15.09.2020 - Massachusetts Institute of Technology

Klettverschluss-ähnlicher Lebensmittelsensor erkennt Verderb und Verunreinigung

Eine farbveränderliche Anordnung von Seidenmikronadeln könnte helfen, Ausbrüche einzudämmen und Lebensmittelabfälle zu vermeiden.

MIT-Ingenieure haben einen klettverschlussähnlichen Lebensmittelsensor aus einer Reihe von Seidenmikronadeln entwickelt, der die Kunststoffverpackung durchdringt, um Lebensmittel auf Anzeichen von Verderb und bakterieller Kontamination zu untersuchen.

Die Mikronadeln des Sensors werden aus einer Lösung von essbaren Proteinen geformt, die in Seidenkokons gefunden werden, und sind so konstruiert, dass sie Flüssigkeit in die Rückseite des Sensors ziehen, die mit zwei Arten spezieller Tinte bedruckt ist. Eine dieser "Biofarben" ändert ihre Farbe, wenn sie mit Flüssigkeit eines bestimmten pH-Bereichs in Berührung kommt, was anzeigt, dass das Lebensmittel verdorben ist; die andere färbt sich, wenn sie kontaminierende Bakterien wie pathogene E. coli wahrnimmt.

Die Forscher befestigten den Sensor an einem Filet von rohem Fisch, dem sie eine mit E. coli verunreinigte Lösung injiziert hatten. Nach weniger als einem Tag stellten sie fest, dass sich der Teil des Sensors, der mit bakterienabtastender Biofarbe bedruckt war, von blau nach rot verfärbte - ein klares Zeichen dafür, dass der Fisch verunreinigt war. Nach einigen weiteren Stunden änderte die pH-empfindliche Biofarbe ebenfalls ihre Farbe und signalisierte damit, dass auch der Fisch verdorben war.

Die Ergebnisse, die heute in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht wurden, sind ein erster Schritt zur Entwicklung eines neuen kolorimetrischen Sensors, der Anzeichen von Lebensmittelverderb und -kontamination erkennen kann.

Solche intelligenten Lebensmittelsensoren könnten helfen, Ausbrüche wie die jüngste Salmonellenkontamination in Zwiebeln und Pfirsichen zu verhindern. Sie könnten auch verhindern, dass Verbraucher Lebensmittel wegwerfen, deren Verfallsdatum zwar aufgedruckt ist, die aber tatsächlich noch konsumierbar sind.

"Es gibt eine Menge Lebensmittel, die aufgrund mangelnder Kennzeichnung verschwendet werden, und wir werfen Lebensmittel weg, ohne zu wissen, ob sie verdorben sind oder nicht", sagt Benedetto Marelli, der Paul M. Cook Career Development Assistant Professor in der Abteilung für Bau- und Umwelttechnik des MIT. "Auch nach Ausbrüchen vergeuden die Menschen eine Menge Lebensmittel, weil sie nicht sicher sind, ob das Essen tatsächlich verunreinigt ist oder nicht. Eine Technologie wie diese würde dem Endverbraucher das Vertrauen geben, keine Lebensmittel zu verschwenden.

Marellis Koautoren der Arbeit sind Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. und A. John Hart.

Seide und Druck

Der neue Lebensmittelsensor ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Marelli, dessen Labor die Eigenschaften von Seide nutzt, um neue Technologien zu entwickeln, und Hart, dessen Gruppe neue Herstellungsverfahren entwickelt.

Hart hat vor kurzem eine hochauflösende Floxografietechnik entwickelt und mikroskopische Muster realisiert, die kostengünstige gedruckte Elektronik und Sensoren ermöglichen können. In der Zwischenzeit hatte Marelli einen Mikronadelstempel auf Seidenbasis entwickelt, der in Pflanzen eindringt und diese mit Nährstoffen versorgt. Im Gespräch fragten sich die Forscher, ob ihre Technologien gepaart werden könnten, um einen gedruckten Lebensmittelsensor herzustellen, der die Lebensmittelsicherheit überwacht.

"Es reicht oft nicht aus, die Gesundheit von Lebensmitteln allein durch die Messung ihrer Oberfläche zu beurteilen. Irgendwann erwähnte Benedetto die Mikronadelarbeit seiner Gruppe mit Pflanzen, und wir erkannten, dass wir unsere Fachkenntnisse kombinieren könnten, um einen effektiveren Sensor herzustellen", erinnert sich Hart.

Das Team versuchte, einen Sensor zu entwickeln, der die Oberfläche vieler Arten von Lebensmitteln durchdringen kann. Das von ihnen entwickelte Design bestand aus einer Anordnung von Mikronadeln aus Seide.

