Пищевой датчик на липучке, сделанный из набора шелковых микроигл, может протыкать пластиковую упаковку и пробовать пищу на предмет признаков порчи и бактериального загрязнения. Кредит: Изображение: Феличе Франкель
Изменяющие цвет набор шелковых микроигл могут помочь остановить вспышки болезни и избежать пищевых отходов.
С УЧАСТИЕМ Инженеры разработали пищевой датчик типа «липучка», сделанный из набора шелковых микроигл, который протыкает пластиковую упаковку для отбора проб пищи на признаки порчи и бактериального загрязнения.
Микроиглы датчика изготовлены из раствора съедобных белков, содержащихся в коконах шелка, и предназначены для втягивания жидкости в заднюю часть датчика, на которую нанесено два типа специальных чернил. Одна из этих «биочерок» меняет цвет при контакте с жидкостью с определенным диапазоном pH, указывая на то, что пища испортилась; другой меняет цвет, когда чувствует загрязняющие бактерии, такие как патогенные Кишечная палочка.
Исследователи прикрепили датчик к филе сырой рыбы, в которое они впрыснули раствор, загрязненный E. coli. Менее чем через день они обнаружили, что часть датчика, на которой была напечатана биочернила, распознающая бактерии, изменила цвет с синего на красный – явный признак заражения рыбы.. Еще через несколько часов pH-чувствительная биочернила также изменила цвет, сигнализируя о том, что рыба тоже испортилась.
Результаты, опубликованные сегодня (9 сентября 2020 г.) в журнале Современные функциональные материалы, являются первым шагом на пути к разработке нового колориметрического датчика, который может обнаруживать признаки порчи и загрязнения пищевых продуктов.
Исследователи прикрепили датчик к филе сырой рыбы, в которое они впрыснули раствор, зараженный кишечной палочкой. Менее чем через день они обнаружили, что часть датчика, на которой была напечатана биочернила, чувствительная к бактериям, изменила цвет с синего на красный – явный признак заражения рыбы. Еще через несколько часов pH-чувствительная биочернила также изменила цвет, сигнализируя о том, что рыба тоже испортилась.
Кредит: Изображение: Хосе-Луис Оливарес, Массачусетский технологический институт. Текстура сенсора любезно предоставлена исследователями
Такие интеллектуальные датчики пищевых продуктов могут помочь предотвратить вспышки, такие как недавнее заражение сальмонеллой лука и персиков. Они также могут помешать потребителям выбрасывать продукты, срок годности которых истек, но на самом деле они все еще пригодны для употребления.
«Многие продукты питания теряются из-за отсутствия надлежащей маркировки, и мы выбрасываем продукты, даже не зная, испорчены они или нет», – говорит Бенедетто Марелли, доцент кафедры профессионального развития Пола М. Кука. Гражданской и экологической инженерии. «Люди также теряют много еды после вспышек, потому что они не уверены, действительно ли пища загрязнена или нет. Такая технология вселяет уверенность в том, что конечный пользователь не тратит пищу впустую ».
Соавторами Марелли по работе являются Доюн Ким, Юнтенг Цао, Дханушкоди Мариаппан, Майкл С. Боно-младший и А. Джон Харт.
Шелк и печать
Новый датчик пищевых продуктов является продуктом сотрудничества между Marelli, чья лаборатория использует свойства шелка для разработки новых технологий, и Hart, чья группа разрабатывает новые производственные процессы.
Недавно Харт разработал технику флоксографии с высоким разрешением, позволяющую получать микроскопические рисунки, которые позволяют использовать недорогую печатную электронику и датчики. Тем временем компания Marelli разработала штамп с микроиглами на шелковой основе, который проникает в растения и доставляет им питательные вещества. В ходе беседы исследователи задались вопросом, можно ли использовать их технологии для производства печатного датчика пищевых продуктов, который контролирует безопасность пищевых продуктов.
На этой схематической иллюстрации показана предлагаемая система контроля качества пищевых продуктов, в которой в качестве колориметрических датчиков используются матрицы шелковых микроигл с напечатанными биочерками. Кредит: Изображение предоставлено исследователями
«Оценить здоровье пищи, просто измерив ее поверхность, часто недостаточно. В какой-то момент Бенедетто упомянул о работе своей группы с использованием микроигл с растениями, и мы поняли, что можем объединить наши знания, чтобы создать более эффективный датчик », – вспоминает Харт.
