Παρακολούθηση της φρεσκάδας των συσκευασμένων προϊόντων σε πραγματικό χρόνο χάρη σε αισθητήρες και χρωματομετρικούς δείκτες που βασίζονται σε φυσικά εκχυλίσματα: αυτή είναι η τελευταία καινοτομία κατά των αποβλήτων και της υγιεινής από τον κόσμο των συσκευασιών.
Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Επιτροπή, τα έξυπνα υλικά συσκευασίας ορίζονται ως «υλικά και αντικείμενα που παρακολουθούν την κατάσταση των συσκευασμένων τροφίμων ή το περιβάλλον που τα περιβάλλει». Συνδυάζουν έξυπνες λειτουργίες με βιώσιμες λύσεις , υποδεικνύοντας την κατάσταση των τροφίμων, επιτρέποντας στους καταναλωτές να αξιολογούν την ποιότητα και τη φρεσκάδα των συσκευασμένων τροφίμων σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας οπτικές πληροφορίες σχετικά με τις συνθήκες αποθήκευσης. Βασίζονται επί του παρόντος σε τεχνολογίες ικανές να εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες για τη μέτρηση και την επικοινωνία πληροφοριών σχετικά με την ποιότητα και την ασφάλεια των τροφίμων, επομένως θα μπορούσαν να αποτελέσουν έγκυρα συστήματα για την πρόληψη μεγάλου μέρους της σπατάλης τροφίμων που σχετίζεται με την εσφαλμένη ερμηνεία της ημερομηνίας λήξης των προϊόντων από τους καταναλωτές. Η έξυπνη συσκευασία είναι σε θέση να αναγνωρίζει και να καταγράφει αλλαγές στο εσωτερικό ή/και εξωτερικό περιβάλλον της συσκευασίας κατά την αποθήκευση, με βάση την αλληλεπίδραση του υλικού συσκευασίας με το τρόφιμο ή/και το άμεσο περιβάλλον του. Τέτοιες συσκευές έχουν μελετηθεί και αναπτυχθεί, με αποτέλεσμα δείκτες pH, δείκτες θερμοκρασίας, δείκτες χρόνου-θερμοκρασίας, βιοαισθητήρες, αναγνωριστικά ραδιοσυχνοτήτων, δείκτες φρεσκάδας και άλλα . Συγκεκριμένα, ένας νέος τύπος έξυπνης συσκευασίας είναι ο χρωματομετρικός δείκτης pH, ο οποίος ανταποκρίνεται στην αλλαγή του pH που προκαλείται από την αποσύνθεση των τροφίμων ή/και τις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον. Σε πολλές περιπτώσεις, η αλλοίωση τροφίμων όπως τα ψάρια, τα θαλασσινά και το κρέας σχετίζεται με αλλαγές στο pH των τροφίμων και η αρχή των συστημάτων ένδειξης φρεσκάδας βασίζεται στην απελευθέρωση πτητικών ενώσεων αμμωνίας κατά την αλλοίωση τροφίμων πλούσιων σε πρωτεΐνες, οι οποίες μπορούν να ανιχνευθούν από την αλλαγή στο χρώμα των φυσικών χρωστικών στο σύστημα.
