絹のマイクロニードルの配列から作られたマジックテープのような食品センサーは、プラスチック包装を突き破り、食品の腐敗や細菌汚染の兆候をサンプリングすることができます。クレジット:画像:Felice Frankel
シルク マイクロニードルの色が変化する配列は、アウトブレイクを食い止め、食品廃棄物を回避するのに役立つ可能性があります。
MIT のエンジニアは、一連のシルク マイクロニードルで作られたマジックテープのような食品センサーを設計しました。このセンサーは、プラスチック パッケージを貫通して、食品の腐敗や細菌汚染の兆候をサンプリングします。
センサーのマイクロニードルは、絹の繭に含まれる食用タンパク質の溶液から成形され、2 種類の特殊なインクで印刷されたセンサーの背面に液体を引き込むように設計されています。これらの「バイオインク」の 1 つは、特定の pH 範囲の液体と接触すると色が変わり、食品が腐敗したことを示します。もう 1 つは、病原性 E などの汚染細菌を感知すると色が変わります。大腸菌 .
研究者は、Eで汚染された溶液を注入した生の魚のフィレにセンサーを取り付けました.大腸菌。 1 日も経たないうちに、バクテリアを感知するバイオインクで印刷されたセンサーの部分が青から赤に変わったことを発見しました。これは、魚が汚染されたことを示す明確な兆候です。 さらに数時間後、pH に敏感なバイオインクも色が変わり、魚も腐ったことがわかりました。
この結果は、本日 (2020 年 9 月 9 日) ジャーナル Advanced Functional Materials に掲載されました。 、食品の腐敗や汚染の兆候を検出できる新しい比色センサーの開発に向けた第一歩です。
研究者は、大腸菌で汚染された溶液を注入した生の魚のフィレにセンサーを取り付けました。 1日も経たないうちに、バクテリアを感知するバイオインクで印刷されたセンサーの部分が青から赤に変わったことを発見しました。これは、魚が汚染されたことを明確に示しています。さらに数時間後、pH に敏感なバイオインクの色も変化し、魚も腐ったことを示しています。
Credit:Image:Jose-Luis Olivares, MIT.センサーのテクスチャは研究者の厚意により提供
このようなスマートな食品センサーは、タマネギやモモの最近のサルモネラ菌汚染などの発生を防ぐのに役立つ可能性があります。また、消費者が印刷された有効期限を過ぎている可能性があるが、実際にはまだ消費可能な食品を捨てるのを防ぐこともできます.
「適切な表示がされていないために無駄になっている食品がたくさんあります。私たちは、腐敗しているかどうかさえわからないまま、食品を捨てています」土木環境工学。 「食品が実際に汚染されているかどうかわからないため、集団発生後に多くの食品を無駄にしています。このような技術により、エンド ユーザーは食品を無駄にしないという自信を得ることができます。」
この論文のマレリの共著者は、ドユン・キム、ユンテン・カオ、ダヌシュコディ・マリアパン、マイケル・S・ボノ・ジュニア、A・ジョン・ハートです。
絹と印刷
新しい食品センサーは、新しい技術を開発するためにシルクの特性を利用する研究室を持つ Marelli と、新しい製造プロセスを開発するグループを持つ Hart の間のコラボレーションの成果です。
Hart は最近、低コストのプリンテッド エレクトロニクスとセンサーを可能にする微細なパターンを実現する高解像度のフロキソグラフィー技術を開発しました。一方、マレリは、植物に浸透して栄養素を届けるシルクベースのマイクロニードル スタンプを開発しました。会話の中で、研究者たちは、彼らの技術を組み合わせて、食品の安全性を監視する印刷された食品センサーを製造できるかどうか疑問に思いました.
この模式図は、比色センサーとして印刷されたバイオインクを備えたシルク マイクロニードル アレイを使用する提案された食品品質監視システムを示しています。クレジット:研究者の厚意による画像
「食品の表面を測定するだけでは、食品の健康状態を評価するだけでは不十分なことがよくあります。ある時点で、ベネデットは彼のグループの植物に関するマイクロニードル研究について言及し、私たちは専門知識を組み合わせてより効果的なセンサーを作成できることに気付きました」とハートは回想します。
チームは、さまざまな種類の食品の表面を貫通できるセンサーを作成しようとしました。彼らが思いついたデザインは、シルクで作られた一連のマイクロニードルで構成されていました.
