Czujnik etylenu emitowanego przez roślinny jako metoda zapobiegania marnotrawienia żywności

W miarę kwitnienia kwiatów i dojrzewania owoców, wydziela się bezbarwny, słodko pachnący gaz zwany etylenem. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) stworzyli mały czujnik, który może wykryć ten gaz w stężeniu zaledwie 15 ppb, co ich zdaniem może być przydatne w zapobieganiu psuciu się żywności.

Czujnik, który jest wykonany z półprzewodnikowych butli zwanych węglowymi nanorurkami, może być wykorzystywany do monitorowania owoców i warzyw podczas ich przechowywania oraz transportu, pomagając tym samym zmniejszyć ilość odpadów spożywczych, uważa prof. Timothy Swager z MIT, autor artykułu na ten temat opublikowanego czasopiśmie ACS Central.

Rola etylenu w owocach i warzywach

Etylen jest produkowany przez większość roślin, które wykorzystują go jako hormon stymulujący wzrost, dojrzewanie i inne kluczowe etapy swojego cyklu rozwoju. Np. banany w miarę dojrzewania i brązowienia produkują coraz większe ilości etylenu, a kwiaty produkują go, gdy są gotowe do kwitnienia. Kwiaty pod wpływem stresu mogą wytwarzać nadmiar etylenu, co prowadzi do ich przedwczesnego dojrzewania lub więdnięcia.

Departament Rolnictwa USA szacuje, że każdego roku w amerykańskich supermarketach marnuje się ok. 12% owoców i warzyw z powodu ich zepsucia, co wiąże się z emitowaniem przez nie etylenu.

Czujnik etylenu – pierwsze prace

Już w 2012 r. prof. T. Swager opracował czujnik etylenowy, jednak czujnik ten był w stanie wykryć poziom etylenu jedynie do 500 ppb. A ponieważ czujnik zbudowany był częściowo z miedzi, to ulegał korozji pod wpływem tlenu i przestawał działać. Zespół prof. T. Swager'a postanowił udoskonalić projekt i stworzyć komercyjny czujnik etylenu.

Naukowcy stworzyli nowy rodzaj czujnika etylenu, który jest również oparty na nanorurkach węglowych, ale działa za pomocą zupełnie innego mechanizmu, znanego jako utlenianie Wackera. Zamiast użycia metalu takiego jak miedź, który wiąże się bezpośrednio z etylenem, użyto metalowego katalizatora zwanego palladem, który dodaje tlen do etylenu podczas utleniania. Ponieważ katalizator palladowy przeprowadza utlenianie, to tymczasowo zyskuje elektrony. Pallad następnie przekazuje te dodatkowe elektrony do węglowych nanorurek. Poprzez pomiar zmian w przepływie prądu, badacze mogą wykryć obecność etylenu. Czujnik reaguje na etylen w ciągu kilku sekund od momentu ekspozycji, a gdy gaz zniknie, czujnik w ciągu kilku minut wraca do swojej przewodności wyjściowej.

Doświadczenie na roślinach i żywności

Aby sprawdzić możliwości czujnika, naukowcy wykorzystali go do monitorowania produkcji etylenu w dwóch rodzajach kwiatów - goździków i eustom. Mierzyli produkcję etylenu przez pięć dni, co pozwoliło im na śledzenie zależności między poziomem etylenu a kwitnieniem roślin. W badaniach nad goździkami stwierdzili, że w pierwszym dniu doświadczenia nastąpił gwałtowny wzrost stężenia etylenu, a wkrótce potem kwiaty zakwitły, wszystkie w ciągu 1-2 dni. Eustomy wykazywały bardziej stopniowy wzrost etylenu, który rozpoczął się w pierwszym dniu i trwał do czwartego dnia, potem zaczął spadać. Kwitnienie rozłożyło się na kilka dni, a niektóre z nich nie zakwitły nawet do końca doświadczenia.

Badano także, czy transport żywności roślinnej wraz z kwiatami miał jakikolwiek wpływ na produkcję etylenu. Stwierdzili, że w przypadku roślin wystąpiły niewielkie opóźnienia w produkcji etylenu, ale efekt ten nie był znaczący (tylko kilka godzin).

Zespół z MIT złożył już wniosek o patent dla czujnika.

Znaczenie dla przemysłu spożywczego

Należy dążyć do lepszego zarządzania żywnością i zmniejszenia ilości odpadów żywnościowych. Dostawcy, którzy transportują owoce i warzywa chcieliby wiedzieć, co dzieje się z produktem podczas transportu, i czy muszą podejmować działania, aby obniżyć poziom etylenu podczas transportu.

Oprócz swojej naturalnej roli jako hormonu roślinnego, etylen jest również najczęściej produkowanym związkiem organicznym na świecie i jest wykorzystywany do wytwarzania takich produktów, jak tworzywa sztuczne i odzież. Detektor etylenu mógłby być również przydatny do monitorowania tego rodzaju przemysłowej produkcji etylenu.

Źródła:

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200318143641.htm

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c00022