«Έξυπνες» νάνο-συσκευασίες

Ως «έξυπνη» ορίζεται η συσκευασία ή το υλικό συσκευασίας που έχει τη δυνατότητα να ελέγχει τις συνθήκες που επικρατούν στο συσκευασμένο τρόφιμο ή στο περιβάλλον αυτού. Το σημαντικότερο μάλιστα είναι ότι υπάρχει η δυνατότητα να πληροφορείται ο καταναλωτής ή ο προμηθευτής, μέσω ενός ορατού δείκτη, εάν το τρόφιμο διατηρεί τη φρεσκάδα του, εάν η συσκευασία έχει υποστεί κάποιου είδους ζημιά (πχ σχίσιμο, τρύπημα), εάν κατά την αλυσίδα τροφοδοσίας το τρόφιμο εκτέθηκε σε καταστροφικές για την ποιότητα ή την ασφάλειά του συνθήκες και αν υπάρχει οποιασδήποτε μορφής αλλοίωση σε αυτό. Η ιδέα της «έξυπνης» συσκευασίας χρονολογείται στο τέλος του 20ού αιώνα και οι πρώτες «έξυπνες» συσκευασίες ήταν οι γνωστοί χρονοθερμοκρασιακοί δείκτες.

Πρόκειται για συσκευές που έχουν τη δυνατότητα να καταγράφουν δεδομένα χρόνου και θερμοκρασίας στο περιβάλλον του τροφίμου και στόχος της χρήσης τους είναι αφενός μεν ο καταναλωτής να έχει μια πιο έγκυρη -από την ημερομηνία λήξης- πληροφόρηση για την καταλληλότητα του τροφίμου προς κατανάλωση μια και ο χρόνος ζωής του έχει προβλεφθεί από τη βιομηχανία με την προϋπόθεση ότι το τρόφιμο θα διατηρείται κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας, κάτι που στην πραγματικότητα δεν συμβαίνει πάντα.

Αφετέρου, οι χρονοθερμοκρασιακοί δείκτες δίνουν τη δυνατότητα σε επιχειρήσεις που ασχολούνται με την παραγωγή, την εμπορία ή τη διακίνηση των τροφίμων, να εντοπίσουν πιθανές αδυναμίες στην ψυκτική τους αλυσίδα.

Οι περισσότεροι χρονοθερμοκρασιακοί δείκτες καταδεικνύουν την πιθανή αλλοίωση του τροφίμου από την αλλαγή του χρώματός τους και κατατάσσονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες με βάση την αρχή λειτουργίας τους : στην πρώτη κατηγορία ανήκουν αυτοί που βασίζονται στο φαινόμενο της «μετανάστευσης» μιας ειδικής μπογιάς διαμέσου ενός πορώδους υλικού, το οποίο είναι θέρμο- και χρόνο-εξαρτώμενο, ενώ στη δεύτερη κατηγορία κατατάσσονται αυτοί στους οποίους λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση με αποτέλεσμα μια χρωματική μεταβολή.

Παρόλο που στις περιπτώσεις που εφαρμόζονταν οι χρονοθερμοκρασιακοί δείκτες χαρίζουν στον καταναλωτή ένα αίσθημα ασφάλειας, ειδικά όταν πρόκειται για προϊόντα ευαίσθητα στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, δεν υπήρχε μέριμνα για την ανίχνευση αλλοιώσεων που οφείλονται στην παρουσία κάποιου αερίου ή μικροοργανισμού στο τρόφιμο. Τα νανοσωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μέρη μιας «έξυπνης» συσκευασίας, ικανής να παρέχει πληροφορίες για την κατάσταση της συσκευασίας.

Οι νανο-αισθητήρες παρουσιάζουν ευαισθησία σε περιβαλλοντικές αλλαγές (πχ θερμοκρασία και υγρασία στους χώρους αποθήκευσης, επίπεδα έκθεσης σε οξυγόνο), υποβάθμιση του προϊόντος και μικροβιακή επιμόλυνση. Όταν μάλιστα τοποθετηθούν εντός της συσκευασίας του τροφίμου, οι νανο-αισθητήρες, μπορούν να ανιχνεύσουν συγκεκριμένα χημικά συστατικά, παθογόνα και τοξίνες στο τρόφιμο δίνοντας έτσι μια πραγματική εικόνα της κατάστασης του τροφίμου και δείχνοντας με μεγαλύτερη ασφάλεια από την ημερομηνία λήξης, εάν το τρόφιμο είναι κατάλληλο για κατανάλωση ή όχι.

Σήμερα, η έρευνα στρέφεται στην ανάπτυξη μη τοξικών νανο-αισθητήρων που να μην χρειάζονται μετατροπή και να μπορούν να ανιχνεύουν την παρουσία οξυγόνου σε συσκευασίες υπό κενό ή σε τροποποιημένες ατμόσφαιρες, μια και το οξυγόνο είναι καθοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη παθογόνων (αερόβιων) μικροοργανισμών κατά την αποθήκευση του τροφίμου.

Ως παράδειγμα αναφέρεται μια επιτυχημένη σε ερευνητικό επίπεδο προσπάθεια που παρουσιάστηκε από τους Lee et al. (2002), οι οποίοι ανέπτυξαν ένα σύστημα χρωματικού δείκτη οξυγόνου που ενεργοποιείται με την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία. Οι αισθητήρες αποτελούνται από νανο-σωματίδια TiO₂, τα οποία ανιχνεύουν την μείωση της συγκέντρωσης του μπλε του μεθυλενίου από την τριμεθανολαμίνη, ενκαψυλιωμένα σ’ ένα πολυμερές.