Έξυπνες συσκευασίες: προς τη βιωσιμότητα
Για αυτούς τους λόγους, οι φυσικές χρωστικές ουσίες, όπως η κουρκουμίνη και οι ανθοκυανίνες, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον ως έγκυρα υποκατάστατα συνθετικών δεικτών όπως το μπλε της βρωμοθυμόλης, το κόκκινο του μεθυλίου ή τα πολυμερή πολυδιακετυλενίου. Όταν ενσωματώνονται σε βιοπολυμερείς μεμβράνες, όταν συμβαίνει αλλοίωση τροφίμων, είναι σε θέση να εμφανίσουν αλλαγές χρώματος ορατές στο ανθρώπινο μάτι, υποδεικνύοντας έτσι τον βαθμό φρεσκάδας των τροφίμων σε πραγματικό χρόνο . Η μετανάστευση επικίνδυνων ενώσεων από τα συμβατικά έξυπνα συστήματα συσκευασίας και η μετά την κατανάλωση από την ακατάλληλη απόρριψη πλαστικών υλικών συσκευασίας μη ανανεώσιμων πηγών έχουν εγείρει σοβαρές ανησυχίες για την υγεία των καταναλωτών και το περιβάλλον. Για να ξεπεραστεί αυτό το σενάριο, η χρήση φυσικών ενώσεων στις συσκευασίες τροφίμων έχει γίνει ένας αναδυόμενος τομέας ενδιαφέροντος τόσο για τη βασική όσο και για την εφαρμοσμένη έρευνα. Τα συσκευασμένα τρόφιμα υφίστανται αρκετές αλλαγές κατά την αποθήκευση (που αντανακλούν την απώλεια ποιότητάς τους) που έχουν ως αποτέλεσμα αλλοιώσεις στη σύνθεση του περιβάλλοντος συσκευασίας. Αυτές περιλαμβάνουν αλλαγές στο pH, τη σύνθεση του αερίου και την παραγωγή χημικών και μικροβιακών ενώσεων αλλοίωσης όπως αμίνες, αμμωνία, H2S κ.λπ. Για την ανίχνευση και την ένδειξη της παρουσίας αυτών των βασικών ενώσεων, προστίθενται έξυπνες ενώσεις (ουσίες ευαίσθητες στην παρουσία μιας συγκεκριμένης ένωσης ή κατηγορίας ενώσεων) στα βιοπολυμερή κατά την παραγωγή του υλικού συσκευασίας. Για παράδειγμα, έχει αναφερθεί ότι αρκετές φυσικές χρωστικές αλλάζουν χρώμα ως απόκριση σε αλλαγές στο περιβάλλον συσκευασίας. Η αλλαγή χρώματος μπορεί εύκολα να ανιχνευθεί από τον καταναλωτή και υποδεικνύει την καταλληλότητα του συσκευασμένου προϊόντος για κατανάλωση.
Υποστηρικτικές τεχνολογίες: δείκτες, RFID και αισθητήρες
Οι κύριες συσκευές που θεωρούνται ως έξυπνες συσκευασίες για την παρακολούθηση των συνθηκών των τροφίμων παρατίθενται παρακάτω.
Δείκτες δεδομένων
Δείκτες που μεταφέρουν στον καταναλωτή πληροφορίες σχετικά με την παρουσία ή την απουσία μιας ουσίας, την έκταση μιας αντίδρασης μεταξύ δύο ή περισσότερων ουσιών ή τη συγκέντρωση μιας συγκεκριμένης ουσίας ή κατηγορίας ουσιών. Τις περισσότερες φορές, οι πληροφορίες αυτές εμφανίζονται μέσω άμεσων οπτικών αλλαγών, όπως διαφορετικές εντάσεις χρώματος ή η διάχυση μιας χρωστικής ουσίας κατά μήκος της γεωμετρίας του δείκτη. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία δεικτών, οι οποίοι μπορούν να περιοριστούν σε τρεις κατηγορίες, δηλαδή δείκτες χρόνου-θερμοκρασίας, δείκτες φρεσκάδας και δείκτες αερίου.
Δείκτες φορέα δεδομένων
Οι φορείς δεδομένων, γνωστοί και ως συσκευές αυτόματης αναγνώρισης, καθιστούν τη ροή πληροφοριών εντός της αλυσίδας εφοδιασμού τροφίμων πιο αποτελεσματική, προς όφελος της ποιότητας και της ασφάλειας των τροφίμων. Πιο συγκεκριμένα, οι φορείς δεδομένων δεν παρέχουν κανενός είδους πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση ποιότητας των τροφίμων, αλλά προορίζονται μάλλον για αυτοματοποίηση, ιχνηλασιμότητα, πρόληψη κλοπής ή προστασία από παραποίηση. Επιπλέον, οι φορείς δεδομένων τοποθετούνται συχνότερα σε τριτογενείς συσκευασίες (π.χ. δοχεία πολλαπλών κουτιών, κιβώτια αποστολής, παλέτες, μεγάλες συσκευασίες από χαρτόνι). Οι σημαντικότεροι φορείς δεδομένων στον τομέα της συσκευασίας τροφίμων παρατίθενται παρακάτω.
