Los ingenieros del MIT diseñaron un sensor de alimentos tipo Velcro, hecho de un conjunto de microagujas de seda, que perfora envoltorios de plástico para tomar muestras de alimentos en busca de signos de deterioro y contaminación bacteriana.
Las microagujas del sensor están moldeadas a partir de una solución de proteínas comestibles que se encuentran en los capullos de seda y están diseñadas para llevar líquido a la parte posterior del sensor, que se imprime con dos tipos de tintas especializadas. Uno de estos "bioenlaces" cambia de color cuando entra en contacto con un fluido de cierto rango de pH, lo que indica que la comida es mala; el otro se vuelve coloreado cuando detecta bacterias contaminantes como patógenos E. coli.
Los investigadores conectaron el sensor a un filete de pescado crudo en el que inyectaron una solución contaminada con E. coli. Después de menos de un día, descubrieron que la parte del sensor que estaba impresa con un biotink que detectaba bacterias cambió de azul a rojo, una clara señal de que el pescado estaba contaminado.. Después de unas cuantas horas más, el biotinta sensible al pH también cambió de color, lo que indica que el pescado también se había echado a perder.
Los resultados, publicados hoy en la revista Materiales funcionales avanzados, son un primer paso hacia el desarrollo de un nuevo sensor colorimétrico capaz de detectar signos de deterioro y contaminación de los alimentos.
Estos sensores inteligentes de alimentos podrían ayudar a prevenir brotes como la reciente contaminación por salmonela en cebollas y duraznos. También podrían evitar que los consumidores desechen los alimentos que pueden haber pasado su mejor fecha antes de la fecha de caducidad, pero que de hecho siguen siendo comestibles.
"Se desperdicia mucha comida debido a la falta de un etiquetado adecuado, y tiramos la comida sin saber siquiera si está echada a perder", dice Benedetto Marelli, profesor asistente de desarrollo profesional Paul M. Cook en departamento del MIT. Ingeniería civil y medioambiental. “La gente también desperdicia mucha comida después de un brote porque no sabe si la comida está realmente contaminada o no. Una tecnología como esta garantizaría al usuario final que no está desperdiciando alimentos. "
Los coautores de Marelli en el papel son Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. y A. John Hart.
Seda y estampado
El nuevo sensor de alimentos es el resultado de una colaboración entre Marelli, cuyo laboratorio explota las propiedades de la seda para desarrollar nuevas tecnologías, y Hart, cuyo grupo está desarrollando nuevos procesos de fabricación.
Hart ha desarrollado recientemente una técnica de floxografía de alta resolución, creando patrones microscópicos que pueden permitir sensores y electrónicos impresos de bajo costo. Durante este tiempo, Marelli había desarrollado una almohadilla de microagujas hecha de seda que penetra y suministra nutrientes a las plantas. Durante la conversación, los investigadores se preguntaron si sus tecnologías podrían combinarse para producir un sensor de alimentos impreso que monitorea la seguridad alimentaria.
"Evaluar la salud de los alimentos simplemente midiendo su superficie no suele ser suficiente. En un momento, Benedetto mencionó el trabajo de microagujas de su grupo con plantas, y nos dimos cuenta de que podíamos combinar nuestra experiencia para crear un sensor más eficaz ”, recuerda Hart.
El equipo buscó crear un sensor capaz de perforar la superficie de muchos tipos de alimentos. El diseño que se les ocurrió fue una línea de microagujas de seda.
“La seda es completamente comestible, no tóxica y puede usarse como ingrediente alimentario, y es mecánicamente lo suficientemente fuerte como para penetrar a través de una amplia gama de tipos de tejidos, como carne, melocotones y lechugas”, dice Marelli.
Detección más profunda
Para hacer el nuevo sensor, Kim primero preparó una solución de fibroína de seda, una proteína extraída de capullos de polilla, y vertió la solución en un molde de microagujas de silicona. Después de secar, quitó la red resultante de microagujas, cada una de las cuales medía aproximadamente 1,6 milímetros de largo y 600 micrones de ancho, aproximadamente un tercio del diámetro de una hebra de espagueti.
Luego, el equipo desarrolló soluciones para dos tipos de bioink: polímeros imprimibles que cambian de color que se pueden mezclar con otros ingredientes de detección. En este caso, los investigadores mezclaron un anticuerpo sensible a una molécula de E. coli. Cuando el anticuerpo entra en contacto con esta molécula, cambia de forma y empuja físicamente el polímero circundante, que a su vez cambia la forma en que el bioink absorbe la luz. De esta forma, el bioink puede cambiar de color cuando detecta bacterias contaminantes.
Los investigadores hicieron un bioenlace que contiene anticuerpos sensibles a E. coliy un segundo bioink sensible a los niveles de pH asociados con la intemperie. Imprimieron el bioinyector de detección de bacterias en la superficie de la matriz de microagujas, en el patrón de la letra "E", junto a la cual imprimieron el bioinyector sensible al pH, como una "C". Ambas letras aparecieron inicialmente en color azul.
Luego, Kim integró los poros en cada microaguja para aumentar la capacidad de la red de succionar líquido a través de la acción capilar. Para probar el nuevo sensor, compró varios filetes de pescado crudo en una tienda de comestibles local e inyectó cada filete con un líquido que contenía E. coli, Salmonela, o el fluido sin ningún contaminante. Pegó un sensor en cada hilo. Luego esperó.
Después de aproximadamente 16 horas, el equipo observó que la "E" cambiaba de azul a rojo, solo en la red contaminada con E. coli, lo que indica que el sensor ha detectado con precisión antígenos bacterianos. Después de varias horas más, la "C" y la "E" de todas las muestras se volvieron rojas, lo que indica que cada filete se echó a perder.
Los investigadores también encontraron que su nuevo sensor indica contaminación y deterioro más rápido que los sensores existentes que solo detectan patógenos en la superficie de los alimentos.
“Hay muchas cavidades y agujeros en los alimentos donde los patógenos están incrustados y los sensores de superficie no pueden detectarlos”, dice Kim. “Por eso, necesitamos conectarnos un poco más para mejorar la confiabilidad de la detección. Al utilizar esta técnica de perforación, tampoco tenemos que abrir un paquete para inspeccionar la calidad de los alimentos. "
El equipo está buscando formas de acelerar la absorción de líquido por microagujas, así como la detección de contaminantes por bioenlaces. Una vez que se optimiza el diseño, prevén que el sensor podría usarse en diferentes etapas de la cadena de suministro, desde los operadores en las plantas de procesamiento, que pueden usar los sensores para monitorear los productos antes de que sean enviados, hasta los consumidores que puede optar por aplicar los sensores. en ciertos alimentos para asegurarse de que sean seguros para comer.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Laboratorio de Sistemas de Alimentos y Agua Abdul Latif Jameel del MIT (J-WAFS), la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos.