Sensori e sicurezza alimentare: tracciare il deterioramento in tempo reale

Ogni anno enormi quantità di cibo vengono sprecate a causa della corruzione, pari a un terzo del totale prodotto a livello globale. Inoltre, di fronte al cambiamento climatico e ad altre questioni globali che stanno interrompendo la produzione e la distribuzione alimentare, la futura sicurezza alimentare non è garantita. Ridurre il deterioramento è una strategia preziosa per migliorare la produttività dal campo alla tavola.

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Il cibo è considerato deteriorato a causa di qualsiasi cambiamento nella qualità del prodotto, soprattutto se non è più idoneo al consumo umano. I danni possono derivare da una serie di reazioni fisiche, chimiche o biologiche, come la rottura dell’imballaggio, l’esposizione all’aria o la contaminazione microbica. Il deterioramento degli alimenti è generalmente evidente quando si esaminano i prodotti avariati.

L’ossidazione dei grassi e di altri composti negli alimenti porta a cambiamenti di colore, odore e sapore, e la contaminazione microbica produce effetti simili, con cambiamenti del pH e l’introduzione di prodotti di scarto tossici.

Sebbene siano disponibili metodi analitici per tenere conto del deterioramento in fase iniziale, come i microarray di DNA batterico, non è pratico applicarli ripetutamente durante la produzione, la consegna e la conservazione degli alimenti. Pertanto, è auspicabile utilizzare metodi di controllo della qualità degli alimenti in tempo reale, con ulteriori vantaggi in termini di sicurezza alimentare.

Cos’è l’imballaggio intelligente?

Sebbene le date “da consumarsi preferibilmente entro” indichino la durata di vita prevista da parte del produttore di un prodotto alimentare confezionato, potrebbero sottostimare l’età effettiva, con conseguente smaltimento ingiustificato o sovrastima, che aumenta la probabilità che il consumatore si ammali.

Gli imballaggi in grado di monitorare le condizioni degli alimenti e fornire indicazioni esterne sono chiamati “imballaggi intelligenti” e a questo scopo sono stati utilizzati rilevatori di pH, umidità, temperatura, sostanze chimiche specifiche o un’ampia gamma di altri fattori. Sebbene i termini siano in qualche modo intercambiabili, l’imballaggio attivo è in grado di influenzare un prodotto alimentare per prolungarne la durata di conservazione e ridurne il deterioramento.

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L’imballaggio che combina questi due aspetti è chiamato “imballaggio intelligente”. In genere vengono utilizzati metodi colorimetrici perché possono essere integrati direttamente nella confezione senza analizzatori esterni e sono facilmente visibili anche agli utenti non addestrati, come un semplice indicatore verde-rosso.

Sensori di danni chimici

Molti prodotti alimentari sono sensibili all’ossidazione e a questo scopo sono stati sviluppati sensori colorimetrici basati sulla semplice chimica redox. Ad esempio, in un sensore per imballaggio disponibile in commercio, una soluzione calibrata con precisione del colorante redox blu di metilene e glucosio in un ambiente alcalino è in grado di cambiare visibilmente colore con una differenza solo dello 0,1% nella concentrazione di ossigeno, a causa dei cambiamenti nel potenziale redox ( OCCHIO SENZA ETÀ (indice di ossigeno).

Allo stesso modo, CO2 I sensori in genere funzionano in base alle variazioni di pH. Ad esempio, Rukchon ha prodotto un sensore contenente coloranti blu di bromotimolo, verde di bromocresolo e rosso fenolo. et al., che appare in viola in CO2– Un ambiente vuoto e diventa verde quando esposto ad esso.

Sono stati sviluppati anche diversi tipi di sensori fluorescenti adatti all’imballaggio alimentare, sebbene in genere producano emissioni relativamente basse e quindi richiedano ottiche specializzate o una sorgente luminosa ad alta intensità come un laser che può essere visto a occhio nudo.