Γραμμωτοί κώδικες : Αυτές οι συσκευές, οι οποίες εκτελούν αυτόματη αναγνώριση, όχι μόνο παρέχουν ροή πληροφοριών εντός της αλυσίδας εφοδιασμού τροφίμων, αλλά αυξάνουν επίσης την αποτελεσματικότητα όσον αφορά την ποιότητα και την ασφάλεια των τροφίμων. Σκοπός τους είναι να παρέχουν αυτοματοποίηση, ιχνηλασιμότητα, προστασία από κλοπή ή παραποίηση, και όχι να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του τροφίμου. Συνήθως τοποθετούνται σε εξωτερική συσκευασία (κουτί, συσκευασία, παλέτα κ.λπ.) διαφορετική από τη συσκευασία του προϊόντος. Οι γραμμωτοί κώδικες χρησιμοποιούνται ευρέως σε λιανοπωλητές και καταστήματα για τον έλεγχο και την παρακολούθηση αποθεμάτων λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας χρήσης τους. Ένας γραμμωτός κώδικας αποτελείται από παράλληλα διαστήματα και γραμμές που είναι διατεταγμένες ώστε να αντιπροσωπεύουν 12ψήφια δεδομένα. Οι κωδικοποιημένες πληροφορίες διαβάζονται από έναν οπτικό σαρωτή γραμμωτού κώδικα, ο οποίος στέλνει τις πληροφορίες σε ένα σύστημα όπου αποθηκεύονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία.
Συστήματα Ραδιοσυχνικής Αναγνώρισης (RFID) : Περιλαμβάνουν τρία κύρια στοιχεία: 1) μια ετικέτα που αποτελείται από ένα μικροτσίπ συνδεδεμένο σε μια μικρή κεραία· 2) έναν αναγνώστη που εκπέμπει ραδιοσήματα και λαμβάνει απαντήσεις από την ετικέτα σε αντάλλαγμα· 3) ένα ενδιάμεσο λογισμικό (ένα τοπικό δίκτυο, έναν διακομιστή ιστού κ.λπ.) που συνδέει το υλικό RFID και τις επιχειρηματικές εφαρμογές. Δύο ξεχωριστά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας RFID είναι ο μεγάλος αριθμός διαφορετικών κωδικών που μπορούν να αποθηκευτούν στην ετικέτα και η δυνατότητα μεταφοράς και επικοινωνίας πληροφοριών ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, βελτιώνοντας έτσι τις αυτόματες λειτουργίες αναγνώρισης και ιχνηλασιμότητας προϊόντων. Η τεχνολογία RFID είναι γνωστή εδώ και πολύ καιρό, αλλά η διείσδυση αυτών των συσκευών στην αγορά έχει μείνει πίσω από τους γραμμωτούς κώδικες, κυρίως λόγω κόστους. Ωστόσο, η τεχνολογία RFID δεν πρέπει να θεωρείται ως αντικατάσταση των γραμμωτών κωδίκων. Οι τρέχουσες εφαρμογές των ετικετών RFID, εκτός από τον έλεγχο της κυκλοφορίας, την αναγνώριση παλετών, την ασφάλεια κτιρίων, την καθοδήγηση στάθμευσης και την παρακολούθηση και αναγνώριση ζώων, έχουν επίσης διάφορες εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων, όπως η αναγνώριση και η παρακολούθηση προϊόντων, η παρακολούθηση της ψυκτικής αλυσίδας, η διαχείριση προϊόντων και η πρόβλεψη διάρκειας ζωής.