「シルクは完全に食用で、毒性がなく、食品成分として使用できます。肉、桃、レタスなど、さまざまな種類の組織に浸透するのに十分な機械的強度があります」とマレリ氏は言います。
より深い検出
新しいセンサーを作成するために、Kim はまず、蛾の繭から抽出されたタンパク質であるシルク フィブロインの溶液を作り、その溶液をシリコン製のマイクロニードル型に注ぎました。乾燥後、彼は得られた一連のマイクロニードルを剥がしました。それぞれの長さは約 1.6 ミリメートル、幅は 600 ミクロンで、スパゲッティ ストランドの直径の約 3 分の 1 です。
その後、チームは 2 種類のバイオインク (他のセンシング成分と混合できる色が変化する印刷可能なポリマー) のソリューションを開発しました。この場合、研究者は 1 つのバイオインクに E の分子に感受性のある抗体を混合しました。大腸菌 .抗体がその分子と接触すると、形状が変化し、周囲のポリマーを物理的に押すと、バイオインクが光を吸収する方法が変化します。このようにして、バイオインクは細菌の混入を感知すると色を変えることができます。
左は100本の針を備えたマイクロニードルアレイの例です。右側は、1 本の針の SEM 画像です。クレジット:研究者の厚意による画像
研究者たちは、Eに敏感な抗体を含むバイオインクを作りました。大腸菌 、および腐敗に関連する pH レベルに敏感な 2 番目のバイオインク。彼らは、マイクロニードルアレイの表面にバクテリアを感知するバイオインクを文字「E」のパターンで印刷し、その隣にpH感受性のバイオインクを「C」として印刷しました。どちらの文字も最初は青色に見えました。
次に、Kim は各マイクロニードル内に細孔を埋め込んで、毛細管現象によって流体を吸い上げるアレイの能力を高めました。新しいセンサーをテストするために、彼は地元の食料品店から生の魚のフィレをいくつか購入し、それぞれのフィレにいずれかを含む液体を注入しました。大腸菌 、サルモネラ、 または汚染物質のない液体。彼は各フィレットにセンサーを貼り付けました。それから、彼は待った。
約 16 時間後、チームは、E で汚染された切り身にのみ、「E」が青から赤に変わったことを観察しました。大腸菌 これは、センサーが細菌抗原を正確に検出したことを示しています。さらに数時間後、すべてのサンプルの「C」と「E」の両方が赤くなり、すべての切り身が傷んでいることがわかりました。
研究者はまた、彼らの新しいセンサーが、食品の表面の病原体のみを検出する既存のセンサーよりも早く汚染と腐敗を示すことを発見しました.
「病原体が埋め込まれた食品には多くの空洞や穴があり、表面センサーはこれらを検出できません」と Kim 氏は言います。 「そのため、検出の信頼性を向上させるために、もう少し深く接続する必要があります。このピアシング技術を使用すると、パッケージを開けて食品の品質を検査する必要もありません。」
チームは、マイクロニードルによる液体の吸収と、バイオインクによる汚染物質の検出を高速化する方法を探しています。設計が最適化されると、センサーを使用して出荷前に製品を監視できる加工工場のオペレーターから、センサーの適用を選択する消費者まで、サプライ チェーンのさまざまな段階でセンサーを使用できると彼らは考えています。
参照:「食品サプライ チェーンにおける細菌のサンプリングとセンシングのためのマイクロニードル技術」、Doyoon Kim、Yunteng Cao、Dhanushkodi Mariappan、Michael S. Bono Jr.、A. John Hart、Benedetto Marelli 著、2020 年 9 月 9 日、Advanced機能性材料 .
DOI:10.1002/adfm.202005370
この研究は、MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS)、米国国立科学財団、および米国海軍研究局によって部分的に支援されました。
