, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo sensore che rileva piccole quantità di etilene, un gas che favorisce la maturazione delle piante. I sensori a basso costo sono costituiti da fogli di nanotubi di carbonio laminati con l'aggiunta di atomi di rame e costano circa 25 centesimi, mentre l'aggiunta di un chip RFID per la comunicazione wireless aggiungerebbe solo altri 75 centesimi al costo totale.
Ogni anno, i supermercati statunitensi perdono circa il 10% della loro frutta e verdura a causa del deterioramento, secondo il Dipartimento dell'Agricoltura. Per aiutare a combattere queste perdite, il professore di chimica del MIT Timothy Swager ei suoi studenti hanno costruito un nuovo sensore che potrebbe aiutare i droghieri e i distributori di cibo a monitorare meglio i loro prodotti.
I nuovi sensori, descritti nella rivista Angewandte Chemie , è in grado di rilevare piccole quantità di etilene, un gas che favorisce la maturazione delle piante. Swager immagina i sensori poco costosi attaccati alle scatole di cartone dei prodotti e scansionati con un dispositivo portatile che rivelerebbe la maturità del contenuto. In questo modo, i droghieri saprebbero quando mettere in vendita determinati articoli per spostarli prima che diventino troppo maturi.
"Se potessimo creare attrezzature che aiutino i negozi di alimentari a gestire le cose in modo più preciso e magari a ridurre le perdite del 30%, sarebbe enorme", afferma Swager, professore di chimica John D. MacArthur.
Il rilevamento dei gas per monitorare l'approvvigionamento alimentare è una nuova area di interesse per Swager, la cui precedente ricerca si è concentrata sui sensori per rilevare esplosivi o agenti di guerra chimici e biologici.
"Il cibo è qualcosa che è davvero importante per creare sensori intorno e stiamo cercando il cibo in senso lato", afferma Swager. Sta anche perseguendo monitor che potrebbero rilevare quando il cibo diventa ammuffito o sviluppa una crescita batterica, ma come primo obiettivo ha scelto l'etilene, un ormone vegetale che controlla la maturazione.
Le piante secernono quantità variabili di etilene durante il loro processo di maturazione. Ad esempio, le banane rimarranno verdi fino a quando non rilasceranno abbastanza etilene per iniziare il processo di maturazione. Una volta iniziata la maturazione, viene prodotto più etilene e la maturazione accelera. Se quella banana gialla perfetta non viene mangiata al massimo della maturazione, l'etilene la farà diventare marrone e pastosa.
I distributori di frutta cercano di rallentare questo processo mantenendo i livelli di etilene molto bassi nei loro magazzini. Tali magazzini utilizzano monitor che utilizzano la gascromatografia o la spettroscopia di massa, che possono separare i gas e analizzarne la composizione. Questi sistemi costano circa $ 1.200 ciascuno.
"In questo momento, l'unico momento in cui le persone controllano l'etilene è in queste enormi strutture, perché le apparecchiature sono molto costose", afferma Swager.
Rilevamento della maturazione
Finanziato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti attraverso l'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT, il team del MIT ha costruito un sensore costituito da una serie di decine di migliaia di nanotubi di carbonio:fogli di atomi di carbonio arrotolati in cilindri che fungono da "autostrade" per il flusso di elettroni.
Per modificare i tubi per rilevare il gas etilene, i ricercatori hanno aggiunto atomi di rame, che fungono da "dossi di velocità" per rallentare il flusso di elettroni. "Ogni volta che metti qualcosa su questi nanotubi, stai facendo dossi, perché stai prendendo questo sistema perfetto e incontaminato e ci stai mettendo qualcosa", dice Swager.
Gli atomi di rame rallentano un po' gli elettroni, ma quando è presente l'etilene, si lega agli atomi di rame e rallenta ancora di più gli elettroni. Misurando quanto rallentano gli elettroni, una proprietà nota anche come resistenza, i ricercatori possono determinare la quantità di etilene presente.
Per rendere il dispositivo ancora più sensibile, i ricercatori hanno aggiunto minuscole perline di polistirene, che assorbe l'etilene e lo concentra vicino ai nanotubi di carbonio. Con la loro ultima versione, i ricercatori possono rilevare concentrazioni di etilene fino a 0,5 parti per milione. La concentrazione richiesta per la maturazione dei frutti è generalmente compresa tra 0,1 e una parte per milione.
I ricercatori hanno testato i loro sensori su diversi tipi di frutta - banana, avocado, mela, pera e arancia - e sono stati in grado di misurare con precisione la loro maturazione rilevando la quantità di etilene secreta dai frutti.
L'autore principale dell'articolo che descrive i sensori è Birgit Esser, un post-dottorato nel laboratorio di Swager. Anche il dottorando Jan Schnorr è un autore del documento.
John Saffell, direttore tecnico di Alphasense, un'azienda che sviluppa sensori, descrive l'approccio del team del MIT come rigoroso e mirato. "Questo sensore, se progettato e implementato correttamente, potrebbe ridurre significativamente il livello di deterioramento della frutta durante la spedizione", afferma.
"In ogni momento, ci sono migliaia di container nei mari, che trasportano frutta e sperano che arrivino a destinazione con il giusto grado di maturazione", aggiunge Saffell, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "I costosi sistemi analitici possono monitorare la produzione di etilene, ma nel settore delle spedizioni sensibili ai costi non sono economicamente sostenibili per la maggior parte della frutta spedita".
Swager ha depositato un brevetto sulla tecnologia e spera di avviare un'azienda per commercializzare i sensori. In futuro, ha in programma di aggiungere un chip di identificazione a radiofrequenza (RFID) al sensore in modo che possa comunicare in modalità wireless con un dispositivo portatile che visualizzerebbe i livelli di etilene. Il sistema sarebbe estremamente economico:circa 25 centesimi per il sensore di nanotubi di carbonio più altri 75 centesimi per il chip RFID, stima Swager.
"Questo potrebbe essere fatto con un'elettronica assolutamente a buon mercato, quasi senza alimentazione", afferma.
Riferimento:"Rilevamento selettivo del gas di etilene mediante dispositivi a base di nanotubi di carbonio:utilità nella determinazione della maturazione della frutta" del Dr. Birgit Esser, Jan M. Schnorr e del Prof. Dr. Timothy M. Swager, 19 aprile 2012, Angewandte Chemie .
DOI:10.1002/anie.201201042
