Czujnik żywności podobny do rzepa, wykonany z szeregu jedwabnych mikroigieł, może przebijać plastikowe opakowanie w celu pobrania próbki żywności pod kątem oznak psucia się i skażenia bakteryjnego. Źródło:Zdjęcie:Felice Frankel
Zmieniający kolor zestaw jedwabnych mikroigieł może pomóc w powstrzymaniu epidemii i uniknąć marnowania żywności.
Inżynierowie MIT zaprojektowali czujnik żywności podobny do rzepa, wykonany z szeregu jedwabnych mikroigieł, które przebijają plastikowe opakowanie w celu pobrania próbki żywności pod kątem oznak psucia się i skażenia bakteryjnego.
Mikroigły czujnika są uformowane z roztworu jadalnych białek znajdujących się w jedwabnych kokonach i są zaprojektowane do wciągania płynu do tylnej części czujnika, który jest nadrukowany dwoma rodzajami specjalistycznego atramentu. Jeden z tych „biotuszów” zmienia kolor w kontakcie z płynem o określonym zakresie pH, wskazując, że żywność się zepsuła; druga zmienia kolor, gdy wyczuje zanieczyszczenie bakterii, takie jak patogenne E. coli .
Badacze przymocowali czujnik do fileta z surowej ryby, do którego wstrzyknęli roztwór skażony E. coli. Po niecałym dniu odkryli, że część czujnika, na której nadrukowano biotusz wykrywający bakterie, zmieniła kolor z niebieskiego na czerwony — wyraźny znak, że ryba była skażona. Po kilku godzinach biotusz wrażliwy na pH również zmienił kolor, sygnalizując, że ryba również się zepsuła.
Wyniki opublikowane dzisiaj (9 września 2020 r.) w czasopiśmie Advanced Functional Materials , to pierwszy krok w kierunku opracowania nowego czujnika kolorymetrycznego, który może wykrywać oznaki psucia się i zanieczyszczenia żywności.
Naukowcy przymocowali czujnik do fileta z surowej ryby, do którego wstrzyknęli roztwór skażony E. coli. Po niecałym dniu odkryli, że część czujnika, która została wydrukowana biotuszem wykrywającym bakterie, zmieniła kolor z niebieskiego na czerwony – wyraźny znak, że ryba była skażona. Po kilku godzinach biotusz wrażliwy na pH również zmienił kolor, sygnalizując, że ryba również się zepsuła.
Źródło:Zdjęcie:Jose-Luis Olivares, MIT. Tekstura czujnika dzięki uprzejmości naukowców
Takie inteligentne czujniki żywności mogą pomóc w zapobieganiu epidemiom, takim jak niedawne zanieczyszczenie salmonellą cebuli i brzoskwiń. Mogą również uniemożliwić konsumentom wyrzucanie żywności, której data ważności minęła, ale w rzeczywistości nadal nadaje się do spożycia.
„Wiele żywności marnuje się z powodu braku odpowiedniego oznakowania, a my wyrzucamy żywność, nawet nie wiedząc, czy jest zepsuta, czy nie” – mówi Benedetto Marelli, adiunkt ds. rozwoju kariery Paula M. Cooka na Wydziale MIT. Inżynieria lądowa i środowisko. „Ludzie również marnują dużo jedzenia po wybuchach epidemii, ponieważ nie są pewni, czy żywność jest rzeczywiście skażona, czy nie. Taka technologia dałaby użytkownikowi końcowemu pewność, że nie marnuje żywności”.
Współautorami Marelli w artykule są Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. i A. John Hart.
Jedwab i druk
Nowy czujnik żywności jest efektem współpracy między firmą Marelli, której laboratorium wykorzystuje właściwości jedwabiu do opracowywania nowych technologii, a firmą Hart, której grupa opracowuje nowe procesy produkcyjne.
Hart opracował niedawno technikę floksografii o wysokiej rozdzielczości, realizującą mikroskopijne wzory, które mogą umożliwić tanie drukowaną elektronikę i czujniki. W międzyczasie Marelli opracowała stempel mikroigłowy na bazie jedwabiu, który penetruje i dostarcza roślinom składniki odżywcze. W rozmowie naukowcy zastanawiali się, czy ich technologie można połączyć w celu wyprodukowania drukowanego czujnika żywności, który monitoruje bezpieczeństwo żywności.
Ta schematyczna ilustracja przedstawia proponowany system monitorowania jakości żywności, który wykorzystuje jedwabne układy mikroigieł z nadrukowanymi biotuszami jako czujniki kolorymetryczne. Źródło:Zdjęcie dzięki uprzejmości naukowców
„Ocena zdrowia żywności na podstawie samego pomiaru jej powierzchni często nie wystarcza. W pewnym momencie Benedetto wspomniał o mikroigłowej pracy swojej grupy z roślinami i zdaliśmy sobie sprawę, że możemy połączyć naszą wiedzę, aby stworzyć bardziej efektywny czujnik” – wspomina Hart.