Команда стремилась создать датчик, который мог бы пробить поверхность многих видов пищи. Дизайн, который они придумали, состоял из множества микроигл, сделанных из шелка.
«Шелк полностью съедобен, нетоксичен и может использоваться в качестве пищевого ингредиента, а также обладает достаточной механической прочностью, чтобы проникать через широкий спектр типов тканей, таких как мясо, персики и салат», – говорит Марелли.
Более глубокое обнаружение
Чтобы создать новый датчик, Ким сначала приготовила раствор фиброина шелка, белка, извлеченного из коконов моли, и вылила раствор в силиконовую форму для микроигл. После высыхания он отделил получившийся ряд микроигл, каждая размером около 1,6 миллиметра в длину и 600 микрон в ширину, что составляет около одной трети диаметра нити спагетти.
Затем команда разработала решения для двух видов биочернил – изменяющих цвет полимеров для печати, которые можно смешивать с другими чувствительными ингредиентами. В этом случае исследователи смешали в одну биочерню антитело, чувствительное к молекуле в Кишечная палочка. Когда антитело вступает в контакт с этой молекулой, оно меняет форму и физически давит на окружающий полимер, что, в свою очередь, изменяет способ поглощения света биочеркой. Таким образом, биочернила может менять цвет при обнаружении заражающих бактерий.
Слева вы можете увидеть пример набора микроигл из 100 игл. Справа – изображение одиночной иглы, полученное с помощью SEM. Кредит: Изображение предоставлено исследователями
Исследователи создали биочерку, содержащую антитела, чувствительные к Кишечная палочкаи вторая биочернила, чувствительная к уровням pH, связанным с порчей. Они напечатали чувствительную к бактериям биочерку на поверхности массива микроигл в виде буквы «E», рядом с которой они напечатали чувствительную к pH биочерку в виде буквы «C». Обе буквы изначально казались синими.
Затем Ким внедрил поры в каждую микроиглу, чтобы увеличить способность массива всасывать жидкость за счет капиллярного действия. Чтобы проверить новый датчик, он купил несколько филе сырой рыбы в местном продуктовом магазине и ввел в каждое филе жидкость, содержащую либо Кишечная палочка, Сальмонелла, или жидкость без каких-либо загрязнений. Воткнул сенсор в каждую галтель. Затем он ждал.
Примерно через 16 часов команда заметила, что буква «E» изменилась с синей на красную только на филе, загрязненном Кишечная палочка, что указывает на то, что датчик точно обнаружил бактериальные антигены. Еще через несколько часов буквы «C» и «E» во всех образцах стали красными, что указывало на то, что каждое филе испортилось.
Исследователи также обнаружили, что их новый датчик указывает на загрязнение и порчу быстрее, чем существующие датчики, которые обнаруживают патогены только на поверхности продуктов.
«В продуктах питания есть много полостей и отверстий, в которые встроены патогены, и поверхностные датчики не могут их обнаружить», – говорит Ким. «Поэтому мы должны подключиться немного глубже, чтобы повысить надежность обнаружения. Используя эту технику пирсинга, нам также не нужно открывать упаковку, чтобы проверить качество еды ».
Команда ищет способы ускорить поглощение жидкости микроиглами, а также определить наличие загрязняющих веществ биочувствительными элементами. После оптимизации конструкции они предполагают, что датчик можно будет использовать на различных этапах цепочки поставок, от операторов перерабатывающих предприятий, которые могут использовать датчики для контроля продуктов перед их отправкой, до потребителей, которые могут решить применять датчики. на определенные продукты, чтобы убедиться, что они безопасны для употребления.
Ссылка: «Технология микроигл для отбора проб и обнаружения бактерий в цепочке поставок пищевых продуктов», авторы Доюн Ким, Юнтенг Цао, Дханушкоди Мариаппан, Майкл С. Боно-младший, А. Джон Харт и Бенедетто Марелли, 9 сентября 2020 г., Современные функциональные материалы.
DOI: 10.1002 / adfm.202005370
Это исследование было частично поддержано Лабораторией водных и пищевых систем Массачусетского технологического института им. Абдула Латифа Джамиля (J-WAFS), Национальным научным фондом США и Управлением военно-морских исследований США.
