Czujnik przypominający rzep wykrywa zepsucie i zanieczyszczenia bakteryjne żywności

Naukowcy z MIT (Massachusetts Institute of Technology) zaprojektowali przypominający rzep – czujnik do żywności, wykonany z szeregu jedwabnych mikroigieł, które przebijają się przez plastikowe opakowanie w celu pobrania próbek żywności pod kątem oznak zepsucia i zanieczyszczenia bakteryjnego.

Mikroigły czujnika są formułowane z roztworu jadalnych białek znajdujących się w jedwabnych kokonach ćmy i ich zadaniem jest pobranie płynu do tylnej części czujnika, gdzie znajdują się dwa rodzaje specjalistycznego tuszu. Jeden z tych biotuszy zmienia kolor w kontakcie z płynem o pewnym zakresie pH, co wskazuje, że żywność uległa zepsuciu; drugi zmienia kolor, gdy wykryje bakterie powodujące zakażenie żywności, takie jak patogenne E. coli.

Prowadząc swoje badania naukowcy przyczepili czujnik do fileta z surowej ryby, do którego uprzednio wstrzyknęli roztwór skażony E. coli. Po niecałym dniu odkryli, że część czujnika, na której nadrukowano biotusz wykrywający bakterie, zmienił kolor z niebieskiego na czerwony - to wyraźny znak, że ryba była skażona. Po kilku kolejnych godzinach biotusz wrażliwy na pH również zmienił kolor, sygnalizując, że ryba uległa zepsuciu.

Wyniki, opublikowane w czasopiśmie Advanced Functional Materials, są pierwszym krokiem w kierunku opracowania nowego czujnika kolorymetrycznego, który może wykrywać oznaki zepsucia i zanieczyszczenia żywności.

Sensor do żywności pomoże zapobiegać epidemiom

Takie inteligentne sensory żywności mogą pomóc w zapobieganiu epidemiom, takim jak niedawne skażenia Salmonellą cebuli i brzoskwiń. Mogłyby również zapobiegać wyrzucaniu przez konsumentów żywności, której data przydatności do spożycia może minąć, ale w rzeczywistości jest nadal nadająca się do spożycia.

Spora część żywności jest marnowana z powodu braku odpowiedniego oznakowania, a my wyrzucamy żywność, nawet nie wiedząc, czy jest zepsuta, czy nie - mówi prof. Benedetto Marelli, z MIT.

Jedwab i druk

Nowy czujnik żywności jest wynikiem współpracy między prof. B. Marelli, którego laboratorium wykorzystuje właściwości jedwabiu do opracowywania nowych technologii a prof. A. John Hart, którego grupa opracowuje nowe procesy produkcyjne.

Prof. Hart opracował niedawno technikę floksografii o wysokiej rozdzielczości, wykorzystującą mikroskopijne wzory, które mogą umożliwić niedrogą drukowaną elektronikę i czujniki. W międzyczasie prof. Marelli opracował stempel mikroigłowy na bazie jedwabiu, który penetruje rośliny i dostarcza im składniki odżywcze. Naukowcy postanowili połączyć swoje technologie w celu wyprodukowania drukowanego czujnika do żywności, który monitoruje bezpieczeństwo żywności.

Ocena zdrowotności żywności na podstawie samego pomiaru jej powierzchni jest często niewystarczająca. Zespół naukowców poszukiwał możliwości stworzenia czujnika, który mógłby przebić powierzchnię wielu rodzajów żywności. Projekt, który wymyślili, składał się z szeregu mikroigieł wykonanych z jedwabiu.

Jedwab jest całkowicie jadalny, nietoksyczny i może być stosowany jako składnik żywności, a także jest wystarczająco wytrzymały mechanicznie, aby przenikać przez szeroką gamę rodzajów tkanek, takich jak mięso, brzoskwinie czy sałata.

Aby stworzyć sensor, zespół najpierw przygotował roztwór fibroiny jedwabiu, białka wyekstrahowanego z kokonów ćmy, i przelał go do silikonowej formy z mikroigłami. Po wysuszeniu powstał zestaw mikroigieł, z których każda miała około 1,6 milimetra długości i 600 mikronów szerokości - około jednej trzeciej średnicy nitki spaghetti.

Zespół opracował następnie rozwiązania dla dwóch rodzajów biotuszu - drukowalnych polimerów zmieniających kolor, które można mieszać z innymi wykrywającymi składnikami. W tym przypadku naukowcy zmieszali w jednym biotuszu przeciwciało wrażliwe na cząsteczkę E. coli. Kiedy przeciwciało wchodzi w kontakt z tą cząsteczką, zmienia kształt i fizycznie naciska na otaczający polimer, co z kolei zmienia sposób pochłaniania światła przez biotusz. W ten sposób biotusz może zmienić kolor, gdy wyczuje zakażające bakterie.

Naukowcy stworzyli biotusz zawierający przeciwciała wrażliwe na E. coli i drugi biotusz wrażliwy na poziomy pH, które są związane z psuciem się żywności. Nadrukowali biotusz wykrywający bakterie na powierzchni zestawu mikroigieł, w kształcie litery „E”, obok którego nadrukowali biotusz wrażliwy na pH, jako „C”. Obie litery początkowo miały kolor niebieski.

Następnie osadzono pory w każdej mikroigle, aby zwiększyć zdolność macierzy do pobierania płynu poprzez działanie kapilarne. Aby przetestować nowy czujnik, wykorzystano filety surowej ryby z lokalnego sklepu spożywczego i do każdego z nich wstrzyknięto płyn zawierający bakterie E. coli, Salmonella lub płyn niezawierający żadnych zanieczyszczeń.

Po około 16 godzinach zespół zauważył, że „E” zmieniło się z niebieskiego na czerwony, tylko w filecie zakażonym 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, co wskazuje, że każdy badany filet uległ zepsuciu.

Zalety czujnika

Naukowcy odkryli również, że ich nowy czujnik szybciej wskazuje na zanieczyszczenie i zepsucie niż istniejące czujniki, które wykrywają tylko patogeny znajdujące się na powierzchni żywności.

W żywności jest wiele zagłębień i dziur, w których osadzone są patogeny, a czujniki powierzchniowe nie mogą ich wykryć. Korzystając z tej technologii – nakłuwania przez mikroigły, nie jest również konieczne otwarcie opakowania, aby sprawdzić jakość żywności.

Zespół naukowców z MIT szuka teraz sposobów na przyspieszenie wchłaniania płynu przez mikroigły, a także wykrywanie zanieczyszczeń przez biotusze. Po zoptymalizowaniu projektu przewidują, 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, aby upewnić się, że są one bezpieczne do spożycia.

Źródło: https://news.mit.edu/2020/velcro-food-sensor-spoilage-0909

Fot. Felice Frankel