Αισθητήρες
Ένας αισθητήρας είναι μια συσκευή ή σύστημα με ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου και επεξεργασίας, δίκτυα διασύνδεσης και λογισμικό. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση, τον εντοπισμό ή την ποσοτικοποίηση ενέργειας ή ύλης παρέχοντας ένα σήμα για την ανίχνευση ή τη μέτρηση μιας φυσικής ή χημικής ιδιότητας στην οποία ανταποκρίνεται η συσκευή. Στην πράξη, ένας αισθητήρας ανταποκρίνεται σε μια χημική ή φυσική ποσότητα για να παράγει μια ποσοτικοποιήσιμη έξοδο ανάλογη με τη μέτρηση. Οι πιο προηγμένες τεχνολογίες αισθητήρων που μπορούν να ενσωματώσουν έξυπνες συσκευές σε συσκευασίες εμπίπτουν σε δύο κύριες ομάδες.
Βιοαισθητήρες : Η κύρια διαφορά μεταξύ χημικών αισθητήρων και βιοαισθητήρων έγκειται στο στρώμα αναγνώρισης. Ενώ στους χημικούς αισθητήρες ο υποδοχέας είναι μια χημική ένωση, στους βιοαισθητήρες το στρώμα αναγνώρισης αποτελείται από βιολογικά υλικά όπως ένζυμα, αντισώματα, αντιγόνα, φάγους και νουκλεϊκά οξέα. Οι βιοαισθητήρες είναι αισθητήρες με βιολογικό αναλύτη όπου η αλλαγή στο προϊόν ανιχνεύεται και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα.
Αισθητήρες Αερίων : Έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση αέριων ή πτητικών ενώσεων όπως διοξείδιο του άνθρακα, οξυγόνο, πτητικές αμίνες και ορισμένα άλλα αέρια. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιείται για την ακριβή ανίχνευση των επιπέδων του χρησιμοποιώντας δείκτη βαφής και α-ναφθοφθαλεΐνη. Αυτοί οι αισθητήρες χαρακτηρίζονται επίσης από τοξικότητα που προκαλείται από την εκτόπιση χρωστικών ουσιών. Συνήθεις αισθητήρες αερίου είναι ο οπτοχημικός ανιχνευτής αισθητήρα αερίου, ο αισθητήρας αερίου που βασίζεται σε sol gel, ο αισθητήρας αερίου που βασίζεται σε χρωματομετρική ανίχνευση, ο αισθητήρας αερίου που βασίζεται σε φωτοφωταύγεια και ο αισθητήρας αερίου που βασίζεται σε χρωματομετρική ανίχνευση.
Πειραματικές εφαρμογές: έξυπνες συσκευασίες από απορρίμματα τροφίμων
Στο Εργαστήριο Χημικών Θεμελιώσεων Τεχνολογιών του Τμήματος Βιομηχανικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Σαλέρνο, έχουν σχεδιαστεί και αναπτυχθεί νέες συσκευές που εμπίπτουν στην κατηγορία των έξυπνων συσκευασιών , οι οποίες προέρχονται από απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων. Η ενεργή φάση αποτελείται από φυσικά εκχυλίσματα Curcuma longa και στέμφυλου κρασιού Lambrusco, ένα υποπροϊόν της επεξεργασίας οίνου στην περιοχή της Απουλίας. Το υπόστρωμα, από την άλλη πλευρά, αποτελείται από λωρίδες με βάση το άμυλο ρυζιού, την πηκτίνη μήλου και το αλγινικό νάτριο. Είναι ενδιαφέρον να τονιστεί η επαναχρησιμοποίηση αποβλήτων από διαφορετικές πηγές για να τους δοθεί νέα ζωή και να παραχθούν νέα έξυπνα υλικά με υψηλή προστιθέμενη αξία.
