Сможет определять испорченность продукта датчик еды на упаковке

Изменяющие цвет датчики способны определять уровень испорченности продукта и пригодность его к употреблению. Инженеры Массачусетского технологического института разработали пищевой датчик типа «липучка», сделанный из набора шелковых микроигл, который протыкает пластиковую упаковку для отбора проб продуктов питания для проверки на наличие признаков порчи и бактериального загрязнения.

Микроиглы датчика изготовлены из раствора съедобных белков, содержащихся в шелковых коконах, и предназначены для втягивания жидкости в заднюю часть датчика, на которую нанесено два типа специальных чернил. Одна из этих биочернил меняет цвет при контакте с жидкостью с определенным уровнем pH, указывая на то, что пища испортилась; другой окрашивается, когда обнаруживает заражающие бактерии, например, кишечную палочку.

Первые тесты датчиков

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 были напечатаны биочернила, чувствительные к бактериям, изменила цвет с синего на красный - явный признак заражения рыбы.

Еще через несколько часов pH-чувствительные биочернила также изменили цвет, сигнализируя о том, что рыба испортилась. Результаты, опубликованные в журнале Advanced Functional Materials, являются первым шагом к разработке нового колориметрического датчика, который может обнаруживать признаки порчи и загрязнения пищевых продуктов.

Такие интеллектуальные датчики пищевых продуктов могут помочь предотвратить вспышки заболеваний, 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.

«Чаще всего 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 выбрасывают много еды после вспышек заболеваний, потому что они не уверены, действительно ли пища заражена или нет.

Такая технология придаст уверенности конечному пользователю в том, что он не выкинет пищу просто так». Соавторами Марелли по работе являются Доюн Ким, Юнтенг Цао, Дханушкоди Мариаппан, Майкл С. Боно-младший и А. Джон Харт.

Немного о шелковых датчиках

Новый датчик пищевых продуктов является результатом сотрудничества между Марелли, чья лаборатория использует свойства шелка для разработки новых технологий, и Хартом, чья группа разрабатывает новые производственные процессы. Недавно Харт разработал метод флоксографии с высоким разрешением, позволяющий создавать микроскопические узоры, позволяющие использовать недорогую печатную электронику и датчики.

Тем временем компания Марелли 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 сможет проверить безопасность пищевых продуктов.

«Оценить состояние пищи, просто проанализировав ее поверхность – не самый эффективный метод проверки. 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», - вспоминают 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 эффективная проверка

Чтобы создать новый датчик, Ким сначала приготовил раствор фиброина шелка, протеина, извлеченного из коконов моли, и вылил раствор в силиконовую форму для микроигл. После высыхания он снял 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 биочувствительную матрицу антитело, чувствительное к молекуле E. coli.

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 биочернил. Таким образом, они будут менять цвет при обнаружении заражающих бактерий.

Биочернила и принцип их работы

Исследователи создали биочернила, содержащие антитела, чувствительные к кишечной палочке, и второй их тип, чувствительный к уровням pH, связанным с порчей. Они напечатали чувствительный к бактериям отпечаток на поверхности массива микроигл в виде буквы «E», рядом с которой они напечатали чувствительную к pH графику в виде буквы «C».

Обе буквы изначально являлись синими. Затем Ким внедрил поры в каждую микроиглу, чтобы увеличить способность 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 кишечную палочку, сальмонеллу, или жидкость без каких-либо загрязнений. Воткнул сенсор в каждую из них и просто ждал. Примерно через 16 часов команда заметила, что цвет буквы «E» изменился с синего на красный только на филе, загрязненном E. coli, что указывает на то, что датчик точно определил 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 которых находятся патогенные микроорганизмы, и поверхностные датчики не могут их обнаружить», - говорит Ким. «Поэтому мы должны проникнуть немного глубже, чтобы повысить надежность обнаружения. Используя эту технику, нам также не нужно открывать упаковку, чтобы проверить качество еды».

Команда ищет способы ускорить впитывание жидкости микроиглами, а также определить наличие загрязняющих веществ биочувствительными элементами. После оптимизации конструкции они предполагают, что датчик может использоваться на различных этапах цепочки поставок, от операторов на перерабатывающих предприятиях, которые могут использовать датчики для мониторинга состояния продуктов до их отправки, до потребителей, которые могут использовать новые датчики на определенные продукты, чтобы убедиться, что они безопасны для употребления