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Molti prodotti alimentari generano sottoprodotti specifici a causa del deterioramento, come le ammine prodotte dalla carne e dai prodotti ittici, tra cui trimetilammina, dimetilammina, cadaverina e putrescina. Le membrane a base di polianilina sono incorporate nei contenitori di imballaggio, rendendole utili per rilevare gas adsorbiti come l’anidride carbonica2.

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Modificando ulteriormente la superficie dei film di polianilina, questi possono essere resi più specifici verso altri contaminanti, come le ammine, mediante drogaggio con TiO2, che fornisce una forte interazione tra le molecole. In combinazione con coloranti e altri componenti cromatici, i cambiamenti nel potenziale elettrico della pellicola di polianilina dopo l’adsorbimento possono indurre uno spostamento del colore.

Come funzionano i sensori di temperatura in tempo reale?

La temperatura è un fattore importante nel deterioramento degli alimenti, poiché influisce sui tassi di decomposizione chimica e sull’attività batterica. La maggior parte dei sensori di temperatura utilizzano cambiamenti di colore irreversibili per indicare che una soglia di temperatura è stata superata in un determinato momento, ad esempio durante lo scongelamento e il ricongelamento.

Molti lavorano utilizzando enzimi, che sono inattivi mentre congelati, ma poi, dopo lo scongelamento, possono agire su un altro ingrediente per indurre un cambiamento di colore. In alternativa si possono sfruttare sostanze chimiche capaci di cristallizzare solo al di sotto di una certa temperatura.

Invece di indicare semplicemente il raggiungimento della temperatura critica, gli indicatori tempo-temperatura forniscono una registrazione completa della temperatura del prodotto.

Spesso utilizzano anche enzimi la cui attività varia a seconda della temperatura e quindi producono un gradiente di densità maggiore o minore a seconda della temperatura. La componente temporale di questo sensore viene trasferita utilizzando capillari o membrane assorbenti come una semplice carta da filtro, lungo la quale il mezzo contenente enzimi e coloranti si diffonde con una velocità nota, lasciando dietro di sé il colore guida.

Il futuro del monitoraggio alimentare in tempo reale

Stanno diventando sempre più possibili dispositivi microelettronici e microfluidici che possono essere integrati negli imballaggi alimentari, utilizzando potenzialmente componenti elettronici commestibili costituiti da polimeri conduttivi, principalmente carboidrati.

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È possibile conferire estrema specificità anche ai sensori per l’imballaggio alimentare utilizzando la stessa tecnologia utilizzata nei sensori di flusso laterale. Sono nanoparticelle d’oro rivestite con molecole complementari alla molecola bersaglio, che legandosi provocano l’aggregazione o l’aggregazione delle particelle e, di conseguenza, un apparente cambiamento di colore dovuto alla risonanza plasmonica superficiale e alle proprietà ottiche uniche delle nanoparticelle d’oro.

Il deterioramento degli alimenti o l’infezione microbica possono quindi essere rilevati se si riescono a superare i problemi relativi alla raccolta del mezzo e alla sua consegna al sensore in modo continuo.

Scopri di più sui sensori di deterioramento degli alimenti qui.

Riferimenti e ulteriori letture

Dodero, A., Escher, A., Bertucci, S., Castellano, M., & Lova, P. (2021). Imballaggi intelligenti per il monitoraggio della qualità degli alimenti in tempo reale: sviluppi attuali e futuri. Scienze applicate, 11(8), 3532. https://doi.org/10.3390/app11083532

Saini, R. V., Vaid, P., Saini, N. K., Siwal, S. S., Gupta, V. K., Thakur, V. K., & Saini, A. K. (2021). Recenti sviluppi nelle tecniche per la rilevazione dei fattori di deterioramento degli alimenti. Giornale dei biomateriali funzionali, 12(4), 67. https://doi.org/10.3390/jfb12040067

Begisangshin, M., Abdul Rashid, S., Shafi, S., Sadroulhosseini, R., e Lim, H. N. (2021). Preparazioni, proprietà e applicazioni dei film sottili di polianilina e polianilina: una revisione. Polimeri, 13(12), 2003. https://doi.org/10.3390/polym13122003

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