Il sensore per alimenti simile al velcro, costituito da una serie di microaghi di seta, può perforare l'imballaggio di plastica per campionare il cibo alla ricerca di segni di deterioramento e contaminazione batterica. Credito:Immagine:Felice Frankel
La serie di microaghi di seta che cambiano colore potrebbe aiutare a arginare i focolai ed evitare lo spreco di cibo.
Gli ingegneri del MIT hanno progettato un sensore per alimenti simile al velcro, costituito da una serie di microaghi di seta, che perfora gli imballaggi di plastica per campionare il cibo alla ricerca di segni di deterioramento e contaminazione batterica.
I microaghi del sensore sono modellati da una soluzione di proteine commestibili che si trovano nei bozzoli di seta e sono progettati per aspirare il fluido nella parte posteriore del sensore, che viene stampato con due tipi di inchiostro specializzato. Uno di questi “bioinchiostri” cambia colore a contatto con un fluido di un certo intervallo di pH, indicando che il cibo è andato a male; l'altro diventa colorato quando rileva batteri contaminanti come E. coli .
I ricercatori hanno collegato il sensore a un filetto di pesce crudo a cui avevano iniettato una soluzione contaminata da E. coli. Dopo meno di un giorno, hanno scoperto che la parte del sensore stampata con bioinchiostro sensibile ai batteri è passata da blu a rossa, un chiaro segno che il pesce era contaminato. Dopo qualche altra ora, anche il bioinchiostro sensibile al pH ha cambiato colore, segnalando che anche il pesce si era rovinato.
I risultati, pubblicati oggi (9 settembre 2020) sulla rivista Advanced Functional Materials , sono un primo passo verso lo sviluppo di un nuovo sensore colorimetrico in grado di rilevare segni di deterioramento e contaminazione degli alimenti.
I ricercatori hanno collegato il sensore a un filetto di pesce crudo a cui avevano iniettato una soluzione contaminata da E. coli. Dopo meno di un giorno, hanno scoperto che la parte del sensore stampata con bioinchiostro sensibile ai batteri è passata da blu a rossa, un chiaro segno che il pesce era contaminato. Dopo qualche altra ora, anche il bioinchiostro sensibile al pH ha cambiato colore, segnalando che anche il pesce si era rovinato.
Credit:Immagine:Jose-Luis Olivares, MIT. Texture del sensore per gentile concessione dei ricercatori
Tali sensori alimentari intelligenti potrebbero aiutare a prevenire focolai come la recente contaminazione da salmonella in cipolle e pesche. Potrebbero anche impedire ai consumatori di buttare via gli alimenti che potrebbero essere oltre la data di scadenza stampata, ma in realtà sono ancora consumabili.
"C'è molto cibo che viene sprecato a causa della mancanza di un'etichettatura adeguata e stiamo buttando via il cibo senza nemmeno sapere se è avariato o meno", afferma Benedetto Marelli, Paul M. Cook Career Development Assistant Professor presso il Dipartimento di MIT del MIT Ingegneria Civile e Ambientale. “Le persone sprecano anche molto cibo dopo le epidemie, perché non sono sicure se il cibo sia effettivamente contaminato o meno. Una tecnologia come questa darebbe fiducia all'utente finale per non sprecare cibo”.
I coautori di Marelli sull'articolo sono Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. e A. John Hart.
Seta e stampa
Il nuovo sensore alimentare è il prodotto di una collaborazione tra Marelli, il cui laboratorio sfrutta le proprietà della seta per sviluppare nuove tecnologie, e Hart, il cui gruppo sviluppa nuovi processi di produzione.
Hart ha recentemente sviluppato una tecnica di floxografia ad alta risoluzione, realizzando modelli microscopici che possono consentire elettronica e sensori stampati a basso costo. Nel frattempo, Marelli aveva sviluppato un timbro a microaghi a base di seta che penetra e fornisce sostanze nutritive alle piante. Durante una conversazione, i ricercatori si sono chiesti se le loro tecnologie potessero essere abbinate per produrre un sensore alimentare stampato che monitori la sicurezza alimentare.
Questa illustrazione schematica mostra il sistema di monitoraggio della qualità degli alimenti proposto che utilizza array di microaghi di seta con bioinchiostri stampati come sensori colorimetrici. Credito:Immagine per gentile concessione dei ricercatori
“Valutare la salute degli alimenti semplicemente misurandone la superficie spesso non è sufficiente. Ad un certo punto, Benedetto ha menzionato il lavoro del suo gruppo con i microaghi con le piante e ci siamo resi conto che potevamo unire la nostra esperienza per creare un sensore più efficace", ricorda Hart.