Αρχικά, με χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας, αποχρωματίζεται η χρωστική και κατόπιν ανακτά το χρώμα της στην περίπτωση που εκτεθεί σε περιβάλλον που περιέχει έστω και μικρές ποσότητες οξυγόνου. Ο ρυθμός ανάκτησης του χρώματος της χρωστικής είναι ανάλογος της συγκέντρωσης του οξυγόνου στο περιβάλλον.

Άλλοι νανο-αισθητήρες χρησιμοποιούν νανο-κρυστάλλους SnO₂ για την ανίχνευση του οξυγόνου, ενώ υπάρχουν και νανο-αισθητήρες που ανιχνεύουν μεταβολές του pH.

Ένα άλλο ενδιαφέρον θέμα είναι η ανάπτυξη δεικτών φρεσκότητας. Αναγκαία προϋπόθεση για την ανάπτυξη ενός τέτοιου συστήματος είναι η καλή γνώση των μεταβολιτών που σχετίζονται άμεσα με την ποιότητα του τροφίμου. Πρέπει ο δείκτης που θα χρησιμοποιηθεί να ανιχνεύει τους μεταβολίτες που παράγονται από την ανάπτυξη των μικροοργανισμών που συνήθως αλλοιώνουν το συγκεκριμένο τρόφιμο κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες και να «προειδοποιεί» μέσω μιας χρωματικής αλλαγής για την παρουσία των μικροοργανισμών.

Οι μικροοργανισμοί μπορούν επίσης να εντοπιστούν από την πιθανή παραγωγή αερίων κατά την ανάπτυξή τους. Μια ακόμη πιο εξελιγμένη ομάδα νανο-ανιχνευτών είναι αυτοί που είναι ευαίσθητοι σε εξειδικευμένες αντιδράσεις από συγκεκριμένους μικροοργανισμούς και αφήνουν χαρακτηριστικό και συγκεκριμένο αποτύπωμα ανάλογα με το μικροοργανισμό του οποίου η παρουσία ενεργοποιεί τον αισθητήρα. Τέτοιοι αισθητήρες είναι διαθέσιμοι για τα βακτήριαBacillus cereus, Vibrio parahemolyticus και Salmonella spp. 

Στόχος των ερευνητών, είναι η δημιουργία νανο-αισθητήρων που εκτός από την ανίχνευση της αλλοίωσης θα έχουν την δυνατότητα να απελευθερώνουν κάποιο συντηρητικό όταν η αλλοίωση ξεκινά και πριν το τρόφιμο καταστεί ακατάλληλο.

Ερευνητές του πανεπιστημίου Rutgers (NJ) ανέπτυξαν σε συνεργασία με την εταιρία Kraft Foods μια «ηλεκτρονική γλώσσα» η οποία θα ενσωματωθεί στη συσκευασία των τροφίμων.

Η συσκευή αυτή περιέχει ένα σύνολο από υπερ-ευαίσθητους νανο-αισθητήρες, που ανιχνεύουν τα αέρια που παράγονται από την δράση μικροοργανισμών οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την αλλοίωση του περιεχόμενου τροφίμου. Ένας χρωματικός δείκτης, προειδοποιεί σε περίπτωση που το τρόφιμο υποστεί αλλοίωση.( Εικόνα 1)

Εικόνα1 
Χαρακτηριστικό παράδειγμα αισθητήρων οξυγόνου σε συσκευασία φρέσκου κρέατος. Οι συγκεκριμένοι είναι αισθητήρες από νανο-σωματίδια TiO₂ και δείκτες με μπλε του μεθυλενίου, που ενεργοποιούνται με έκθεση σε UV-ακτινοβολία. Ο ένας αισθητήρας (κάτω) βρίσκεται στο εσωτερικό και ο άλλος (πάνω) στο εξωτερικό της συσκευασίας.

Αμέσως μετά τη συσκευασία του τροφίμου (a) οι αισθητήρες έχουν μπλε χρώμα ενώ αμέσως μετά την έκθεσή τους στην UV-ακτινοβολία αποχρωματίζονται (b). Υπό φυσιολογικές συνθήκες ο εξωτερικός αισθητήρας έχει μπλε χρώμα ενώ ο εσωτερικός, δεδομένης της απουσίας οξυγόνου στη συσκευασία, είναι άχρωμος (c). Σε περίπτωση που η συσκευασία ανοιχτεί ή αν λόγω φθοράς της, εισχωρήσει οξυγόνο στο εσωτερικό, ο εσωτερικός δείκτης παίρνει μπλε χρώμα και καθιστά οφθαλμοφανή την επικείμενη αλλοίωση του τροφίμου (Duncan 2011).

Άποψη των περισσοτέρων που ασχολούνται με τις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στη συσκευασία αποτελεί ότι τα επόμενα χρόνια η νανοτεχνολογία θα εισέλθει πολύ πιο δυναμικά και σε μεγαλύτερη έκταση στη ζωή μας μέσω των χιλιάδων εφαρμογών που έχει και που θα συνεχίσουν να προκαλούν εντύπωση με τις νέες δυνατότητες που παρουσιάζουν.

Καράμπαλης Δημήτρης - Τσαφάρας Ηλίας 
Γεωπόνοι Επιστήμης & Τεχνολογίας Τροφίμων - http://www.foodbites.eu