Gli standard di sicurezza e qualità degli alimenti non sono mai stati più elevati in Germania e in tutta l'Unione Europea. Ciò è particolarmente vero nel settore lattiero-caseario. Eppure, nonostante standard così elevati, tracce di impurità, pesticidi e antibiotici possono trovare la loro strada nel latte, con conseguenze talvolta gravi per la salute dei consumatori. Nel progetto MOLOKO, finanziato dall'UE, I ricercatori di Fraunhofer hanno collaborato con i partner per sviluppare un nuovo sensore optoplasmonico progettato per fornire un rapido, analisi in loco dei parametri di sicurezza e qualità del latte. Questo sistema di allerta porterà all'industria un notevole risparmio di tempo e denaro, nonché una drastica riduzione dello spreco di prodotto, contribuendo così a migliorare le prestazioni lungo l'intera catena di approvvigionamento.

La sicurezza alimentare è un fattore critico nell'industria alimentare, non da ultimo nel settore lattiero-caseario. Qui, le infezioni della mammella possono portare a organismi nocivi che entrano nel latte, e sostanze chimiche come antibiotici o pesticidi possono contaminare il prodotto attraverso i foraggi o come risultato di un controllo inadeguato delle attrezzature e delle strutture di stoccaggio. Per evitare che il latte adulterato entri nella catena alimentare, i controlli vengono effettuati lungo tutto il processo produttivo e la filiera. Eppure questi test standard sono costosi e richiedono molto tempo. I campioni vengono prelevati da cisterne per latte contenenti una miscela di prodotti raccolti da un numero qualsiasi di allevamenti e quindi analizzati in laboratorio. Se il latte risulta contaminato, l'intero carico deve essere distrutto, con perdite elevate per tutti gli agricoltori e i caseifici interessati. Se esistesse un test con cui gli allevatori potessero controllare il proprio latte prima che venga raccolto dall'autocisterna, tale spreco potrebbe essere evitato.

Il controllo di qualità fornisce risultati in cinque minuti

Nel progetto MOLOKO (Multiplex phOtonic sensor for pLasmonic-based Online detection of contaminants in milK), 12 partner di sette paesi, tra cui un caseificio, hanno ideato un test rapido ed economico per identificare i fattori di qualità nel latte. In un test della durata di circa cinque minuti, un nuovo sensore optoplasmonico analizza il prodotto per un totale di sei sostanze, fornendo così un controllo supplementare e un sistema di allerta precoce all'interno della catena di approvvigionamento, ben prima che il latte venga pompato nella cisterna. Il sensore è funzionalizzato con recettori per anticorpi specifici che fungono da indicatori di vari parametri di qualità e sicurezza per il latte. Consente così alle aziende lattiero-casearie di effettuare operazioni automatizzate, analisi quantitative in loco.

Architettura unica del sensore integrato

L'intero sistema è costituito da un chip microfluidico riutilizzabile, transistor organici a emissione di luce (OLET) o diodi (OLED), un sensore comprendente fotorivelatori organici (OPD), un reticolo plasmonico nanostrutturato e gli anticorpi specifici. Il fotorilevatore organico è in fase di sviluppo presso il Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Tecnologia a fascio di elettroni e plasma FEP, e il chip microfluidico presso il Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS. L'OLET, nel frattempo, è sviluppato dal CNR-ISMN di Bologna, e il reticolo fotonico della ditta Plasmore Srl di Pavia, entrambi in Italia. Coordinatore del progetto è il CNR-ISMN.

"La cosa unica del nostro chip è che può essere riutilizzato, " spiega Andreas Morschhauser, ricercatore presso Fraunhofer ENAS. "Le molecole bersaglio vengono eliminate dagli anticorpi immobilizzati da un tampone rigenerante. Ciò significa che gli anticorpi possono essere riutilizzati per ulteriori test". Infatti, la vita stimata del chip è di 100 cicli di test. In ogni prova, vengono misurati un totale di sei parametri relativi a contaminanti e proteine. Per questo scopo, Morschhauser e i suoi colleghi hanno sviluppato un sistema microfluidico sotto forma di un sistema automatizzato, cartuccia miniaturizzata sostituibile. Oltre a fornire informazioni sulla sicurezza e la qualità del latte, i parametri misurati comunicano inoltre agli allevatori la salute e le condizioni di ogni vacca. Questo li aiuta a individuare le infezioni in una fase iniziale e iniziare immediatamente il trattamento. Un trattamento tempestivo può portare a una somministrazione più oculata di antibiotici e quindi a una riduzione del loro uso.

Un reticolo nanostrutturato per la risonanza plasmonica di superficie

Ma come funziona il test? Dott. Michael Törker, un ricercatore presso Fraunhofer FEP, spiega:"La luce emessa dal transistor cade su una grata ricoperta di anticorpi specifici per le varie sostanze in esame. Quando il latte viene versato sulla grata, eventuali molecole bersaglio nel latte si legano agli anticorpi. Ciò altera l'indice di rifrazione nelle immediate vicinanze del reticolo, che a sua volta modifica il modo in cui questa luce viene riflessa. La luce riflessa viene registrata dal fotorilevatore, che misura variazioni minime dell'indice di rifrazione." Questo fenomeno di base, che avviene su nanograting appositamente strutturati, è nota come risonanza plasmonica di superficie. Fornisce letture rapide e altamente sensibili.

L'obiettivo è utilizzare questo biosensore in vari punti lungo la catena del valore, sia come dispositivo di laboratorio che installato direttamente nelle apparecchiature per latticini. Inoltre, sarà adatto anche per testare la qualità di liquidi diversi dal latte, come birra o acqua. L'unico aggiustamento richiesto è una modifica alle molecole di cattura immobilizzate e al necessario tampone di reazione. Ciò comporterebbe semplicemente la sostituzione delle molecole di cattura con altre opportunamente modificate per lo scopo in questione.