Nuevo sensor podría ayudar a prevenir el desperdicio de alimentos

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2020-03-18Nuevo sensor podría ayudar a prevenir el desperdicio de alimentos

MIT |El monitoreo de la hormona vegetal etileno podría revelar cuándo las frutas y verduras están a punto de echarse a perder.

Cuando las flores florecen y las frutas maduran, emiten un gas incoloro y de olor dulce llamado etileno. Los químicos del MIT ahora han creado un pequeño sensor que puede detectar este gas en concentraciones tan bajas como 15 partes por billón, que creen que podría ser útil para prevenir el deterioro de los alimentos.

El sensor, que está hecho de cilindros semiconductores llamados nanotubos de carbono, podría usarse para monitorear frutas y verduras a medida que se envían y almacenan, lo que ayuda a reducir el desperdicio de alimentos, dice Timothy Swager, profesor de química John D. MacArthur en el MIT.

Existe una necesidad persistente de una mejor gestión de los alimentos y la reducción del desperdicio de alimentos", dice Swager. "A las personas que transportan fruta alrededor les gustaría saber cómo les va durante el tránsito y si necesitan tomar medidas para mantener el etileno bajo mientras lo transportan.

Además de su papel natural como hormona vegetal, el etileno también es el compuesto orgánico más ampliamente fabricado en el mundo y se utiliza para fabricar productos como plásticos y ropa. Los investigadores dicen que un detector de etileno también podría ser útil para monitorear este tipo de fabricación industrial de etileno.

Swager es el autor principal del estudio, que aparece hoy en la revista ACS Central. El postdoctorado del MIT Darryl Fong es el autor principal del artículo, y el estudiante graduado del MIT Shao-Xiong (Lennon) Luo y el erudito visitante Rafaela Da Silveira Andre también son autores.

El etileno es producido por la mayoría de las plantas, que lo usan como una hormona para estimular el crecimiento, la maduración y otras etapas clave de su ciclo de vida. Los plátanos, por ejemplo, producen cantidades crecientes de etileno a medida que maduran y se vuelven marrones, y las flores lo producen a medida que se preparan para florecer. Los productos y las flores bajo estrés pueden producir en exceso etileno, lo que los lleva a madurar o marchitarse prematuramente. Según el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, se estima que cada año los supermercados estadounidenses pierden alrededor del 12 por ciento de sus frutas y verduras.

En 2012, el laboratorio de Swager desarrolló un sensor de etileno que contiene matrices de decenas de miles de nanotubos de carbono. Estos cilindros de carbono permiten que los electrones fluyan a lo largo de ellos, pero los investigadores agregaron átomos de cobre que ralentizan el flujo de electrones. Cuando hay etileno presente, se une a los átomos de cobre y ralentiza los electrones aún más. Medir esta ralentización puede revelar cuánto etileno está presente. Sin embargo, este sensor solo puede detectar niveles de etileno de hasta 500 partes por mil millones, y debido a que los sensores contienen cobre, es probable que eventualmente se corroan por el oxígeno y dejen de funcionar.

"Todavía no hay un buen sensor comercial para el etileno", dice Swager. "Para administrar cualquier tipo de producto que se almacene a largo plazo, como manzanas o papas, a la gente le gustaría poder medir su etileno para determinar si está en modo de estasis o si está madurando".

Swager y Fong crearon un nuevo tipo de sensor de etileno que también se basa en nanotubos de carbono pero funciona por un mecanismo completamente diferente, conocido como oxidación Wacker. En lugar de incorporar un metal como el cobre que se une directamente al etileno, utilizaron un catalizador metálico llamado paladio que agrega oxígeno al etileno durante un proceso llamado oxidación.

A medida que el catalizador de paladio realiza esta oxidación, el catalizador gana electrones temporalmente. El paladio luego pasa estos electrones adicionales a los nanotubos de carbono, haciéndolos más conductores. Al medir el cambio resultante en el flujo de corriente, los investigadores pueden detectar la presencia de etileno.

El sensor responde al etileno a los pocos segundos de exposición, y una vez que el gas desaparece, el sensor vuelve a su conductividad de referencia en unos pocos minutos.

"Estás alternando entre dos estados diferentes del metal, y una vez que el etileno ya no está allí, pasa de ese estado transitorio y rico en electrones a su estado original", dice Fong.

"La reutilización del sistema catalítico de oxidación Wacker para la detección de etileno fue una idea excepcionalmente inteligente y fundamentalmente interdisciplinaria", dice Zachary Wickens, profesor asistente de química en la Universidad de Wisconsin, que no participó en el estudio. "El equipo de investigación se basó en modificaciones recientes a la oxidación de Wacker para proporcionar un sistema catalítico robusto y lo incorporó a un dispositivo basado en nanotubos de carbono para proporcionar un sensor de etileno notablemente selectivo y simple".

En flor

Para probar las capacidades del sensor, los investigadores depositaron los nanotubos de carbono y otros componentes del sensor en un portaobjetos de vidrio. Luego lo usaron para monitorear la producción de etileno en dos tipos de flores: claveles y lisianthus morados. Midieron la producción de etileno durante cinco días, lo que les permitió rastrear la relación entre los niveles de etileno y la floración de las plantas.

En sus estudios de claveles, los investigadores encontraron que hubo un rápido aumento en la concentración de etileno el primer día del experimento, y las flores florecieron poco después, todo en un día o dos.

Las flores púrpuras de lisianthus mostraron un aumento más gradual en etileno que comenzó durante el primer día y duró hasta el cuarto día, cuando comenzó a declinar. En consecuencia, la floración de las flores se extendió durante varios días, y algunas aún no habían florecido al final del experimento.

Los investigadores también estudiaron si los paquetes de alimentos vegetales que venían con las flores tenían algún efecto en la producción de etileno. Descubrieron que las plantas que recibieron los alimentos mostraron retrasos leves en la producción y floración de etileno, pero el efecto no fue significativo (solo unas pocas horas).

El equipo del MIT ha solicitado una patente sobre el nuevo sensor. La investigación fue financiada por la National Science Foundation, el Programa de Tecnología de Calidad Ambiental del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., El Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá y la Fundación de Investigación de Sao Paulo.


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