Il team ha cercato di creare un sensore in grado di perforare la superficie di molti tipi di cibo. Il design che hanno inventato consisteva in una serie di microaghi fatti di seta.
"La seta è completamente commestibile, non tossica e può essere utilizzata come ingrediente alimentare ed è abbastanza robusta dal punto di vista meccanico da penetrare attraverso un ampio spettro di tipi di tessuti, come carne, pesche e lattuga", afferma Marelli.
Un rilevamento più approfondito
Per realizzare il nuovo sensore, Kim ha prima preparato una soluzione di fibroina di seta, una proteina estratta dai bozzoli di falena, e ha versato la soluzione in uno stampo per microaghi di silicone. Dopo l'essiccazione, ha staccato la serie risultante di microaghi, ciascuno lungo circa 1,6 millimetri e largo 600 micron, circa un terzo del diametro di un filo di spaghetti.
Il team ha quindi sviluppato soluzioni per due tipi di bioinchiostro:polimeri stampabili che cambiano colore che possono essere miscelati con altri ingredienti sensibili. In questo caso, i ricercatori hanno mescolato in un bioinchiostro un anticorpo sensibile a una molecola in E. coli . Quando l'anticorpo entra in contatto con quella molecola, cambia forma e spinge fisicamente sul polimero circostante, che a sua volta cambia il modo in cui il bioinchiostro assorbe la luce. In questo modo, il bioink può cambiare colore quando rileva batteri contaminanti.
Sulla sinistra, puoi vedere un esempio dell'array di microaghi con 100 aghi. Sulla destra c'è un'immagine SEM di un singolo ago. Credito:Immagine per gentile concessione dei ricercatori
I ricercatori hanno realizzato un bioinchiostro contenente anticorpi sensibili a E. coli e un secondo bioinchiostro sensibile ai livelli di pH associati al deterioramento. Hanno stampato il bioinchiostro sensibile ai batteri sulla superficie dell'array di microaghi, nello schema della lettera "E", accanto alla quale hanno stampato il bioinchiostro sensibile al pH, come una "C". Entrambe le lettere inizialmente apparivano di colore blu.
Kim ha quindi incorporato i pori all'interno di ciascun microago per aumentare la capacità dell'array di aspirare fluido tramite un'azione capillare. Per testare il nuovo sensore, ha acquistato diversi filetti di pesce crudo da un negozio di alimentari locale e ha iniettato in ogni filetto un fluido contenente E. coli , Salmonella, o il fluido senza contaminanti. Ha infilato un sensore in ogni filetto. Poi, ha aspettato.
Dopo circa 16 ore, il team ha osservato che la "E" passava da blu a rossa, solo nel filetto contaminato da E. coli , indicando che il sensore ha rilevato accuratamente gli antigeni batterici. Dopo diverse altre ore, sia la "C" che la "E" in tutti i campioni sono diventate rosse, indicando che ogni filetto si era rovinato.
I ricercatori hanno anche scoperto che il loro nuovo sensore indica contaminazione e deterioramento più velocemente rispetto ai sensori esistenti che rilevano solo gli agenti patogeni sulla superficie degli alimenti.
"Ci sono molte cavità e buchi negli alimenti in cui sono incorporati agenti patogeni e i sensori di superficie non sono in grado di rilevarli", afferma Kim. “Quindi dobbiamo collegarci un po' più a fondo per migliorare l'affidabilità del rilevamento. Usando questa tecnica di piercing, non dobbiamo nemmeno aprire una confezione per controllare la qualità del cibo."
Il team è alla ricerca di modi per accelerare l'assorbimento del fluido da parte dei microaghi, nonché il rilevamento dei contaminanti da parte dei bioink. Una volta ottimizzato il design, prevedono che il sensore possa essere utilizzato in varie fasi della catena di approvvigionamento, dagli operatori negli impianti di lavorazione, che possono utilizzare i sensori per monitorare i prodotti prima che vengano spediti, ai consumatori che possono scegliere di applicare i sensori su determinati alimenti per assicurarsi che siano sicuri da mangiare.
Riferimento:"A Microneedle Technology for Sampling and Sensing Bacteria in the Food Supply Chain" di Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., A. John Hart e Benedetto Marelli, 9 settembre 2020, Advanced Materiali funzionali .
DOI:10.1002/adfm.202005370
Questa ricerca è stata supportata, in parte, dal MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e dall'Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti.