Zespół starał się stworzyć czujnik, który mógłby przebić się przez powierzchnię wielu rodzajów żywności. Projekt, który wymyślili, składał się z szeregu mikroigieł wykonanych z jedwabiu.
„Jedwab jest całkowicie jadalny, nietoksyczny i może być używany jako składnik żywności i jest wystarczająco wytrzymały mechanicznie, aby przeniknąć przez szerokie spektrum rodzajów tkanek, takich jak mięso, brzoskwinie i sałata” – mówi Marelli.
Głębsze wykrywanie
Aby wykonać nowy czujnik, Kim najpierw przygotował roztwór fibroiny jedwabiu, białka wyekstrahowanego z kokonów ćmy, i wlał roztwór do silikonowej formy mikroigłowej. Po wysuszeniu oderwał powstały szereg mikroigieł, każda o długości około 1,6 milimetra i szerokości 600 mikronów — około jednej trzeciej średnicy nici spaghetti.
Zespół opracował następnie rozwiązania dla dwóch rodzajów bioatramentu — zmieniających kolor drukowalnych polimerów, które można mieszać z innymi składnikami czujnika. W tym przypadku naukowcy zmieszali w jednym biotuszu przeciwciało, które jest wrażliwe na cząsteczkę w E. coli . Kiedy przeciwciało wchodzi w kontakt z tą cząsteczką, zmienia kształt i fizycznie naciska na otaczający polimer, co z kolei zmienia sposób, w jaki biotusz absorbuje światło. W ten sposób biotusz może zmienić kolor, gdy wykryje zanieczyszczenie bakterii.
Po lewej stronie widać przykład układu mikroigieł zawierającego 100 igieł. Po prawej stronie znajduje się obraz SEM pojedynczej igły. Źródło:Zdjęcie dzięki uprzejmości naukowców
Naukowcy stworzyli biotusz zawierający przeciwciała wrażliwe na E. coli oraz drugi biotusz wrażliwy na poziomy pH związane z psuciem się. Wydrukowali biotusz wykrywający bakterie na powierzchni matrycy mikroigłowej we wzór litery „E”, obok której wydrukowali biotusz czuły na pH, jako „C”. Obie litery początkowo miały kolor niebieski.
Kim następnie osadził pory w każdej mikroigle, aby zwiększyć zdolność matrycy do pobierania płynu poprzez działanie kapilarne. Aby przetestować nowy czujnik, kupił kilka filetów surowej ryby w lokalnym sklepie spożywczym i wstrzyknął każdy filet płynem zawierającym E. coli , Salmonella, lub płyn bez żadnych zanieczyszczeń. W każdym filecie włożył czujnik. Potem czekał.
Po około 16 godzinach zespół zaobserwował, że „E” zmieniło kolor z niebieskiego na czerwony, tylko w filecie zanieczyszczonym E. coli , co wskazuje, że czujnik dokładnie wykrył antygeny bakteryjne. Po kilku kolejnych godzinach zarówno „C”, jak i „E” we wszystkich próbkach zmieniły kolor na czerwony, wskazując, że każdy filet się zepsuł.
Naukowcy odkryli również, że ich nowy czujnik wskazuje zanieczyszczenie i psucie się szybciej niż istniejące czujniki, które wykrywają patogeny tylko na powierzchni żywności.
„W żywności jest wiele ubytków i dziur, w których osadzone są patogeny, a czujniki powierzchniowe nie mogą ich wykryć” – mówi Kim. „Musimy więc podłączyć się nieco głębiej, aby poprawić niezawodność wykrywania. Korzystając z tej techniki przekłuwania, nie musimy również otwierać opakowania, aby sprawdzić jakość żywności”.
Zespół poszukuje sposobów na przyspieszenie wchłaniania płynu przez mikroigłę, a także wykrywania zanieczyszczeń przez biotusz. Po zoptymalizowaniu projektu wyobrażają sobie, że czujnik może być używany na różnych etapach łańcucha dostaw, od operatorów w zakładach przetwórczych, którzy mogą używać czujników do monitorowania produktów przed ich wysyłką, po konsumentów, którzy mogą zdecydować się na zastosowanie czujników na niektórych produktach spożywczych, aby upewnić się, że są bezpieczne do spożycia.
Odniesienie:„A Microneedle Technology for Sampling and Sensing Bacteria in the Food Supply Chain” Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., A. John Hart i Benedetto Marelli, 9 września 2020 r., Zaawansowane Materiały funkcjonalne .
DOI:10.1002/adfm.202005370
Badania te były częściowo wspierane przez MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), amerykańską Narodową Fundację Naukową oraz Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.
