Променящият цвета набор от копринени микроигли може да помогне за спиране на огнищата и да се избегнат хранителни отпадъци

Инженерите от MIT са проектирали велкроподобен хранителен сензор, направен от редица копринени микроигли, който пробива през пластмасова опаковка, за да вземе проби от храна за признаци на разваляне и бактериално замърсяване.

подобен

Микроиглите на сензора са формовани от разтвор на ядливи протеини, намиращи се в копринени пашкули, и са проектирани да изтеглят течност в задната част на сензора, който е отпечатан с два вида специализирано мастило. Едно от тези "bioinks" променя цвета си при контакт с течност с определен диапазон на pH, което показва, че храната се е развалила; другият се оцветява, когато усети замърсяващи бактерии като патогенна Е. coli.

Изследователите са прикрепили сензора към филе от сурова риба, което са инжектирали с разтвор, замърсен с Е. coli. След по-малко от ден те откриха, че частта от сензора, която е отпечатана с биоинцинт, чувствителен на бактерии, се превръща от синьо в червено - ясен знак, че рибата е замърсена. След още няколко часа pH-чувствителният биоинк също променя цвета си, сигнализирайки, че рибата също се е развалила.

Резултатите, публикувани днес в списанието Advanced Functional Materials, са първата стъпка към разработването на нов колориметричен сензор, който може да открие признаци на разваляне и замърсяване на храните.

Такива интелигентни хранителни сензори могат да помогнат за преодоляване на огнищата, като неотдавнашното замърсяване със салмонела в лука и прасковите. Те могат също така да попречат на потребителите да изхвърлят храна, която може да е изтекла отпечатана дата на годност, но всъщност все още е консуматив.

„Има много храна, която се губи поради липса на подходящо етикетиране и ние изхвърляме храната, без дори да знаем дали е развалена или не“, казва Бенедето Марели, асистент по кариерното развитие на Пол М. Кук в катедра MIT Гражданско и екологично инженерство. "Хората също губят много храна след огнища, защото не са сигурни дали храната е действително замърсена или не. Технология като тази би дала увереност на крайния потребител да не губи храна."

Съавторите на Marelli в статията са Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. и A. John Hart.

Коприна и печат

Новият хранителен сензор е продукт на сътрудничество между Marelli, чиято лаборатория използва свойствата на коприната за разработване на нови технологии, и Hart, чиято група разработва нови производствени процеси.

Наскоро Харт разработи техника за флоксография с висока разделителна способност, реализирайки микроскопични модели, които могат да дадат възможност за евтина печатна електроника и сензори. Междувременно Marelli е разработил микроиглен печат на основата на коприна, който прониква и доставя хранителни вещества на растенията. В разговор изследователите се чудеха дали техните технологии могат да се сдвоят, за да произведат отпечатан сензор за храна, който наблюдава безопасността на храните.

"Оценката на здравословното състояние на храната само чрез измерване на повърхността й често не е достатъчно добра. В един момент Бенедето спомена за работата на микроиглите на групата си с растенията и осъзнахме, че можем да комбинираме нашия опит, за да направим по-ефективен сензор", спомня си Харт.

Екипът се стреми да създаде сензор, който може да пробие през повърхността на много видове храни. Дизайнът, който те измислиха, се състоеше от множество микроигли, направени от коприна.

"Коприната е напълно годна за консумация, нетоксична и може да се използва като хранителна съставка и е достатъчно механично здрава, за да проникне през широк спектър от видове тъкани, като месо, праскови и маруля", казва Марели.

По-дълбоко откриване

За да направи новия сензор, Ким първо направи разтвор на копринен фиброин, протеин, извлечен от пашкули от молци, и изля разтвора в силиконова форма за микроигли. След изсушаване той отлепи получената редица микроигли, всяка с размери около 1,6 милиметра дължина и 600 микрона ширина - около една трета от диаметъра на нишка от спагети.

След това екипът разработи решения за два вида bioink - полимери, които променят цвета и могат да се смесват с други чувствителни съставки. В този случай изследователите смесват в едно bioink антитяло, което е чувствително към молекула в E. coli. Когато антитялото влезе в контакт с тази молекула, то променя формата си и физически натиска върху околния полимер, което от своя страна променя начина, по който биоинкът абсорбира светлината. По този начин биоинкът може да промени цвета си, когато усети, че замърсява бактериите.

Изследователите са направили биоинк, съдържащ антитела, чувствителни към Е. coli, и втори биоинк, чувствителен към нива на рН, които са свързани с разваляне. Те отпечатваха чувствителния на бактерии биоинк върху повърхността на микроиглената редица, по образеца на буквата „E“, до който отпечатваха чувствителния на рН биоинк, като „C.“ И двете букви първоначално изглеждаха сини на цвят.

След това Ким вгражда пори във всяка микроигла, за да увеличи способността на масива да изтегля течност чрез капилярно действие. За да тества новия сензор, той купи няколко филета сурова риба от местен хранителен магазин и инжектира всяко филе с течност, съдържаща или Е. coli, салмонела или течност без никакви замърсители. Той заби сензор във всяко филе. След това той изчака.

След около 16 часа екипът забеляза, че "Е" се превръща от синьо в червено, само във филето, замърсено с Е. coli, което показва, че сензорът точно открива бактериалните антигени. След още няколко часа, както "С", така и "Е" във всички проби станаха червени, което показва, че всяко филе се е развалило.

Изследователите също така откриха, че новият им сензор показва замърсяване и разваляне по-бързо от съществуващите сензори, които откриват само патогени на повърхността на храните.

„В храната има много кухини и дупки, в които са вградени патогени и повърхностните сензори не могат да ги открият“, казва Ким. "Затова трябва да се включим малко по-дълбоко, за да подобрим надеждността на откриването. Използвайки тази техника на пиърсинг, не е нужно и да отваряме пакет, за да проверяваме качеството на храните."

Екипът търси начини да ускори усвояването на течности от микроиглите, както и усещането за замърсители от биоинките. След като дизайнът е оптимизиран, те предвиждат, че сензорът може да се използва на различни етапи по веригата на доставки, от оператори в преработвателни предприятия, които могат да използват сензорите за наблюдение на продуктите преди изпращането им, до потребители, които могат да изберат да приложат сензорите върху определени храни, за да сте сигурни, че са безопасни за консумация.