Array di sensori colorimetrici per monitorare la degradazione della carne

The meat spoilage is a very complex combination of processes, related to bacterial activities which, depending on external conditions, are responsible of oxidation of glucose, lactic acid and fatty acid and, eventually, of degradation of proteins. The methods commonly employed to evaluate meat quality require instrumental or microbiological analysis and sensory evaluation. They are all expensive methods, that require specialized people and have long time response. Numerous efforts are under way to develop automated techniques and/or methods that allow a continuous and simple monitoring, for in-field application, like home setting, supermarket, store. In this way, through simple, low-cost and highly efficient and effective methods, also consumers could directly detect the meat freshness. We can include in this category biosensors, electronic devices (e-nose and e-tongue) and colorimetric sensors. Colorimetric sensors based on colorimetric indicators are capable of changing color due to a reaction with volatile compounds produced on packaged meat samples. Either included directly on packaging, or attached with on-package sticker, they offer the simplest, practical, instrumentless way for monitoring meat freshness, directly detected using naked eye. Actually, many examples can be found that follow this idea. Immobilized bromocresol green was used for fish spoilage indicator, or mixed pH dye based indicator as been proposed as a “chemical barcode” (bromothymol blue and methyl red or bromothymol blue, bromocresol green and phenol red were used as single indicator. The disadvantage with a single sensor is like to that encountered in classical acid base titration technique using a pH dye. It is difficult to determine the onset of detection related to the spoilage threshold, where it could be too early or too late when it correlated with microbial growth. Moreover, in literature the attention was almost always focused identification of biological amines, BA. As demonstrated, in the early spoilage other events take place, and the chemical spoilage index, CSI, is associated with production of EtOH, 3 methyl 1-butanol and free fatty acid, particularly acetic acid, which are definitively the major VOCs. Any meat at this stage is still a safety product. Amines production begins after, when the estimated shelf lives are beyond the expiry date, and meat spoilage is manifested as off-odors and discoloration. Consumption of meat at this stage could be a serious hazard. With this in our mind, we selected different dyes that change their color in a wider pH range and focused our attention on chicken meat, following the spoilage aerobically at ambient temperature. We selected a panel of pH indicator dyes with different pKa values. Ligands were embedded into an anion exchange cellulose sheets, to obtain colored spots. Color image analysis was chosen for the colorimetric analysis. An array of 6 spots were placed over the tray containing a sample of the skinless chicken breast, but under the PVC package, avoiding direct contact with meat. Photos of the array were acquired for each sample as function of time, RBG index were used for monitoring the spoilage, Principal Component Analysis to model the data set. The different spoilage steps are being confirmed by SPME analysis in mass spectroscopy of VOC’s on head space of meat samples followed simultaneously with spots evolution. After this and other tests to validate the model, we will complete the spoilage model in the fridge.

Nei numerosi lavori proposti in letteratura sulla preparazione di sensori colorimetrici, l’attenzione viene sempre rivolta alla individuazione, se non a volte determinazione, delle ammine biogeniche, a causa dell’elevata tossicità. L’obiettivo primario è salvaguardare la salute del consumatore ed è importante avere un segnale chiaro che indichi che il prodotto non deve essere consumato. Questo, anche se improbabile, potrebbe comunque succedere se la catena del freddo non si fosse mantenuta o il prodotto si fosse accidentalmente contaminato, perché ricordiamo che questo tipo di alimento è estremamente deperibile. Tuttavia, normalmente la produzione di ammine, in qualunque tipo di carne, si verifica solo in una seconda ed ultima fase della decomposizione, e in genere è temporalmente oltre i termini entro cui se ne consiglia il consumo. L’odore e l’aspetto (il cambio di colore), per la carne di pollo l’aspetto viscido, danno, al di là di qualunque risposta di un sensore, che comunque aiuta, indicazioni chiare di astenersi dal consumo. C’è invece un periodo che intercorre fra l’acquisto della carne dallo scaffale del supermercato e il consumo vero e proprio, anche dentro la scadenza consigliata, o nei suoi dintorni, in cui si hanno legittimamente dei dubbi sullo stato della carne. Capire dove si è arrivati e magari decidere per un trattamento del cibo, anziché un altro, può essere estremamente utile e molto ben visto dal consumatore. Le industrie che producono imballaggi per alimenti confermano questo interesse, verso imballaggi di ultima generazione che forniscano, oltre alla tracciabilità completa di un alimento, indicazioni sulla cui base si possa, da soli, decidere se è ancora il caso di consumarlo e in che modo. È proprio in quella finestra temporale, più o meno estesa, che c’è molto spazio da colmare e che a nostra conoscenza nessuno si è mai preoccupato a livello di sensori per questo monitoraggio. E nelle prime fasi della degradazione si assiste a processi metabolici molto diversi da quelli che producono ammine, che liberano, invece, alcoli, acidi grassi a catena corta, soprattutto acido acetico e propanoico. Queste molecole hanno un’elevata volatilità e esercitano le loro proprietà acido base; per questo motivo si sono ricercati prodotti debolmente acidi nello spazio di testa delle vaschette di carne confezionata. Va fatto notare che nella prima fase, la decomposizione sta procedendo, e di fatto è iniziata con la morte stessa dell’animale, ma il prodotto è assolutamente commestibile. Nessuno dei metaboliti che si producono dalla carne in questa fase è pericoloso per la salute. Se si selezionano indicatori di pH, in modo opportuno, si è in grado in grado di distinguere attraverso una precisa variazione di colore di un opportuno sensore, o più sensori, la fase di produzione di acidi, da quella successiva di vera e propria decomposizione. Il consumatore guardando l’array di sensori sul coperchio della confezione, ora dopo ora, sarà in grado di conoscere a che livello di conservazione è il prodotto. Il presente lavoro di tesi è stato condotto con questo obiettivo in mente: produrre un array che permetta di monitorare l’intero processo di decomposizione, che sia idoneo a un l’utilizzo su larga scala, adatto ad essere implementato in una pellicola da incorporare direttamente sul packaging, in modo che la valutazione venga fatta direttamente ad occhi nudo dal consumatore. Alla fine abbiamo selezionato 6 indicatori, 5 acido base e uno specifico per i tioli, una tipologia di carne, la carne di pollo su cui per ora abbiamo costruito il modello basato sulla analisi colorimetrica che permette di identificare lo stadio a cui è arrivato un campione di carne. Abbiamo condotto simultaneamente analisi strumentali sullo spazio di testa per validare indirettamente la correttezza della classificazione sulla cui base definiamo il grado di degradazione della carne.