Στην εν λόγω πειραματική ερευνητική εργασία, μελετήθηκε η επίδραση των δύο φυσικών ενώσεων και ο συνεργιστικός συνδυασμός τους στις ιδιότητες και την απόδοση των βιοφίλμ από μορφολογική, μηχανική, θερμική και φραγματική άποψη. Η ιδέα της χρήσης ενός συνδυασμού φυσικών εκχυλισμάτων έγκειται στην ικανότητά τους να αντιδρούν γρήγορα σε ξαφνικές αλλαγές στο pH που συμβαίνουν μετά την αλλοίωση των τροφίμων. Επιπλέον, η αλλαγή του pH υποδηλώνει μια χρωματομετρική αλλαγή που μπορεί να αξιοποιηθεί για την ταχεία και απλή οπτική ανίχνευση της ποιότητας των τροφίμων κατά την αποθήκευση, τη μεταφορά και τη συσκευασία. Οι χρήστες μπορούν επομένως να διακρίνουν μεταξύ φρέσκων και αλλοιωμένων τροφίμων αποτρέποντας το άνοιγμα της συσκευασίας, οδηγώντας σε βελτίωση της ποιότητας των τροφίμων και μείωση της σπατάλης τροφίμων . Αυτή η τεχνολογία ευνοεί τον σχεδιασμό έξυπνων συσκευών που ανταποκρίνονται σε πραγματικό χρόνο στις αλλαγές στην ποιότητα των τροφίμων προσφέροντας χρωματομετρική απόκριση.
Σχήμα 1. Εφαρμογή δεικτών pH για την παρακολούθηση της αλλοίωσης των γαρίδων
Πρακτική εφαρμογή έξυπνης συσκευασίας σε θαλασσινά προϊόντα
Συγκεκριμένα, εστιάσαμε στην ικανότητα των έξυπνων συσκευασιών να ανιχνεύουν διαφορετικές συγκεντρώσεις ατμών αμμωνίας που συνήθως παράγονται μετά την αλλοίωση των πρωτεϊνούχων τροφών (για παράδειγμα, προϊόντων ψαριού) μετά από πρωτεόλυση. Τα συστήματα που παράγονται με φυσικά εκχυλίσματα κρασιού Lambrusco και κουρκουμίνης ανταποκρίνονται γρήγορα στις διακυμάνσεις του pH στο σύστημα συσκευασίας, παρουσιάζοντας υψηλή «ευαισθησία». Προκειμένου να καταδειχθεί η πιθανή εφαρμογή των ληφθέντων συστημάτων στην παρακολούθηση της αλλοίωσης των πρωτεϊνούχων προϊόντων, χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της ποιότητας ενός προϊόντος ψαριού, των γαρίδων, καθώς ο χρόνος και η θερμοκρασία αποθήκευσης ποικίλλουν. Με την πάροδο του χρόνου, το pH των γαρίδων τείνει να αυξάνεται με την επακόλουθη απελευθέρωση πτητικών αμμωνιακών ουσιών, εύκολα ανιχνεύσιμες χρησιμοποιώντας δείκτες pH που ανταποκρίνονται προσφέροντας ένα οπτικό ίχνος (από ροζ σε πράσινο/μπλε για το σύστημα με το εκχύλισμα Lambrusco και από πορτοκαλί σε κόκκινο/καφέ για το σύστημα με κουρκουμίνη) εύκολα ανιχνεύσιμο από το ανθρώπινο μάτι μετά από λίγες ημέρες, επιτρέποντας στον τελικό καταναλωτή να αξιολογήσει σε πραγματικό χρόνο την ποιότητα του προϊόντος που πρόκειται να αγοράσει. Συμπερασματικά, η ενσωμάτωση ανθοκυανινών και κουρκουμίνης και η συνέργειά τους σε μεμβράνες που λαμβάνονται από απόβλητα ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη νέων έξυπνων συσκευασιών που δεν επηρεάζουν την ποιότητα και τις οργανοληπτικές ιδιότητες του συσκευασμένου προϊόντος. Επομένως, τα συστήματα που βρίσκονται υπό πειραματική έρευνα μπορούν να εφαρμοστούν ως έξυπνες και μη καταστροφικές συσκευασίες που παρακολουθούν με ασφάλεια την αλλοίωση ενός πρωτεϊνικού προϊόντος (γαρίδας) σε πραγματικό χρόνο και συμβουλεύουν τους τελικούς χρήστες σχετικά με την εμφάνιση αλλοίωσης τροφίμων, προκειμένου να αποφευχθεί η σπατάλη τροφίμων και ο κίνδυνος τροφικής δηλητηρίασης (Σχήμα 1) .
Επιμέλεια: Giuliana Gorrasi* και Gianluca Viscusi
Τμήμα Βιομηχανικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο του Σαλέρνο
©uvadatavola.com