"Seide ist vollständig essbar, ungiftig und kann als Lebensmittelzutat verwendet werden, und sie ist mechanisch robust genug, um durch ein breites Spektrum von Gewebearten wie Fleisch, Pfirsiche und Salat zu dringen", sagt Marelli.

Eine tiefere Erkennung

Zur Herstellung des neuen Sensors stellte Kim zunächst eine Lösung aus Seidenfibroin her, einem Protein, das aus Mottenkokons gewonnen wird, und goss die Lösung in eine Silikon-Mikronadelform. Nach dem Trocknen schälte er die entstandene Anordnung von Mikronadeln ab, von denen jede etwa 1,6 Millimeter lang und 600 Mikrometer breit ist - etwa ein Drittel des Durchmessers eines Spaghetti-Strangs.

Das Team entwickelte dann Lösungen für zwei Arten von Biotinte - farbveränderliche, bedruckbare Polymere, die mit anderen Sensorbestandteilen gemischt werden können. In diesem Fall mischten die Forscher in eine Biofarbe einen Antikörper ein, der empfindlich auf ein Molekül in E. coli reagiert. Wenn der Antikörper mit diesem Molekül in Kontakt kommt, ändert er seine Form und drückt physisch auf das umgebende Polymer, was wiederum die Art und Weise verändert, wie die Biofarbe Licht absorbiert. Auf diese Weise kann die Biofarbe ihre Farbe ändern, wenn sie kontaminierende Bakterien wahrnimmt.

Die Forscher stellten eine Biofarbe her, die Antikörper enthält, die empfindlich auf E. coli reagieren, und eine zweite Biofarbe, die empfindlich auf pH-Werte reagiert, die mit dem Verderb in Verbindung gebracht werden. Sie druckten die Bakterien-empfindliche Biofarbe auf die Oberfläche der Mikronadelanordnung im Muster des Buchstabens "E", daneben druckten sie die pH-empfindliche Biofarbe als "C" auf. Beide Buchstaben erschienen zunächst in blauer Farbe.

Kim hat dann in jede Mikronadel Poren eingebettet, um die Fähigkeit des Arrays zu erhöhen, Flüssigkeit durch Kapillarwirkung aufzusaugen. Um den neuen Sensor zu testen, kaufte er mehrere Filets von rohem Fisch in einem örtlichen Lebensmittelgeschäft und injizierte jedem Filet eine Flüssigkeit, die entweder E. coli, Salmonellen oder die Flüssigkeit ohne jegliche Verunreinigungen enthielt. In jedes Filet steckte er einen Sensor. Dann wartete er.

Nach etwa 16 Stunden beobachtete das Team, dass sich das "E" nur in dem mit E. coli verunreinigten Filet von blau nach rot verfärbte, was darauf hinweist, dass der Sensor die bakteriellen Antigene genau erfasst hat. Nach einigen weiteren Stunden färbten sich sowohl das "C" als auch das "E" in allen Proben rot, was anzeigte, dass jedes Filet verdorben war.

Die Forscher fanden auch heraus, dass ihr neuer Sensor Kontamination und Verderb schneller anzeigt als bestehende Sensoren, die nur Krankheitserreger auf der Oberfläche von Lebensmitteln erkennen.

"Es gibt viele Hohlräume und Löcher in Lebensmitteln, in denen Krankheitserreger eingebettet sind, und Oberflächensensoren können diese nicht erkennen", sagt Kim. "Wir müssen also etwas tiefer einstecken, um die Zuverlässigkeit des Nachweises zu verbessern. Mit dieser Durchstechtechnik müssen wir auch keine Verpackung öffnen, um die Lebensmittelqualität zu prüfen.

Das Team sucht nach Wegen, um die Flüssigkeitsaufnahme der Mikronadeln und die Wahrnehmung von Verunreinigungen durch die Bioinks zu beschleunigen. Sobald das Design optimiert ist, könnte der Sensor auf verschiedenen Stufen der Lieferkette eingesetzt werden, von den Bedienern in den Verarbeitungsbetrieben, die die Sensoren zur Überwachung der Produkte vor deren Auslieferung einsetzen können, bis hin zu den Verbrauchern, die die Sensoren auf bestimmte Lebensmittel anwenden können, um sicherzustellen, dass diese sicher verzehrt werden können.

Diese Forschung wurde zum Teil vom MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), der U.S. National Science Foundation und dem U.S. Office of Naval Research unterstützt.

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