El sensor de alimentos con forma de velcro detecta el deterioro y la contaminación

Las microagujas del sensor se moldean a partir de una solución de proteínas comestibles que se encuentran en los capullos de seda, y están diseñadas para atraer el fluido hacia la parte posterior del sensor, que se imprime con dos tipos de tinta especializada. Uno de estos "bioenlaces" cambia de color cuando entra en contacto con un fluido de cierto rango de pH, indicando que el alimento se ha echado a perder; el otro cambia de color cuando detecta bacterias contaminantes como la E. coli patógena.

Los investigadores fijaron el sensor a un filete de pescado crudo al que habían inyectado una solución contaminada con E. coli. Al cabo de menos de un día, descubrieron que la parte del sensor que estaba impresa con bioencendido que detectaba bacterias pasó de azul a rojo, una clara señal de que el pescado estaba contaminado. Después de unas pocas horas más, el bioencendido sensible al pH también cambió de color, señalando que el pescado también se había echado a perder.

Los resultados, publicados hoy en la revista Advanced Functional Materials, son un primer paso hacia el desarrollo de un nuevo sensor colorimétrico que puede detectar signos de deterioro y contaminación de los alimentos.

Estos sensores inteligentes de alimentos podrían ayudar a evitar brotes como la reciente contaminación por salmonela en cebollas y melocotones. También podrían evitar que los consumidores tiren alimentos que pueden estar pasados de fecha de caducidad, pero que en realidad siguen siendo consumibles.

"Hay muchos alimentos que se desperdician debido a la falta de un etiquetado adecuado, y estamos tirando los alimentos sin saber siquiera si están estropeados o no", dice Benedetto Marelli, el Profesor Asistente de Desarrollo Profesional Paul M. Cook en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT. "La gente también desperdicia mucha comida después de los brotes, porque no están seguros de si la comida está realmente contaminada o no. Una tecnología como esta daría confianza al usuario final para no desperdiciar alimentos".

Los coautores del documento de Marelli son Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. y A. John Hart.

Seda e impresión

El nuevo sensor de alimentos es el producto de una colaboración entre Marelli, cuyo laboratorio aprovecha las propiedades de la seda para desarrollar nuevas tecnologías, y Hart, cuyo grupo desarrolla nuevos procesos de fabricación.

Hart desarrolló recientemente una técnica de floxografía de alta resolución, realizando patrones microscópicos que pueden permitir una electrónica impresa y sensores de bajo costo. Mientras tanto, Marelli había desarrollado un sello de seda basado en microneedle que penetra y entrega nutrientes a las plantas. En la conversación, los investigadores se preguntaron si sus tecnologías podrían ser emparejadas para producir un sensor impreso de alimentos que supervise la seguridad alimentaria.

"Evaluar la salud de los alimentos con sólo medir su superficie no suele ser suficiente. En algún momento, Benedetto mencionó el trabajo de su grupo con las plantas, y nos dimos cuenta de que podíamos combinar nuestra experiencia para hacer un sensor más eficaz", recuerda Hart.

El equipo buscó crear un sensor que pudiera perforar la superficie de muchos tipos de alimentos. El diseño que se les ocurrió consistía en un conjunto de microagujas hechas de seda.

"La seda es completamente comestible, no tóxica, y puede ser utilizada como ingrediente de alimentos, y es mecánicamente lo suficientemente robusta como para penetrar a través de un amplio espectro de tipos de tejidos, como la carne, los melocotones y la lechuga", dice Marelli.

Una detección más profunda

Para fabricar el nuevo sensor, Kim primero hizo una solución de fibroína de seda, una proteína extraída de los capullos de polilla, y vertió la solución en un molde de microagujas de silicona. Después de secarse, peló el conjunto resultante de microagujas, cada una de las cuales mide alrededor de 1,6 milímetros de largo y 600 micrones de ancho, aproximadamente un tercio del diámetro de un espagueti.

El equipo desarrolló soluciones para dos tipos de bioenlace: polímeros imprimibles que cambian de color y que pueden mezclarse con otros ingredientes sensoriales. En este caso, los investigadores mezclaron en un bioencendido un anticuerpo sensible a una molécula de E. coli. Cuando el anticuerpo entra en contacto con esa molécula, cambia de forma y empuja físicamente al polímero circundante, lo que a su vez cambia la forma en que el bioencendido absorbe la luz. De esta manera, el bioencendido puede cambiar de color cuando detecta una bacteria contaminante.

Los investigadores hicieron un bioenlace que contiene anticuerpos sensibles a la E. coli, y un segundo bioenlace sensible a los niveles de pH que se asocian con el deterioro. Imprimieron el bioencendido sensible a las bacterias en la superficie de la matriz de microagujas, en el patrón de la letra "E", junto a la cual imprimieron el bioencendido sensible al pH, como una "C". Ambas letras aparecieron inicialmente de color azul.

Kim entonces incrustó poros dentro de cada microaguja para aumentar la capacidad del conjunto para absorber el fluido 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 en cada filete un fluido que contenía E. coli, Salmonella, o el fluido sin ningún tipo de contaminantes. Puso un sensor en cada filete. Luego, esperó.

Después de unas 16 horas, el equipo observó que la "E" pasaba del azul al rojo, sólo en el filete contaminado con E. coli, lo que indica que el sensor detectó con precisión los antígenos bacterianos. Después de varias horas más, tanto la "C" como la "E" de todas las muestras se volvieron rojas, lo que indicaba que todos los filetes se habían estropeado.

Los investigadores también descubrieron que su nuevo sensor indica contaminación y deterioro más rápido que los sensores existentes que sólo 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 la superficie no pueden detectarlos", dice Kim. "Así que tenemos que conectar un poco más profundo para mejorar la fiabilidad de la detección. Usando 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 fluidos por parte de las microagujas, así como la detección de contaminantes por parte de los bioenlaces. Una vez que se optimice el diseño, prevén que el sensor pueda utilizarse en varias etapas de la cadena de suministro, desde los operadores de las plantas de procesamiento, que pueden utilizar los sensores para controlar los productos antes de que se envíen, hasta los consumidores, que pueden optar por aplicar los sensores a determinados alimentos para asegurarse de que son seguros para su consumo.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos de 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.